Молниезащита зоновая концепция применение узип реферат

Обновлено: 05.07.2024

Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) — устройство предназначенное для защиты электрической сети и электрооборудования от перенапряжений которые могут быть вызваны прямым или косвенным грозовым воздействием, а так же переходными процессами в самой электросети.

Другими словами УЗИПы выполняют следующие функции:

— Защита от удара молнии электрической сети и оборудования, т.е. защита от перенапряжений вызванных прямыми или косвенными грозовыми воздействиями

— Защита от импульсных перенапряжений вызванных коммутационными переходными процессами в сети, связанных с включением или отключением электрооборудования с большой индуктивной нагрузкой, например силовых или сварочных трансформаторов, мощных электродвигателей и т.д.

— Защита от удаленного короткого замыкания (т.е. от перенапряжения возникшего в результате произошедшего короткого замыкания)

[Реклама] Компания Приборэнерго производит качественные УЗИП с упором на надежность.

УЗИПы имеют различные названия: ограничитель перенапряжений сети — ОПС (ОПН), ограничитель импульсных напряжений — ОИН, но все они имеют одинаковые функции и принцип работы.

Внешний вид УЗИП:

Принцип работы и устройство защиты УЗИП

Принцип работы УЗИПа основан на применении нелинейных элементов, в качестве которых, как правило, выступают варисторы.

Варистор — это полупроводниковый резистор сопротивление которого имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения.

Ниже представлен график зависимости сопротивления варистора от приложенного к нему напряжения:

Из графика видно, что при повышении напряжения выше определенного значения сопротивление варистора резко снижается.

Как это работает на практике разберем на примере следующей схемы:

На схеме упрощенно представлена однофазная электрическая цепь, в которой через автоматический выключатель подключена нагрузка в виде лампочки, в цепь так же включен УЗИП, с одной стороны он подключен к фазному проводу после автоматического выключателя, с другой — к заземлению.

В нормальном режиме работы напряжение цепи составляет 220 Вольт, при таком напряжении варистор УЗИПа обладает высоким сопротивлением измеряющимся тысячами МегаОм, настолько высокое сопротивление варистора препятствует протеканию тока через УЗИП.

Что же происходит при возникновении в цепи импульса высокого напряжения, например, в результате удара молнии (грозового воздействия).

На схеме видно что при возникновении импульса в цепи резко возрастает напряжение, что в свою очередь вызывает мгновенное, многократное уменьшение сопротивления УЗИПа (сопротивление варистора УЗИПа стремится к нулю), уменьшение сопротивление приводит к тому, что УЗИП начинает проводить электрически ток, закорачивая электрическую цепь на землю, т.е. создавая короткое замыкание которое приводит к срабатыванию автоматического выключателя и отключению цепи. Таким образом ограничитель импульсных перенапряжений защищает электрооборудование от протекания через него импульса высокого напряжения.

Классификация УЗИП

Согласно ГОСТ Р 51992-2011 разработанного на основе международного стандарта МЭК 61643-1-2005 есть следующие классы УЗИП:

УЗИП 1 класс — (так же обозначается как класс B) применяются для защиты от непосредственного грозового воздействия (удара молнии в систему), атмосферных и коммутационных перенапряжений. Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Обязательно должен устанавливаться для отдельно стоящих зданий на открытой местности, зданий подключаемых к воздушной линии, а так же зданий имеющих молниеотвод или находящихся рядом с высокими деревьями, т.е. зданиях с высоким риском оказаться под прямым или косвенным грозовым воздействием. Нормируются импульсным с формой волны 10/350 мкс. Номинальный разрядный ток составляет 30-60 кА.

УЗИП 2 класс — (так же обозначается как класс С) применяются для защиты сети от остатков атмосферных и коммутационных перенапряжений прошедших через УЗИП 1-го класса. Устанавливаются в местных распределительных щитках, например во вводном щитке квартиры или офиса. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс Номинальный разрядный ток составляет 20-40 кА.

УЗИП 3 класс — (так же обозначается как класс D) применяются для защиты электронной аппаратуры от остатков атмосферных и коммутационных перенапряжений, а так же высокочастотных помех прошедших через УЗИП 2-го класса. Устанавливаются в разветвительные коробки, розетки, либо встраивается непосредственно в само оборудование. Примером использования УЗИПа 3-го класса служат сетевые фильтры применяемые для подключения персональных компьютеров. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс. Номинальный разрядный ток составляет 5-10 кА.

Маркировка УЗИП — характеристики

Характеристики УЗИП:

Номинальное и максимальное напряжение — максимальное рабочее напряжение сети на работу под которым рассчитан УЗИП.
Частота тока — рабочая частота тока сети на работу при которой рассчитан УЗИП.
Номинальный разрядный ток (в скобках указана форма волны тока) — импульс тока с формой волны 8/20 микросекунд в килоАмперах (кА), который УЗИП способен пропустить многократно.
Максимальный разрядный ток (в скобках указана форма волны тока) — максимальный импульс тока с формой волны 8/20 микросекунд в килоАмперах (кА) который УЗИП способен пропустить один раз не выйдя при этом из строя.
Уровень напряжения защиты — максимальное значение падения напряжения в килоВольтах (кВ) на УЗИПе при протекании через него импульса тока. Данный параметр характеризует способность УЗИПа ограничивать перенапряжение.

