Классификация устройств защиты от импульсных перенапряжений

ВЫБОР и УСТАНОВКА УЗИП

Относящиеся к классу I (Типа 1 или класса B) устройства защиты от импульсных перенапряжений в линиях электроснабжения устанавливают на вводе в здание, где проходит граница зон молниезащиты LPZ 0 – LPZ 1. Устройства подобного типа обеспечивают в зоне LPZ 1 уровень защиты U_p ≤ 4 кВ. Выбранные УЗИП после вводного автомата монтируются во вводно-распределительном устройстве, главном распределительном щите (ГРЩ) или, при нехватке места, рядом в отдельном щите. В случае установленной системы внешней молниезащиты и, особенно при воздушном вводе в дом линий электроснабжения монтаж внутренней молниезащиты является крайне необходимым.

Выбор параметра I_imp для устройств первой линии обороны электрооборудования можно определять исходя из правила, что 50% тока молнии при прямом ударе попадает в дом по внешним токопроводящим коммуникациям. Для загородного дома (ІІІ класс молниезащиты) значение тока разряда молнии принимается равным 100 кА (согласно статистике наблюдений только в 5% случаев разряды молнии превышают это значение).

Для надежного уровня безопасности линий электропитании считают, что весь ток молнии пойдет по силовым кабелям. Таким образом, если в молниеприемник ударил разряд в 100 кА, то 50 кА пройдет по входящим в дом проводам, разделившись по количеству вводов. При прямом ударе в воздушную линию электроснабжения ток приблизительно в равных долях устремится к ТП и в дом. То есть, при двух входящих проводах (система заземления TN-C) на каждом из них можно получить ток 25 кА. Поэтому с учетом возможной неравномерности распределения тока имеем I_imp ≤ 30 кА.

Для установленной в доме бытовой техники обеспечиваемого в LPZ 1 уровня защиты недостаточно, поэтому в доме выделяется вторая зона молниезащиты и на границе LPZ 1 — LPZ 2 устанавливаются устройства защиты от импульсных перенапряжений класса II (Типа 2 или класса C). Их монтируют во внутренних распределительных щитах (этажных или других) или в специальных щитах рядом с ними. Установка подобных УЗИП должна обеспечивать в зоне LPZ 1 уровень защиты U_p ≤ 2,5 кВ.

Если ГРЩ в доме один или к нему необходимо непосредственно подключит оборудование, которое нуждается в уровне защиты, соответствующем зоне LPZ 2, то в ГРЩ устанавливаются УЗИП классов І и ІІ или готовый модуль І + ІІ. Для правильной очередности срабатывания между устройствами разных классов должно быть образованная проводом электропитания линия задержки длинной не менее 10 метров. Поэтому при установке в одном щите для их согласования необходимо использовать соответствующие дроссели. В готовом модуле такое согласование уже выполнено. С другой стороны, при выходе из строя одного входящего в модуль УЗИП заменять придется весь модуль.

Для еще более чувствительного оборудования (например, компьютеры или серверы, факсовые аппараты и т.д.) выделяется зона молниезащиты LPZ 3. В этом случае на границе LPZ 2 — LPZ 3 устанавливают УЗИП класса III (Типа 3 или класса D), которые обеспечивают уровень защиты U_p ≤ 1,5 кВ. Защищаемое оборудования в этом случае не должно размещаться далее 5 метров от защищающего устройства. УЗИП класса III имеют наибольшее разнообразие конструкций: для монтажа в щите на DIN-рейку, для навесного монтажа, для установки в розеточные коробки и кабель-каналы или в виде сетевого адаптера.

Исполнение и схема монтажа УЗИП зависит от того, какая система заземления используется при организации электроснабжения здания – TT, TN-C или TN-S (получаем при разделении на вводе в дом PEN проводника). Поскольку цель данной публикации показать необходимость применения УЗИП для защиты электрооборудования и вкратце рассказать, что они собой представляют и какие имеют важные параметры, мы не будем обсуждать конкретные правила и инструкции их установки.

