ќсобенности эксплуатации устройств защиты от импульсных перенапр€жений в низковольтных силовых распределительных сет€х

ќсобенности эксплуатации устройств защиты от импульсных перенапр€жений в низковольтных силовых распределительных сет€х

¬ предыдущих номерах журнала были изложены теоретические основы применени€ устройств защиты от импульсных перенапр€жений (”«»ѕ) в низковольтных электрических сет€х. ѕри этом отмечалась необходимость отдельного более детального рассмотрени€ некоторых особенностей эксплуатации ”«»ѕ, а также типовых аварийных ситуаций, которые могут возникнуть при этом.


1. ƒиагностика устройств защиты от перенапр€жени€


 онструкци€ и параметры устройств защиты от импульсных перенапр€жени€ посто€нно совершенствуютс€, повышаетс€ их надежность, снижаютс€ требовани€ по техническому обслуживанию и контролю. Ќо, не смотр€ на это, нельз€ оставл€ть без внимани€ веро€тность их повреждени€, особенно при интенсивных грозах, когда может произойти несколько ударов молнии непосредственно в защищаемый объект или вблизи от него во врем€ одной грозы. ”стройства защиты, примен€емые в низковольтных электрических сет€х и в сет€х передачи информации подвержены так называемому старению (деградации), т. е. постепенной потере своих способностей ограничивать импульсные перенапр€жени€. »нтенсивнее всего процесс старени€ протекает при повтор€ющихс€ грозовых ударах в течении короткого промежутка времени в несколько секунд или минут, когда амплитуды импульсных токов достигают предельных максимальных параметров Imax (8/20 мк—) или Iimp (10/350 мк—) дл€ конкретных типов защитных устройств.
ѕовреждение ”«»ѕ происходит следующим образом. –азр€дные токи, протекающие при срабатывании защитных устройств, нагревают корпуса их нелинейных элементов до такой температуры, что при повторных ударах с той же интенсивностью (в не успевшее остыть устройство) происходит:
- у варисторов - нарушение структуры кристалла (тепловой пробой) или его полное разрушение;
- у металлокерамических газонаполненных разр€дников (грозозащитных разр€дников) -изменение свойств в результате утечки газов и последующее разрушение керамического корпуса;
- у разр€дников на основе открытых искровых промежутков - за счет взрывного выброса ионизированных газов во внутреннее пространство распределительного щита могут возникать повреждени€ изол€ции кабелей, клеммных колодок и других элементов электрического шкафа или его внутренней поверхности. Ќа практике известны даже случаи значительной деформации металлических шкафов, сравнимые только с последстви€ми взрыва ручной гранаты. ¬ажной особенностью при эксплуатации разр€дников этого типа в распределительных щитах €вл€етс€ также необходимость повышени€ мер противопожарной безопасности.
ѕо указанным выше причинам все изготовители устройств защиты от перенапр€жени€ рекомендуют осуществл€ть их регул€рный контроль, особенно после каждой сильной грозы. ѕроверку необходимо осуществл€ть с помощью специальных тестеров, которые обычно можно заказать у фирм, занимающихс€ техникой защиты от перенапр€жений.  онтроль, осуществл€емый другими способами, например, визуально или с помощью универсальных измерительных приборов, в этом случае €вл€етс€ неэффективным по следующим причинам:
- ¬аристорное защитное устройство может быть повреждено, хот€ сигнализаци€ о выходе варистора из стро€ не сработала. ¬аристор может обладать искажЄнной вольтамперной характеристикой (более высока€ утечка) в области токов до 1 мј (область рабочих токов при рабочем напр€жении сети; насто€щую область не возможно проверить с помощью обычно примен€емых приборов). ѕроверка осуществл€етс€ минимально в 2-х точках характеристики, напр. при 10 и 1000 мкј, с помощью специального источника тока с высоким подъЄмом напр€жени€ (1 до 1,5 к¬)
- ћеталлокерамический газонаполненный (грозовой) разр€дник - с помощью визуального контрол€ можно заметить только поврежденный от взрыва внешний декоративный корпус устройства (или его выводы). „то бы вы€снить состо€ние самого разр€дника необходимо разобрать внешний корпус, но даже при таком контроле практически нельз€ обнаружить утечку его газового зар€да.  онтроль напр€жени€ зажигани€ грозового разр€дника с помощью обыкновенных измерительных приборов выполнить очень трудно, он осуществл€етс€ при помощи специализированных тестеров.
- –азр€дник с открытым искровым промежутком - проверку исправной работы можно осуществить только после его демонтажа и измерени€ с помощью генератора грозового тока с характеристикой 10/350 мкс по заказу у изготовител€ устройств дл€ защиты от импульсных перенапр€жений.


