Ёнергетическа€ координаци€ ”«»ѕ и защищаемого оборудовани€

*Ќа правах рекламы

—качать в формате PDF

¬ведение

„астой причиной выхода из стро€ электрооборудовани€, €вл€ютс€ импульсные перенапр€жени€. »мпульсы перенапр€жени€ могут быть вызваны различными электромагнитными помехами, возникающими в следствие грозовых разр€дов, либо в следствии коммутационных перенапр€жений и других переходных процессов в сети. Ќа данный момент, одним из самых эффективных способов защиты аппаратуры от перенапр€жений €вл€етс€ установка ”«»ѕ.

 огда конструкци€ входных цепей оборудовани€ не обеспечивает соблюдение об€зательных требований по стойкости изол€ции к импульсным перенапр€жени€м, например, √ќ—“ – 50571-4-44-2011 или требовани€м по Ёћ— в соответствии с √ќ—“ – 51317, дл€ прохождени€ процесса сертификации продукции производители оборудовани€ могут устанавливать во входные цепи питани€ встроенную защиту от перенапр€жений, в виде маломощного защитного элемента Ц варистора, разр€дника или др., дл€ повышени€ устойчивости оборудовани€ к микросекундным импульсным помехам малой энергии (рис. 1а, 1б).

–исунок 1а Ч ¬аристоры


–исунок 1б Ч √азонаполненные разр€дники


ƒл€ соответстви€ вышеуказанным требовани€м оборудование должно выдержать испытани€ на генераторах импульсов перенапр€жени€.  ритерием стойкости €вл€етс€ сохранение работоспособности, отсутствие сбоев или быстрое восстановление.

ѕоскольку при об€зательных испытани€х на Ёћ— используют испытательные импульсы небольшой энергии, то дл€ отведени€ таких импульсов достаточно маломощных элементов защиты, например, варисторов 5 кј 8/20 мкс или газонаполненных разр€дников 10 кј. —разу хотелось бы отметить частую ошибку применени€ газонаполненного разр€дника в цеп€х питани€ (“ехнический бюллетень TNP029 22.01.2018).

»спользование таких элементов экономически выгодно, в св€зи с чем, возможностью установки в цепи оборудовани€ защитных элементов активно пользуютс€ производители (рис. 2).

–исунок 2 Ч ¬строенный заводом-изготовителем защитный элемент

¬ реальных услови€х эксплуатации на промышленных объектах оборудование подвергаетс€ воздействию мощных перенапр€жений, наиболее опасными из которых €вл€ютс€ грозовые. ¬следствие таких воздействий оборудование может выходить из стро€, несмотр€ на встроенные элементы.  роме того, достаточно часто происходит возгорание маломощных защитных элементов, сопровождающеес€ выделением чЄрной копоти и окалины, что приводит к замыкани€м в цепи и как итог прекращению работы аппаратуры (рис. 3).

ƒл€ защиты объекта в целом, в соответствии с концепци€ми молниезащиты по √ќ—“ – ћЁ  62305-1, примен€етс€ р€д мер, одной из которых €вл€етс€ применение ”«»ѕ на границе зон молниезащиты. ”«»ѕ примен€ют в случае по€влени€ предполагаемого перенапр€жени€ в защищаемой цепи, превышающего собственную стойкость изол€ции оборудовани€. ¬ зависимости от условий и типа защищаемых линий, величина импульсов может достигать больших величин. Ќапример, дл€ воздушной линии питани€ 0,4 к¬ импульсы могут достигать значений в сотни кј с формой волны 8/20 мкс или 10/350 мкс.

ƒл€ защиты от перенапр€жений примен€ют один или несколько каскадов ”«»ѕ, способных отвести данное воздействие и защитить оборудование. ѕри этом, в общем случае, защита выстраиваетс€ таким образом, чтобы ”«»ѕ, ограничива€ расчЄтное перенапр€жение, обеспечивал необходимый дл€ исправной работы оборудовани€ уровень защиты Up. Ќо, в случае наличи€ встроенных в оборудование защитных элементов, задача усложн€етс€, т.к. по€вл€етс€ необходимость в координации ”«»ѕ с защитными элементами, установленными внутри оборудовани€.

¬ случае отсутстви€ координации, встроенные маломощные варисторы и разр€дники испытывают на себе мощный импульс тока, вследствие чего выход€т из стро€. Ќесогласованность работы между элементами защиты может оказатьс€ опасной дл€ современной аппаратуры.
—ледует отметить, что координаци€ ”«»ѕ и встроенных элементов защиты Ч задача сложно реализуема€ на практике и должна решатьс€ не позднее чем на этапе проектировани€.