Если Вы не очень сильны в электротехнике то не рекомендуем самостоятельно монтировать в распределительные щиты дома УЗИП, поскольку эти устройства могут надлежаще выполнять свои функции только при правильной установке. Помимо системы электроснабжения необходимо также устанавливать соответствующие защитные устройства и на линиях слаботочных коммуникаций: спутниковое телевидение, телефонный кабель, витая пара и т.д. Поэтому предоставьте расчет и монтаж внутренней молниезащиты специалистам, проверить компетентность которых Вам помогут публикации сайта.

Виды защитных устройств

Для борьбы с сетевыми перепадами напряжения существует много различных устройств, которые легко установить самостоятельно. Изделия помогают максимально эффективно защитить свой дом и близких людей от аварийных ситуаций, вызванных перенапряжением сети.

Существует несколько видов защитных устройств от перенапряжения:

1. Стабилизатор напряжения — контролирует размер сетевого напряжения.
2. Источник бесперебойного питания (ИБП) — устройство аварийного поддержания работоспособности оборудования при отключении основного источника, выполнен по принципу резервного аккумулятора. ИБП все же отличается от автономной системы питания, так как обеспечивает молниеносную защиту, питая прибор от энергии батарей. Время аварийной работы ИБП очень короткое (несколько минут), но этого достаточно для запуска другого источника или правильного отключения приборов от сети.
3. Автоматический выключатель – электрическое устройство с функциями, аналогичными функции плавкого предохранителя. Защита от перенапряжения сети самых простых выключателей обеспечивается соленоидом, который активируется чрезмерным увеличением тока. Малые автоматические выключатели широко используются вместо плавких предохранителей для защиты электрических систем в домах и квартирах.
4. Сетевой фильтр – защитное устройство со встроенной электронной схемой защиты от импульсных, низко- и высокочастотных сетевых помех путем их сглаживания.
5. Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН) — устройство, защищающее оборудование от коммутационных перенапряжений и молний, является лучшим средством защиты.
6. Трансформаторы (понижающие и повышающие) — изменяют напряжение до рабочего, когда в сети наблюдается регулярная просадка или подъем напряжения, из-за чего приборы не могут функционировать в полную силу.
7. Устройства защитного отключения (УЗО) — наиболее распространенные средства защиты людей от опасности удара электрическим током при касании устройств и оборудования под напряжением, а также для защиты от пожара, вызванного токами утечки. Другие средства защиты эти функции выполнять не могут, так как реагируют только на перегрузку сетей.

Трехфазная установка

В трехфазной схеме увеличивается ширина ограничителя и количество защищаемых соединений. Однако принцип функционирования ограничителя остается неизменным. Наиболее часто используемые трехслойные системные защитные устройства, работающие в системе 4 + 0, что означает присоединение к разряднику следующих линий:

• 3-фазные провода
• 1 нейтральный провод

Каждый из проводов подлежащих защите имеет равные права, то есть возможные перенапряжения устраняются путем подачи тока на защитную установку и, как результат, на землю.

Конечно для установок TN-C (установка без отдельного защитного провода) можно приобрести защитные устройства только с 3 защищаемыми разъемами. Затем с нижней стороны подключите ограничитель к полосе PEN (нейтральная защита).

Конструкция

Кроме основного элемента — варистора с нелинейными характеристиками, ограничитель перенапряжения отличает специальный корпус из фарфора или полимера. Сам варистор изготавливается в большинстве случаев из вилитовых дисков (из особого керамического состава с основой в виде оксидов цинка со специальными добавками). Диски покрываются изолирующей обмазкой и устанавливаются в корпусе.

В зависимости от условий эксплуатации ограничители перенапряжения могут иметь различные исполнения.

• Для установки на линиях электропередач и защиты оборудования на промышленных объектах.
• Защита от пиковых импульсов бытового оборудования дома или квартиры обеспечивается компактными, с привлекательным дизайном устройствами.

