УЗИП - Устройства Защиты от Импульсных Перенапряжений

С каждым годом совершенствуется конструкция и технические параметры УЗИП, что приводит к снижению времени сервисного обслуживания и контроля этих устройств, а также к повышению их надежности. Однако нельзя полностью исключить повреждение и поломку этих устройств. Например, при сильной грозовой активности может произойти неоднократное попадание прямых ударов молний в защищаемый энергообъект (электрическую подстанцию) или на территорию вблизи него в течение одной грозы.

Применение УЗИП

Также следует учитывать то обстоятельство, что УЗИП, которые используются в слаботочных электросетях и в информационных сетях, с течением времени подвергаются старению, что означает постепенную потерю способностей по эффективному ограничению импульсных перенапряжений искусственного и естественного характера.

Процесс старения особенно быстро протекает при частых грозовых ударах значительной мощности, повторяющихся вна протяжении секунд или минут. При этом достигаются максимальные амплитуды импульсных токов, которые допустимы для УЗИП (Imax = 8/20 мкс и Iimp = 10/350 мкс).

Повреждение защитных устройств происходит из-за перегрева корпусных деталей при протекании сильных разрядных токов значительной интенсивности. Характер повреждений защитных устройств зависит от типа УЗИП.

• В газонаполненных разрядниках с металлокерамическими корпусами происходит утечка газов и последующее разрушением корпуса прибора.
• В УЗИП варисторного типа в результате теплового пробоя изменяется структура кристалла вплоть до его полного разрушения.
• Защитные устройства, основанные на использовании открытых искровых промежутков, могут вызвать выброс перегретых газов и повреждение элементов элекрического шкафа.

В отдельных случаях отмечалась сильная деформация металлических частей распределительного шкафа, что можно сравнить с разрушениями от взрыва боевой гранаты. Поэтому при эксплуатации подобных УЗИП в электрических распределительных щитах требуется неукоснительное соблюдение мер противопожарной безопасности. Исходя из вышеуказанных причин, предприятия-изготовители УЗИП настоятельно рекомендуют проводить своевременный контроль защитных устройств на предмет сохранения работоспособности, в том числе после прохождения сильного грозового фронта. Для проверки устройств используются специальные тестеры, приспособленные для контроля и обслуживания защитных устройств от импульсного перенапряжения.

Визуальный осмотр или применение универсальной измерительной аппаратуры являются недостаточно эффективными мероприятиями для обнаружения многих неисправностей, так как:

• Газонаполненный разрядник с металлокерамическим корпусом требует не только внешнего осмотра, но разборки корпуса для определения состояния внутренних частей. Но даже такая поверка не позволяет обнаружить потерю газового разряда. Поэтому для корректного контроля напряжения зажигания газонаполненного (грозового) разрядника следует использовать специальный тестер.
• Варистор может иметь повреждения при отсутствии сигналов о выходе из строя устройства. При некорректной вольтамперной характеристике наблюдается утечка токов до 1 мА, что не всегда можно зафиксировать обычными тестерами. Для получения достоверных результатов производится измерение характеристики варистора как минимум в двух точках (при 0,010 мА и при 1 мА) с использованием источника тока с большим подъёмом напряжения (диапазон 1- 1,5 кВ).
• Для проверки УЗИП с открытым искровым промежутком необходимо демонтировать данное устройство и провести контрольные измерения при помощи генератора импульсного тока с временем 10/350 мкс.

Современные устройства для защиты от импульсных перенапряжений работают на основе принципа выравнивания потенциалов между фазным (L) и рабочим (PEN или N) проводником. УЗИП всегда подключаются параллельно нагрузке. При выходе из строя защитного устройства (например, при пробое изоляции или при разрушении нелинейного элемента у газонаполненных разрядников и варисторов) или при потери работоспособности искровых разрядников (невозможность гашения импульсного тока) между проводниками возникает короткое замыкание, что чревато угрозой повреждения энергообъекта или возникновением пожара.

