Устройства защиты от импульсных перенапряжений для систем промышленной автоматизации

Электрические приборы, аппаратура и техника, которые используются в промышленности, требуют напряжения 220 В или 360 В. Однако внутри питающей сети нередко происходят нарушения нормального режима. Для нейтрализации последствий ударов молний и переходных процессов в электросети при коммутациях оборудования используются устройства защиты от импульсных напряжений.

                                                                                                                                                       Импульсные перенапряжения. Суть и причины возникновения

Молния является красивым и вдохновляющим природным явлением, однако она может быть опасной. Искровой разряд нередко приводит к пожарам, может стать причиной сильных разрушений, взрывов, травмирования людей и животных, вплоть до смертельных случаев.

Эксперты различают первичные и вторичные воздействия удара молнии. Первые возникают вследствие ее прямого попадания в объекты. Во время молниевого разряда выделяется огромная энергия. Ее разрушительная сила настолько велика, что при непосредственном попадании в жилые дома и промышленные здания может полностью их разрушить, убить людей и спровоцировать техногенную катастрофу.

Под вторичными воздействиями молнии подразумеваются явления во время близких разрядов молнии, сопровождающиеся появлением разностей потенциалов на металлических конструкциях, трубопроводах, кабелях и проводах внутри помещений и сооружений, не подвергающихся непосредственному прямому удару.

Вторичное воздействие разрядов молнии вызывается электромагнитной или электростатической индукцией. При электростатической индукции образование высоких потенциалов, способных вызвать искру (разряд), происходит на изолированных от земли металлических предметах. При электромагнитной индукции искрообразование возможно благодаря возникновению высоких потенциалов во всех металлических незамкнутых контурах.

Вторичное воздействие разрядов молнии оказывает негативное воздействие на линии связи телефонной сети, электросети напряжением 220 В и 380 В, системы мобильной связи, передачи информации и данных, спутникового и телевизионного вещания.

Выход из строя, даже на короткий промежуток времени, одной из этих систем может привести к непоправимым последствиям. Поэтому современные системы молниезащиты промышленных объектов содержат защиту как от непосредственных ударов молнии, так и от вторичных ее проявлений.

Существует еще один источник импульсных перенапряжений – переходные процессы в электрических сетях при коммутации оборудования. В таких случаях перенапряжение связано с внезапной сменой режима работы в системе электроснабжения при коротких замыканиях, в момент включения и отключения трансформаторов, при включении резервного питания и т.п.

Импульсные перенапряжения, возникающие в связи с коммутационными процессами в сетях электропитания, происходят заметно чаще, чем импульсные перенапряжения, вызванные разрядом молнии. Их последствия менее сокрушительны, тем не менее они оказывают существенное влияние на электроприборы. Ведь даже небольшое повреждение или нарушение работы оборудования снижает общую готовность системы к работе.

При развитии импульсного перенапряжения коммутационного происхождения накопленная в элементах сети электрическая энергия из-за резкой смены параметров работы провоцирует развитие переходного процесса с сильным скачком напряжения.

Появление опасных всплесков напряжения возможно даже при переключении стандартных конечных устройств, например, осветительных приборов, принтеров, компьютеров и электромоторов. Особенно сильно это проявляется при одновременной коммутации нескольких электротехнических устройств.

Импульсные перенапряжения. Последствия

Импульсное перенапряжение – это кратковременный, но чрезвычайно сильный перепад напряжения, а также появление на металлических конструкциях электродвижущей силы. Специалисты различают проявление электромагнитной и электростатической индукции, занос внутрь объекта высоких потенциалов и коммутационное перенапряжение.

По сути, перенапряжение – это любое напряжение, которое по величине превышает величину максимального рабочего напряжения. Именно на наибольшее рабочее напряжение рассчитана изоляция любого электроаппарата, проводника и любой электроустановки.

Основная опасность воздействия перенапряжений заключается в нарушении целостности изоляции электрооборудования. Это может привести к катастрофическим последствиям. Кроме того, импульсные перенапряжения создают высокочастотные электромагнитные помехи, которые могут вызвать сбои и нарушения в информационных и управляющих системах.

Отсутствие защиты от импульсных напряжений, а также ошибки при выборе или установке защитных средств приводят к выгоранию электронных элементов и плат, аппаратуры и электротехнических устройств, установленных в силовых и распределительных щитах.

Электродинамические усилия, возникающие при разряде молнии, настолько мощные, что легко вырывают из стен электрическую проводку и могут полностью разрушить электрооборудование. Однако кроме явного, видимого влияния импульсных перенапряжений существует еще и скрытое воздействие.

Когда речь заходит о скрытом влиянии импульсных перенапряжений на электрооборудование, подразумевается сразу несколько негативных воздействий:

• Электронные схемы, которые часто подвергаются действию относительно небольших импульсов перенапряжений, в результате перегружаются, что приводит к появлению различных помех;
• Регулярное воздействие импульсных перенапряжений сокращает срок службы отдельных электронных элементов и, соответственно, электроприборов и электротехники, в которых они установлены;
• Импульсные перенапряжения оказывают негативное воздействие на изоляцию кабелей и проводов систем электроснабжения. Импульс высокой амплитуды может стать причиной повреждения изоляции между проводами, которое не приводит к короткому замыканию. В таком случае питающая линия остается в работе. Однако в месте повреждения начинают протекать токи утечки небольшой величины, на которые не реагирует дифференциальная защита, особенно если повреждение возникло между фазными проводами. Следует отметить, что в месте повреждения изоляция нагревается, что ускоряет процесс ее старения. В свою очередь, это также сокращает срок службы электроустановки.

В технической литературе описано множество случаев возникновения аварийных ситуаций, которые возникли в коммерческом секторе и промышленности из-за импульсных перенапряжений.

Как показывает практика, чаще всего к финансовым потерям приводит остановка производства. При этом утраченные данные и потерянная информация существенно превышает ущерб, причиненный непосредственно самому оборудованию.

Например, в одном из европейских банков в результате вторичного воздействия молнии были выведены из строя более 50 компьютеров. Работа финансового учреждения остановилась на несколько дней. Потери банка оцениваются в несколько миллионов евро.

В аэропорту Франкфурта-на-Майне под действием импульсного перенапряжения произошло ложное срабатывание системы пожаротушения в башне управления полетами. В результате этого инцидента более 200 самолетов пришлось в экстренном порядке отправлять на другие аэродромы. Сумма ущерба исчисляется в десятках миллионов долларов, при том что расходы на установку системы защиты от импульсных перенапряжений не превысили бы и 2 тыс. долларов.

Почему проблема импульсных перенапряжений с каждым годом становится только острее? Ведь гроз и, соответственно, молний больше не становится. Хотя результаты исследований, проведенных американскими учеными, показывают, что с увеличением загрязнения окружающей среды существенно возрастает количество молний. К сожалению, пока еще нельзя с твердой уверенностью утверждать, что год от года атмосфера Земли становится намного чище.

По оценкам экспертов, всё дело в том, что использование микропроцессорной техники и электроники как в быту, так и в промышленности приобретает массовый характер. Без компьютера, микроволновой печи, стиральной машины и музыкального центра уже сложно представить себе уютную квартиру, а без программируемых логических контроллеров, частотных преобразователей, различных реле контроля и управления невозможно организовать современное производство. А ведь именно электронная, микропроцессорная техника наиболее подвержена влиянию импульсных перенапряжений и высокочастотных помех. Следовательно, проблема импульсных перенапряжений – это своеобразная «дань», которую платит человечество техническому прогрессу.

Идентификация разрушения оборудования, вызванного импульсными перенапряжениями

Если повреждение уже случилось, следует точно установить причину выхода оборудования из строя. Это необходимо для того, чтобы оценить потенциальный риск и своевременно предпринять адекватные меры.

В ходе визуального осмотра вышедшего из строя оборудования можно достаточно четко определить следы воздействия импульсного перенапряжения. Разрушения такого типа существенно отличаются от разрушений, вызванных перегрузкой по току или длительным перенапряжением, приложенным к устройству.

В случае импульсного перенапряжения на пострадавших компонентах электрооборудования отчетливо заметны последствия так называемого холодного взрыва, тогда как при длительном перенапряжении на поврежденном оборудовании остаются свидетельства «горячего горения».

Признаки воздействия импульсного перенапряжения:

• На дорожках плат и на поверхности контактов штекеров заметны следы поверхностного пробоя. Эти дефекты проявляются в форме черных линий. Также возможно появление на плате небольших пузырьков;
• В ходе визуального осмотра выявлены взорвавшиеся электронные компоненты – полупроводниковые элементы, резисторы, микросхемы;
• Соединительные провода разрушенных компонентов изогнуты;
• Под действием импульсного перенапряжения взрываются коммутирующие устройства (например, устройства защитного отключения - УЗО);
• При осмотре кабеля могут быть выявлены локальные поверхностные пробои кабельной изоляции. При поверхностном пробое твердая изоляция непосредственно не повреждается, за исключением случаев, когда защитная оболочка подвергается оплавлению или обожжена электрической дугой, возникшей в результате мощного поверхностного разряда;
• Оценка состояния предохранителя показывает, что устройство не сработало из-за слишком короткой продолжительности импульса.

Признаки перегрузки, продолжавшейся длительное время:

• На платах отчетливо видны следы горения и теплового воздействия, которые проявляются в виде вздутий;
• Оплавлены штекеры;
• Обнаружено оплавление изоляции кабеля;
• Корпус приборов деформирован из-за высокой температуры;
• Во время визуального осмотра выявлены сгоревшие электронные компоненты;
• Входные предохранители могли сработать.

Принцип действия и классификация защитных устройств

Разветвленная электрическая сеть, специфика задействования электрооборудования, насыщенность промышленных объектов современной техникой, автоматизированного управления и регулирования, позволяющей выполнять десятки сложных взаимосвязанных процессов, требует грамотного выбора устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

УЗИП – это аппаратура, предназначенная для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсных токов. Также употребляются альтернативные термины – ограничитель перенапряжения сети, ограничитель импульсных напряжений. Эти устройства устанавливаются на производственных объектах различных отраслей промышленности и служат для нейтрализации:

• Последствий ударов молнии, включая импульсные разряды во время грозы;
• Перенапряжения в сети при коммутациях.

В перечисленных условиях может пострадать как действующее оборудование, так и находящаяся в спящем режиме электротехника. Речь идет о краткосрочных импульсах, на которые устройство защитного отключения (УЗО) или дифференциальные автоматы отреагировать не успевают.

Принцип действия УЗИП. Чтобы понять, как работает устройство защиты от импульсных перенапряжений, необходимо иметь представление о таких элементах электрических схем, как резисторы и варисторы.

Резистор – пассивный элемент, встраиваемый в схемы электрических систем, который обладает определенным или переменным значением электрического сопротивления. Он предназначен для создания определенных сопротивлений электротоку. Резистор широко используется практически во всех электрических и электронных устройствах.

С помощью этих мини-устройств осуществляется ограничение потребляемой мощности электроприборов и регулирование характеристик электрического тока.

Варистор – это полупроводниковый прибор, разновидность резистора, который способен менять свое сопротивление по нелинейному закону в соответствии с приложенным к нему напряжением. При подъеме напряжения сверх нормативной величины сопротивление варистора скачкообразно снижается.

 Основное функциональное назначение варистора – защита электросетей, машин, аппаратов, в которых он установлен, от перенапряжения. Варисторы общего применения срабатывают в течение 25 нс. В случаях, когда необходимо более высокое быстродействие, используют SMD-варисторы, у которых этот параметр составляет всего 0,5 нс.