На изображении цифрами обозначены следующие конструктивные элементы:

• 1 — корпус;
• 2 — предохранитель, срабатывающий после прохождения импульса напряжения, с параметрами силы тока короткого замыкания;
• 3 — варисторный модуль, легко сменяемый без отключения базового элемента;
• 4 — индикатор, показывающий текущий ресурс работы устройства;
• 5 — насечки на контактных зажимах, увеличивающие плотность и площадь соприкосновения с целью предотвращения оплавления проводов в результате нагрева.

Для чего нужен ограничитель перенапряжения (разрядник) ?

• Защита от перенапряжений вследствие прямых и удаленных попаданий молнии в линию электропередач
• Защита сети от коммутационных помех
• Защита оборудования и сетей
• Комбинированная защита

Классификация ограничителей перенапряжения

• Класс 1 (Класс B) – молниезащитный разрядник. Предназначены для защиты от прямых ударов молнии в систему молниезащиты здания или воздушную линию электропередач (ЛЭП). Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) .
• Класс 2 (Класс C) – разрядник, ограничитель перенапряжений. Предназначены для защиты сети от коммутационных помех или как вторая ступень защиты при ударе молнии. 
• Класс 1+2 (Класс B+C) комбинированная защита. Рекомендуются для защиты индивидуальных жилых домов оборудованных системой молниезащиты, или с установленными внешними теле-радио антеннами, или с воздушным вводом линии электропередач.
• Класс 3 (Класс D) . Предназначены для защиты установок,  подключенных к воздушным линиям. Устанавливаются сразу за вводным автоматическим выключателем.  Должны подключаться к клемме «Земля» щита. Для защиты: телефонов, факсов, модемов, подключенных к внутренним телефонным линиям, от перенапряжений, вызванных атмосферными процессами. Монтируются в электрический шкаф. Подключаются к телефонным линиям.

Как подключить УЗИПы в домашних условиях

Правила устройства энергоустановок регламентируют обязательную установку УЗИП в домах, где электроснабжение производится проводами воздушных линий и с относительно длительным периодом наличия гроз. На рынке присутствует большое количество моделей УЗИП таких, например, как ограничители импульсных напряжений ОИН  1, ОПС 1, ОПН — РВ и много других, габариты которых позволяют разместить их во вводном щитке электроснабжения частного дома.

Электроснабжение дома может быть организовано по однофазной или трехфазной схемах. Различными могут быть и организация системы заземления домашней электросети.

На представленном ниже изображении — схема подключения УЗИП в однофазную электрическую схему. Система заземления с двумя нулевыми проводами: один выступает в качестве нейтрального проводника соединенного с землей, а второй используется как защитный провод.

В схеме:

• фаза — обозначена черным проводом;
• нулевой — обозначен синим проводом;
• зеленый — защитный заземляющий провод.

На следующем изображении представлена схема подключения УЗИП в трехфазную электрическую схему. Конструкция устройства защиты и счетчика выполнены для трехфазной сети. Заземление оборудовано по тому же принципу, что и в примере с подключением в однофазную цепь.

В схеме:

• черный провод — первая из трех фаз;
• красный провод — вторая из трех фаз;
• коричневый — третья фаза;
• синий — нулевой заземляющий провод;
• зеленый — защитный провод заземления.

Устройство и принцип действия

Ограничитель перенапряжения является безыскровым разрядником.

Устройство ограничителя перенапряжений

Основной элемент ОПН — варистор ( varistor, от англ. Vari(able) (Resi)stor — переменное, изменяющееся сопротивление). Основная активная часть ОПН состоит из набора варисторов, соединённых последовательно и составляющих так называемую «колонку». В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции ограничитель может состоять из одной колонки или из ряда колонок, соединённых последовательно либо параллельно. Отличие материала варисторов ОПН от материала резисторов вентильных разрядников состоит в том,
что у нелинейных резисторов ограничителей перенапряжения присутствует повышенная пропускная способность, а также высоконелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ), благодаря которой возможно непрерывное и безопасное нахождение ОПН под напряжением, при котором обеспечивается высокий уровень защиты электрооборудования. Данные качества позволили исключить из конструкции ОПН искровые промежутки.