В действующих стандартах МЭК содержится два обязательных способа для защиты объектов с рабочим напряжением 220 и 380 В:

• Защитные устройства теплового отключения (тепловая защита); используются в варисторах.
• Быстродействующие предохранители для защиты всех типов УЗИП от токов короткого замыкания

В УЗИП варисторного типа предусмотрена тепловая защита, обеспечивающая работоспособность устройств при длительной эксплуатации. Однако, вследствие износа варистора, который связан с частыми воздействиями токов с большой амплитудой, происходит критическое разрушение P-N переходов в структуре защитного устройства. В результате снижается важнейший параметр варистора – максимальное допустимое рабочее напряжение Uc.

Данный параметр устанавливается в соответствии с фактическим напряжением в электрической сети и указывается предприятием-изготовителем варистора в его паспортных данных и на корпусе устройства. Например, на корпусе УЗИП варисторного типа указано значение наибольшего допустимого напряжения Uc = 300 В. Данное устройство будет нормально выполнять свои защитные фунции в сети с напряжением 220В даже при кратковременном увеличении напряжения до 300 В.

Достаточный запас по напряжению обеспечивает работоспособность варистора при скачках напряжения и позволяет эффективно рассеивать энергию при импульсных перенапряжениях. В процессе неизбежного «старения» защитного устройства реальное значение Uc заметно снижается и может оказаться ниже, чем номинальное напряжение в электрической сети объекта. В результате увеличения токов утечки через УЗИП, произойдёт перегрев и деформация корпуса защитного устройства, фазные клеммы могут проплавить пластиковый корпус и вызвать короткое замыкание на металлический профиль для крепления модульного оборудования (DIN-рейка).

Учитывая вышеизложенное, для должной защиты энергообъектов рекомендуется использовать варисторы, снабженные терморазмыкателем (тепловая защита). Данные устройства отличаются особой надёжностью в работе и очень простой конструкцией: контакт с пружиной припаян к одному из выводов УЗИП, связанному с охранно-пожарной сигнализацией. Отдельные устройства имеют контакты для подключения автономной сигнализации, предназначенной для подачи сигнала при неисправностиУЗИП.

При неполадках или повреждениях защитного устройства на пульт диспетчера или на вход автоматической системы по обработке и передаче данных поступает соответствующая информация (Рис. 1).

Рис. 1 УЗИП

При длительном превышении фактического напряжения в электрической сети над наибольшим предельно допустимым длительным рабочим напряжением УЗИП (Uc) часто возникает аварийная ситуация. Например, подобное может случиться при обрыве или обгорании нулевого провода при входе в трансформатор (3-хфазная сеть с глухозаземлённой нейтралью). В этом случае к нагрузке прикладывается линейное напряжение, равное 380 Вольт. Как и положено, защитное устройство сработает пропуская через себя ток, по величине равный току короткого замыкания, достигающего сотен ампер.

Вследствие инертности конструкции тепловая защита реагирует с небольшим запозданием, которого вполне достаточно для полного разрушения варистора и сохранения режима КЗ через образовавшуюся дугу. Из-за расплавления корпуса защитного устройства возможно замыкание клемм УЗИП на DIN-рейку или на металлические части электрического шкафа. Данная ситуация возможна не только при использовании УЗИП варисторного типа, но на защитных устройствах с газовыми разрядниками, у которых отсутствует тепловая защита.

На рис. 2 продемонстрирован реальный случай, произошедший на одной из подстанций. Выход из строя УЗИП варисторного типа привёл к возгоранию в главном распределительном щите.

Рис.2 Пример возгорания ГРЩ

На рис. 3 показаны остатки от варистора, ставшего причиной возгорания в ГРЩ.

Рис.3 Остатки варистора

Для исключения подобных ситуаций следует устанавливать последовательно вместе с УЗИП тепловые предохранители, обладающие характеристиками срабатывания gG по ГОСТ Р 50339.0-92 (МЭК 60269-1-86) или gL по стандартам VDE 0636 (Германия). Большинство изготовителей УЗИП в каталогах продукции приводят технические требования, включающие номинальные значения и тип характеристики срабатывания тепловых предохранителей, предназначенных для дополнительной защиты от токов КЗ. Для этих целей применяются предохранители типа gG или gL, защищающие проводку и распределительные устройства от импульсных перегрузок и коротких замыканий.