Схема подключения УЗИП

Общим условием при подключении УЗИП являетя наличие со стороны питающей сети предохранителя или автоматического выключателя соответствующего нагрузке сети, поэтому все представленные ниже схемы будут включать в себя автоматические выключатели (схему подключения УЗИП в электрощитке смотрите здесь):

Схемы подключения УЗИП (ОПС, ОИН) в однофазную сеть 220В (двухпроводную и трехпроводную):

Схемы подключения УЗИП (ОПС, ОИН) в трехфазную сеть 3800В

Принципиальные схемы подключения УЗИП выглядят следующим образом:

При устройстве многоступенчатой защиты от перенапряжения, т.е. установки УЗИПов 1-го класса в ВРУ здания совместно с УЗИПами 2-го класса в распределительных щитах здания и с УЗИПами 3-го класса, например, в розетках, необходимо соблюдать расстояние между УЗИПами по кабелю не менее 10 метров:

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

Современная система молниезащиты предназначена не только для защиты охраняемого объекта от прямого разряда молнии, но она должна также обладать свойствами, ограничивающими эффекты непрямого воздействия тока молнии на этот объект:

по снижению величины электромагнитного поля в зоне охраняемого пространства образованного из-за воздействия электромагнитного импульса LEMP, вызванного протеканием тока молнии (LightningElectromagneticPulse- англ. электромагнитный импульс молнии) при прямом разряде в объект и во время разряда в его непосредственной близости;
по ограничению импульсов напряжения и тока втекающим в охраняемый объект электропроводящими системами, т.е. по электропитающим и сигнальным кабелям, металлическим трубам и конструкциям.

Для реализации этой цели в настоящее время используются новые меры, с особым нажимом на экранирование зданий, помещений и кабельных трасс, а также на защиту от перенапряжений вызванных током молнии используемую как мера выравнивания потенциалов рабочих жил кабелей посредством ограничителя перенапряжений.
Наиболее оптимальной для выполнения этой задачи стала Зоновая Концепция Молниезащиты, которая полностью изложена в стандарте МЭК 62305 – Защита от атмосферного электричества.

Целью вебинара является приближение механизмов образования эффектов влияния тока молнии на современные объекты, а также рассмотрение методики разделения объекта на зоны молниезащиты LPZ 0A, LPZ 0B, LPZ 1, LPZ 2 и т.д.

Рекомендуется просмотр с качеством "720p" в полноэкранном режиме.

Быстрая навигация по слайдам:

Примерное время чтения: 69 минут.

Зоновая концепция молниезащиты

О Мирославе Зеленкевиче

Стандарты МЭК серии 62305

— То, о чем я буду говорить, находится сегодня в стандартах. Правда, это стандарты МЭК серии, как вы видите, 62305. Если вы посмотрите на этот слайд, то увидите, что они уже есть на русском языке. Они у меня, я взял их просто из Интернета. Мы ими пользуемся очень долго, порядка 10 лет тому назад появилась серия 62305, их четыре части. И в четвертой части находится именно то, о чем я буду сегодня в большом сокращении говорить.

ЭМ обстановка работы электронных систем

— Откуда все берется, почему мы сегодня говорим о молниезащите и об электромагнитной обстановке? Я думаю, что всем это должно быть понятно, для того, чтобы посмотреть это еще раз, я даю на этом слайде пример. Устройство А, устройство Б, которые между собой связаны какой-то проводящей проводкой. Как правило, это просто витая пара. Сегодня не говорим этот момент об оптическом соединении, а только о гальваническом соединении, проводящем соединении. Понятно, что если мы такое соединение создаем, сразу появляется дорога проникновения помех устройства А в устройство Б , и наоборот – в устройство Б из устройства А. Мы обязательно, во время защиты должны помнить о том, что аппаратура электронная питаетсяс энергетической сети. Что это означает на практике? Это означает, что во время молнии все, что отразится в очень длинной сети снаружи наших устройств, может в какой-то части перейти к наши электронным платам. Мы должны тоже знать о том, что вся электроника, как правило заземляется. Заземляется в первую очередь потому, чтобы защитить человеческую жизнь от поражения электрическим током. А это тоже гальваническая связь с заземлением. Оттуда у нас появляется еще одна дорога проникновения всякого рода помех перенапряжений, то есть заземлителем. Если посмотрим на сегодняшнюю электронную систему, например, на приборные системы.