Материал нелинейных резисторов ОПН состоит в основном из оксида (окиси) цинка ( ZnO ) и оболочки в виде глифталевой эмали, повышающей пропускную способность варистора. В процессе изготовления оксид цинка смешивается с оксидами других металлов. Варисторы на основе оксида цинка являются системой, состоящей из последовательно и параллельно включённых p – n переходов. Именно эти p – n переходы определяют нелинейность ВАХ варистора.

ОПН  конструктивно представляет собой колонку варисторов, заключённых в высокопрочный полимерный корпус из высокомолекулярного каучука (в случае полимерной изоляции прибора), либо колонку варисторов, прижатую к боковой поверхности стеклопластиковой трубы, расположенной внутри фарфора (в случае фарфоровой изоляции). В ОПН с полимерной изоляцией пространство между стеклопластиковой трубой и колонкой варисторов заполняется низкомолекулярным каучуком, а сама труба имеет расчётное количество отверстий для обеспечения взрывобезопасности конструкции при прохождении токов короткого замыкания. У ограничителей перенапряжений с фарфоровой изоляцией на торцевых сторонах покрышки располагают мембраны и герметизирующие резиновые уплотнительные кольца, а на фланцах устанавливают специальные крышки с выхлопными отверстиями. На крышке ограничителя перенапряжений имеется контактный болт для подключения к токоведущей шине. ОПН снабжён изолированной от земли плитой основания. Внутренняя стеклопластиковая труба, мембраны и крышки обеспечивают взрывобезопасность конструкции при прохождении токов
короткого замыкания.

Принцип действия

Защитное действие ограничителя перенапряжений обусловлено тем, что появление опасного для изоляции перенапряжения, вследствие высокой нелинейности резисторов через ограничитель перенапряжений протекает значительный импульсный ток, в результате чего величина перенапряжения снижается до уровня, безопасного для изоляции защищаемого оборудования.

В нормальном рабочем режиме ток через ограничитель имеет емкостный характер и составляет десятые доли миллиампера. Но при возникновении перенапряжений резисторы ОПН переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции защищаемой электроустановки. Когда перенапряжение снижается, ограничитель вновь возвращается в непроводящее состояние.

Вольт-амперная характеристика ограничителя состоит из 3 участков:

1. – область малых токов;
2. – область средних токов;
3. – область больших токов.

Вольт-амперная характеристика ОПН.

В первой области варисторы работают под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение (сопротивление варисторов велико, через них протекает очень малый ток утечки).  В режим средних токов варистор переходит при возникновении перенапряжения в сети. При этом на границе 1 и 2 областей происходит перегиб ВАХ, сопротивление варисторов существенно уменьшается и через них протекает кратковременный импульс тока. Варистор поглощает энергию импульса и рассеивает её в окружающее пространство в виде тепла. За счёт поглощения энергии импульс перенапряжения резко падает. Третья область для ограничителя является аварийной, сопротивление варисторов в ней вновь резко возрастает.

Классы устройств защиты от ИП

Существует 3 класса аппаратов защиты линии от перенапряжения:

Устройства I класса устанавливаются в распределительном щите или вводном шкафу и позволяют обеспечить защиту сети от импульсного перенапряжения, когда электрический разряд во время грозы попадает в ЛЭП или молниезащиту.

Приборы II класса обеспечивают дополнительную защиту электрической линии от повреждений в результате удара молнии. Устанавливают их и в том случае, когда необходимо защитить сеть от импульсных скачков напряжения, вызванных коммутацией. Их монтируют после устройств I класса.

Рассказ про УЗИП от специалистов компании ABB на видео:

Аппараты класса I+II обеспечивают защиту отдельных жилых домов. Монтаж этих приборов производится неподалеку от электрического оборудования. Они играют роль последнего барьера, сглаживающего остаточное перенапряжение, которое, как правило, имеет незначительную величину. Устройства этого класса выпускаются в виде специализированных электророзеток или вилок.