Данный тип тепловых предохранителей отличается повышенной стойкостью к значительным токам импульсного перенапряжения и крайне малым временем срабатывания (в 10...100 раз быстрее, чем аналогичные автоматические выключатели). В ходе экспериментальных испытаний установлены и практикой подтверждены случаи повреждения автоматических выключателей или подгорания (приваривания) контактов вследствие длительного или частого воздействия импульсных перенапряжений. В результате автоматический выключатель выходит из строя и не может выполнять защитные функции.

Различные варианты применения тепловых предохранителей имеют свои особенности, которые необходимо брать в расчёт ещё на стадии проектирования электрощитовой продукции и схем электроснабжения энергообъектов. Например, если для защиты от КЗ будут применяться только вводные предохранители (общая защита), то при первом коротком замыкании в УЗИП любой ступени, будет отключен от питания весь объект или его часть.

Использование тепловых предохранителей, установленных последовательно с основным защитным устройством, гарантирует исключение подобной ситуации. Но при этом возникает вопрос подбора правильных предохранителей, с учётом очередности срабатывания каждого из них. Для решения этой проблемы следует прислушаться к рекомендациям предприятий-изготовителей УЗИП и применять предохранители таких типов и номиналов, которые предназначены для эксплуатации с конкретным защитным устройством.

На рис.4 продемонстрированы схемы установки предохранителей F7...F12 в TN-S сеть 220/380 В.

Рис.4

При использовании в рассматриваемой схеме разрядников HS55 в I ступени защиты и УЗИП варисторного типа (PIII280) во II ступени защиты (Рис. 4) применение предохранителей F7 ...F9 и F10...F12 зависит от номинального значения предохранителей F1...F3:

• При значении F1...F3 свыше 315 А gG, значения F7...F9 соответствуют 315 А gG и и F10...F12 – 160 А gG.
• При значении F1 ...F3 от 160 до 315 А gG, можно обойтись без предохранителей F7...F9. Предохранители F10...F12 равны 160 А gG.
• При значении F1...F3 до 160 А gG, предохранители F7...F12 не требуются.

В отдельных случаях требуется, чтобы при возникновении в УЗИП короткого замыкания не срабатывал общий предохранитель, устанавливаемый на вводе трансформатора. Для этого в цепи каждого защитного устройства устанавливаются предохранители, которые выбираются с коэффициентом 1,6. Например, если общий предохранитель имеет номинальное значение 250 А gG, то предохранитель установленный последовательно с УЗИП должен быть номиналом в 160 А gG.

Использование автоматических выключателей для этой цели нецелесообразно: прежде всего из-за увеличенного времени срабатывания и недостаточной стойкости к импульсным перенапряжениям значительной величины и продолжительности.

Отдельные предприятия-изготовители защитных устройств предлагают УЗИП I и II класса модульного исполнения.

Конструкция подобных устройств включает базу, устанавливаемую на металлическую DIN-рейку, и сменный модульный элемент, оснащённый варистором или газовым разрядником с ножевыми контактами. На первый взгляд, подобная конструкция УЗИП, по сравнению с монолитным корпусом, кажется более удобной в эксплуатации и выгодной по стоимости. Однако подобная конструкция имеет ограничения по импульсным токам: Imax равняется 25 kA (для волны 8/20 мкс) и Iimp составляет не более 20 kA (для волны 10/350 мкс). Несмотря на это обстоятельтво, ряд производителей УЗИП показывают в рекламных проспектах максимальные разрядные способности защитных устройств, доходящие Imax до 100 kA (с формой импульса 8/20 мкс) и Iimp до 25 kA (форма импульса 10/350 мкс).

Однако фактические результаты испытаний расходятся с заявлениеми производителей. При ударе испытательного импульсного тока с подобной амплитудой возникают разрушения и пережоги ножевых контактов у сменного модуля и отмечаются повреждения контактов клемм в базе. На рис.5 представлены доказательства разрушительного воздействия испытательного импульса тока Imax равного 50 kA (форма импульса 8/20 мкс) на механическую часть УЗИП модульной конструкции.

После подобных воздействий импульсного тока будет крайне сложно извлечь вставной элемент из базы, так как возможно приваривание контактов друг к другу. Если вставку удастся благополучно вытащить из базы, последняя придёт в негодность: обгоревшие контакты увеличат переходное сопротивление, что повлечёт изменение уровня защиты данного УЗИП.

