Защита электроустановок от импульсных грозовых и коммутационных перенапрежений

Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) разработаны стандарты, в которых изложены принципы защиты зданий и сооружений от импульсных перенапряжений. К ним, в первую очередь, относится МЭК-62305 «Защита от удара молнии», состоящий из пяти отдельных частей, которые заменили действовавшие ранее стандарты:
• МЭК-61024: «Молниезащита строительных конструкций»;
• МЭК-61312: «Защита от электромагнитного импульса молнии».
Требования, изложенные в МЭК-62305, формируют «Зоновую концепцию защиты», основными принципами которой являются:
• применение электрически связанных между собой строительных конструкций с металлическими элементами (арматурой, каркасами, несущими элементами и т.п.) и системой заземления, и образующими экранирующую среду для уменьшения влияния внешних электромагнитных воздействий внутрь объекта («клетка Фарадея»);
• наличие правильно выполненной системы заземления и уравнивания потенциалов;
• деление объекта на условные защитные зоны и применение устройств защиты от перенапряжений (УЗИП);
• соблюдение правил размещения защищаемого оборудования и подключенных к нему проводников относительно другого оборудования и проводников, способных оказывать опасное воздействие или вызвать наводки.
Наиболее сложная система защиты должна создаваться для объектов с воздушным вводом электропитания или находящихся на открытой местности и имеющих в своем составе высоко расположенные элементы конструкции в которые с большей вероятностью возможен прямой удар молнии. К таким объектам относятся промышленные предприятия, объекты связи с антенно-мачтовыми сооружениями (АМС), коттеджи в сельской местности и т.п.
В городских условиях удар молнии наиболее вероятен в трубы промышленных предприятий, линии электропередач, телевизионные вышки или отдельно стоящие высокие здания (особенно с установленными антенно-мачтовыми сооружениями базовых станций сотовой связи).
Токи молний могут воздействовать на объект прямым способом при попадании молнии в его систему молниезащиты или находящиеся в непосредственной близости сооружения, предметы или деревья. Но наиболее частыми являются случаи вторичных воздействий при ударе молнии в удаленные объекты (линии электропередач, подстанции и т.п.), связанные какими-либо коммуникациями с защищаемым объектом или при межоблачных разрядах, вызывающих возникновение импульсных токов больших величин в металлических элементах конструкций и коммуникациях.
Основные пути заноса перенапряжений для объектов различного типа показаны на Рис. 1.
Железобетонные конструкции зданий, выполняющие функцию естественного заземляющего устройства и имеющие электрическое соединение с системой уравнивания потенциалов, достаточно хорошо экранируют находящуюся внутри технику от электромагнитных воздействий (клеть Фарадея), отводя опасную часть тока молнии при прямом попадании в объект на землю (Рис. 2).

Стандарт МЭК 62305-1 «Защита от удара молнии. Часть 1. Основные принципы» определяет зоны молниезащиты с точки зрения прямого и непрямого воздействия молнии:
Зона 0А: Зона внешней среды объекта, все точки которой могут подвергаться воздействию прямого удара молнии (иметь непосредственный контакт с каналом молнии) и возникающего при этом электромагнитного поля.
Зона 0в: Зона внешней среды объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии (ПУМ), так как находятся в пространстве, защищенном системой внешней молниезащиты.
Однако в данной зоне имеется воздействие неослабленного электромагнитного поля.

Рис.1 Основные пути заноса перенапряжений для объектов различного типа.
Зона 1: Внутренняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии. В этой зоне токи во всех токопроводящих частях имеют значительно меньшее значение по сравнению с зонами 0А и 0В. Электромагнитное поле также снижено за счет экранирующих свойств конструкций.
Последующие зоны (Зона 2, и т.д.). Если требуется дальнейшее снижение разрядных токов или электромагнитного поля в местах размещения чувствительного оборудования, то необходимо проектировать последующие зоны защиты. Критерий защиты для последующих зон определяется общими требованиями по ограничению внешних воздействий, влияющих на защищаемую систему.
Существует общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшается влияние электромагнитного поля и грозового тока. На границах раздела отдельных зон необходимо обеспечить присоединение к системе уравнивания потенциалов всех металлических элементов конструкции (экранных оболочек, кабельростов и т.п.), с обеспечением их периодического контроля.
Примечание: Способы образования связей на границах разделов между зонами, принципы размещения оборудования, обеспечения его экранирования, методы расчетов приведены в стандарте МЭК 62305-4 «Защита от удара молнии. Часть 4. Электрические и электронные системы внутри сооружений». На распределение энергии электромагнитных полей внутри объекта оказывают влияние различные элементы строительных конструкций, такие как: отверстия или щели (например, окна, двери), обшивки из листовой стали (водосточные трубы, карнизы), а также места ввода-вывода кабелей электропитания, связи и других коммуникаций.

Рис. 2. Структура здания (клеть Фарадея) и растекание токов по металлоконструкциям при прямом ударе молнии
На Рис. 3 приводится пример разделения защищаемого объекта на несколько зон. Кабели электропитания, связи и другие металлические коммуникации должны входить в защитную Зону 1 в одной точке и своими экранными оболочками или металлическими частями подключаться к главной заземляющей шине на границе раздела Зон 0А - 0В и Зоны 1.
Описанное выше разделение объекта на условные зоны позволяет на практике эффективно решать вопросы защиты сетей электропитания до 1000 В, а также линий связи, линий передачи данных, компьютерных сетей и других коммуникаций, входящих в объект, с помощью применения различного типа устройств защиты от импульсных перенапряжений (или так называемой внутренней системой молниезащиты).

_ КАБЕЛИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
_ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ КАБЕЛИ
_ ПРОВОДНИКИ И ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ УРАВНИВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ
 

Рис.3. Разделение защищаемого объекта на зоны

Примечание: приказом Минэнерго России №280 от 30.06.2003 г. утверждена и в соответствии с приказом ОАО РАО «ЕЭС России» №422 от 14.08.2003 г. внесена в реестр действующих в электроэнергетике документов «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», СО-153-34.21.122-2003.
В основу Инструкции положены требования перечисленных выше стандартов МЭК, которые не входили в старую «Инструкцию по молниезащите зданий и сооружений» РД 34.21.122-87. Однако в новой Инструкции не рассмотрен целый ряд важных проблем, в частности по взрывоопасным объектам. В настоящее время обе инструкции носят рекомендательный характер и до выхода соответствующего технического регламента могут быть равноправно использованы при решении задач проектирования и строительства объектов разного назначения.

Для гарантированной защиты объекта от перенапряжений, возникающих при стекании токов молнии на заземляющее устройство или при «приходе» волны перенапряжения по питающей сети (в случае далекого удара молнии), «Зоновой концепцией защиты» предусмотрена трехступенчатая схема включения защитных устройств.
Основные классы устройств защиты от перенапряжений для низковольтных электрических сетей, методики их испытаний и принципы применения приведены в следующих стандартах МЭК:
• МЭК-61643-1 (1998): «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 11. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний». Данный стандарт МЭК переведен на русский язык и введен в действие в виде ГОСТ Р 51992-2002
(МЭК 61643-1-98).
• МЭК-61643-12 (2002): «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 12. Выбор и принципы применения». Готовится издание в системе ГОСТР.
Согласно требований данных стандартов, устройства защиты от перенапряжений, в зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токи, делятся на следующие классы: I, II, III (или B, C, D согласно немецкого стандарта E DIN VDE 0675-6 (1989-11).
Надо отметить, что все основные производители защитных устройств уже перешли на классификацию, предусмотренную стандартами МЭК, и буквенные обозначения практически ни кем не применяются.
Основные требования к ограничителям перенапряжения разных классов приведены в Таблице 1.
Исходя из оценки риска прямого удара молнии или наводок от удаленного разряда, необходимо выбрать тип применяемых защитных устройств и схему их установки. Необходимость защиты от грозовых перенапряжений зависит от:
• Интенсивности ударов молнии в данном месте Ng (среднее годовое количество ударов молнии на 1 км2 за год). В странах Европы данную статистику проектировщик может легко получить с помощью автоматизированной системы определения места удара молнии. Данные системы состоят из большого количества датчиков, размещенных по всей территории Европы и образующих единую контролирующую сеть.
• Информация от датчиков в реальном масштабе времени поступает на контролирующие серверы и с помощью специального пароля доступна через Интернет. В условиях России данное значение можно получить, используя карты грозовой активности по регионам. Но при этом полученный параметр будет весьма приблизительным.
• Также необходимо оценить уязвимость самой электроустановки. Например, подземные системы электропитания по вполне понятным причинам считаются менее уязвимыми, чем воздушные.
• Высокая стоимость оборудования, подключенного к защищаемой электроустановке, может стать важным критерием для усложнения схемы защиты и наоборот.