Пути проникновения электромагнитных импульсов

Электромагнитная связь с внутренними петлями

— Откуда берутся эти вторичные эффекты? Здесь видите такую простую картинку, где какая-то компьютерная система, сервер, стоящий снизу, где-то там компьютер на территории объекта. Они взаимосвязаны между собой, хотя бы сигнальным кабелем, который здесь синим цветом указан, но и корпуса этих устройств взаимосвязаны между собой выравнивающим проводником. Он, как правило, желто-зеленый, он включен в состав кабеля электропитания, как правило, или это просто специальный проводник или сетка выравнивающих проводников, которая находится, например, под серверной. Мы видим, что если ток молнии протекает именно сразу недалеко от нашей системы за стеной объекта, ближе уже не может протекать, тогда создается, здесь указано магнитное поле из-за реально которого на петле, которая появится в нашей системе, здесь изображенной. Разрыв этой петли и компьютера, и сервера. Что такое этот разрыв? Это просто или расстояние между корпусомустройства и платой сервера и то же самое в компьютере или какой-то полупроводник, который будет находиться на дороге этой нашей петли. Петель в объекте неопределенное количество, нам это сложно посчитать. Бороться с ними необходимо, но для этого надо понимать почему. Мы видим, что в такой петле, если мы ее представим просто значением напряжения пробоя, если превысим такое напряжение, произойдет и пробой.

Потеря изоляционных свойств диэлектрика

— Чем такой пробой кончается? Но в зависимости от того, что у нас находится в этом разрыве. Если это изолятор, то есть воздух, например, может просто прожечь и ничего не произойдет, но если это полупроводник – это как повезет, если небольшое напряжение сработает в правильном направлении, то полупроводник включится и сработает. Но в основном обязательно эти энергии намного больше стойкости наших устройств и этот полупроводник или изолятор просто перегорит, что приводит к выходу из строя наших систем. Справа вверху видна формула, которая показывает известное нам знанием, что чем больший поток электромагнитный захвачен этой петлей, тем больше величина напряжения. Это означает, что одной мерой защиты является уменьшение поверхности этой петли. Как это сделать? Просто проектировщик должен так укладывать провода, чтобы не было возможности создать такие большие поверхности.

Значение поверхности индукционных петель

— В результате в устройстве А может создаться перегорание электронных элементов и тоже самое в устройстве Б, если только из-за того, что величина петли, которую вы видите на рисунке– это пример провода защитного. И между сигналом и защитным проводом величина поля очень большая.

Электромагнитная среда кабельных трасс в здании

— Давайте посмотрим на момент попадания молнии с точки зрения всех эффектов, которые мы должны учитывать, когда мы защищаемся. И этот пример должен показать, почему сегодняшняя система молниезащиты – это не только наружные проводники, молниеотводы, молниеприемники и системы заземления, а также новые составляющие, которые всем уже долго известны, называемые, например, методы защиты от перенапряжений. Действительно, если есть ток, истекает в землю, так как мы раньше сказали, если посмотрим на точку заземления слева. И она у нас допустим до первого приближения одна только, тогда из-за этой точки, то о чем я раньше говорил, потенциал переносится на корпуса всех проводников, когда протекает через заземлитель ток молнии. Это такой случай очевидный. Цифрой 1 обозначено место, в котором возможен перепрыжок тока молнии к наружным кабелям или к наружным корпусам устройств, если они неправильно установлены без необходимого изоляционного расстояния от элементов системы молниезащиты и от заземлителя. Это для примера всегда происходит, когда объект обладает системой молниезащиты и в него вводим кабеля или питающие или слаботочные, но нет такой способности, чтобы мы в каком-то месте не пересекли самим кабелем, не встретились где-то с заземлителем. Вопрос – на каком расстоянии он очевидно или оно, это расстояние небольшое или просто оно достигает безопасных величин. Случаи входящих кабелей в объект на практике, чтобы избежать таких эффектов, которых молния может перепрыгнуть и испортить изоляцию кабеля, их просто понятно мы их укладываем в пластмассовые трубы. В нашем просто стандарте старом был такой метод решения, что в таком случае эта труба должна иметь толщину минимум 5 мм. Вопрос – почему 5 мм – не оговаривался, но если учесть, что прочность, целая прочность полиэтилена –это 10 до 20 кВ на мм, а 5 мм дает нам в результате от 50 до 100 кВ, причем эта величина для переменного тока 50 Гц. Для данных токов этого будет намного больше. То есть мы таким способом можем бороться с этими приближениями к новыми системами молниезащиты. Второй случай, который видим справа – это просто несоблюдение безопасного расстояния систем внутри объекта. Выше вы видите формулу s

Пример ввода кабеля в объект

— На фотографии видите пример ввода кабеля в объект, в котором в сближении к заземлителю уникально близко. Шутя немножко, можно сказать, что хотели хорошо, а получилось, как всегда в этом случае. Но посмотрите, что труба, она есть, да? Но она почему-то не длинная, если бы мы эту трубу проложили дальше на расстояние минимум 6 метров от объекта – это стандарт в моей фирме. Это означает, что вероятность перепрыжка прямого молнии сильно уменьшается, но вопрос проведения этого заземления внутрь объекта именно в этом месте тоже является интересным, неужели именно в этом месте или в другом? Но сегодня мы все вопросы обязательно не успеем обсудить.