2. «ащита от токов утечки и короткого замыкани€ в устройствах защиты от
импульсных перенапр€жений


ќсновным принципом работы устройства защиты от импульсных перенапр€жений €вл€етс€ выравнивание потенциалов между двум€ проводниками, одним из которых €вл€етс€ фазный (L) проводник, а другим нулевой рабочий (N) или (–≈ ) проводник, т.е. устройство включаетс€ параллельно нагрузке. ѕри этом, в случае выхода из стро€ ”«»ѕ (пробой изол€ции, пробой или разрушение нелинейного элемента) или невозможности гашени€ сопровождающего тока (в случае применени€ искровых разр€дников или разр€дников скольз€щего разр€да) возможно возникновение режима короткого замыкани€ между данными проводниками, что может привести к повреждению электроустановки и даже возникновению пожара. —тандартами ћЁ  предусматриваетс€ два об€зательных способа защиты электроустановок потребител€ 220/380 ¬ от подобного рода ситуаций.
2.1. ”стройство теплового отключени€ в варисторных устройствах защиты от
импульсных перенапр€жений
»меющеес€ в варисторных ограничител€х перенапр€жений устройство отключени€ при перегреве (теплова€ защита), как правило, срабатывает в результате процесса старени€ варистора. —уть €влени€ заключаетс€ в том, что при длительной эксплуатации, а также в результате воздействий импульсов тока большой амплитуды происходит постепенное разрушение p-n переходов в структуре варистора, что приводит к снижению значени€ такого важного параметра, как наибольшее длительно допустимое рабочее напр€жение защитного устройства (максимальное рабочее напр€жение) Uc. Ётот параметр определ€етс€ дл€ действующего напр€жени€ электрической сети и указываетс€ производител€ми защитных устройств в паспортных данных и, как правило, непосредственно на корпусе защитного устройства. ƒл€ примера: если на корпусе защитного устройства указано значение Uc = 275 ¬, это обозначает, что устройство будет нормально функционировать в электропитающей сети номиналом 220 ¬ при увеличении действующего напр€жени€ на его клеммах до 275 ¬ включительно (значение вз€то с достаточным запасом при условии выполнени€ электроснабжающей организацией требований √ќ—“ 13109 ЂЌормы качества электрической энергии в системах электроснабжени€ общего назначени€ї).
¬ результате Ђстарени€ї варистора значение Uc снижаетс€ и в определенный момент времени может оказатьс€ меньше чем действующее напр€жение в сети. Ёто приведет к возрастанию токов утечки через варистор и быстрому повышению его температуры, что может вызвать деформацию корпуса устройства, проплавление фазными клеммами пластмассы и, в конечном итоге, короткое замыкание на DIN-рейку и даже пожар.
¬ св€зи с этим, дл€ применени€ в электроустановках рекомендуютс€ только те варисторные ограничители перенапр€жени€, которые имеют в своем составе устройство теплового отключени€ (терморазмыкатель).  онструкци€ данного устройства, как правило, очень проста и состоит из подпружиненного контакта, припа€нного легкоплавким припоем к одному из выводов варистора, и св€занной с ним системы местной сигнализации. ¬ некоторых устройствах дополнительно примен€ютс€ Ђсухиеї контакты дл€ подключени€ дистанционной сигнализации о выходе ограничител€ перенапр€жений из стро€, позвол€ющие с помощью физической линии передавать информацию об этом на пульт диспетчера или на вход какой-либо системы обработки и передачи телеметрических данных.