–исунок 3 Ч ѕоследстви€ возгорани€ маломощного варистора

¬озможные варианты энергетической координации защит

¬ случае, когда в электрической цепи присутствует два или более устройства защиты, между ними будет возникать взаимодействие, и, если данные защитные элементы выбраны некорректно, по€вл€етс€ риск возникновени€ недопустимого перенапр€жени€ на менее мощном защитном элементе. «ащитный элемент с более низким максимальным длительным рабочим напр€жением Uc, будет иметь склонность пропустить через себ€ более высокий ток, так как обладает более низким полным эффективным импедансом.
√лавной целью координации €вл€етс€ создание условий, при которых энерги€ импульсов проходила бы по пути тока от более мощных элементов защиты к менее мощным, при этом уменьша€сь в значении до допустимого дл€ последующих элементов (–ис. 4).

–исунок 4 Ч ѕринцип координации ”«»ѕ

Ёнергетическа€ координаци€ между элементами ограничивающего типа

 оординаци€ между элементами ограничивающего типа, без разъедин€ющих элементов, может быть осуществлена посредством подбора их характеристик. ƒл€ формы волны 10/350мкс индуктивность не очень эффективна. ≈сли это возможно, то следует обеспечить координацию за счет применени€ резистивных элементов разъединени€ (или собственного сопротивлени€ кабелей) (рис. 5).

–исунок 5 Ч  оординаци€ элементов защит ограничивающего типа

≈щЄ одним способом координации может быть подбор ограничивающих элементов по максимально допустимому длительному рабочему напр€жению Uc. ¬ случае если Uc элемента RU2 будет превышать Uc элемента RU1, при воздействии импульсного тока элемент RU1 откроетс€ раньше, отвод€ при этом большую часть тока импульса перенапр€жени€.ѕри правильной координации в цепи с элементами ограничивающего типа, импульсный ток протекающий через RU2 не должен превышать ток, протекающий через RU1.   тому же, ток через RU2 не должен превышать допустимого дл€ RU2 значени€ (рис. 6).

–исунок 6 Ч «ависимости тока от времени дл€ двух ограничивающих напр€жение элементов

 оординаци€ между элементами коммутирующего и ограничивающего типа

¬ случа€х, когда во входных цеп€х оборудовани€ заводом-изготовителем устанавливаетс€ защитный элемент коммутирующего типа в виде разр€дника, а в электросети Ч ”«»ѕ на базе ограничивающего элемента Ц варистора, к энергетической координации можно отнестись более нейтрально (рис. 7). Ёто св€занно с тем, что врем€ срабатывани€ варистора колеблетс€ в пределах 25 нс., а врем€ срабатывани€ газонаполненного разр€дника колеблетс€ в пределах 100 нс., соответственно, в теории, варистор должен сработать раньше разр€дника и прин€ть на себ€ весь импульс перенапр€жени€. ќднако, к вышеописанной рекомендации не нужно относитьс€ догматично, т.к. достоверную информацию по координации в данном случае, можно вы€снить только путЄм проведени€ лабораторных испытаний.

–исунок 7 Ч √азонаполненный разр€дник в питающей цепи оборудовани€

ƒо пробо€, распределение напр€жений между FV1 и RU1 определ€етс€ соотношением

UFV = Ures + UDE,
где:
UFV Ц напр€жение на разр€днике;
Ures Ц напр€жение на RU1 дл€ импульсного тока i;
UDE Ц падение напр€жени€ на разъедин€ющем элементе дл€ di/dt.
 оординаци€ достигнута, когда UFV превышает динамическое пробивное напр€жение на разр€днике.
Ёто условие зависит только от характеристики RU1, скорости изменени€ тока воздействующего импульса, характера разъедин€ющего элемента, динамического пробивного напр€жени€ разр€дника.

–исунок 9 Ч ’арактеристика тока и напр€жени€ дл€ схемы разр€дник Ч варистор, при отсутствии пробо€


–исунок 10 Ч ’арактеристика тока и напр€жени€ дл€ схемы разр€дник Ч варистор, при пробое

 оординаци€ между коммутирующими элементами защиты

–исунок 11 иллюстрирует координацию разр€дников. ƒл€ координации разр€дников необходимо использовать их динамические рабочие характеристики.

–исунок 11 Ч  оординаци€ защитных элементов коммутирующего типа

≈сли координаци€ была выполнена правильно, то первый пробой произойдЄт в разр€днике FV2, а затем FV1. ѕосле пробо€ FV2, координаци€ будет обеспечена посредством разъедин€ющего элемента. „тобы определить необходимые параметры разъедин€ющего элемента FV2, может быть проведЄн опыт короткого замыкани€. ƒл€ срабатывани€ FV1 необходимо, чтобы динамическое падение напр€жени€ на разъедин€ющем элементе было выше, чем напр€жени€ пробо€ FV1. ≈сли в качестве элемента разъединени€ используетс€ индуктивность, то необходимо рассмотреть форму волны (особое значение di/dt).