Рис.5

Для исключения подобных последствий УЗИП с модульной конструкцией следует применять только в тех случаях, когда возможные импульсные перенапряжения гарантированно не превысят предельно допустимых значений. Для достижения этого необходим корректный выбор типов и классов защитных устройств для конкретного энергообъекта и согласование технических параметров УЗИП между всеми ступенями защиты.

Среди вторичных источников питания чаще всего применяется выпрямитель. Укоренившаяся практика установки защитных устройств (варисторов, разрядников и др.) внутри блоков выпрямителя или непосредственно на платах не обеспечивает должную защиту оборудования подстанции. Как правило, подобные варисторы по своим параметрам относятся к III классу защиты, в соответствии с положениями ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98).

Данные устройства рассчитаны на токи порядка 7...10 кА с формой импульса 8/20 мкС. На многих предприятиях эксплуатирующих энергообъекты, данный тип защитных устройств считается вполне приемлемым и поэтому не принимаются другие меры по дополнительной защите технологического оборудования подстанции.

При отсутствии дополнительных внешних УЗИП более высокого класса и в случае длительных превышений номинального напряжения питающей электрической сети возможны следующие типовые аварийные ситуации:

• При срабатывания варистора будут возникать токи значительной силы, которые пройдут через печатные платы и провода напрямую к заземляющей клемме, расположенной на стойке. Это как правило приводит к разрушению печатных проводников на платах и к появлению вторичных токов на незащищенных цепях, что в свою очередь выведет из строя электронные компоненты выпрямительного устройства.
• Если импульсные токи превысят максимальное допустимое значение, установленное изготовителем для данной модели варистора, возможно возгорание или разрушение защитного устройства, что является серьезной угрозой для самого выпрямителя.
• Иная ситуация наблюдается ели при действующее напряжение в электрической сети длительно превышает свое значение над максимально допустимым рабочим напряжением, установленным техническими условиями для данного типа варистора. В результате воздействия импульсного перенапряжения возникает вероятность обгорания печатных плат и внутренних проводов. При взрыве варистора возможны значительные механические повреждения выпрямителя.

На рис.6 показаны примеры поврежденных плат

Рис.6

Для решения проблем перечисленных в пункте I, наиболее оптимальным является вариант установки УЗИП, при котором защитные устройства располагаются в отдельном щитке или размещаются в стандартных силовых шкафах и распределительных электрощитах электроустановки энергообъекта. Использование дополнительных внешних УЗИП обеспечивает защиту выпрямителя от больших импульсных токов и позволяет соответственно уменьшить до предельно допустимого (7 ...10 кА) расчётные значения величин импульсных токов, проходящие через варисторные УЗИП, непосредственно встроенные в выпрямитель.

Для защиты оборудования подстанции от повышенного напряжения в сети (пункт II) рекомендуется применять устройства для контроля напряжения фазы или аналогичные приборы. На рис. 7 показана схема подключения устройства РКФ-3/1, предназначенного для контроля фаз.

Рис.7

Выбор конкретной схемы для защиты промышленного энергообъекта зависит от конфигурации оборудования, высоты антенно-мачтовых сооружений и типа ввода линий электропитания (подземный или воздушный). Для энергообъектов, имеющих высотные АМС или обладающих воздушным вводом линий электропитания с рабочим напряжением 220/380 В, применяют как минимум 2-х ступенчатые схемы для защиты от токов импульсного перенапряжения, в которых используются УЗИП I и II класса защиты (ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах).

1. В качестве I ступени защиты рекомендованы к установке:

• Для цепей L-N – 1-фазные грозовые разрядники, выдерживающие импульсные токи при прямом попадании молнии (10/350 мкс с амплитудным значением свыше 50 кА), с уровнем защиты (1Гр) более 4 кВ и способные автоматически гасить электрические дуги с токами не менее 4 кА.
• Для цепей N-PE – грозовые разрядники, способные пропускать импульсные токи перенапряжения (10/350 мкс, с амплитудой до 120 кА), обеспечивающие минимальный уровень защиты (UP) не менее 2 кВ и способные гасить возникающие импульсные токи силой до 300 А. Данные разрядники не применяются в 4-х проводных схемах электропитания для сетей типа ТN-С.