Средства защиты от молнии

— Что из этого следует? О чем я говорил до этого времени. Понятно всем, необходимо защищаться. Вопрос: а как защищаться? Есть разные, как мы знаем разные опыты в разных странах. Мы имели в Польше свой стандарт. Я знаю ваши старые стандарты, еще советские, они еще так недавно применялись. Сейчас они, если я хорошо слежу за темой – обновились, частично вы ввели этот стандарт в МЭК 62305, но частично вводить такой стандарт, я считаю, не очень имеет смысла из-за того, что начинаются проблемы. В каждой части стандарта МЭК естьотдельная как бы область знаний. Если мы разделим полноту этих знаний на куски и выберем из того, что нам необходимо, может получиться совершенно непонятное решение. Не знаю, как выглядят сейчас ваш стандарт, он у меня правда есть, но не было времени посмотреть. Я рекомендую посмотреть, как это делается сейчас во всей Европе, потому что этот стандарт распространяется на все страны Евросоюза, причем других стандартов нет. Появляется правда такая информация о каких-то активных системах молниезащиты, но из моих знаний следует, что заниматься этим делом не очень стоит. Я знаю, что есть другие меры по этому поводу. Мне не удаётся понять как работают активные системы защиты, поэтому я занимаюсь именно системой молниезащиты традиционной, извиняюсь, которая составлена из проводников, уложенных на наружные стены и крыши зданий.

Основные меры защиты от молнии

Основной принцип защиты

— В стандарте вы заметите такой основной принцип защиты, о котором мы сегодня будем говорить, мы подходим к теме, которая основная, когда в охраняемом объекте устанавливается условная граница, на которой необходимо ограничивать нежелательные ложные помехи. Такая граница представляет собой обычно – это натуральная перегородка, стены здания или помещения или просто корпус охраняемого устройства. На такой границе устанавливаются все возможные средства защиты таким образом, чтобы не разрешить проникновения в защищаемое пространство помех, превышающих заданный уровень (по напряжению, по току, по напряженности магнитного поля). Устанавливание средств защиты внутри защищаемого объекта пространства является ошибкой, причем грубой ошибкой. То есть средства защиты устанавливаем на границе. Для примера я дам такой случай, в котором, например, кабель пересекает стену объекта, а мы ставим защиту внутри от перенапряжений на этом кабеле. Это означает, что энергия перенапряжения сначала проникнет к нам внутрь объекта, замкнется через элементы защиты перенапряжений на проводник, защищающий ПЭ, который заземленный, то есть ток перенапряжения будет протекать и создается петля внутри объекта, которая будет внутри излучать его ненужную электромагнитную энергию. Поэтому такая обстановка нам не нужна, мы ставим средства защиты на входе зданий кабеля, а не внутри его.

Оптимальное решение проблемы защиты

— Из таких рассуждений и появилась зоновая концепция молниезащиты. Она действительно является оптимальным решением проблемы защиты от грозы и перенапряжения в строительных объектах. Она позволяет сегодня проектировщикам не искать ненужных решений, а взять то, что готовое на уровне знаний, которые у человечества сегодня есть.

Перенапряжением называется любое превышение напряжения относительно максимально допустимого для данной сети.

К этому виду сетевых помех относятся как перенапряжения, связанные с перекосом фаз достаточно большой длительности, так и перенапряжения, вызванные грозовыми разрядами с длительностью от десятков до сотен микросекунд. Методы и средства борьбы зависят от длительности и амплитуды перенапряжений. В этом отношении импульсные перенапряжения можно выделить в отдельную группу.

Под импульсным перенапряжением понимается кратковременное, чрезвычайно высокое напряжение между фазами или фазой и землей с длительностью, как правило, до 1 мс.

Грозовые разряды – мощные импульсные перенапряжения, возникающие в результате прямого попадания молнии в сеть электропитания, громоотвод или импульс от разряда молнии на расстоянии до 1,5 км, приводящий к выходу из строя электрооборудования или сбою в работе аппаратуры. Прямое попадание характеризуется мгновенными импульсными токами до 100 кА с длительностью разряда до 1 мС.

При наличии системы громоотвода импульс разряда распределяется между громоотводом, сетью питания, линиями связи и бытовыми коммуникациями. Характер распределения во многом зависит от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций.

Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности, сопровождающуюся радиочастотными помехами широкого спектра. Природа возникновения помех приведена на примере ниже.

Мощности трансформаторов в энергосети значительно больше, мощнее и выбросы. Кроме того, переключения сопровождаются возникновением дуги, являющейся источником радиочастотных помех.

Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования, интересен тем, что, хоть и имеет небольшую энергию, разряжается в непредсказуемом месте.

Форма и амплитуда импульсного перенапряжения зависят не только от источника помехи, но и от параметров самой сети. Не существует два одинаковых случая импульсного перенапряжения, но для производства и испытания устройств защиты введена стандартизация ряда характеристик тока, напряжения и формы перенапряжения для различных случаев применения.

Так для имитации тока разряда молнии применяется импульс тока 10/350 мкс, а для имитации косвенного воздействия молнии и различных коммутационных перенапряжений импульс тока с временными характеристиками 8/20 мкс.

Существует четыре основных типа УЗИП (устройств защиты от импульсных перенапряжений)

Разрядник

Представляет собой устройство из двух токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При существенном повышении напряжения между пластинами возникает дуговой разряд, обеспечивающий сброс высоковольтного импульса на землю.