2.2. ѕрименение быстродействующих предохранителей дл€ защиты от токов короткого замыкани€


Ќесколько друга€ ситуаци€ возникает в случае установившегос€ длительного превышени€ действующего напр€жени€ в сети над наибольшим длительно допустимым рабочим напр€жением защитного устройства (Uc), определенным “” дл€ данного ”«»ѕ. ѕримером такой ситуации может быть повышение напр€жени€ по вине поставщика электроэнергии или обрыв (отгорание) нулевого проводника при вводе в электроустановку (в трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью трансформатора).  ак известно, в последнем случае к нагрузке может оказатьс€ приложенным межфазное напр€жение 380 ¬. ѕри этом устройство защиты от импульсных перенапр€жений сработает, и через него начнет протекать ток. ¬еличина этого тока будет стремитьс€ к величине тока короткого замыкани€ (рассчитываетс€ по общеизвестным методикам дл€ каждой точки электроустановки) и может достигать нескольких сотен ампер. ѕрактика показывает, что устройство тепловой защиты не успевает отреагировать в подобных ситуаци€х из-за инерционности конструкции. ¬аристор, как правило, разрушаетс€ в течение нескольких секунд, после чего режим короткого замыкани€ также может сохран€тьс€ через дугу (по продуктам разрушени€ и горени€ варистора).  ак же как и в предыдущем случае, возникает веро€тность замыкани€ клемм устройства на корпус шкафа или DIN-рейку при расплавлении пластмассы корпуса и возможность повреждени€ изол€ции проводников в цеп€х включени€ защитных устройств. —казанное выше относитс€ не только к варисторным ограничител€м, но и к ”«»ѕ на базе разр€дников, которые не имеют в своем составе устройства теплового отключени€.

ƒл€ того чтобы предотвратить подобные последстви€ рекомендуетс€ устанавливать последовательно с устройствами защиты от импульсных перенапр€жений предохранители с характеристиками срабатывани€ gG или gL (классификаци€ согласно требовани€м стандартов √ќ—“ – 50339.0-92 (ћЁ  60269-1-86) или VDE 0636 (√ермани€) соответственно).
ѕрактически все производители устройств защиты от импульсных перенапр€жений в своих каталогах привод€т требовани€ по номинальному значению и типу характеристики срабатывани€ предохранителей дополнительной защиты от токов короткого замыкани€.  ак уже указывалось выше, дл€ этих целей используютс€ предохранители типа gG или gL, предназначенные дл€ защиты проводок и распределительных устройств от перегрузок и коротких замыканий. ќни обладают значительно меньшим (на 1-2 пор€дка) временем срабатывани€ по сравнению с автоматическими выключател€ми тех же номиналов. ѕри этом предохранители имеют более высокую стойкость к импульсным токам значительных величин. ѕрактический опыт и данные экспериментальных испытаний показывают, что автоматические выключатели очень часто повреждаютс€ при воздействии импульсных перенапр€жений. »звестны случаи подгорани€ контактов или приваривани€ их друг к другу. » в том и в другом случае автоматический выключатель не сможет в дальнейшем выполн€ть свои функции.
¬озможны различные варианты применени€ предохранителей и, соответственно, существует р€д особенностей, которые необходимо учитывать еще на этапе проектировани€ схемы электроснабжени€ или при изготовлении щитовой продукции. ќдна из таких особенностей заключаетс€ в том, что в случае, если в качестве защиты от токов короткого замыкани€ будет использоватьс€ только обща€ защита (вводные предохранители), то при коротком замыкании в любом ”«»ѕ (первой, второй или третьей ступени) всегда будет обесточиватьс€ вс€ электроустановка в целом или кака€-то ее  часть.   ѕрименение   предохранителей,   включенных   последовательно   с   каждым защитным устройством, исключает такую ситуацию. Ќо при этом встает вопрос подбора предохранителей с точки зрени€ селективности (очередности) их срабатывани€. –ешение этого вопроса осуществл€етс€ путем применени€ предохранителей тех типов и номиналов, которые рекомендованы производителем конкретных моделей устройств защиты от перенапр€жений.