2. В качестве II ступени защиты рекомендованы к установке:

• В цепях L-N – 1-фазные (3-х фазные) защитные устройства варисторного типа, способные выдержать максимальный импульсный ток до 40 кА (8/20 мкс) с уровнем защиты (UP) более 1,5 кВ.
• В цепях N-PE – грозовые разрядники II класса защиты, способные выдерживать наибольшие импульсные токи перенапряжения с амплитудой до 50 кА (8/20 мкс) и обладающие уровнем защиты (UP) от 1,5 кВ. В распределительных сетях ТN-С установка данных разрядников не обязательна.

Схемы включения УЗИП для защиты электропитающих сетей типа ТN-С-S и ТN-S приведены на Рис. 4 ...11. При монтаже защитных устройств следует выдерживать расстояние между смежными ступенями защиты (не менее десяти метров), измеренное по силовому электрическому кабелю. Данное требование является крайне важным – его соблюдение обеспечивает безотказную работу защитных устройств. При размещении защитных устройств I и II ступеней на меньшем расстоянии или при их расположении в одном и том же месте, следует установить дополнительное согласующее устройство (разделительный дроссель импульсного типа).

Для энергообъектов, использующих схему с подземным кабельным вводом электропитания, допустимо применение варисторных УЗИП комбинированного типа, которые по своим входным техническим параметрам полностью соответствуют требованиям к техническим устройствам II класса защиты (способность выдерживать импульсные токи до 25 кА с формой амплитуды 10/350 мкс). По выходным техническим параметрам (степень защиты UP (1 300...1 700 В), импульсный ток с формой амплитуды 8/20 мкс) они также должны подходить под требования для УЗИП II класса защиты. Использование данных защитных устройств позволяет полностью отказаться от применения разделительных дросселей.

Пример подобных УЗИП для энергообъекта, обладающего 2-мя подземными вводами электрического питания, привёден на Рис. 8. Отказ от схемы с использованием разделительных дросселей в пользу варисторных УЗИП позволяет получить экономию до 40%. Однако следует помнить, что при установке подобных защитных устройств на линии электропитания с воздушным вводом, нельзя исключать вероятность повреждения защитных устройств при прямом попадании грозового разряда в провода линии электропередач данного энергообъекта.

Требования к монтажу и установке УЗИП

При использовании защитных устройств в ЭПУ энергообъекта контейнерного типа, имеющего ограниченные габаритные характеристики, рекомендуется выполнить следующее:

• Защитные устройства I класса (грозовые разрядники или комбинированные УЗИП варисторного типа) лучше всего устанавливать во вводном электрощитке, после вводного автоматического выключателя, но перед счетчиком для учёта электроэнергии, что обеспечивает надёжную защиту последнего.
• Защитные устройства II класса также размещаются во вводном распределительном щитке непосредственно перед автоматическими выключателями (Рис.8, 9). В случае необходимости данные УЗИП монтируются на DIN-рейке выпрямительного устройства (Рис. 10, 11). Этот вариант подходит в том случае, когда устанавливается новый выпрямитель (при наличии УЗИП II класса защиты).
• Для энергообъектов контейнерного типа во вводном распределительном щитке следует устанавливать импульсные разделительные дроссели, обладающие индуктивностью 15 мкГн. На входе в ЭПУ или на линии, где расположены дроссели, устанавливаются защитные устройства, предназначенных для защиты дросселей и проводников от токов перенапряжения и токов КЗ. На Рис. 8 ...11 показаны схемы, где используются распределительные дроссели и автоматические выключатели (32 А).
• При использовании варисторных УЗИП комбинированного типа требования по их монтажу схожим с теми, которые предъявляются к грозовым разрядникам. Однако при этом можно не устанавливать разделительные дроссели и варисторные УЗИП II-го класса.