По исполнению разрядники делятся на: воздушные, воздушные многоэлектродные и газовые. В газовом разряднике дуговая камера заполнена инертным газом низкого давления. Благодаря этому их параметры мало зависят от внешних условий (влажность, температура, запыленность и т.д.), кроме этого газовые разрядники имеют экстремально высокое сопротивление (около 10 ГОм), что позволяет их применять для защиты высокочастотных устройств до нескольких ГГц.

При установке воздушных разрядников следует учитывать выброс горячего ионизированного газа из дуговой камеры, что особенно важно при установке в пластиковые щитовые конструкции. В общем, эти правила сводятся к схеме установки, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки разрядников

Типовое напряжение срабатывания для разрядников составляет 1,5 – 4 кВ (для сети 220/380 В 50 Гц).

Время срабатывания порядка 100 нс. Максимальный ток при разряде для различных исполнений от 45 до 60 кА при длительности импульса 10/350 мкс. Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в щиты, так и в виде модуля для установки на DIN-рейку.

Отдельную группу составляют разрядники в виде элементов для установки на платы с токами разряда от 1 до 20 кА (8/20 мкс).

Варистор

Керамический элемент, у которого резко падает сопротивление при превышении определенного напряжения.

Напряжение срабатывания 470 – 560 В (для сети 220/380 В 50 Гц).

Время срабатывания менее 25 нс.

Максимальный импульсный ток от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс.

Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в радиоаппаратуру, так и в виде DIN-модуля для установки в силовые щиты.

Разделительный трансформатор

Силовой 50 герцовый трансформатор с раздельными обмотками и равными входным и выходным напряжениями.

Трансформатор просто не способен передать столь короткий высоковольтный импульс во вторичную обмотку и благодаря этому свойству является в некоторой степени идеальной защитой от импульсных перенапряжений. Однако при прямом попадании молнии в электросеть может нарушиться целостность изоляции первичной обмотки, и трансформатор выходит из строя.

Защитный диод

Применяется, как правило, для защиты аппаратуры связи. Обладает высокой скоростью срабатывания (менее 1 нс) и разрядным током 1 кА при токовом импульсе 8/20 мкс.

Из четырех выше описанных устройств каждое имеет свои достоинства и недостатки. Если сравнить разрядник и варистор с одинаковым максимальным импульсным током и обратить внимание на длительность тестового импульса, то становится ясно, что разрядник способен поглотить энергию на два порядка больше, чем варистор. Зато варистор срабатывает быстрее, напряжение срабатывания существенно ниже и гораздо меньше помех при работе.

Разделительный трансформатор при определенных условиях имеет безграничный ресурс по защите нагрузки от импульсных перенапряжений (у варисторов и разрядников при срабатывании происходит постепенное разрушение материала элемента), но для сети 100 кВА требуется трансформатор 100кВА (тяжелый, габаритный и довольно дорогой).

Следует помнить, что при отключении первичной сети трансформатор сам по себе генерирует высоковольтный выброс, что требует установки варисторов на выходе трансформатора.

Одной из серьезных проблем в процессе организации безопасности оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений является то, что нормативная база в этой области до настоящего времени разработана недостаточно. Существующие нормативные документы либо содержат в себе устаревшие, не соответствующие современным условиям требования, либо рассматривают их частично, в то время как решение данного вопроса требует комплексного подхода. Некоторые документы в данный момент находятся в стадии разработки и есть надежда, что они вскоре выйдут в свет. В их основу положены основные стандарты и рекомендации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК).

В настоящее время существуют следующие нормативные документы, которые в той или иной мере рассматривают вопросы защиты электропитающих установок от импульсных перенапряжений:

Ниже представлены типовые схемы УЗИП. Как правило, это комбинация различных устройств, реализующих концепцию зонной защиты, широко распространенную за рубежом.

Основные ее положения приведены в стандартах IEC-1024-1 (1990-03) "Защита сооружений от удара молний. Часть 1. Общие принципы" и IEC-1312-1 (1995-02) "Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1. Общие принципы".

Суть данной концепции заключается в том, что объект, подлежащий молниезащите (защите от перенапряжений), разбивается на три условных зоны. Предусматривается последовательное снижение уровня перенапряжений от зоны 0 к зоне 1 и далее к зоне 2, в которой устанавливается оборудование. Границей зоны 0 и зоны 1 служит внешний контур заземления и стены здания.

Для систем электропитания границей этих зон является ГРЩ здания. Границей зон 1 и 2, как правило, является токораспределительный щит.

Классы УЗИП

Современная классификация защитных устройств строится в соответствии с зоновой концепцией молниезащиты (IEC-1024-1, IEC-1312-1). Основные классы УЗИП приведены в IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03) "Устройства защиты от волн перенапряжения для низковольтных систем распределения электроэнергии. Эксплуатационные требования и методы испытания".

В зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токиУЗИП делятся на следующие классы - A, B(I), C(II), и D(III).

Например, рекомендуемый УЗИП для частного дома рекомендуется установка I+II+III класса защиты

Основой любых типов УЗИП являются системы заземления и выравнивания потенциалов внутри здания, поэтому любые мероприятия по защите должны начинаться с проверки этих систем.

Обязателен переход на системы электропитания TN-S или TN-C-S с разделёнными нулевым рабочим и нулевым защитным проводниками.