Преимущества варисторов:

• Простота эксплуатации;
• Продолжительный срок службы;
• Высокая скорость срабатывания;
• Надежность и стабильность при токах высокой частоты и значительных нагрузках;
• Относительно невысокая стоимость.

К недостаткам варисторов относят:

• Низкочастотный шум при работе;
• При длительном воздействии напряжений критической величины рассеивание мощности прекращается, а само мини-устройство перегревается и выходит из строя;
• Старение полупроводникового прибора, из-за чего он постепенно утрачивает рабочие характеристики.

В схему УЗИП включается, по меньшей мере, один варистор. Работа устройства базируется на свойстве элемента резко снижать сопротивление при скачкообразном подъеме напряжения. Когда напряжение в электрической сети, функционирующей в обычном режиме, не превышает 220 В, сопротивление варистора не позволяет электрическому току проходить через защитное устройство.

При поражении грозовым разрядом или при перенапряжениях в сети при коммутациях, из-за чего возникает скачкообразный подъем напряжения, сопротивление варистора стремительно падает, поэтому через УЗИП начинает протекать электрический ток. А поскольку УЗИП соединяется с заземляющим проводником, происходит короткое замыкание, в результате которого срабатывает автомат аварийного выключения. После того как напряжение снижается до допустимых пределов, сопротивление варистора возрастает и цепь продолжает работу в обычном режиме.

Помимо варисторов в схему УЗИП входят разъединители, конденсаторы, предохранители из плавкого материала, катушки индуктивности и индикаторы, по которым определяют состояние устройства. Все компоненты устанавливаются в корпус, изготовленный из негорючего пластика.

В зависимости от количества клемм подключения проводников цепи устройства защиты от импульсных перенапряжений делятся на два типа:

• Одновводные (one-port SPD) – УЗИП без последовательно включенного полного сопротивления между выводами. Устройства этого типа оснащаются отдельными вводами и выводами и подключаются к защищаемой сети параллельно;
• Двухвводные (two-port SPD) – УЗИП с включенным последовательно между отдельными вводным и выводным выводами специальным полным сопротивлением. Такие защитные устройства подключаются как параллельно, так и последовательно защищаемой линии.

В зависимости от вида конструкции нелинейного элемента УЗИП подразделяются на четыре вида:

• Коммутирующие устройства, которые при отсутствии перенапряжения сохраняют высокое полное сопротивление. Но они могут моментально изменить его на низкое в ответ на скачок напряжения. В качестве примера коммутирующих аппаратов можно привести газонаполненные и угольные разрядники, разрядники открытого типа и искровые промежутки.

Еще один вариант УЗИП коммутирующего типа – тиристор (кремниевый или полупроводниковый выпрямитель). Это четырехслойное твердотельное устройство управления током. В основном используется в электронных устройствах, которые требуют контроля высокого напряжения и мощности. Это позволяет использовать их при работе на средних и высоких мощностях переменного тока, таких как функция управления двигателем.

• Устройства ограничивающего типа в отсутствие перенапряжения сохраняют высокое полное сопротивление, но с возрастанием волны тока и напряжения постепенно снижают его. Общим примером нелинейных устройств являются варисторы и защитные диоды (ограничительные стабилитроны, супрессоры или TVS-диоды). Устройства защиты от импульсных перенапряжений ограничивающего типа иногда называют «ограничителями».
• Комбинированные устройства (многоступенчатое УЗИП) содержат элементы как коммутирующего, так и ограничивающего типов, которые способны как замыкать и размыкать электрические цепи, так и сглаживать характеристики электротока. Эти аппараты могут коммутировать и ограничивать напряжение, а также совмещать в себе обе функции. Их действие зависит от характеристик подаваемого напряжения в текущий момент.
• Короткозамкнутого типа. В условиях превышения импульсным током значения номинального разрядного тока такие аппараты меняют свою характеристику на намеренное состояние внутреннего короткого замыкания.

В зависимости от типа ограничивающих компонентов УЗИП:

• Могут содержать в одном корпусе не менее одного ограничивающего напряжение компонента и при этом не иметь токоограничивающих элементов;
• Могут содержать в одном корпусе как ограничивающие напряжение, так и ограничивающие ток компоненты.

В зависимости от количества вводов защитные устройства подразделяются на:

• Одновводные, которые подключаются только параллельно защищаемой линии, поскольку у них нет последовательно включенного полного сопротивления между выводами;
• Двувводные УЗИП подключаются как параллельно, так и последовательно защищаемой линии, поскольку оснащены последовательно включенным полным сопротивлением между выводами.

В зависимости от своего назначения устройства защиты от импульсных перенапряжений могут удовлетворять дополнительным требованиям. В соответствии с выполняемыми функциями эти устройства делятся на несколько групп:

5. Только с функцией ограничения;
5. С функциями ограничения напряжения и токоограничения;
5. С функцией ограничения напряжения и линейным элементом между выводами;
5. С функциями ограничения тока, напряжения и с усиленной передающей способностью. Такие УЗИП оказывают минимальное влияние и вносят самые малые потери в линию. Как правило, предназначены для установки на линиях с высокой скоростью передачи данных (свыше 1 Мбит/с);
6. Устройства только с функцией ограничения напряжения, предназначенные для эксплуатации в окружающей среде с неограниченными условиями;
5. Аппараты с функциями ограничения тока и напряжения, предназначенные для использования в окружающей среде с неограниченными условиями.

Формулировка «применение в окружающей среде с неограниченными условиями» означает, что устройства защиты от импульсных перенапряжений предназначены для работы в условиях повышенной влажности и высоких температур. Испытания таких УЗИП проводятся при температуре 80°С и относительной влажности воздуха до 96%.

В зависимости от количества выводов УЗИП, предназначенные для использования в сетях систем телекоммуникации и сигнализации, выпускаются в нескольких конфигурациях. При этом каждая конфигурация устройств содержит один или более элементов, которые ограничивают напряжение. Также в ее схему могут входить токоограничивающие компоненты. По конфигурации УЗИП делятся на:

• Двухвыводные;
• Трехвыводные;
• Четырехвыводные;
• Пятивыводные;
• Многовыводные.

В зависимости от той степени, в которой устройства могут выполнять защитные функции, УЗИП делятся на три класса.

•  I класс. Другое обозначение – класс УЗИП «B» по международному стандарту. Приборы этого класса предназначены для защиты аппаратуры и электрооборудования от последствий, вызванных непосредственным воздействием грозовых разрядов. УЗИП защищают от импульсных токов разряда с сигналами 10/350 мкс: попадание молнии в устройство (систему) внешней молниезащиты и попадание молнии в ЛЭП, находящуюся в непосредственной близости от объекта. Амплитуда импульсных токов с крутизной фронта волны 10/350 мкс находится в пределах 25-100 кА, длительность фронта волны достигает 350 мкс.

Устройства защиты от перенапряжений I класса монтируются на вводе питающей линии в здание или в его обособленную часть. Они должны быть установлены в вводно-распределительное устройство или в главный распределительный щит многоквартирных домов, административных зданий и промышленных объектов.  Также они используются для защиты зданий, стоящих обособленно на открытой местности, или имеющих поблизости высокие деревья, то есть подверженных высокой опасности грозового воздействия.

• II класс (класс «С»). Защитные устройства II класса обеспечивают защиту аппаратуры и электротехнического оборудования от перенапряжений, сформированных под действием коммутационных процессов. Кроме того, они могут выполнять функции дополнительной молниезащиты. УЗИП предназначены для защиты от грозовых импульсов тока 8/20 мкс. Устройства эффективно защищают от ударов молнии в линию электропередачи и от переключений в системе электроснабжения. Амплитуда токов – 15-20 кА.

УЗИП II класса должны быть включены в электрические схемы в распределительных щитах, которые устанавливаются по зданию. Используются для защиты сетей от последствий перепадов напряжения, вызванных атмосферными явлениями или коммутационными процессами, которые не были полностью нейтрализованы УЗИП I класса.

• III класс (класс «D»). Устройства предназначены для непосредственной защиты электроприборов и оборудования от импульсных перенапряжений, спровоцированных остаточными скачками напряжений и несимметричным распределением напряжения между фазой и нейтралью. Кроме того, они могут выполнять функцию фильтров для подавления высокочастотных помех.

УЗИП III класса используются для защиты от остаточных импульсов 1,2/50 мкс и 8/20 мкс импульсов, которые не были полностью нейтрализованы УЗИП I и II классов.

Защитные устройства предназначены для защиты чувствительного электронного оборудования, вблизи от которого и монтируются. Чаще всего используются в сфере медицины и информационных технологий. Также могут быть установлены и подключены в частных домовладениях для защиты бытовой и компьютерной техники.

Наличие УЗИП трех классов позволяет выстроить защиту сети объекта от перепадов напряжения различного происхождения и силы, состоящую из трех ступеней.

         В зависимости от вида испытаний УЗИП низковольтных силовых распределительных систем подразделяются на несколько видов:

• I класс. Испытания проводятся с максимальным импульсным током Iimp. с формой волны 10/350 мкс, номинальный разрядный ток In с формой волны 8/20 мкс или волна напряжения 1,2/50 мкс.
• II класс. Испытания проводят номинальным разрядным током In, максимальным разрядным током Imax с формой волны 8/20 мкс или волной напряжения 1,2/50 мкс.
• III класс. Испытания этого класса проводятся с помощью комбинированной волны напряжения и тока 1,2/50 мкс - 8/20 мкс соответственно.
• Комбинирование классов в сочетании I+II; I+II+III и II+III.

В зависимости от того, между какими выводами включен защитный элемент, устройства защиты от перенапряжений делятся на два вида:

• Однополюсные. Для таких вариантов УЗИП защитный элемент может быть установлен между фазами, фазой и землей, фазой и нейтралью, нейтралью и землей или в какой-либо комбинации;
• Многополюсные модели включают более чем один вид защиты.

         В зависимости от местоположения УЗИП могут быть:

• Для внутренней установки. К этой категории относятся модели, предназначенные для установки в оболочке внутри зданий или под навесом. Кроме того, считаются предназначенными для внутренней установки те УЗИП, которые устанавливаются в наружных оболочках или под навесами;
• Для наружной установки. Такие устройства устанавливаются без оболочек, снаружи зданий и не под навесами (к примеру, в низковольтных воздушных линиях электропередачи).

По доступности устройства защиты от перенапряжений делятся на два вида:

• Доступные. Аппараты этого типа могут быть полностью или частично доступны для прикосновения неквалифицированному персоналу при открывании без применения инструмента крышек или оболочек уже смонтированных УЗИП;
• Недоступные. Устройства не могут быть доступны для прикосновения неквалифицированным работникам по причине установки в недоступных местах (например, это могут быть воздушные ЛЭП) или из-за расположения в закрытых оболочках, которые можно открыть только с помощью инструмента.

В зависимости от поведения при повреждении защитные устройства бывают двух типов:

5. УЗИП стандартного типа с размыканием цепи;
5. Короткое замыкание (УЗИП короткозамкнутого типа).

В зависимости от способа установки устройства защиты от перенапряжений могут быть переносные и стационарные. Мобильные защитные устройства используются для организации защиты оборудования по временной схеме. Стационарные аппараты устанавливаются на DIN-рейки и специальные планки для защиты электрооборудования в рамках постоянной схемы.

Также возможна классификация УЗИП по степени защиты, которую обеспечивает оболочка. В таком случае приборы делятся на типы согласно кодам IP, указанным в IEC 60529.