Одновременная установка устройств I, II и III класса гарантирует трехступенчатую защиту электрической линии от импульсных скачков напряжения.

Классы УЗИП

Класс I (В). Устройства, принадлежащие к этому классу, защищают от прямых попаданий разряда молнии в молниезащитную систему строения, либо воздушные электросети. Монтаж этих устройств выполняют прямо в ВРУ, либо ГРЩ там, где кабель входит в здание. Эти устройства рассчитаны на разрядный ток порядка 30-60 килоАмпер.

Второй класс (С). Эти приборы предназначены для защиты сетей токораспределения объектов от появления помех коммутации. Они способны работать в качестве второй защитной ступени от попадания молнии. Их устанавливают в распредщите, а их ток разряда по номиналу 20-40 килоАмпер.

Класс III (D). Блоки, представляющие из себя защитные устройства этого класса, устанавливают прямо перед прибором-потребителем. По конструкции такие устройства могут быть самыми разными (розетка, вилка, отдельно монтируемый модуль, либо устройство навесного монтажа). Ток их разряда не превышает 5-10 кА.

Главным элементом построения таких устройств явился варистор или разрядник. Кроме того, в состав этих устройств входит устройство-индикатор, способное сообщить о том, что УЗИП вышел из строя.

Из отрицательных показателей этих «защитников» следует отметить тот, что они нагреваются при сработке, что стало причиной того, что им необходимо время для остывания, а это сильно уменьшает селективность работы устройства.

Монтируют такой прибор на ДИН-рейке, варистор же, вышедший из строя, легко меняется методом удаления последнего из корпуса.

Чтобы добиться защиты потребителя от ненужных воздействий в хорошем качестве, требуется обеспечение строений эффективными системами заземлений и уравниванием потенциалов. С этой целью используется заземляющая система типа TN-C либо TN-CS, имеющие разделение проводников нуля и защиты.

Затем монтируют устройства защиты, расстояние между которыми (от одного класса до другого) не должно быть менее 10 метров по питающему кабелю. Только при выполнении таких условий можно обеспечить правильную сработку защитных устройств.

На воздушных линиях, в щите ввода на столбах наилучшим образом срабатывают системы, основанные на разрядниках и плавких вставках.

Главные щиты зданий хорошо защищают УЗИП первого и второго класса, основанные на варисторах, а этажные щиты – снабжаются системами третьего класса. В качестве защиты дополнительного характера, розетки снабжаются системами в виде вставок и разных удлинителей.

Наконец, хочу заметить, что устройства подобного типа значительным образом уменьшают процент выхода из строя потребителей и поражения человека высоким напряжением, хотя и не способны полностью обеспечить защиту на все сто процентов. Поэтому, во время грозы следует, по возможности, производить отключение наиболее важных потребителей от сети питания.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Схемы подключения

Вот основные схемы подключения УЗИП в зависимости от исполнения систем заземления на примере моделей от Schneider Electric. Схема подключения однофазного УЗИП в системе TT или TN-S:

Здесь самое главное не перепутать место подключения вставного картриджа N-PE. Если воткнете его на фазу, создадите короткое замыкание.

Схема трехфазного УЗИП в системе TT или TN-S:

Схема подключения 3-х фазного устройства в системе TN-C:

На что нужно обратить внимание? Помимо правильного подключения нулевого и фазного проводников немаловажную роль играет длина этих самых проводов. От точки подключения в клемме устройства до заземляющей шинки, суммарная длина проводников должны быть не более 50см!

От точки подключения в клемме устройства до заземляющей шинки, суммарная длина проводников должны быть не более 50см!

А вот подобные схемы для УЗИП от ABB OVR. Однофазный вариант:

Трехфазная схема:

Давайте пройдемся по некоторым схемкам отдельно. В схеме TN-C, где мы имеем совмещенные защитный и нулевой проводники, наиболее распространенный вариант решения защиты – установка УЗИП между фазой и землей.

Каждая фаза подключается через самостоятельное устройство и срабатывает независимо от других.