Этот переход важен не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для предотвращения поражения электрическим током обслуживающего персонала и повышения противопожарной безопасности объекта (возможно применение устройств УЗО).

Типовая схема установки защитных элементов зонной защиты представлена на рисунке 2.

Рис.2. Структура зонной защиты для сети типа ТN–S 220/380 В, 50 Гц

Защитные устройства класса В, газовые или воздушные разрядники с током разряда от 45 до 60 кА (10/350 мкс), устанавливаются на вводе в здание (во вводном щите, в ГРЩ или же в специальном боксе). Защитные устройства класса С в виде мощных варисторных модулей с токами разряда порядка 40 кА (8/20 мкс) – на других подраспределительных щитах. Защита класса D, варисторные модули с током разряда 6 – 8 кА или всевозможные фильтры со встроенной варисторной защитой устанавливается непосредственно возле потребителя.

Защита класса В должна устанавливаться обязательно на объектах, имеющих воздушный ввод и соответственно чья сеть может быть подвержена грозовому разряду.

В случае подземного кабельного ввода достаточна установка защит класса С и D.

Приведенные цифры по токам для защит по данной схеме существенно превышают требования норматива, однако разумное усиление всех рубежей защиты дает гарантию многолетней безаварийной работы элементов и обеспечивает существенно меньшие остаточные напряжения.

Установка разрядника в первой ступени защиты между нулевым рабочим (N) и нулевым защитным (PE) проводниками необязательна, так как защитные устройства расположены непосредственно возле точки разделения PEN проводника на N и PE проводники. Во второй ступени между N и PE проводниками устанавливаться ограничитель перенапряжения, так как при удалении от точки разделения PE-N проводника и увеличении длины электрических кабелей индуктивность и, соответственно, индуктивное сопротивление жил кабелей току разряда молнии резко возрастает. В результате этого возможно возникновение разности потенциалов между элементами оборудования, подключенного к N и PE проводникам.

Также при установке защитных устройств очень важно, чтобы расстояние между соседними ступенями было не менее 7–10 метров по кабелю электропитания. Выполнение этого требования необходимо для правильной работы защитных устройств.

В момент возникновения в силовом кабеле импульсного перенапряжения за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля обеспечивается необходимая временная задержка в росте импульса перенапряжения на следующей ступени защиты, что позволяет обеспечить поочерёдное срабатывание ограничителей перенапряжения от более мощных к менее мощным. В случае необходимости размещения защитных устройств на более близком расстоянии или рядом (в одном щите) необходимо использовать искусственную линию задержки в виде дросселя с номинальным током сети.

Подключение устройств защиты к РЕ рекомендуется делать отдельным проводником и сводить шине выравнивания потенциала (ШВП). Такое подключение позволяет свести к минимуму бросок потенциала в результате срабатывания УЗИП.

В случае применения устройств УЗО, ограничители перенапряжений классов В и С необходимо размещать на линейной стороне УЗО, чтобы токи разряда и токи утечки, протекающие через них на РЕ проводник, не вызывали срабатывания УЗО. К тому же в случае установки ограничителей перенапряжения классов В и С на сторону нагрузки УЗО, последнее может быть выведено из строя током разряда молнии, что недопустимо с точки зрения обеспечения электробезопасности. Ограничители перенапряжений класса D можно устанавливать после УЗО на стороне нагрузки для защиты оборудования от дифференциальных перенапряжений между фазным проводником L и нейтралью N. В этом случае импульсные токи разряда будут протекать между L и N проводниками, не отводясь на защитный РЕ проводник.

При данной схеме средняя точка двух варисторов подключается к РЕ проводнику через разрядник, который не позволит токам утечки варисторов вызвать ложное срабатывание УЗО. В данной схеме необходимо применение УЗО типа S с временной задержкой срабатывания. Однако, следует отметить, что вопрос применения УЗО на объектах, где необходимо обеспечение электропитания по первой категории, на данный момент времени остается не решенным. ПУЭ издание 7-е 1999 года предусматривает применение УЗО в электроустановках жилых, общественных, административных и бытовых зданий. Документы, определяющие область применения УЗО в электрических сетях промышленных предприятий, в настоящее время отсутствуют.

Наличие предохранителей F2 – F4 и F5 – F7 является обязательным в случае, если номинал предохранителей F1 превышает значение, указанное в паспорте на данный тип УЗИП.

Например, для разрядников FLT – PLUS CTRL 1.5 это 250 А, т.е. если линейный предохранитель F1 400 А, то F4 – F6 не более 250 А, а для варисторного модуля PIV 230 это значение составляет 160 А. Однако, в случае аварии защитных устройств существует вероятность потери питания в сети.

Во многих случаях для обеспечения непрерывности питания устанавливаются защитные автоматы (F2 – F4 и F5 – F6) с номиналом тока меньше линейного автомата. В этом случае возникает необходимость дополнительного контроля за состоянием УЗИП и в первую очередь варисторных блоков.

При соблюдении всех правил установки зонной срок службы защитных элементов составляет в среднем 15 – 17 лет.

Рис.3. Типовая схема защиты ЛВС

В данной схеме (рис. 3) защиты потребители делятся на две группы.