ѕ–»ћ≈–: ѕри использовании в схеме, приведенной на рисунке 4, разр€дников HS55 в первой ступени защиты и варисторных ”«»ѕ PIII280 во второй ступени применение предохранителей F5-F7 и F8-F10 будет обусловлено выбором номинального значени€ предохранителей F1-F3:
Х ѕри значении F1-F3 более 315 ј gG, значени€ F7-F9 и F10-F12 выбираютс€ -315 ј gG и 160 ј gG соответственно;
Х ѕри значении F1-F3 менее 315 ј gG, но более 160 ј gG, предохранители F7-F9 можно не устанавливать, F10-F12 выбираютс€ - 160 ј gG;
Х ѕри значении F1-F3 менее 160 ј gG, предохранители F7-F12 можно не устанавливать.
»ногда может потребоватьс€, чтобы в случае возникновени€ короткого замыкани€ в защитных устройствах не срабатывал общий предохранитель на вводе электропитающей установки. ƒл€ этого необходимо устанавливать в цепи каждого ”«»ѕ предохранители с учетом коэффициента (1,6). “.е. если предохранитель на входе электроустановки имеет номинальное значение 160 ј gG, то предохранитель включенный последовательно с ”«»ѕ должен иметь номинал 100 ј gG.
ѕрименение дл€ данных целей автоматических выключателей осложн€етс€ причинами, перечисленными выше, а также не соответствием их врем€-токовых характеристик характеристикам предохранителей.


3. „асто встречающиес€ недостатки в конструктивном исполнении устройств защиты от импульсных перенапр€жений


ћногими фирмами-производител€ми предлагаютс€ защитные устройства классов I и II, состо€щие из базы, предназначенной дл€ установки на DIN-рейку, и сменного модул€ с нелинейным элементом (разр€дником или варистором) с ножевыми вставными контактами. “акое конструктивное исполнение кажетс€ на вид более выгодным и удобным дл€ заказчика, чем монолитный корпус, в виду возможности более простого осуществлени€ измерени€ сопротивлени€ изол€ции электропроводки (при измерени€х повышенными напр€жени€ми этот модуль можно просто изъ€ть). ќднако способность сконструированных таким способом контактов пропускать импульсные токи не превышает предел Imax = 25 kA дл€ волны (8/20 мкс) и Iimp = 20 kA дл€ волны (10/350 мкс).
Ќесмотр€ на это, некоторые изготовители показывают в рекламных каталогах дл€ таких защитных устройств максимальные разр€дные способности величинами до Imax = 100 kA (8/20 мкс) или Iimp = 25 kA (10/350 мкс).   сожалению, это не подтверждаетс€ практическими данными. ”же при первом ударе испытательного импульса тока с такой амплитудой произойдут пережоги и разрушение не только ножевых контактов сменного модул€, но также и повреждение контактов клемм в базе. –азрушительное воздействие испытательного импульса тока Imax = 50 kA (8/20 мкс) на механическую часть такой системы и ножевой контакт показано на следующих фотографи€х (рис. 5). ќчевидно, что после такого воздействи€ сложным становитс€, собственно, сам вопрос извлечени€ вставки из базы, так как их контакты могут приваритьс€ друг к другу. ƒаже если вставку удастс€ отсоединить от базы, последнюю будет нельз€ использовать далее из-за подгоревших контактов, которые приведут к резкому возрастанию переходного сопротивлени€ и, соответственно, уровн€ защиты данного ”«»ѕ.


ƒл€ того чтобы избежать подобных последствий, защитные устройства модульной конструкции необходимо примен€ть только тогда, когда существует гаранти€, что ожидаемые импульсные воздействи€ не превыс€т указанных выше значений. Ёто может быть выполнено в случае правильного выбора типов и классов ”«»ѕ дл€ конкретной электроустановки и согласовани€ их параметров между ступен€ми защиты.

