Защита электроустановок от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ГРОЗОВЫХ И КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ.

Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) разработан стандарт МЭК-62305 «Защита от удара молнии», состоящий из пяти отдельных частей, в котором изложены принципы защиты зданий и сооружений от импульсных перенапряжений.
      Требования, изложенные в МЭК-62305, формируют «Зоновую концепцию защиты», основными принципами которой являются:

–      применение электрически связанных между собой и системой заземления строительных конструкций, образующих экранирующую среду для уменьшения влияния внешних электромагнитных воздействий внутрь объекта («клетка Фарадея»);

–     наличие системы заземления и уравнивания потенциалов;

–    деление объекта на условные защитные зоны и применение устройств защиты от перенапряжений (УЗИП);

–   соблюдение правил размещения защищаемого оборудования и подключенных к нему коммуникаций относительно другого оборудования, способных оказывать опасное воздействие или вызывать наводки.
      Наиболее сложная система защиты должна создаваться для объектов с воздушным вводом электропитания, находящихся на открытой местности, имеющих в своем составе высоко расположенные элементы конструкции в которые возможен прямой удар молнии (ПУМ). К таким объектам относятся промышленные предприятия, объекты связи с антенно-мачтовыми сооружениями, коттеджи в сельской местности и т.п. В городских условиях удар молнии наиболее вероятен в трубы промышленных предприятий, линии электропередач, телевизионные вышки или отдельно стоящие высокие здания (особенно с установленными антеннами базовых станций сотовой связи).
      Токи молний могут воздействовать на электрооборудование объекта при попадании молнии в систему молниезащиты или находящиеся в непосредственной близости здания, сооружения или деревья. Наиболее частыми являются случаи вторичных воздействий при ударе молнии в удаленные объекты, связанные коммуникациями с защищаемым объектом, при межоблачных разрядах, вызывающих возникновение импульсных токов больших величин в металлических элементах конструкций и коммуникациях. Основные пути заноса перенапряжений для объектов различного типа показаны на Рис. 1.

 

           Рис.1 Основные пути заноса перенапряжений для объектов различного типа.

      Железобетонные конструкции зданий, выполняющие функцию естественного заземляющего устройства и имеющие электрическое соединение с системой уравнивания потенциалов, достаточно хорошо экранируют находящуюся внутри технику от электромагнитных воздействий (клеть Фарадея), отводя опасную часть тока молнии при прямом попадании в объект на землю. Стандарт МЭК 62305-1 «Защита от удара молнии. Часть 1. Основные принципы» определяет зоны молниезащиты с точки зрения прямого и непрямого воздействия молнии:
Зона 0А: Зона внешней среды объекта, все точки которой могут подвергаться воздействию прямого удара молнии (иметь непосредственный контакт с каналом молнии) и возникающего при этом электромагнитного поля.
 Зона 0В: Зона внешней среды объекта, точки которой не подвергаются воздействию ПУМ, так как находятся в пространстве, защищенном системой внешней молниезащиты. Однако  в данной зоне имеется воздействие неослабленного электромагнитного поля.

Рис. 2  Структура здания (клеть Фарадея) и растекание токов по металлоконструкциям при прямом ударе молнии.

Зона 1: Внутренняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию ПУМ.  В этой зоне токи во всех токопроводящих частях имеют значительно меньшее значение по сравнению с зонами 0А и 0В. Электромагнитное поле также снижено за счет экранирующих свойств конструкций.
Последующие зоны (Зона 2, и т.д.). Если требуется дальнейшее снижение импульсных токов или электромагнитного поля в местах размещения чувствительного оборудования, то необходимо проектировать последующие зоны защиты. Существует общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшаются влияние электромагнитного поля и грозового тока. На границах раздела зон необходимо обеспечить присоединение к системе уравнивания потенциалов всех металлических элементов конструкции, с обеспечением их периодического контроля.
 Примечание: Способы образования связей на границах разделов между зонами, принципы размещения оборудования, обеспечения его экранирования, методы расчетов приведены в стандарте МЭК 62305-4 «Защита от удара молнии. Часть 4. Электрические и электронные системы внутри сооружений». На распределение энергии электромагнитных полей внутри объекта оказывают влияние различные элементы строительных конструкции такие как: отверстия или щели (например, окна, двери) обшивки из листовой стали (водосточные трубы, карнизы), а также места ввода-вывода кабелей электропитания, связи и других коммуникаций.
Рис.3  Разделение защищаемого объекта на зоны.
Примечание: приказом Минэнерго России №280 от 30.06.2003 г. утверждена и в соответствии с приказом ОАО РАО «ЕЭС России» №422 от 14.08.2003 г. внесена в реестр действующих в электроэнергетике документов «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», СО–153-34.21.122-2003. В основу Инструкции положены требования перечисленных выше стандартов МЭК, которые не входили в старую «Инструкцию по молниезащите зданий и сооружений» РД 34.21.122-87. Однако в новой Инструкции не рассмотрен целый ряд важных проблем, в частности по взрывоопасным объектам. В настоящее время обе инструкции носят рекомендательный характер и до выхода соответствующего технического регламента могут быть равноправно использованы при решении задач проектирования и строительства объектов разного назначения.
      Для гарантированной защиты объекта от перенапряжений, возникающих при стекании токов молнии на заземляющее устройство или при «приходе» волны перенапряжения по питающей сети (в случае удаленного удара молнии), «Зоновой концепцией защиты предусмотрена трехступенчатая схема включения УЗИП.
      Основные классы УЗИП для низковольтных электрических сетей, методики их испытаний и принципы применения приведены в следующих стандартах МЭК:
–     МЭК-61643-1 (1998): «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 11. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний». Данный стандарт МЭК переведен на русский язык и введен в действие в виде ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) 
–     МЭК-61643-12 (2002): «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 12. Выбор и принципы применения».  Готовится издание в системе ГОСТ Р.
Согласно требований данных стандартов УЗИП, в зависимости от способности отводить импульсные токи, делятся на классы: I, II, III. Основные требования к ограничителям перенапряжения разных классов приведены в Таблице 1.
Класс
 устройства
Назначение устройства
I
Предназначены для защиты от прямых ударов молнии в систему молниезащиты здания (объекта) или воздушную линию электропередач (ЛЭП). Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Нормируются импульсным током Iimp с формой волны 10/350 мкс.
II
Предназначены для защиты токораспределительной сети объекта от коммутационных помех или как вторая ступень защиты при ударе молнии. Устанавливаются в распределительные щиты. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс.
III
Предназначены для  защиты  потребителей от остаточных бросков напряжений, защиты от дифференциальных (несимметричных) перенапряжений (например, между фазой и нулевым рабочим проводником в системе TN-S), фильтрации высокочастотных помех. Устанавливаются непосредственно возле потребителя. Могут иметь самую разнообразную конструкцию (в виде розеток, сетевых вилок, отдельных модулей для установки на DIN-рейку или навесным монтажом). Нормируются комбинированной волной напряжения  (1,2/50) мкс и тока  (8/20) мкс.
Исходя из оценки риска ПУМ или наводок от удаленного разряда, необходимо выбрать тип УЗИП и схему их установки. Необходимость защиты от импульсных перенапряжений зависит от:
– Интенсивности ударов молнии в данном месте Ng (среднее годовое количество ударов молнии на 1 кмза год).
– Уязвимость электроустановки от импульсных перенапряжений.
– Стоимость оборудования, подключенного к защищаемой электроустановке.
      Согласно определения, приведенного в ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98): «Устройство защиты от перенапряжений (УЗИП) – это устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и для отвода импульсов тока. Это устройство содержит, по крайне мере, один нелинейный элемент». 
      В качестве элементной базы для создания УЗИП, как правило, используют разрядники различных типов и оксидно-цинковые варисторы. При выборе УЗИП на основе разрядников или оксидно-цинковых варисторов необходимо обращать внимание на следующие параметры:
1. Номинальное рабочее напряжение. (UnЭто номинальное действующее напряжение сети, для работы в которой предназначено УЗИП. 
2. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (максимальное рабочее напряжение). (Uc) Это наибольшее действующее значение напряжения переменного тока, которое может быть длительно (в течение всего срока службы) приложено к выводам УЗИП. 
3. Классификационное напряжение (Параметр для УЗИП на основе варисторов). Это действующее значение напряжения промышленной частоты, прикладываемое к варистору для получения классификационного тока (обычно значение классификационного тока принимается равным 1,0 мА). 
4. Импульсный ток. (Iimp) Этот ток определяется пиковым значением Ipeak испытательного импульса длительностью 10/350 мкс и зарядом QПрименяется для испытаний УЗИП класса I.
5. Номинальный разрядный ток (In) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, проходящего через УЗИП. Ток данной величины УЗИП может выдерживать многократно. Используется для испытания УЗИП класса II. При воздействии данного импульса определяется уровень защиты УЗИП.
6. Максимальный разрядный ток (Imax) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, который УЗИП может пропустить один раз и не выйти из строя. Используется для испытания УЗИП класса II.
7. Сопровождающий ток (If(Параметр для УЗИП на основе разрядников).  Это ток, который протекает через разрядник после окончания импульса перенапряжения и поддерживается самим источником тока. Фактически значение этого тока стремится к расчетному току короткого замыкания (в точке установки разрядника для данной конкретной электроустановки). Поэтому для установки в цепи «LNLPE» нельзя применять разрядники со значением If  равным 100 – 400 А если расчетный ток КЗ выше этого значения.  В результате длительного воздействия сопровождающего тока они будут повреждены и могут вызвать пожар! Для установки в цепь  L- N необходимо применять разрядники со значением If, превышающим расчетный ток короткого замыкания, т.е. желательно величиной от 2 – 3-х кА и выше! 
8. Уровень защиты (Up) Это максимальное значение падения напряжения на УЗИП при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность УЗИП ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока (In).
9. Время срабатывания. Для оксидно-цинковых варисторов его значение обычно не превышает 25 наносекунд. Для разрядников разной конструкции время срабатывания может находиться в пределах от 100 наносекунд до нескольких микросекунд.
     Существует ряд других параметров, которые тоже учитываются при выборе УЗИП: ток утечки  (для варисторов), максимальная энергия, выделяемая на варисторе, ток срабатывания предохранителей (для защитных устройств со встроенными предохранителями).
      Система внутренней молниезащиты для электропитающей сети до 1000 В, состоящая из разного типа УЗИП, должна быть способна осуществить отвод грозовых токов или их большей части без повреждения самих УЗИП. Для определения величины тока, проходящего через УЗИП первой ступени защиты в случае ПУМ в объект, защищённый системой внешней молниезащиты, рекомендуется исходить из конфигурации системы заземления и уравнивания потенциалов, подведенных к нему коммуникаций (трубопроводов, электропитающих кабелей, кабелей связи и передачи информации и др.). На рисунке 4 приводится классический пример распределения грозового тока в объекте, подвергнутом прямому удару молнии (МЭК  61024-1-1;  МЭК 61643-12).
Рис.4 Распределение токов молнии при прямом ударе в объект.
      Методика расчета токов растекания приведена в ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98),  ПРИЛОЖЕНИЕ А.
Для определения распределения токов между металлическими элементами конструкции здания при попадании молнии в систему внешней молниезащиты, необходимо рассчитать сопротивления заземляющих устройств, трубопроводов, электропитающего ввода, ввода кабелей связи и т.п.
      В случаях, когда трудно осуществить точный расчёт, осуществляется так называемая квалифицированная оценка, исходящая из следующих рассуждений:
– расчет производится для пикового значения тока Iimp, взятого из таблицы 2.3  (Инструкции СО–153-34.21.122-2003) в соответствии с выбранным уровнем защиты от ПУМ. Например, для объектов с первым уровнем защиты Iimp = 200 kA (10/350 мкс)
– 50% от общего тока Iimp = 200kA (10/350) > IS1 = 100kA (10/350) отводится в землю через заземляющее устройство системы внешней молниезащиты;
– 50% от общего тока Iimp = 200kA (10/350) > IS2 = 100kA (10/350) разделится равномерно (приблизительно по 17%) между наружными вводами в объект, например, трех основных видов коммуникаций: кабелями связи и передачи информации, металлическими трубопроводами и проводами ввода электрического питания 220/380 В.
Величина тока проходящего через отдельные вводы обозначается как Ii, при этом:
Ii = IS2/n
где n равняется числу вводов. Для оценки тока IV в отдельных жилах неэкранированного кабеля, ток в кабеле делится на количество проводов m:
IV = Ii/m
      Расчет необходимо производить исходя из максимального значения грозового тока Iimp (10/350 мкс) в зависимости от уровня защиты объекта от прямого удара молнии. Далее, определить (по приведенной выше методике) для каждого провода системы электропитания значение импульсного тока формы (10/350 мкс), который может в нем протекать и который должно гарантированно отвести защитное устройство класса I. После этого выбрать защитное устройство с некоторым запасом (20 – 30 %), учитывая возможную неравномерность растекания токов по различным проводникам.

      Для правильного выбора типа УЗИП и их основных параметров целесообразно руководствоваться следующим правилом: 
В случае изменения исходных данных, т.е. числа вводов в объект, типа системы электропитания, количества проводов в кабеле и т.д., итоговые значения также могут существенно измениться. При этом изменения могут произойти как в сторону уменьшения импульсных токов, так и в сторону их возрастания. В случае применения экранированных кабелей большая часть токов растекается через экранные оболочки, что лишний раз подтверждает необходимость применения данных кабелей на объектах с повышенными требованиями к защищенности от удара молнии.
Приведенные выше заключения истинны для объектов, оборудованных системой внешней молниезащиты и имеющих кабельный подземный ввод электропитания. Ситуация может серьезно усложниться в случае наличия воздушного ввода электропитания. Элементарный расчет показывает, что при прямом попадании молнии с током Iimp = 200 kA (10/350 мкс) и при условии его равномерного распределения по четырем проводам системы TN-C, импульсные токи в каждом проводе будут иметь значения около 50 кА. Стекание этих токов на землю будет осуществляться в две стороны: через оборудование низковольтной стороны подстанции и элементы электроустановки объекта в примерном соотношении 1 : 1. Таким образом, в каждом проводе на вводе электропитающей установки объекта мы будем иметь ток величиной 25 кА (10/350 мкс). Если предположить, что равномерного растекания токов по какой-то причине не произошло, то это значение может возрасти до 45-50 кА и более.
УЗИП на базе варисторов обеспечивают качественную защиту при их применении в  1-ой ступени при амплитудах величиной Iimp = 20 kA (10/350 мкс),что в большинстве случаев является достаточным даже для случая воздушного ввода электропитающей линии в объект. Если требуется стойкость защитного устройства к более высоким амплитудам грозовых токов, рекомендуется применять УЗИП на основе разрядников, которые могут иметь значение Iimp = 50 – 100 kA (10/350 мкс).
      ГОСТ Р 50571.19  вводит понятие «импульсного выдерживаемого напряжения, требуемого для оборудования», иначе говоря, стойкости изоляции к импульсным перенапряжениям.  По стойкости изоляции электротехническое оборудование, предназначенное для использования в сетях 220/380 В, делится на 4 категории (IV, III, II, I). Для каждой категории определяются так называемые максимально выдерживаемые импульсные  перенапряжения (защитные уровни),  допускаемые для подключённого оборудования. Например, для сети TN-C 220/380 В перенапряжение на вводе в объект не должно превысить уровень 6 кВ, после главного распределительного щита – 4 кВ, на выходах вспомогательных распредщитов 2,5 кВ и для оборудования подключаемого непосредственно к электророзеткам – 1,5 кВ.  Очевидная существующая взаимосвязь между зонами молниезащиты, классами УЗИП и категориями стойкости изоляции оборудования к импульсным перенапряжениям показана на рисунке 5.
      УЗИП класса I устанавливаются на вводе в здание (во вводном щите, ГРЩ или же специальном боксе) после вводного автомата (на границе Зоны 0 и Зоны 1). УЗИП класса II – во вторичных распределительных щитах (например, в щитах в выпрямительной этажных или других щитах на границе Зоны 1 и Зоны 2). Возможно размещение УЗИП класса II в Зоне 1 вместе с УЗИП класса I (этот вариант будет рассмотрен ниже). УЗИП класса III устанавливаются также в распределительных щитах или непосредственно возле потребителя (защитная Зона 3). При расстояниях более 10-15 метров от места установки УЗИП класса III до потребителя желательно установить дополнительные УЗИП III класса в непосредственной близости от защищаемого оборудования, чтобы гарантированно устранить возможные наводки на указанных длинах кабеля.
      Одним из основных параметров УЗИП является уровень защиты (Up), это максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность УЗИП ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока (In). Из рисунка 5 четко видно, что каждая ступень защиты обеспечивает выполнение требований по импульсной стойкости изоляции.
 
 
Рис. 5 Установка устройств защиты от импульсных перенапряжений на различных объектах.
     Как правило, УЗИП класса I на базе разрядника имеют Up = 4 kV, на базе варистора еще ниже, УЗИП класса II  имеют Up = 1,3 – 2,5  kVУЗИП класса III имеют Up = 0,8 – 1,5 kV.
 
Схемы включения УЗИП.
     Для того чтобы надежно защитить объект от импульсных перенапряжений, в первую очередь необходимо создать эффективную систему заземления и уравнивания потенциалов. При этом желателен переход на системы электропитания TN-S или TN-C-S с разделёнными нулевым и защитным проводниками. Этот переход важен не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для повышения уровня электробезопасности обслуживающего персонала. Следующим шагом должна стать установка УЗИП.
    Основные принципы применения УЗИП в рассмотрены в ГОСТ Р 50571.26-2002 (МЭК 60364-5-534-97) «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений», это первый стандарт МЭК по применению УЗИП, переведенный на русский язык и изданный в системе ГОСТ Р.
     Существуют две основных схемы включения УЗИП в электрическую сеть (Рис. 6).

Рис. 6 Схемы включения УЗИП
а) для защиты от синфазных перенапряжений  б)для защиты от противофазных перенапряжений.
    Схема (а) предназначена, в первую очередь, для защиты от синфазных (продольных) перенапряжений (провод – земля), схема (б), соответственно, от противофазных (поперечных) перенапряжений (провод – провод). Испытания показали, что большую опасность для защищаемого оборудования представляют собой противофазные (поперечные) перенапряжения на клеммах электроприёмников L/N, по сравнению с продольными перенапряжениями на клеммах электроприёмников L/PE и N/PE. При проектировании различных ступеней защиты возможно комбинирование этих схем.
    Схема подключения УЗИП для сети типа TN-S приведена на рисунке 7УЗИП I, II и III классов включаются между фазными проводниками (L1, L2, L3) и нулевым рабочим проводником (N) для ограничения противофазных перенапряжений (провод – провод).  Для ограничения синфазных перенапряжений (провод-земля) в каждой ступени защиты между проводниками N и PE устанавливается УЗИП на основе разрядника соответствующего класса защиты. 
Рис. 7 Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-S.
     Одним из преимуществ данной схемы является гальваническая развязка в цепи N – PE, а следовательно, и лучшая помехозащищенность оборудования связи или обработки информации. Известно, что нулевой рабочий проводник практически всегда находится под потенциалом до десятков  вольт, зависящим от симметричности распределения нагрузки по фазам. При работе импульсных нагрузок в нулевом рабочем проводнике появляются высшие гармоники рабочей частоты сети 50 Гц. Эти помехи могут приводить к сбоям в работе чувствительного оборудования через цепи заземления и уравнивания потенциалов, т.е. через PE проводники. Применение системы электропитания типа TN-S с УЗИП на основе разрядников в цепи N – PE позволяет свести влияния к минимуму.
     В некоторых случаях возможно также применение УЗИП в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 8.

Рис. 8 Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-S.
    В данном случае УЗИП классов I  и II  включаются между токоведущими проводниками (L1, L2, L3, N) и нулевым защитным проводником (PE) для ограничения синфазных перенапряжений (провод-земля). УЗИП класса III включаются для ограничения противофазных перенапряжений (провод – провод) непосредственно около защищаемого оборудования.
Выполнение требований к очередности срабатывания  УЗИП.
 
      Для координации работы между УЗИП различных ступеней защиты, особенно если в первой ступени применяются УЗИП на базе разрядников, а во второй на базе варисторов, необходимо, чтобы расстояние между ними по кабелю электропитания было не менее 10 метров. Нарушение этого требования приводит к шунтирования более мощных каскадов защиты на разрядниках которым не хватит напряжения для зажигания. В случае разноса ступеней защиты на расстояние 10 м по кабеля, за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля при протекании по ним импульса тока, на них возникает падение напряжения, которое оказывается приложенным к УЗИП предыдущего каскада защиты. Таким образом, шунтирование разрядника не произойдет, так как приложенное к нему напряжение будет по амплитудному значению превосходить динамическое напряжение пробоя.
     В случае необходимости размещения УЗИП 1-ой и 2-ой ступени на более близком расстоянии или рядом друг с другом необходимо использовать «искусственную индуктивность 6-15 мкГн» в виде импульсных разделительных дросселей. Для обеспечения координации работы между УЗИП класса I на основе разрядников и УЗИП класса II на основе варисторов применяются импульсные разделеительные дроссели серии PI-L*/15 с индуктивностью 15 мкГн. Для координации работы между УЗИП, выполненных на основе варисторов, используются дроссели серии PI-L* с индуктивностью 6 мкГн. (Рисунок 9). Это объясняется разным временем срабатывания разрядников и варисторов.