Потребитель первой категории – сервера, бухгалтерия, связь и т.д. – те, для которых потеря питания приводит к серьезным экономическим последствиям.

Источник бесперебойного питания желательно типа on – line, так как при необходимости он обеспечит стабилизацию напряжения и имеет надежность существенно выше, чем ИБП типа оff – line.

Размещение устройств молниезащиты и их тип выбираются на стадии проектирования нового объекта, чтобы иметь возможность максимально использовать проводящие элементы этого объекта. Это облегчает разработку и исполнение устройств молниезащиты, совмещенных с самим зданием, позволяет улучшить его эстетический вид, повысить эффективность молниезащиты, минимизировать ее стоимость и трудозатраты. При этом средства и методы молниезащиты выбираются исходя из условия обеспечения требуемой надежности.

Удар молнии в землю – электрический разряд атмосферного происхождения между грозовым облаком и землей, состоящий из одного или нескольких импульсов тока.

Точка поражения – точка, в которой молния соприкасается с землей, зданием или устройством молниезащиты. Удар молнии может иметь несколько точек поражения.

Защищаемый объект – здание или сооружение, их часть или пространство, для которых выполнена молниезащита, отвечающая требованиям нормативов.

Устройство молниезащиты – система, позволяющая защитить здание или сооружение от воздействий молнии. Она включает в себя внешние (снаружи здания или сооружения) и внутренние (внутри здания или сооружения) устройства. В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства.

Устройства защиты от прямых ударов молнии (молниеотводы) – комплекс, состоящий из молниеприемников, токоотводов и заземлителей.

Молниеприемник – часть молниеотвода, предназначенная для перехвата молний.

Токоотвод – часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.

Заземлитель – проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

Отдельно стоящий молниеотвод – молниеотвод, молниеприемники и токоотводы которого расположены таким образом, чтобы путь тока молнии не имел контакта с защищаемым объектом.

Молниеотвод, установленный на защищаемом объекте – молниеотвод, молниеприемники и токоотводы которого расположены таким образом, что часть тока молнии может растекаться через защищаемый объект или его заземлитель.

Зона защиты молниеотвода – пространство в окрестности молниеотвода заданной геометрии, отличающееся тем, что вероятность удара молнии в объект, целиком размещенный в его объеме, не превышает заданной величины.

Объекты классифицируются по опасности ударов молнии для самого объекта и его окружения.

Непосредственное опасное воздействие молнии – это пожары, механические повреждения, травмы людей и животных, а также повреждения электрического и электронного оборудования. Последствиями удара молнии могут быть взрывы твердых, жидких и газообразных материалов и веществ и выделение опасных продуктов – радиоактивных и ядовитых химических веществ, а также бактерий и вирусов. Удары молнии могут быть особо опасны для информационных систем, систем управления, контроля и электроснабжения.

Рассматриваемые объекты могут подразделяться на обычные и специальные.

Обычные объекты – жилые и административные строения, а также здания и сооружения высотой не более 60 м, предназначенные для торговли, промышленного производства, сельского хозяйства. К таким объектам относятся: жилой дом, театр, школа, универмаг, спортивное сооружение, банк, страховая компания, коммерческий офис, больница, детский сад, промышленные предприятия, музеи и т.д.

Специальные объекты:

– объекты, представляющие опасность для непосредственного окружения;

– объекты, представляющие опасность для социальной и физической окружающей среды (объекты, которые при поражении молнией могут вызвать вредные биологические, химические и радиоактивные выбросы);

– прочие объекты, для которых может предусматриваться специальная молниезащита, например, строение высотой более 60 м, игровые площадки, временные сооружения, строящиеся объекты.

К специальным объектам относятся: средства связи, электростанции, пожароопасные производства, нефтеперерабатывающие предприятия, АЗС, производства петард и фейерверков, химический завод, АЭС, биохимические фабрики и лаборатории.

При строительстве и реконструкции для каждого класса объектов требуется определить необходимые уровни надежности защиты от прямых ударов молнии (ПУМ). Для обычных объектов существует четыре уровня защиты, указанные в таблице 1.

Таблица 1 – Уровни защиты от ПУМ для обычных объектов

Уровень защиты	Надежность защиты от ПУМ
I	0,98
II	0,95
III	0,9
IV	0,8

Для каждого уровня молниезащиты определяются предельно допустимые параметры тока молнии.

Соотношение полярностей разрядов молнии зависит от географического положения местности. В отсутствие местных данных принимаю 10% разрядов с положительными токами и 90% разрядов с отрицательными токами.

Значение расчетных параметров для принятых в таблице 1 уровней защищенности (при соотношении 10% к 90% между долями положительных и отрицательных разрядов) приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Соответствие параметров тока молнии и уровней защищенности

Параметр молнии	Уровень защиты
Параметр молнии	I	II	III, IV
Пиковое значение тока I, кА	200	150	100
Средняя крутизна di/dt_30/90% ,кА/мкс	200	150	100

Комплекс средств молниезащиты зданий и сооружений включает в себя устройства защиты от ПУМ [внешняя молниезащитная система (МЗС)] и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя МЗС). В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства. В общем случае часть токов молнии протекает по элементам внутренней молниезащиты.