Согласно определения, приведенного в стандарте ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98): «Устройство защиты от перенапряжений (УЗИП) - это устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и для отвода импульсов тока. Это устройство содержит, по крайне мере, один нелинейный элемент». В качестве элементной базы для создания УЗИП, как правило, используют разрядники различных типов и оксидно-цинковые варисторы.
При выборе защитных устройств на разрядниках или оксидно-цинковых варисторах необходимо обращать внимание на следующие параметры:
1. Номинальное   рабочее   напряжение.   (Un)   Это
номинальное действующее напряжение сети, для работы в которой предназначено защитное устройство.
2. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение защитного устройства (максимальное рабочее напряжение). (Uc) Это наибольшее действующее значение напряжения переменного тока, которое может быть длительно (в течение всего срока службы) приложено к выводам защитного устройства.
3. Классификационное напряжение (Параметр для варисторных ограничителей перенапряжений). Это действующее значение напряжения промышленной частоты, которое прикладывается к варисторному ограничителю для получения классификационного тока (обычно значение классификационного тока принимается равным 1,0 мА).
4. Импульсный ток. (Iimp) Этот ток определяется пиковым значением Ipeak испытательного импульса длительностью 10/350 мкс и зарядом Q. Применяется для испытаний защитных устройств класса I.
5. Номинальный разрядный ток. (In) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, проходящего через защитное устройство. Ток данной величины защитное устройство может выдерживать многократно. Используется для испытания УЗИП класса II. При воздействии данного импульса определяется уровень защиты устройства. По этому параметру также производится координация других характеристик УЗИП, а также норм и методов его испытаний.
6. Максимальный разрядный ток. (Imax) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, который защитное устройство может пропустить один раз и не выйти из строя. Используется для испытания УЗИП класса II.
7. Сопровождающий ток. (If) (Параметр для УЗИП на основе разрядников). Это ток, который протекает через разрядник после окончания импульса
перенапряжения и поддерживается самим источником тока, т.е. электроэнергетической системой. Фактически значение этого тока стремится к расчетному току короткого замыкания (в точке установки разрядника для данной конкретной электроустановки). Поэтому для установки в цепи «L-N; L-PE» нельзя применять газонаполненные (и другие) разрядники со значением If равным 100 - 400 А (если расчетный ток КЗ оказался выше этого значения). В результате длительного воздействия сопровождающего тока они будут повреждены и могут вызвать пожар! Для установки в данную цепь необходимо применять разрядники со значением If, превышающим расчетный ток короткого замыкания, т.е. желательно величиной от 2 - 3-х кА и выше!
8. Уровень защиты. (Up) Это максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока (In).
9. Время срабатывания. Для оксидно-цинковых варисторов его значение обычно не превышает 25 наносекунд. Для разрядников разной конструкции время срабатывания может находиться в пределах от 100 наносекунд до нескольких микросекунд.
Существует ряд других параметров, которые тоже учитываются при выборе устройств защиты от перенапряжения: ток утечки (для варисторов), максимальная энергия, выделяемая на варисторе, ток срабатывания предохранителей (для защитных устройств со встроенными предохранителями).
Система внутренней молниезащиты для электро-питающей сети до 1000 В, состоящая из разного типа устройств защиты от импульсных перенапряжений, должна быть способна осуществить отвод грозовых токов или их большей части без повреждения самих защитных устройств. Для определения величины тока, проходящего через УЗИП первой ступени защиты в случае прямого удара молнии в здание, защищенное системой внешней молниезащиты, рекомендуется исходить из конфигурации системы заземления и уравнивания потенциалов здания, а также подведенных к нему коммуникаций (трубопроводов, элек-тропитающих кабелей, кабелей связи и передачи информации и др.). На Рис. 4 приводится классический пример распределения грозового тока в объекте, подвергнутом прямому удару молнии (МЭК 61024-1-1;МЭК 61643-12).

Рис. 4. Распределение токов молнии при прямом ударе в объект

Методика расчета токов растекания приведена в ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98), ПРИЛОЖЕНИЕ А.
Для определения распределения токов между металлическими элементами конструкции здания при попадании молнии в систему внешней молниезащиты, необходимо рассчитать сопротивления заземляющих устройств, трубопроводов, электропитающего ввода, ввода кабелей связи и т.п.
В случаях, когда трудно осуществить точный расчёт, осуществляется так называемая квалифицированная оценка, исходящая из следующих рассуждений:
• расчет производится для пикового значения тока Iimp, взятого из таблицы 2.3 (Инструкции СО-153-34.21.122-2003) в соответствии с выбранным уровнем защиты от ПУМ. Например, для объектов с первым уровнем защиты Iimp = 200 kA (10/350 мкс);
• 50% от общего тока Iimp = 200kA (10/350) >IS1 = 100kA (10/350) отводится в землю через заземляющее устройство системы внешней молниезащиты;
• 50% от общего тока Iimp = 200kA (10/350) > IS2 = 100kA (10/350) разделится равномерно (приблизительно по 17%) между наружными вводами в объект, например, трех основных видов коммуникаций: кабелями связи и передачи информации, металлическими трубопроводами и проводами ввода электрического питания 220/380 В.
Величина тока проходящего через отдельные вводы обозначается как Ij, при этом:
Ii = IS2/n
где n равняется числу вводов. Для оценки тока IV в отдельных жилах неэкранированного кабеля, ток в кабеле делится на количество проводов m:
Iv = Ii/m
Для правильного выбора типа защитных устройств и их основных параметров целесообразно руководствоваться следующим правилом:
Расчет необходимо производить исходя из максимального значения грозового тока Iimp (10/350 мкс) в зависимости от уровня защиты объекта от прямого удара молнии. Далее, определить (по приведенной выше методике) для каждого провода системы электропитания значение импульсного тока формы (10/350 мкс), который может в нем протекать и который должно гарантированно отвести защитное устройство класса I. После этого выбрать защитное устройство с некоторым запасом (20 - 30 %), учитывая возможную неравномерность растекания токов по различным проводникам.
В случае изменения исходных данных, т.е. числа вводов в объект, типа системы электропитания, количества проводов в кабеле и т.д., итоговые значения также могут существенно измениться. При этом изменения могут произойти как в сторону уменьшения импульсных токов, так и в сторону их возрастания. В случае применения экранированных кабелей большая часть токов растекается через экранные оболочки, что лишний раз подтверждает необходимость применения данных кабелей на объектах с повышенными требованиями к защищенности от удара молнии.
Приведенные выше заключения истинны для объектов, оборудованных системой внешней молни-езащиты и имеющих кабельный подземный ввод электропитания. Ситуация может серьезно усложниться в случае наличия воздушного ввода электропитания. Элементарный расчет показывает, что при прямом попадании молнии с током Iimp = 200 kA (10/350 мкс) и при условии его равномерного распределения по четырем проводам системы TN-C, импульсные токи в каждом проводе будут иметь значения около 50 кА. Стекание этих токов на землю будет осуществляться в две стороны: через оборудование низковольтной стороны подстанции и элементы электроустановки объекта в примерном соотношении 1 : 1. Таким образом, в каждом проводе на вводе электропитающей установки объекта мы будем иметь ток величиной 25 кА (10/350 мкс). Если предположить, что равномерного растекания токов по какой-то причине не произошло, то это значение может возрасти до 45-50 кА и более.
УЗИП на базе варисторов обеспечивают качественную защиту при их применении в 1-ой ступени при амплитудах величиной Iimp = 20 kA (10/350 мкс), что в большинстве случаев является достаточным даже для случая воздушного ввода электропитающей линии в объект. Если требуется стойкость защитного устройства к более высоким амплитудам грозовых токов, рекомендуется применить разрядники искрового типа, которые могут иметь значение Iimp = 50 - 100 kA (10/350 мкс). При выборе искрового разрядника необходимо, однако, уделять внимание такому параметру как сопровождающий ток If. (см. выше).
Следующие очень важные положения для понимания зоновой концепции защиты изложены в стандарте МЭК 60364-4-44-2001 «Электроустановки зданий. Часть 4-44. Требования по обеспечению безопасности. Защита от резкого отклонения напряжения и электромагнитных помех». Данный стандарт в виде ГОСТа должен вступить в действие в ближайшее время. На данный момент действует аналог указанного выше стандарта ГОСТ Р 50571.19-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений».
ГОСТ Р 50571.19 вводит понятие «импульсного выдерживаемого напряжения, требуемого для оборудования», иначе говоря, стойкости изоляции к импульсным перенапряжениям. По стойкости изоляции электротехническое оборудование, предназначенное для использования в сетях 220/380 В, делится на 4 категории (IV, III, II, I). Для каждой категории определяются так называемые максимально выдерживаемые импульсные перенапряжения (защитные уровни), допускаемые для подключённого оборудования. Например, для сети TN-C 220/380 В перенапряжение на вводе в объект не должно превысить уровень 6 kV, после главного распределительного щита - 4 kV, на выходах вспомогательных распредщитов 2,5 kV и для оборудования подключаемого непосредственно к электророзеткам - 1,5 kV.