Рис. 9 Установка УЗИП с использованием импульсных разделительных дросселей в сеть с системой заземления TN-S.
      При установке дросселей необходимо учитывать, что рабочие токи нагрузки в фазных проводниках не должны превышать предельно допустимые значения, указанные в техническом паспорте на данные устройства.
      При необходимости и для удобства монтажа и обслуживания УЗИП могут размещаться в отдельном щитке. Причем в одном щитке могут быть установлены УЗИП всех трех классов. Это становится возможным в случае установки между ними разделительных дросселей.
      ЗАО «Хакель Рос» на собственном производстве выпускает распределительные щиты с установленными УЗИП различных классов –  щитки защиты от импульсных перенапряжений низковольтные комплектные – ЩЗИП®, ТУ 3434-001-79740390-2007. ЩЗИП® изготавливаются из комплектующих ведущих мировых производителей, отличаются высоким качеством сборки,  соответствуют требованиям электромагнитной совместимости, имеют сертификат  соответствия РОСС RU.МЛ02.В00405 требованиям ГОСТ Р 51321.1-2000. Каждый ЩЗИП® изготавливается по индивидуальному проекту, учитывающему все особенности объекта. Для заказа ЩЗИП® необходимо заполнить опросный лист, размещенный на сайте www.hakel.ru,  и переслать в технический одел ЗАО «Хакель Рос».
      Пример схемы подключения к электроустановке ЩЗИП® с двумя ступенями защиты приведен на Рис.10.
      К нагрузочной стороне вводного автомата подключается вход ЩЗИП®, к силовой стороне групповых автоматов – выход. Заземление щитка должно осуществляться на главную заземляющую шину объекта или РЕ шину вводного щита (ГРЩ). Основные требования по монтажу и подключению главной заземляющей шины (ГЗШ) изложены в главе 1.7 ПУЭ (7-е издание), а так же в Техническом циркуляре ассоциации «РОСЭЛЕКТРОМОНТАЖ»
№ 6/2004  от 16.02.2004 «О выполнении основной системы уравнивания потенциалов на вводе в здание».
Рис. 10 Установка ЩЗИП  в 3-фазную электрическую сеть с системой заземления TN-С-S.
     При монтаже  УЗИП необходимо учитывать то, что расстояния между главной заземляющей шиной, ЩЗИП® и вводным щитом объекта должны быть минимальные. РЕ проводники должны прокладываться возможно кратчайшими путями. При подключении силовых кабелей к щитку необходимо избегать совместной прокладки защищенного и незащищенного участков кабеля, а также защищенного кабеля и кабеля заземления. Правильные и неправильные варианты прокладки проводников различного назначения приведены на Рис. 11.
Рис. 11 Варианты прокладки защищенных и влияющих проводников а), б) – неправильные в) – правильный.
      Выше были рассмотрены схемы включения устройств защиты от импульсных перенапряжений в электропитающие сети типа TN-S. Существующие на практике объекты чаще всего имеют вводы электропитания, выполненные по схеме  TN-C (четырех проводная схема электропитания с глухозаземленной нейтралью трансформатора на подстанции). На объектах, которые подвергались реконструкции или модернизации, как правило, схема электропитания соответствует типу TN-C-S. То есть внутренняя часть объекта выполняется по схеме TN-S (пяти проводной), внешняя соответственно по типу TN-C (четырех проводной). На рисунке 12 приведен пример установки УЗИП для TN-C-S сети электропитания радио объекта контейнерного типа.
Рис. 12 Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-С-S.
      Из схемы на Рис.12 видно, что первая ступень защиты на УЗИП класса I на основе разрядников размещена во вводном щите. Так как ввод электропитания выполнен четырех проводным, в этой ступени защиты разрядник между проводниками N – PE не устанавливается. Далее, после точки разделения PEN проводника на N  и  PE проводники и удалении от этой точки по кабелю на расстояние более 5 м, т.е. там, где будет находиться вторая ступень защиты, разрядник в цепи N – PE уже должен быть установлен. Объяснение этому очень простое: при удалении двух точек на расстояние порядка 10 м между ними уже может появиться разница потенциалов за счет индуктивного сопротивления соединяющего их проводника при воздействии на объект высокочастотных грозовых токов.
Вторая ступень защиты для данного объекта может быть размещена в стойке выпрямителя на DIN-рейке панели ввода. Но  правильным решением было бы размещение УЗИП класса II в ЩЗИП® рядом с выпрямителем, либо непосредственно в том же вводном щитке. (Рис. 13)
 
 
Рис. 13 Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-С-S.
      В обеих случаях между ступенями защиты   должны быть установлены импульсные разделительные дроссели, так как габариты контейнерного объекта не позволяют обеспечить выполнение требований по их размещению на расстоянии более 10 м.
     Очень часто возникает ситуация когда оборудование связи или обработки информации при подключении к защитному заземляющему устройству объекта не работает из-за наличия отличающегося от нуля потенциала или больших помех на элементах системы заземления. В подобных случаях используется специальное дополнительное заземляющее устройство, электрически не связанное с защитным заземлением – так называемое функциональное заземление. При этом сразу же встает вопрос защиты оборудования, подключенного к такому заземляющему устройству от перенапряжений возникающих, например, при ударе молнии систему молниезащиты здания.
Рис. 14 Установка разделительного разрядника.
      Для уравнивания  разности потенциалов  между двумя независимыми заземляющими  устройствами или между металлическими составными частями и элементами объекта, которые не могут быть по условиям эксплуатации напрямую электрически соединены друг с другом устанавливаются разделительный разрядники HGS100. HGS100 в исходном состоянии обеспечивают гальваническую развязку, а при возникновении перенапряжений кратковременно соединяют их, уравнивая потенциалы (Рис. 14). Разделительный разрядник HGS может применяться как для внутренней, так и для наружной установки (Рис. 15).

Рис. 15 Разделительный разрядник HGS 100.
 
Дополнительная защита от короткого замыкания.
      Основным принципом приведенных выше схем включения УЗИП является уравнивание потенциалов между двумя проводниками, одним из которых является фазный проводник, а другим нулевой рабочий или нулевой защитный проводник. При этом в случае выхода из строя УЗИП возможно возникновение режима короткого замыкания, что может привести к выходу из строя электроустановки и даже  возникновению пожара. Имеющееся в варисторных ограничителях устройство отключения при перегреве варистора (тепловая защита), как правило, срабатывает при старении варистора, когда увеличиваются токи утечки, или при превышении фактического тока разряда через УЗИП над максимально допустимым.
      Несколько другая ситуация возникает в случае установившегося превышения действующего напряжения в сети над максимальным допустимым рабочим напряжением, определенным для данного УЗИП. Примером такой ситуации может быть повышение напряжения по вине поставщика электроэнергии или обрыв (отгорание) нулевого проводника при вводе в электроустановку. Как известно, в последнем случае к однофазной нагрузке может оказаться приложенным межфазное напряжение величиной  до 380 В. При этом УЗИП откроется, и через него начнет протекать ток. Величина этого тока будет стремиться к величине тока короткого замыкания и может достигать нескольких сотен ампер. Практика показывает, что терморасцепитель варисторного УЗИП не успевает отреагировать в подобных ситуациях из-за тепловой инерционности конструкции. Варистор, как правило, разрушается в течение нескольких секунд, после чего режим короткого замыкания также может сохраняться через дугу (по продуктам разрушения и горения варистора. При этом возникает вероятность замыкания клемм устройства на корпус шкафа или DIN-рейку при расплавлении пластмассы корпуса и возможность повреждения изоляции проводников в цепях включения защитных устройств.
Рис.16  Выход из строя УЗИП на основе варистора привел к пожару в ГРЩ.
      На фотографии (Рис. 16) показаны последствия подобной ситуации, в результате которой произошел пожар в распределительном щите.
Рис.17  Установка предохранителей для защиты УЗИП.
      Сказанное выше относится не только к варисторным устройствам, но и к УЗИП на базе разрядников, которые не имеют в своем составе терморасцепителя. Для того чтобы предотвратить подобные последствия рекомендуется устанавливать последовательно с устройствами защиты от импульсных перенапряжений предохранители с характеристиками срабатывания gG или gL (классификация согласно требованиям стандартов ГОСТ Р 50339.0-92 (МЭК 60269-1-86)  или VDE 0636 (Германия) соответственно). На Рис.  17 показан вариант включения предохранителей в схему электроустановки.
Номиналы предохранителей и тип их время-токовых характеристик определяются конкретным производителем УЗИП и отражаются в технической документации. Как уже указывалось выше, для этих целей обычно используются предохранители с характеристикой  gG или gL, предназначенные для защиты проводников и коммутационного оборудования от перегрузок и коротких замыканий. При этом предохранители имеют более высокую стойкость к импульсным токам значительных величин, соответственно являются более простыми и надежными по конструкции.
Примерный вариант  выбора номиналов предохранителей (зависит от требований производителя УЗИП) для схемы рассмотренной на рисунке 17 показан ниже:
·      При номинале предохранителей FU1-FU3  более 315 А gG (или их отсутствии), номиналы FU4-FU6   выбираются – 315 А gG, номиналы FU7-FU9 выбираются – 160 А gG;
·      При номинале предохранителей FU1-FU3  менее 315 А gG, но более 160 А gG, предохранители FU4-FU6  можно не устанавливать, номиналы FU7-FU9 выбираются – 160 А gG.
·      При номинале предохранителей FU1-FU3  менее 160 А gG, предохранители FU4-FU6 и FU7-FU9 можно не устанавливать.
·      При наличии разделительных дросселей LL1-LL3 номинал предохранителей FU1-FU3 должен соответствовать номинальному току дросселей.
      Следует обратить внимание на то, что ведущие  производители УЗИП  в своих схемных решениях показывают именно предохранители, а не автоматические выключатели, в том числе и перед точкой установки УЗИП. Здесь можно говорить о непредвзятом выборе технического решения, так как никто из данных производителей не выпускает ни предохранители, ни автоматические выключатели.
Практический же опыт и данные экспериментальных испытаний показывают, что автоматические выключатели довольно часто повреждаются при воздействии импульсных перенапряжений. Известны  случаи подгорания контактов или приваривания их друг к другу. И в том и в другом случае автоматический выключатель не сможет в дальнейшем выполнять свои функции. Кроме этого, при установке автоматических выключателей последовательно с УЗИП (вместо FU4-FU6 и FU7-FU9 на рис.17) за счет элементов их внутренней конструкции, имеющих индуктивные свойства, а следовательно, и повышенное индуктивное сопротивление при протекании импульсных токов, в точках подключения данной цепочки к защищаемой линии  может повышаться значение остающегося напряжения, приложенного к нагрузке.