Внешняя МЗС может быть изолирована от сооружения (отдельно стоящие молниеотводы – стержневые или тросовые, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов), или может быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его частью. Внутренние устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого объекта. Токи молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему токоотводов и растекаются в земле.

Внешняя МЗС в общем случае состоит из молниеприемников, токоотводов и заземлителей. Их материал и сечение выбираются в соответствии с таблицей 3.

Таблица 3 – Материал и минимальные сечения элементов внешней МЗС

Уровень защиты	Материал	Сечение, мм 2
Уровень защиты	Материал	молниеприемника	токоотвода	заземлителя
I – IV	Сталь	50	50	80
I – IV	Алюминий	70	25	Не применяется
I – IV	Медь	35	16	50

Указанные значения могут быть увеличены в зависимости от повышенной коррозии или механических воздействий.

5.1 Молниеприемники

Молниеприемники могут быть специально установленными, в том числе на объекте, либо их функции выполняют конструктивные элементы защищаемого объекта, тогда они называются естественными молниеприемниками.

Молниеприемники могут состоять из произвольной комбинации следующих элементов: стержней, натянутых проводов (тросов), сетчатых проводников (сеток). Сетка укладывается на крыше зданий под слоем гидроизоляции. Следующие конструктивные элементы зданий и сооружений могут рассматриваться как естественные молниеприемники:

а) металлические кровли защищаемых объектов при условии, что:

- электрическая непрерывность между разными частями обеспечена на долгий срок;

- толщина металла кровли составляет не менее значения, приведенного в таблице 4, если необходимо предохранить кровлю от повреждения или прожога;

Таблица 4 – толщина кровли, выполняющей функции естественного молниеприемника

Уровень защиты	Материал	Толщина не менее, мм
I – IV	Железо	4
I – IV	Медь	5
I – IV	Алюминий	7

- толщина металла кровли составляет не менее 0,5 мм, если необязательно защищать от повреждений и нет опасности воспламенения находящихся под кровлей горючих материалов;

- кровля не имеет изоляционного покрытия. При этом небольшой слой антикоррозийной краски или слой 0,5 мм асфальтового покрытия, или слой 1 мм пластикового покрытия не считается изоляцией;

- неметаллические покрытия на/или под металлической кровлей не выходят за пределы защищаемого объекта;

б) металлические конструкции крыши (соединенная между собой стальная арматура);

в) металлические элементы типа водосточных труб, украшений, ограждений по краю крыши и т.п., если их сечение не меньше значений, предписанных для обычных молниеприемников;

г) технологические металлические трубы и резервуары, если они выполнены из металла толщиной не менее 2,5 мм и проплавление или прожог этого металла не приведет к опасным или недопустимым последствиям;

д) металлические трубы и резервуары, если они выполнены из металла толщиной не менее значения, приведенного в таблице 4, и если повышение температуры с внутренней стороны объекта в точке удара молнии не представляет опасности.

5.2 Токоотводы

В целях снижения вероятности возникновения опасного искрения токоотводы располагаются таким образом, чтобы между точкой поражения и землей ток растекался по нескольким параллельным путям, и длина этих путей была ограничена до минимума.

Токоотводы располагаются по периметру защищаемого объекта таким образом, чтобы среднее расстояние между ними было не меньше значений, приведенных в таблице 5.

Таблица 5 – Средние расстояния между токоотводами

Уровень защиты	Среднее расстояние, м
I	10
II	15
III	20
IV	25

Токоотводы соединяются горизонтальными поясами вблизи поверхности земли и через каждые 20 м по высоте здания. Токоотводы прокладываются по прямым и вертикальным линиям, так чтобы путь до земли был по возможности кратчайшим. Не рекомендуется прокладка токоотводов в виде петель.

Следующие конструктивные элементы зданий могут считаться естественными токоотводами:

а) металлические конструкции при условии, что:

- электрическая непрерывность меду разными элементами является долговечной и соответствует требованиям;

- они имеют не меньшие размеры, чем требуются для специально предусмотренных токоотводов;

- металлические конструкции могут иметь изоляционное покрытие

б) металлический каркас здания или сооружения;

в) соединенная между собой стальная арматура здания или сооружения;

г) части фасада, профилированные элементы и опорные металлические конструкции фасада при условии, что их размеры соответствуют указаниям, относящимся к токоотводам, а их толщина составляет не менее 0,5 мм.

5.3 Заземлители

Заземлитель молниезащиты совмещается с заземлителями электроустановок и средств связи, за исключением отдельно стоящего молниеотвода.

В качестве заземляющих электродов может использоваться соединенная между собой арматура железобетона или иные подземные металлические конструкции. Если арматура железобетона используется как заземляющие электроды, повышенные требования предъявляются к местам ее соединений, чтобы исключить механическое разрушение бетона.

Заземлитель в виде наружного контура предпочтительно прокладывать на глубине не менее 0,5 м от поверхности земли и на расстоянии не менее 1 м от стен. Заземляющие электроды должны располагаться на глубине не менее 0,5 м за пределами защищаемого объекта и быть как можно более равномерно распределенными.

Читайте также: