3.4 Общая характеристика устройств защиты от импульсных перенапряжений
Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) - это устройство многократного действия, предназначенный для ограничения импульсных перенапряжений до безопасного уровня. Как составная часть системы выравнивания потенциалов, УЗИП присоединяется к силовой или информационной сети и в пассивном состоянии никак не влияет на работу оборудования. При резком росте напряжения, которое может иметь разную природу происхождения, УЗИП срабатывает и снижает напряжение до безопасного уровня.
Нужно отметить, что в условиях эксплуатации электрического оборудования могут возникать различные аварийные режимы в сетях, сопровождающихся длительным повышением напряжения, но они не повлияют на срабатывание УЗИП, которые настроены на более высокие уровни перенапряжений. При таких аварийных режимах защитой являются предохранители и защитные автоматические выключатели с электромагнитными и тепловыми расцепителями.
УЗИП различают по классам и уровням требований в зависимости от места их расположения. В электрических сетях переменного тока напряжением до 1000В промышленной частоты используют УЗИП трех классов, которые классифицируются по целому ряду параметров, в зависимости от их назначения, конструкции, классов испытаний.
Важнейшим параметром, характеризующим УЗИП, является уровень защиты UP - максимальное значение падения напряжения на УЗИП при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничить перенапряжение, которое появляется на его клеммах, до определенного уровня, и определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока In. Уровень Up не должен превышать устойчивость электрооборудования к импульсным
перенапряжениям.
При испытании УЗИП используют два типа испытательных импульсов с различными ампер-секундными характеристиками (рис. 3.4.1).
Форма ампер-секундной характеристики 1 имитирует ток, возникающий при прямом ударе молнии. Его продолжительность составляет 10/350 мкс (10 мкс - время нарастания тока, 350 мкс - время полу-спада). Такие импульсы проходят через грозовые токоотводы и через компоненты системы внешней молниезащиты, а также через УЗИП класса 1.
Форма ампер-секундной характеристики 2 имитирует ток, возникающий в результате удаленного удара молнии или коммутационного процесса. Его продолжительность - 8/20 мкс (8 - нарастание, 20 - полу-спада). Этим импульсом тестируют УЗИП 2 и 3 класса.
Итак, УЗИП 1-го класса предназначены для защиты электрооборудования от перенапряжений, вызванных прямым ударом молнии в систему молниезащиты здания. Они устанавливаются в вводно–распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Уровень защиты Up до 4 кВ. При проверке работоспособности УЗИП удар молнии имитируется контрольными импульсами тока формы 1 (Iimp до 100 кА).
УЗИП 2-го класса предназначены для защиты электрической распределительной сети объекта от коммутационных перенапряжений, или как вторая ступень защиты при ударе молнии. Они должны снижать перенапряжения до уровня, безопасного для бытовых приборов и электросети. Устанавливаются в главных и вторичных распределительных щитах перед устройством защитного отключения (УЗО), чтобы УЗО не реагировал на импульсный ток как на аварийный и не обесточивал потребителей. Уровень защиты Up до 2,5 кВ. Проверка дееспособности выполняется контрольными импульсами тока формы 2 (Imах до 20 кА).
УЗИП 3-го класса устанавливаются непосредственно у оборудования и предназначены для защиты определенного потребителя от остаточных перенапряжений после срабатывания УЗИП первого и второго класса, которые возникают между проводамифазы (L) и «нейтралью» (N). Уровень защиты Up до 1,5 кВ. При проверке дееспособности имитируется контрольный импульс тока формы 2 (Imах до 10 кА).
При ударе молнии все три класса УЗИП должны сработать последовательно, снижая импульс перенапряжения до допустимого значения.
Как элементную базу для создания УЗИП используют разрядники различных типов, варисторы на основе оксидно-цинковых или металло-оксидных полупроводниковых элементов и их комбинации.
Обычно УЗИП-1 - это газовый разрядник. Его защитное действие базируется на пробое газового промежутка волной перенапряжения, благодаря этому ток молнии переходит в заземление (так называемая функция «прерывания волны»), что значительно снижает продолжительность входного импульса и, соответственно, время воздействия перенапряжения на оборудование. Далее специальное устройство в разряднике прерывает ток дуги Ifi, предотвращая короткое замыкание между фазой и «землей».
Преимуществом разрядников является длительный срок эксплуатации, нечувствительность к сверхсильным импульсным токов, отсутствие токов утечки в состоянии ожидания. Недостатком является отсутствие реагирования на слабые импульсы напряжения, медленное восстановление дееспособности при наличии сопроводительных послекоммутационных токов Ifi.
Работа варисторных ограничителей перенапряжения базируется на принципе лавинообразного роста тока в полупроводнике из-за резкого уменьшения его сопротивления при росте напряжения выше номинального значения. Малый ток утечки через варистор при этом резко возрастает, а напряжение фиксируется на уровне номинального значения (точечный график на рис. 3.4.2). Этот процесс сопровождается выделением тепловой энергии, рассеиваемой на варисторе.
Преимуществом варистора является быстрое срабатывание (до 25 нс), чувствительность к слабым импульсам напряжения, отсутствие послекоммутационных токов, быстрое восстановление дееспособности. Недостатки - износ кристалла полупроводника с тем, ограничения по силе тока импульса, наличие токов утечки в неработающем состоянии.