Очевидная существующая взаимосвязь между зонами молниезащиты, классами защитных устройств и категориями стойкости изоляции оборудования к импульсным перенапряжениям показана на Рис. 5.
Защитные устройства класса I устанавливаются на вводе в здание (во вводном щите, ГРЩ или же специальном боксе) после вводного автомата (на границе Зоны 0 и Зоны 1). Защитные устройства класса II - во вторичных распределительных щитах (например, в щитах в выпрямительной, этажных или других щитах). Желательно размещать их до групповых автоматов. Точка размещения этого класса устройств может находиться на границе Зоны 1 и Зоны 2. Возможно размещение этих устройств в Зоне 1 вместе с устройствами класса I (этот вариант будет рассмотрен ниже). Защита класса III может устанавливается также в распределительных щитах или непосредственно возле потребителя (защитная Зона 3). При расстояниях более 10-15 метров от места установки УЗИП до потребителя желательно установить дополнительное устройство III класса в непосредственной близости от защищаемого оборудования, чтобы гарантированно устранить возможные наводки на указанных длинах кабеля.
Одним из основных параметров защитных устройств является уровень защиты (Up), это максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока (In).
Из Рис. 5 четко видно, что каждая ступень защиты обеспечивает выполнение требований по импульсной стойкости изоляции.

Рис. 5. Установка устройств защиты от импульсных перенапряжений на различных объектах.

Как правило, УЗИП класса I на базе разрядника имеют Up = 4 kV, на базе варистора еще ниже, УЗИП класса II имеют Up = 1,3 - 2,5 kv, УЗИП класса III имеют Up = 0,8 - 1,5 kV.
Установка устройств защиты от импульсных перенапряжений на различных объектах.
Для того чтобы надежно защитить любой объект от воздействия любого вида перенапряжений, в первую очередь необходимо создать эффективную систему заземления и уравнивания потенциалов.

При этом желателен переход на системы электропитания TN-S или TN-C-S с разделёнными нулевым и защитным проводниками. Этот переход важен не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для повышения уровня электробезопасности обслуживающего персонала. Следующим шагом должна стать установка защитных устройств.
Основные принципы применения устройств защиты от импульсных перенапряжений в отечественной нормативной базе рассмотрены в ГОСТ Р 50571.262002 (МЭК 60364-5-534-97) «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений». Это фактически первый стандарт МЭК по применению УЗИП, переведенный на русский язык и изданный в системе ГОСТ Р.
МЭК в своих других стандартах более глубоко рассматривает проблему защиты от импульсных перенапряжений. Как уже говорилось выше, некоторые из них так же готовятся к изданию в системе ГОСТ Р. Предлагаемые ниже решения основаны именно на требованиях этих стандартов.
Существуют две основных схемы включения УЗИП в электрическую сеть (Рис. 6).

Рис. 6 Схемы включения УЗИП
а) для защиты от синфазных перенапряжений;
б) для защиты от противофазных перенапряжений.

Схема (а) предназначена, в первую очередь, для защиты от синфазных (продольных) перенапряжений (провод - земля), схема (б), соответственно, от противофазных (поперечных) перенапряжений (провод - провод). Полученные в целой серии экспериментов данные, а также результаты статистических исследований, проводимых фирмами - производителями защитных устройств, показали, что более высокую опасность для защищаемого оборудования представляют собой противофазные (поперечные) перенапряжения (на клеммах электроприёмников L/N), по сравнению с продольными перенапряжениями (на клеммах электроприёмников L/PE и N/PE). При проектировании различных ступеней защиты возможно комбинирование этих схем.
Схема подключения защитных устройств для сети типа TN-S приведена на Рис. 7. УЗИП I, II и III классов включаются между фазными проводниками (L1, L2, L3) и нулевым рабочим проводником (N) для ограничения противофазных перенапряжений (провод - провод). Для ограничения синфазных перенапряжений (провод - земля) в каждой ступени защиты между проводниками N и PE устанавливается разрядник соответствующего класса защиты.

Рис. 7. Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-S

Одним из преимуществ данной схемы является то, что разрядники в цепи N - PE позволяют обеспечить гальваническую развязку этих проводников, а следовательно, и лучшую помехозащищенность оборудования связи или обработки информации.
Известно, что нулевой рабочий проводник практически всегда находится под каким-то потенциалом (от единиц до десятков вольт), зависящим от симметричности распределения нагрузки по фазам.
Также при работе импульсных нагрузок (например, импульсных выпрямителей с преобразованием частоты) в нулевом рабочем проводнике появляются высшие гармоники рабочей частоты сети 50 Гц. Все эти помехи могут приводить к ошибкам и сбоям в работе сверхчувствительных нагрузок через цепи заземления и уравнивания потенциалов, т.е. через PE проводники. Применение системы электропитания типа TN-S с разрядниками в цепи N - PE позволяет свести эти влияния к минимуму (Рис. 7).
В некоторых случаях возможно также применение устройств защиты в соответствии со схемой, приведенной на Рис. 8.

Рис. 8. Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-S.

В данном случае УЗИП классов I и II включаются между токоведущими проводниками (L1, L2, L3, N) и нулевым защитным проводником (PE) для ограничения синфазных перенапряжений (провод-земля). УЗИП класса III включаются в соответствии с предыдущей схемой для ограничения противофазных перенапряжений (провод - провод) непосредственно около защищаемого оборудования.
Выполнение требований к очередности срабатывания защитных устройств.
При установке защитных устройств, особенно если в первой ступени применяются УЗИП на базе разрядников, а во второй на базе варисторов, необходимо, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 10 метров по кабелю электропитания.

Невыполнение этого требования приведет к следующим последствиям. В момент возникновения на вводе электроустановки импульсного грозового перенапряжения с очень крутым фронтом, в первую очередь, за счет более высокого быстродействия, произойдет открывание варисторных УЗИП в цепях каждой фазы. Сформируются цепи протекания импульсных токов через варисторы, уровни перенапряжений на их клеммах резко снизятся, что приведет к шунтированию более мощных каскадов защиты на разрядниках, которым не хватит напряжения для зажигания!
В случае разноса ступеней защиты на расстояние 10 м, за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля при протекании по ним импульса тока, на них возникает падение напряжения, которое оказывается приложенным к первому каскаду защиты.
Таким образом, шунтирование разрядника не произойдет, так как приложенное к нему напряжение будет по амплитудному значению превосходить динамическое напряжение пробоя. Такие же требования могут предъявляться и при подключении третьей ступени защиты.
В случае необходимости размещения УЗИП 1-ой и 2-ой ступени на более близком расстоянии или рядом друг с другом необходимо использовать «искусственную индуктивность 6-15 мкГн» в виде импульсного разделительного дросселя. Выбор величины индуктивности зависит от того, каким образом осуществляется ввод электропитания в объект.
При подземном вводе (когда в первом каскаде защиты установлены варисторы) величина индук-тиности может быть взята меньшей (порядка 6 мкГн), при воздушном вводе (в первой ступени установлены разрядники) это значение должно быть не менее 12-15 мкГн. (Рис. 9).
Это объясняется разным временем срабатывания разрядников и варисторов.

Рис. 9. Установка УЗИП с использованием им-пульсных разделительных дросселей в сеть с системой заземления TN-S.

При установке дросселей необходимо учитывать, что рабочие токи нагрузки в фазных проводниках не должны превышать предельно допустимые значения, указанные в техническом паспорте на данные устройства. При необходимости и для удобства монтажа и обслуживания устройства защиты могут размещаться в отдельном щитке. Причем в одном щитке могут быть установлены ограничители перенапряжения всех трех классов.
Это становится возможным в случае установки между ними разделительных дросселей. Пример схемы подключения к электроустановке щитка защиты от импульсных перенапряжений (ЩЗИП) с двумя ступенями защиты приведен на Рис.10.
К нагрузочной стороне вводного автомата подключается вход щитка, к силовой стороне групповых автоматов - выход щитка.

Заземление щитка должно осуществляться на главную заземляющую шину объекта или РЕ шину вводного щита (ГРЩ). Основные требования по монтажу и подключению главной заземляющей шины (ГЗШ) изложены в главе 1.7 ПУЭ (7-е издание), а так же в Техническом циркуляре ассоциации «РОСЭЛЕКТРОМОНТАЖ» № 6/2004 от 16.02.2004 «О выполнении основной системы уравнивания потенциалов на вводе в здание».

Рис. 10. Установка ЩЗИП в 3-фазную электрическую сеть с системой заземления TN-С-Б

При монтаже устройств защиты от импульсных перенапряжений необходимо учитывать то, что расстояния между главной заземляющей шиной, щитком защитным и вводным щитом объекта должны быть минимальные. РЕ проводники должны прокладываться возможно кратчайшими путями. При подключении силовых кабелей к щитку необходимо избегать совместной прокладки защищенного и незащищенного участков кабеля, а также защищенного кабеля и кабеля заземления. Правильные и неправильные варианты прокладки проводников различного назначения приведены на Рис. 11.

Рис. 11. Варианты прокладки защищенных и влияющих проводников а), б) - неправильные в) - правильный.

Выше были рассмотрены схемы включения устройств защиты от импульсных перенапряжений в электропитающие сети типа TN-S. Существующие на практике объекты чаще всего имеют вводы электропитания, выполненные по схеме TN-C (четырех проводная схема электропитания с глухозаземленной нейтралью трансформатора на подстанции).
На объектах, которые подвергались реконструкции или модернизации, как правило, схема электропитания соответствует типу TN-C-S. То есть внутренняя часть объекта выполняется по схеме TN-S (пяти проводной), внешняя соответственно по типу TN-C (четырех проводной). На Рис. 12 приведен пример установки защитных устройств для TN-C-S сети электропитания радиообъекта контейнерного типа.

Рис. 12. Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-С-Б

Из схемы на Рис. 12 видно, что первая ступень защиты на разрядниках I класса размещена во вводном щите. Учитывая, что ввод электропитания выполнен четырех проводным, в этой ступени защиты разрядник между проводниками N - PE не устанавливается. Далее, после точки разделения PEN проводника на N и PE проводники и удалении от этой точки по кабелю на расстояние более 5 м, т.е. там, где будет находиться вторая ступень защиты, разрядник в цепи N - PE уже должен быть установлен.
Объяснение этому очень простое: при удалении двух точек на расстояние порядка 10 м между ними уже может появиться достаточно большая разница потенциалов за счет индуктивного сопротивления соединяющего их проводника при воздействии на объект высокочастотных грозовых токов.
Вторая ступень для данного объекта (как вариант) может быть размещена в стойке выпрямителя на DIN-рейке панели ввода.Но наиболее правильным решением было бы размещение защитных устройств II класса либо в отдельном защитном щитке рядом с выпрямителем, либо непосредственно в том же вводном щитке (Рис. 13).

Рис. 13. Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-С-Б

В обоих случаях между ступенями защиты должны быть установлены разделительные дроссели, так как габариты контейнерного объекта в большинстве случаев не позволяют обеспечить выполнение требований по их размещению на расстоянии более 10 м.
Очень часто возникает ситуация, когда сложная электронная аппаратура (оборудование связи или обработки информации) при подключении ее к защитному заземляющему устройству объекта отказывается работать из-за наличия некоторого (отличающегося от нулевого) потенциала или больших помех на элементах системы заземления.

Обычно в подобных случаях используется специальное дополнительное заземляющее устройство, электрически не связанное с защитным заземлением (так называемое функциональное заземление). При этом сразу же встает вопрос защиты оборудования, подключенного к такому заземляющему устройству, от перенапряжений, возникающих, например, при ударе молнии в систему молниезащиты здания.

Рис. 14. Установка разделительного разрядника

Для уравнивания очень большой разности потенциалов, возникающей в этом случае, между двумя независимыми заземляющими устройствами (защитным и функциональным) может устанавливаться разделительный разрядник, который в исходном состоянии обеспечивает гальваническую развязку между этими заземляющими устройствами, а при возникновении перенапряжений кратковременно соединяет их, уравнивая потенциалы (Рис. 14).

Рис. 15. Разделительный разрядник HGS 100

В качестве примера можно привести разрядник HGS100 фирмы «Hakel». Внешний вид разрядника показан на Рис. 15. Основные характеристики разрядника HGS100 приведены в Таблице 2.
Тип устройства HGS100
Постоянное напряжение пробоя 400...750 В
Переменное напряжение пробоя (50 Гц) > 500 В
Импульсное напряжение пробоя < 1500 В
Импульсный ток Ijmp (10/350 мкс) 150 кА
Максимальный импульсный разрядный ток (8/20 мкс) 100 кА
Номинальный импульсный раз-рядный ток (8/20 мкс) 75 кА
Сопротивление изоляции > 1 ГОм
Рабочий диапазон температур - 40° + 90° С
Емкость на частоте 1 МГц 5 пФ
Номер по каталогу 10 005

Дополнительная защита от короткого замыкания.
Основным принципом приведенных выше схем включения защитных устройств является уравнивание потенциалов между двумя проводниками, одним из которых, как правило, является фазный проводник, а другим - нулевой рабочий или нулевой защитный проводник.
При этом в случае выхода из строя УЗИП возможно возникновение режима короткого замыкания между данными проводниками, что может привести к выходу из строя электроустановки и даже возникновению пожара. Имеющееся в варисторных ограничителях устройство отключения при перегреве варистора (тепловая защита), как правило, срабатывает при старении варистора, когда увеличиваются токи утечки, или при превышении фактического тока разряда через УЗИП над максимально допустимым.
Несколько другая ситуация возникает в случае установившегося превышения действующего напряжения в сети над максимальным допустимым рабочим напряжением, определенным ТУ для данного УЗИП.
Примером такой ситуации может быть повышение напряжения по вине поставщика электроэнергии или обрыв (отгорание) нулевого проводника при вводе в электроустановку (в трехфазной сети с глухоза-земленной нейтралью трансформатора).
Как известно, в последнем случае к однофазной нагрузке может оказаться приложенным межфазное напряжение величиной до 380 В. При этом устройство защиты от импульсных перенапряжений откроется, и через него начнет протекать ток. Величина этого тока будет стремиться к величине тока короткого замыкания (рассчитывается по общеизвестным методикам для каждой точки электроустановки) и может достигать нескольких сотен ампер (и более).
Практика показывает, что терморасцепитель варисторного УЗИП не успевает отреагировать в подобных ситуациях из-за тепловой инерционности конструкции.
Варистор, как правило, разрушается в течение нескольких секунд, после чего режим короткого замыкания также может сохраняться через дугу (по продуктам разрушения и горения варистора).
При этом возникает вероятность замыкания клемм устройства на корпус шкафа или DIN-рейку при расплавлении пластмассы корпуса и возможность повреждения изоляции проводников в цепях включения защитных устройств.