ѕри использовании сопротивлений максимальное значение импульса €вл€етс€ определ€ющим при расчете сопротивлени€ резистивного разъедин€ющего элемента. ѕадени€ напр€жени€ в резисторах, вызванные импульсным током, следует учитывать при выборе параметров импульсных устройств.

ќценка координации

¬ √ќ—“ – 55630-2013 п.12.5. привод€тс€ п€ть различных способов оценки координации. Ќекоторые из этих методов трудны в применении, так как дл€ их осуществлени€ могут потребоватьс€ точные характеристики оборудовани€ и ”«»ѕ. Ќо координаци€ защитных элементов необходима дл€ максимально рентабельного и эффективного использовани€ ресурсов.

—пособы оценки координации двух ”«»ѕ по √ќ—“ – 55630-2013 п.12.5:

а) использование рекомендованных комбинаций ”«»ѕ.;
б) вычисление координации;
в) допустимость применени€ согласно энергетической концепции;
г) проведение испытаний на координацию конкретного оборудовани€ с конкретным ”«»ѕ.;
д) применение упрощЄнных табличных методов.

–екомендации производител€

–ассматрива€ вышеописанные методы координации, хотелось бы начать с наших рекомендаций, учитыва€ что јќ Ђ’акельї имеет большой опыт работы в области защиты от импульсных перенапр€жений. Ќаши ”«»ѕ испытаны на координацию между собой в лабораторных услови€х, кроме того правильность координации подтверждена многолетней безупречной эксплуатацией ”«»ѕ на различных объектах наших заказчиков.

ѕри установке защитных устройств необходимо, чтобы рассто€ние между соседними ступен€ми защиты было не менее 10 метров по кабелю. ¬ыполнение этого требовани€ необходимо дл€ правильной работы и координации срабатывани€ устройств. ¬ случае необходимости размещени€ ”«»ѕ на более близком рассто€нии или р€дом, необходимо использовать Ђискусственную линию задержкиї в виде импульсного разделительного дроссел€ с индуктивностью не менее 6-15 мк√н. ѕример такого разделени€ приведЄн на рисунке 12.

–исунок 12 Ч  оординаци€ трех ступеней ”«»ѕ

¬ычисление координации

ѕосредством компьютерного моделировани€ сложные электрические системы могут быть исследованы с выполнением параметрических оценок цепей в широком диапазоне значений. ќднако примен€ть такой метод координации устройств на практике не всегда представл€етс€ возможным.
ƒл€ проведени€ расчЄтов необходимо иметь подробные характеристики устройств, в том числе кривые ¬ј’ дл€ расчЄта координации. Ёто делает расчЄты относительно сложными, при этом не у всех потребителей и проектных организаций есть возможность пользоватьс€ таким методом. —итуаци€ усложн€етс€ тем, что производители оборудовани€ не всегда указывают технические данные по встроенным в оборудование защитам.

Ёнергетический метод координации

ƒанный метод, со стандартными импульсными параметрами, €вл€етс€ процедурой по выбору координации ”«»ѕ. ќсновное преимущество этого метода Ц возможность рассмотреть ”«»ѕ как ЂчЄрный €щикї (см. рисунок 13). ѕри этом подходе, дл€ данного импульсного перенапр€жени€ во входном порту, определ€етс€ не только напр€жение разомкнутой цепи, но также определ€етс€ и выходной ток, например, при коротком замыкании на входных зажимах. Ёто позвол€ет применить энергетический принцип. Ёти входные характеристики преобразовываютс€ в эквивалентную 2 ќм комбинированную волну (разомкнута€ цепь напр€жение 1,2/50 мкс, короткозамкнута€ цепь ток 8/20 мкс). ѕреимущество этого метода заключаетс€ в том, что нет никакой потребности в специальных знани€х внутренней конструкции ”«»ѕ.
Ёто обеспечивает удовлетворительные результаты, когда характеристики ”«»ѕ 1 настолько отличаютс€ от характеристик ”«»ѕ 2, что услови€ импульсного перенапр€жени€ на ”«»ѕ 2 €вл€ютс€ квазизависимыми от текущего состо€ни€. Ќапример, это условие выполн€етс€ в случае координации между искровым разр€дником и варистором.

–исунок 13 Ч Ёнергетический метод со стандартными параметрами импульсов

ѕроведение испытаний на координацию

ƒанный способ определени€ координации ”«»ѕ со встроенными защитными элементами, €вл€етс€ приоритетным, в случа€х когда производители оборудовани€ не указывают данные о параметрах встроенной защиты. ¬ момент проведени€ испытаний, к испытываемому оборудованию относ€тс€ как к ЂчЄрному €щикуї, т.к. отсутствует информаци€ о его внутреннем содержимом. »спытани€ провод€тс€ дл€ заданного диапазона токов импульсного воздействи€ так, чтобы были определены все ЂмЄртвые зоныї взаимодействи€ ”«»ѕ с защитным элементом, встроенным в конкретное оборудование. »спытани€ могут проводитьс€ с ”«»ѕ ограничивающего, коммутирующего и комбинированного типа. ¬ лаборатории јќ Ђ’акельї имеютс€ генераторы токов, позвол€ющие проводить испытани€ в широком диапазоне импульсных токов. ћы проводим совместные испытани€ с производител€ми оборудовани€. Ќаша лаборатори€ имеет сертификаты и технические возможности дл€ проведени€ всех типов подобного рода испытаний.

–исунок 14 Ч Ћабораторное оборудование ’акель

ѕрименение упрощенных табличных методов

¬ √ќ—“ – 55630-2013 (ѕриложение ≈) привод€тс€ упрощЄнные табличные значени€, включающие данные дл€ координации некоторого типового ”«»ѕ, когда никакие другие данные не известны. «начени€, приведЄнные в этих таблицах, основаны на достаточном объЄме данных, чтобы покрыть несоответстви€ между разными изготовител€ми и с учЄтом производственных допусков. ѕример такой координации приведЄн в таблице є1.

«аключение

ƒл€ обеспечени€ координации ”«»ѕ с оборудованием вышеописанными методами необходимо, чтобы производители предоставл€ли подробную информацию о встроенных защитных элементах, согласно с п.10.3 √ќ—“ – 55630-2013.

10.3 ѕредотвращение непоправимого ущерба

«ащитные меры могут быть были прин€ты в самом оборудовании. ¬ этом случае информаци€ должна быть предоставлена изготовителем, чтобы оценить потребности в дальнейшем уменьшении импульсного перенапр€жени€. Ќеправильно восприн€та€ информаци€ о характере импульсного перенапр€жени€ может привести к неправильному выбору ”«»ѕ и снижению системной надежности. Ќекоторые электронные устройства, в особенности с импульсным источником питани€, который включает входной конденсатор большой емкости, €вл€ютс€ примером того, когда уровень собственной помехозащищенности возрастает незначительно, а потери из-за неправильно выбранного ”«»ѕ могут быть существенными.

≈сли этого не учитывать, то через встроенные защитные элементы и ”«»ѕ могут протекать не допустимые токи. ѕри таком развитии событий, защитные элементы, устанавливаемые производител€ми на платах оборудовани€, выгорают сами и выжигают вблизи расположенные электрические цепи оборудовани€.

ћы, как производители ”«»ѕ и специалисты по защите от перенапр€жений, призываем проектные организации, разрабатывающие разделы св€занные с Ёћ— и молниезащитой, учитывать возможность наличи€ встроенных в оборудование защитных элементов и координировать их с примен€емыми ”«»ѕ.

“акже призываем производителей оборудовани€ с осторожностью использовать встроенные защитные элементы и брать во внимание следующие моменты:

Ч не использовать маломощные элементы, т.к. с ними зачастую невозможно добитьс€ координации, а при необходимости примен€ть внешние ”«»ѕ с известными параметрами и способом координации рекомендованным производителем ”«»ѕ, что допустимо нормативными документами;
Ч при использовании встроенной защиты об€зательно указывать в документации информацию о еЄ наличии и параметрах;
Ч использовать рекомендованные комбинации ”«»ѕ;
Ч проводить испытани€ на координацию и стойкость к предполагаемым перенапр€жени€м оборудовани€ с предполагаемыми к применению на объекте размещени€ вышесто€щими ”«»ѕ.

Ћитература:

1. √ќ—“ – 55630 Ц 2013. ѕеренапр€жени€ импульсные и защита от перенапр€жений в низковольтных системах переменного тока.
2. √ќ—“ IEC 61643 Ц 11 Ц 2013. ”стройства защиты от перенапр€жений низковольтные. „асть 11. ”стройства защиты от перенапр€жений, подсоединЄнные к низковольтным системам распределени€ электроэнергии. “ребовани€ и методы испытаний.
3. “ехнические материалы јќ Ђ’акельї.

  • ƒата публикации: 01.05.2024
  • 628
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