Выбор типа УЗИП

1)      В качестве первой ступени защиты рекомендуется устанавливать:
–         при воздушном вводе электропитания, вне зависимости от наличия внешней системы молниезащиты (СМЗ), когда возможен прямой удар молнии в линию электропередач в непосредственной близости от объекта – грозовые разрядники, способные пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением  50–100 кА и гасить сопровождающие токи величиной более 4 кА, а так же обеспечивать уровень защиты  (Up) менее 4 кВ (многозазорные угольные искровые разрядники без выброса ионизированных газов типа HS55 производства  Hakel).
–         при подземном вводе электропитания и при наличии внешней системы молниезащиты, когда существует вероятность попадания молнии в молниеприемник СМЗ, можно установить УЗИП на базе варисторов, способные пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением 10 – 20 кА и также обеспечивать уровень защиты  Up = 4 кВ и ниже (устройства серий SPC или PIV). При этом желательно произвести предварительную оценку токов растекания по приведенной выше методике.
–         при отсутствии внешней системы молниезащиты  рекомендуется ее установить, так как прямой удар молнии в этом случае, как правило, приводит к динамическим воздействиям на строительные конструкции объекта, а также может вызвать пожар за счет искрения и перекрытия воздушных промежутков между токопроводящими элементами объекта.
2)      В качестве второй ступени защиты в цепях L – N используются устройства на базе варисторов с максимальным импульсным током 20-40 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Up) менее 2,5 кВ (устройства серии PIII или SPU).  В цепях N – PE  применяются газонаполненные металлокерамические разрядники, способные выдерживать импульсные токи с амплитудой 20-40 кА формы 8/20 мкс. Сопровождающие токи в цепях N –PE не возникают, поэтому в данном случае могут применяться разрядники с If  равным 100 – 300 А (разрядники В20С).
3)     В качестве третьей ступени защиты используются УЗИП с максимальным импульсным током 6-10 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Up) менее 1,5 кВ. Могут применяться комбинированные устройства, включающие в себя дополнительно помехоподавляющий фильтр в диапазоне частот 0,15 – 30 МГц. (устройства серии PI-k).
4)     Разделительные дроссели (при необходимости их применения) выбираются, исходя из величины максимальных рабочих токов нагрузки 16, 32, 63, 80 или 120А.
Как указывалось выше, для объектов с подземным вводом электрического питания возможно применение комбинированных устройств серии SPC (см. рис 18), отвечающих по своим входным параметрам требованиям к варисторным защитным устройствам первого класса (импульс тока величиной 10 – 20 кА;  форма 10/350 мкс).
Рис.18  Установка УЗИП класса I+II серии SPC1.1-90 в 3-х фазную сеть с системой заземления TN-C-S.
По своим выходным параметрам (уровень защиты (Up) 1300 В при номинальном импульсном токе, форма 8/20 мкс) они выполняют требования ко второму классу защиты. Применение подобных устройств позволяет отказаться от использования разделительных дросселей, так как все устройство смонтировано в одном общем корпусе для установки на DIN-рейку. Размер корпуса при этом меняется в зависимости от количества защищаемых проводников и соответствует размеру от 2-х до 8-ми стандартных типовых корпусов (для однофазной и трех фазной сети соответственно).
Однако, в случае установки подобного устройства на воздушном вводе электропитания, существует вероятность его выхода из строя при ударе молнии непосредственно в провода ЛЭП возле объекта.
В некоторых ситуациях установки защиты только на вводе здания не достаточно для того, чтобы с большой степенью вероятности защитить такую категорию потребителей электроэнергии, как высокочувствительная электронная техника. Защитные устройства III класса в этом случае устанавливаются непосредственно возле защищаемого оборудования (на вводе в квартиру, офис).
При использовании устройств защиты от импульсных перенапряжений необходимо учитывать некоторые особенности их подключения в схему электроустановки объекта:
–       В случае применения устройств защитного отключения (УЗО) устройства защиты от импульсных перенапряжений первого и второго класса должны быть включены до УЗО (по ходу энергии). Таким образом, их срабатывание не вызовет ложного отключения УЗО. Устройства защиты  третьего класса могут быть установлены после УЗО (по ходу энергии), но при этом должны использоваться УЗО типа «S» (селективные) с временной задержкой срабатывания от импульсных помех (Рис. 19).
–       При измерениях, производимых на электроустановке, когда методикой измерений предусматриваются испытания высокими напряжениями (например проверка сопротивления изоляции проводов) необходимо отключать защитные устройства от электроустановки. Несоблюдение этого правила приведет к искажению результатов измерения или в худшем случае к выходу из строя устройств защиты от импульсных перенапряжений.
Рис.19  Установка УЗИП в сеть с системой заземления TN-C-S с использованием УЗО.

 

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