Рис. 16. Выход из строя УЗИП на основе варистора привел к пожару в ГРЩ

На фотографии (Рис. 16) показаны последствия подобной ситуации, в результате которой произошел пожар в распределительном щите.
 

Рис. 17. Установка предохранителей для защиты УЗИП

Сказанное выше относится не только к варисторным устройствам, но и к УЗИП на базе разрядников, которые не имеют в своем составе терморасцепителя. Для того чтобы предотвратить подобные последствия рекомендуется устанавливать последовательно с устройствами защиты от импульсных перенапряжений предохранители с характеристиками срабатывания gG или gL (классификация согласно требованиям стандартов ГОСТ Р 50339.0-92 (МЭК 60269-1-86) или VDE 0636 (Германия) соответственно). На Рис. 17 пока-зан вариант включения предохранителей в схему электроустановки.
Номиналы предохранителей и тип их время-токовых характеристик определяются конкретным производителем УЗИП и отражаются в технической документации. Как уже указывалось выше, для этих целей обычно используются предохранители с характеристикой gG или gL (с кратностью 1,2 +3), предназначенные для защиты проводников и коммутационного оборудования от перегрузок и коротких замыканий.
Они обладают значительно меньшим временем срабатывания по сравнению с автоматическими выключателями тех же номиналов. При этом предохранители имеют более высокую стойкость к импульсным токам значительных величин, соответственно являются более простыми и надежными по конструкции.
Примерный вариант выбора номиналов предохранителей (зависит от требований производителя УЗИП) для схемы рассмотренной на Рис. 17 показан ниже:
• При номинале предохранителей FU1-FU3 более 315 А gG (или их отсутствии), номиналы FU4-FU6 выбираются - 315 А gG, номиналы FU7-FU9 выбираются - 160 А gG;
• При номинале предохранителей FU1-FU3 менее 315 А gG, но более 160 А gG, предохранители FU4-FU6 можно не устанавливать, номиналы FU7-FU9 выбираются - 160 А gG.
• При номинале предохранителей FU1-FU3 менее 160 А gG, предохранители FU4-FU6 и FU7-FU9 можно не устанавливать.
• При наличии разделительных дросселей LL1-LL3 номинал предохранителей FU1-FU3 должен соответствовать номинальному току дросселей.
Следует обратить внимание на то, что ведущие и общепризнанные производители УЗИП в своих схемных решениях показывают именно предохранители, а не автоматические выключатели, в том числе и перед точкой установки УЗИП.
Здесь можно говорить о непредвзятом выборе технического решения, так как никто из данных производителей не выпускает ни предохранители, ни автоматические выключатели.
Практический же опыт и данные экспериментальных испытаний показывают, что автоматические выключатели довольно часто повреждаются при воздействии импульсных перенапряжений. Известны случаи подгорания контактов или приваривания их друг к другу. И в том и в другом случае автоматический выключатель не сможет в дальнейшем выполнять свои функции. Кроме этого, при установке автоматических выключателей последовательно с УЗИП (вместо FU4-FU6 и FU7-FU9 на Рис. 17) за счет элементов их внутренней конструкции, имеющих индуктивные свойства, а следовательно, и повышенное индуктивное сопротивление при протекании импульсных токов, в точках подключения данной цепочки к защищаемой линии может повышаться значение остающегося напряжения, приложенного к нагрузке.

Выбор типа защитных устройств
1) В качестве первой ступени защиты рекомендуется устанавливать:
• при воздушном вводе электропитания, вне зависимости от наличия внешней системы молниезащиты (СМЗ), когда возможен прямой удар молнии в линию электропередач в непосредственной близости от объекта - грозовые разрядники, способные пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением 50-100 кА и гасить сопровождающие токи величиной более 4 кА, а также обеспечивать уровень защиты (Up) менее 4 кВ (многозазорные угольные искровые разрядники без выброса ионизированных газов типа HS55 производства Hakel);
• при подземном вводе электропитания и при наличии внешней системы молниезащиты, когда существует вероятность попадания молнии в молниеприемник СМЗ, можно установить УЗИП на базе варисторов, способные пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением 10 - 20 кА и также обеспечивать уровень защиты
Up = 4 кВ и ниже (устройства серий SPC или PIV). При этом желательно произвести предварительную оценку токов растекания по приведенной выше методике;
• при отсутствии внешней системы молниезащиты рекомендуется ее установить, так как прямой удар молнии в этом случае, как правило, приводит к динамическим воздействиям на строительные конструкции объекта, а также может вызвать пожар за счет искрения и перекрытия воздушных промежутков между токо-проводящими элементами объекта.
2) В качестве второй ступени защиты в цепях L - N используются устройства на базе варисторов с максимальным импульсным током 20-40 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Up) менее 2,5 кВ (устройства серии PIII или SPU). В цепях N - PE применяются газонаполненные металлокерамические разрядники, способные выдерживать импульсные токи с амплитудой 20-40 кА формы 8/20 мкс. Сопровождающие токи в цепях N - PE не возникают, поэтому в данном случае могут применяться разрядники с If равным 100 - 300 А (разрядники В20С).
3) В качестве третьей ступени защиты используются УЗИП с максимальным импульсным током 6-10 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Up) менее 1,5 кВ. Могут применяться комбинированные устройства, включающие в себя дополнительно помехоподавляющий фильтр в диапазоне частот 0,15 - 30 МГц (устройства серии PI-k).