4. »спользование ”«»ѕ дл€ защиты вторичных источников питани€


ќдним из наиболее часто используемых вторичных источников питани€ €вл€етс€ выпр€митель. —ледует отметить, что практика установки элементов защиты от перенапр€жений (разр€дников, варисторов и т.п.) на платах или внутри блоков выпр€мител€, €вл€етс€ не правильной с нашей точки зрени€. —уществующий опыт показывает, что эти варисторы как правило рассчитаны на токи 7-10 кј (форма импульса 8/20 мк—) и по своим параметрам соответствуют третьему классу защиты согласно √ќ—“ – 51992-2002 (ћЁ  61643-1-98).  ак правило, эксплуатирующие организации считают данный тип защиты достаточным и никаких дополнительных мер дл€ повышени€ надежности работы оборудовани€ не принимают. ќднако, при отсутствии дополнительных внешних устройств защиты от импульсных перенапр€жений более высокого класса, а так же при возникновении длительных превышений рабочего напр€жени€ питающей сети в данной ситуации возможно возникновение двух типовых аварийных ситуаций:
a) “оки значительных величин, возникающие при срабатывании установленных внутри модул€ варисторов, будут протекать по печатным проводникам плат или проводам внутри блоков выпр€мител€ по кратчайшему пути к заземл€ющей клемме стойки. Ёто может вызвать выгорание печатных проводников на платах и возникновению на параллельных незащищенных цеп€х наводок, которые в свою очередь приведут к выходу из стро€ электронных элементов блока выпр€мител€. ѕри превышении максимальных импульсных токов, определенных дл€ данного варистора изготовителем, возможно его возгорание и даже разрушение, что может привести к пожару и механическому повреждению самого выпр€мител€ (более подробно описано в п.п. 2.1).
b) Ќесколько друга€ ситуаци€ возникает в случае длительного установившегос€ превышени€ действующего напр€жени€ в сети над максимальным допустимым рабочим напр€жением Uc, определенным “” дл€ данного варистора (как правило используютс€ варисторы с Uc = 275 ¬). ѕодробно данна€ ситуаци€ была описана выше (см п.п. 2.2). ¬ результате описанного воздействи€ по€вл€етс€ веро€тность возгорани€ печатных плат и внутренней проводки, а так же возникновени€ механических повреждений (при взрыве варистора), что подтверждаетс€ статистикой организаций, осуществл€ющих ремонт выпр€мителей.

— точки зрени€ решени€ проблем описанных в пункте (а), наиболее правильным €вл€етс€ вариант установки защитных устройств, при котором они размещаютс€ в отдельном защитном щитке или в штатных силовых и распределительных щитах электроустановки объекта. ѕрименение внешних дополнительных устройств защиты позвол€ет защитить выпр€митель от импульсных перенапр€жений величиной в сотни киловольт и соответственно снизить до допустимого (7 -10 кј) значени€ величины импульсных токов, которые будут протекать через варисторы, встроенные в выпр€митель, или практически полностью исключить их.
ƒл€ защиты оборудовани€ от длительного установившегос€ превышени€ действующего напр€жени€ в сети (пункт b) можно использовать устройства контрол€ напр€жени€ фазы или подобные им

–ис. 7 ѕодключение устройства контрол€ фаз – ‘-3/1

Ћитература:
√ќ—“ – 50571.26-2002 ЂЁлектроустановки зданий. „асть 5. ¬ыбор и монтаж электрооборудовани€. –аздел 534. ”стройства дл€ защиты от импульсных перенапр€женийї
√ќ—“ – 51992-2002 (ћЁ  61643-1-98) Ђ”стройства дл€ защиты от импульсных перенапр€жений в низковольтных силовых распределительных системах. „асть 1. “ребовани€ к работоспособности и методы испытанийї
√ќ—“ – 50339.0 (ћЁ  60269-1-86) ЂЌизковольтные плавкие предохранители. ќбщие требовани€ї
ЂElectromagnetic compatibility, surge, surge protections Jaroslav Hudec, Hakel Ltd.


  • ƒата публикации: 30.08.2011
  • 2107
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150