В варианте сети TN-S, где уже произошло разделение нейтрального и защитного проводника, схема похожа, однако здесь монтируется еще дополнительный модуль между нулем и землей. Фактически на него и сваливается весь основной удар.

Именно поэтому при выборе и подключении варианта УЗИП N-PE, указываются отдельные характеристики по импульсному току. И они обычно больше, чем значения по фазному.
Помимо этого не забывайте, что защита от грозы это не только правильно подобранный УЗИП. Это целый комплекс мероприятий.

Их можно использовать как с применением молниезащиты на крыше дома, так и без нее.

Особое внимание стоит уделить качественному контуру заземления. Одного уголка или штыря забитого в землю на глубину 2 метра здесь будет явно не достаточно

Хорошее сопротивление заземления должно составлять 4 Ом.

Защита дома от грозы

Гроза это стихийное явление и просчитать его до сих пор не особо получается. При этом молнии вовсе не обязательно попадать прямо в линию электропередач. Достаточно ударить рядышком с ней.

Даже такой грозовой разряд вызывает повышение напряжения в сети до нескольких киловольт. Кроме выхода из строя оборудования это еще чревато и развитием пожара.

Даже когда молния ударяет относительно далеко от ВЛ, в сетях возникают импульсные скачки, которые выводят из строя электронные компоненты домашней техники. Современный электронный счетчик с его начинкой, тоже может пострадать от этого импульса.

Общая длина проводов и кабелей в частном доме или коттедже достигает нескольких километров.

Сюда входят как силовые цепи так и слаботочка:

интернет 

TV 

видеонаблюдение 

охранная сигнализация 

Все эти провода принимают на себя последствия грозового удара. То есть, все ваши километры проводки получают гигантскую наводку, от которой не спасет никакое реле напряжения.

Единственное что поможет и защитит всю аппаратуру, стоимостью несколько сотен тысяч, это маленькая коробочка называемая УЗИП.

Монтируют их преимущественно в коттеджах, а не в квартирах многоэтажек, где подводка в дом выполнена подземным кабелем. Однако не забывайте, что если ваше ТП питается не по кабельной линии 6-10кв, а воздушной ВЛ или ВЛЗ (СИП-3), то влияние грозы на среднем напряжении, также может отразиться и на стороне 0,4кв.

Поэтому не удивляйтесь, когда в грозу в вашей многоэтажке, у многих соседей одновременно выходят из строя WiFi роутеры, радиотелефоны, телевизоры и другая электронная аппаратура.

Молния может ударить в ЛЭП за несколько километров от вашего дома, а импульс все равно прилетит к вам в розетку. Поэтому не смотря на их стоимость, задуматься о покупке УЗИП нужно всем потребителям электричества.

Цена качественных моделей от Шнайдер Электрик или ABB составляет примерно 2-5% от общей стоимости черновой электрики и средней комплектации распредщитка. В общей сумме это вовсе не такие огромные деньги.

Причины появления перенапряжения в сети

1. Наиболее часто встречающейся причиной возникновения излишнего напряжения для домашних приборов становится повреждение нулевого провода (обозначается буквой «N»). Нулевое соединение при неравномерных нагрузках уравновешивает напряжения фаз у пользователя электрической энергией. При разрыве или перегорании нулевого соединения электричество станет перемещаться между фазами. В результате кому-то из пользователей, подключенных к электросети, достанется очень большое напряжение (до 380 Вольт включительно), а у кого-то, наоборот, напряжения будет не хватать.

 2. Неверное либо ошибочное присоединение в электрической щитовой. Речь идет о ситуации, когда взамен нулевого соединения, было присоединено фазное, причем в жилище поступает не 220 Вольт, а 380 Вольт. 3. В период сильного природного ненастья, при грозе, разряд молнии, попавший в линию электропередач способен вызвать скачкообразные изменения в напряжении, которые по размеру способны составлять величину до нескольких тысяч Вольт.

4. Перераспределение напряжения на подстанциях энергетических систем.