4) Разделительные дроссели (при необходимости их применения) выбираются, исходя из величины максимальных рабочих токов нагрузки 16, 32, 63, 80 или 120А.
Более подробная информация приведена в каталоге или на сайте: www.hakel.ru.
Как указывалось выше, для объектов с подземным вводом электрического питания возможно применение комбинированных устройств серии SPC (см. Рис. 18), отвечающих по своим входным параметрам требованиям к варисторным защитным устройствам первого класса (импульс тока величиной 10 - 20 кА; форма 10/350 мкс).

Рис. 18. Установка УЗИП класса I +   серии SPC1.1-90 в 3-х фазную сеть с системой заземления TN-C-S

По своим выходным параметрам (уровень защиты (Up) 1300 В при номинальном импульсном токе, форма 8/20 мкс) они выполняют требования ко второму классу защиты. Применение подобных устройств позволяет отказаться от использования разделительных дросселей, так как все устройство смонтировано в одном общем корпусе для установки на DIN-рейку. Размер корпуса при этом меняется в зависимости от количества защищаемых проводников и соответствует размеру от 2-х до 8-ми стандартных типовых корпусов (для однофазной и трех фазной сети соответственно).
Однако, в случае установки подобного устройства на воздушном вводе электропитания, существует вероятность его выхода из строя при ударе молнии непосредственно в провода ЛЭП возле объекта.
В некоторых ситуациях установки защиты только на вводе здания не достаточно для того, чтобы с большой степенью вероятности защитить такую категорию потребителей электроэнергии, как высокочувствительная электронная техника. Защитные устройства III класса в этом случае устанавливаются непосредственно возле защищаемого оборудования (на вводе в квартиру, офис).
При использовании устройств защиты от импульсных перенапряжений необходимо учитывать некоторые особенности их подключения в схему электроустановки объекта:
• В случае применения устройств защитного отключения (УЗО) устройства защиты от импульсных перенапряжений первого и второго класса должны быть включены до УЗО (по ходу энергии). Таким образом, их срабатывание не вызовет ложного отключения УЗО. Устройства защиты третьего класса могут быть установлены после УЗО (по ходу энергии), но при этом должны использоваться УЗО типа «S» (селективные) с временной задержкой срабатывания от импульсных помех (Рис. 19).
При измерениях, производимых на электро-уста-новке, когда методикой измерений предусматриваются испытания высокими напряжениями (например, проверка сопротивления изоляции проводов) необходимо отключать защитные устройства от электроустановки. Несоблюдение этого правила приведет к искажению результатов измерения или, в худшем случае, к выходу из строя устройств защиты от импульсных перенапряжений.

Рис. 19. Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-C-S с использованием УЗО

Литература:
• МЭК-62305 «Защита от удара молнии» Части 1-5.
• МЭК-61643-12 (2002): «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 12. Выбор и принципы применения».
• ГОСТ Р 50571.19-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений».
• ГОСТ Р 50571.20-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 444. Защита электроустановок от перенапряжений, вызванных электромагнитными воздействиями».
• ГОСТ Р 50571.21-2000 «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж оборудования. Раздел 548. Заземляющие устройства и системы уравнивания электрических потенциалов в электроустановках, содержащих оборудование обработки информации».
• ГОСТ Р 50571.22-2000 «Электроустановки зданий. Часть 7. Требования к специальным электроустановкам. Раздел 707. Заземление оборудования обработки информации».
• ГОСТ Р 50571.26-2002 «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений»
• ГОСТ Р 51732-2001 «Устройства вводно-распределительные для жилых и общественных зданий. Общие технические условия»
• ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний»
• ГОСТ Р 50339.0 (МЭК 60269-1-86) «Низковольтные плавкие предохранители. Общие требования»
• ПУЭ (7-е изд.)
• СО-153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молние-защиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
• СП 31-110-2003 «Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий»
• Европейский Телекоммуникационный Стандарт ETSI EN 300253
• V2.1.0 (2001-12). «Инжиниринг оборудования. Заземление и выравнивание потенциалов оборудования на объектах связи».
• Рекомендации Международного Союза Электросвязи ITU-T К.27 (с учетом изменений, 1991 г.). «Защита от помех. Потенциаловыравнивающие соединения и заземление в здании объекта электросвязи».
• РД 45.155-2000. «Заземление и выравнивание потенциалов аппаратуры ВОЛП на объектах проводной связи».