Рис.8. Подключение защитных устройств к сети ТК-С-8 с рабочим напряжением 220/380 В

Рис.9. Подключение защитных устройств к сети ТN-S с рабочим напряжением 220/380 В

Рис.10. Подключение защитных устройств к сети ТN-С-S с рабочим напряжением 220/380 В

Рис.11. Подключение защитных устройств к сети ТК-8 с рабочим напряжением 220/380 В

В тех случаях, когда при использовании подобных УЗИП в действующей ЭПУ энергообъекта габаритные характеристики защитных устройств не являются главным критерием и когда нежелательны какие-либо изменения в монтажной схеме ЭПУ, следует устанавливать дополнительные электрощиты для защиты от импульсных токов перенапряжений (ЩЗИП) (Рис. 12...14).

Рис.12. Применение защитных устройств в 4-х проводной сети ТN-С (220/380 В) с 2-мя подземными вводами.

Рис.13. Применение защитных устройств в 4-х проводной сети ТN-С (220/380 В) с 2-мя воздушными вводами (с установкой разделительных дросселей)

Рис.14. Применение защитных устройств в 4-х проводной сети ТN-С (220/380 В) с 2-мя воздушными вводами (без использования в схеме разделительных дросселей)

Существуют схемы, где установлены дополнительные разделительные дроссели между I и II ступенями защиты. Следует заметить, что номинал разделительных дросселей подбирается с учётом максимального тока нагрузки, взятого отдельно для каждой фазы ЭПУ энергообъекта. Для установки на DIN-рейку в модельном ряду производителя предусмотрены разделительные дроссели с номиналом до 63 А. Защитные устройства, способные выдерживать большие токи (до 120 А), обладают значительными габаритными размерами, что может вызвать трудности при их монтаже в распределительные щиты небольших размеров.

Поэтому, при больших габаритах энергообъекта и значительных рабочих токах, имеет практический смысл не использовать разделительные дроссели и устанавливать УЗИП различных ступеней защиты на расстоянии не менее десяти метров в различных распредщитах. Но если разделительные дроссели входят в схему защиты энергообъекта, на вводе в ЭПУ или на той силовой линии, где размещены дроссели, следует устанавливать устройства для защиты дросселей и электрических кабелей от токов импульсного перенапряжения и токов КЗ. В этом случае использование предохранителей, подключенных последовательно с каждым устройством для защиты от токов импульсного перенапряжения, технически нецелесообразно.

Так как номиналы предохранителей, предусмотренные изготовителем защитных устройств, превышают номинальные значения разделительных дросселей (при максимальном токе до 120 А). При отсутствии в схеме защиты необходимых дросселей (Рис. 8 и 10), следует обеспечить защиту ЭПУ от аварийных режимов КЗ в устройствах защиты от импульсного перенапряжения за счёт последовательного подключения предохранителей, номинал которых должен соответствовать ТУ производителя данных устройств. При более низком номинальном значении устройств для защиты от максимальных токов импульсного перенапряжения (защитных автоматических выключателей или предохранителей), установленных перед местом подключения УЗИП, допускается монтаж вышеприведённой схемы без предохранителей.

Важнейшие технические параметры защитных устройств, использованных в вышеприведённых схемах (Рис. 8...14), приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Примечания к таблице 1:

• Указаны только крайние позиции среди устройств серии 5РС
• Представлены только 1-фазные устройства серии 8РС

Для эффективной защиты оборудования энергообъекта по вторичному питанию в каждую цепь устанавливаются соответствующие УЗИП (48 В или 60 В). Количество защитных устройств и места их расположения выбираются с учетом конкретного типа электрооборудования и условий прокладки трасс для шин вторичного питания по энергообъекту. На Рис. 11 варисторный УЗИП мод. РIII-60 размещён на DIN-рейке выпрямительного устройства. Последовательно с УЗИП подключен предохранитель 63 АgG, предназначенный для защиты выхода 48 VDC выпрямительного устройства в случае возникновения КЗ в варисторе.

Рис.15. Схема защиты электропитающих установок объекта контейнерного типа по цепям постоянного тока со стороны линий огней системы светового ограждения.

Также на Рис. 15 показана схема защиты ЭПУ энергообъекта контейнерного типа со стороны электропитания и от заноса перенапряжения от линии питания с рабочим напряжением 220 В огней светового ограждения (СОМ), размещённых на антенно-мачтовом сооружении.