В зависимости от диапазона температуры и влажности защитные устройства можно условно разделить на два вида: с расширенным диапазоном (температурный диапазон от -40 °С до +70 °С, диапазон относительной влажности составляет 5%... 100%) и нормальным диапазоном (диапазон температур от -5 °С до +40 °С, диапазон относительной влажности воздуха составляет от 5% до 90%).

Также возможно деление на типы в соответствии с системой питания. Устройства могут питаться от переменного тока частотой от 48 до 63 Гц. Есть модели, получающие электроснабжение переменным током частотой вне указанного диапазона, что может потребовать дополнительных или измененных методик проведения испытаний.

На рынке представлены модели как без разъединителя, так и с этим элементом. Устройства с разъединителем предназначены для отсоединения защитного прибора или его части от силовой системы и предупреждения устойчивой неисправности системы. Они применяются для указания о повреждении УЗИП.

В зависимости от защитных функций разъединители (включая силу сверхтоков) могут быть с тепловой защитой, защитой от токов утечки, с защитой от сверхтока.

В зависимости от области применения защитные устройства подразделяются на несколько групп:

• УЗИП-НС предназначены для низковольтных силовых распределительных систем (с напряжением до 1 000 В). Эти устройства характеризуются типом заземления систем (TN-C, TN-S, TN-C-S, ТТ, IT) и номинальным напряжением. Способ подключения к электрооборудованию, которое нуждается в защите от импульсных перенапряжений, зависит от используемого на объекте заземления. Именно этот фактор определяет между каким проводниками будут параллельно установлены варисторы и разрядники.
• УЗИП-У предназначены для систем передачи данных, управления, контроля и измерения. Устройства разработаны для использования в системах защиты оборудования распределенных сетей аппаратуры промышленной автоматизации (АСУ ТП, АСКУЭ и др.), цифровых интерфейсов передачи данных, сигнальных линий систем управления и измерения, а также для защиты вторичных цепей питания.

УЗИП-Т предназначены для телекоммуникационных систем. Используются для защиты коаксиальных линий низко- и высокочастотного оборудования, а также систем видеонаблюдения.

• УЗИП-И. Интерфейсные устройства предназначены для защиты оборудования распределенных сетей аппаратуры промышленной автоматизации, цифровых интерфейсов передачи данных, сигнальных линий систем управления и измерения, а также для защиты вторичных цепей питания от импульсных перенапряжений. Устройства этой группы обеспечивают выполнение следующих функций:

- защита от грозовых и коммутационных импульсных перенапряжений;

- ограничение разрядного напряжения до допустимых значений.

Интерфейсные защитные аппараты, изготовленные для применения только в неконтролируемых условиях окружающей среды, отвечают следующим требованиям:

                   - стойкость к повышенной влажности;

- стойкость к циклическим изменениям окружающей среды с импульсными перенапряжениями;

- стойкость к циклическим изменениям окружающей среды с воздействием переменного тока;

- температурный диапазон составляет от -40 °С до +80 °С.

• УЗИП-АТ специально созданы для защиты автоматических и телемеханических систем управления на железнодорожном транспорте.

Требования к идентификации УЗИП

На корпус устройств защиты от импульсных перенапряжений должна быть нанесена несмываемая маркировка, или к корпусу аппарата прочно крепится неснимаемая табличка, на которой завод-производитель указывает следующую информацию:

• Наименование изготовителя (может быть указана торговая марка) и номер модели;
• Категория размещения;
• Количество вводов;
• Способ установки;
• Максимальное длительное рабочее напряжение (по одному значению для каждого класса защиты);
• Классификация испытаний и параметры разряда для каждого вида защиты, заявленные изготовителем, которые обозначаются и маркируются одно за другим таким образом:

- для испытания защитных устройств класса I: «испытания класса I», Iimp и значение тока в кА, и/или (Т1 в прямоугольнике), Iimp и значение тока в кА;

- для испытания устройств защиты класса II: «испытания класса II», Imах и значение тока в кА, и/или (Т2 в прямоугольнике), Imax и значение тока в кА;

- для испытания УЗИП класса III: «испытания класса III», Uос и значение напряжения в кВ, и/или (Т3 в прямоугольнике), Uос и значение напряжения в кВ;

• Номинальный разрядный ток In для УЗИП классов I и II (одно значение для каждого вида защиты);
• Значения уровня напряжения защиты Up (по одному значению для каждого вида защиты);
• Степень защиты, которую обеспечивает оболочка защитного устройства (код IP) (указывается в тех случаях, когда IP больше 20);
• Выдерживаемый ток короткого замыкания;
• Идентификация выводов или проводов (если не идентифицированы иначе на устройствах);
• Положение нормальной установки при монтаже (если это имеет значение);
• Род тока –  переменный с частотой или постоянный или оба;
• Температурный диапазон;
• Номинальный ток нагрузки IL для двухвводных УЗИП или одновводных УЗИП с раздельными вводными и выводными выводами. В некоторых конструкциях одновводных УЗИП номинальный ток нагрузки можно не указывать.

Маркировка не наносится на винты и съемные детали защитного устройства (втычной модуль не считается съемным компонентом). Если место ограничено и его недостаточно для размещения всей вышеуказанной информации, можно нанести на УЗИП наименование изготовителя или торговую марку и номер модели, а остальную маркировку разместить на индивидуальной упаковке или указать в инструкции по монтажу.

Если защитное устройство классифицировано более чем по одному классу испытаний, то проводят испытания по всем заявленным классам. Если в этом случае изготовитель установил один уровень защиты, то маркируют наивысший уровень защиты.

Как выбрать параметры УЗИП

На этапе выбора оптимального варианта УЗИП следует оценить величину тока молнии, который может потечь через защитное устройство в месте его установки. Для этого необходимо располагать информацией о том, связан ли объект через защитный проводник (РЕ) с другим заземляющим устройством (ЗУ), расположенным в радиусе 100 метров. Наличие такой связи увеличивает величину разности потенциалов, приложенной к изоляции электрооборудования в месте удара молнии.

Если от объекта, оснащенного молниезащитой, нет отходящих линий, то для расчета принимается схема замещения, где при ударе молнии в объект ток протекает по токоотводам и коммуникациям вниз, на вертикальные и горизонтальные кабельные линии электропередачи верхних этажей наводится напряжение. В общей сложности через УЗИП протекает небольшой ток.

Если от объекта, на котором установлена молниезащита, отходят воздушные и кабельные линии, то для расчета принимается другая схема. При ударе молнии потенциал заземляющего устройства объекта увеличивается, но при этом потенциал проводников отходящей линии со стороны ТП не изменится.

Ток, протекающий через устройство защиты от импульсных перенапряжений, зависит от соотношения сопротивлений проводников линии и ЗУ. В общей сложности он большой.

Если считать, что молния не может ударить непосредственно в объект (на объекте нет молниезащиты), то в этом случае риск повреждения электрооборудования появляется при наличии отходящей от объекта воздушной линии класса напряжения 0,4 кВ.

Этот риск возрастает, если ВЛ проходит по открытой местности. В таком случае при ударе молнии в ЛЭП ее изоляция перекроется, а ток, протекающий через защитное устройство, будет максимальным, особенно при близком ударе. Если отходящая ВЛ 0,4 кВ экранирована соседними объектами, то при ударе молнии поблизости от ВЛ на ее проводниках появится наведенное перенапряжение, для защиты от которого достаточно УЗИП класса II.

Базовые характеристики УЗИП. Выбор УЗИП для защиты промышленной сети должен основываться на базовых характеристиках защитного устройства. В их число входят:

• номинальное и предельное напряжение питающей сети (напряжение, на которое рассчитано устройство);
• номинальный и максимальный ток разряда (импульс тока, который даже при многократном прохождении через устройство не выведет его из строя);
• уровень напряжения защиты (предельная величина напряжения, при котором устройство не срабатывает);
• класс испытаний.

Многие модели оснащены индикатором состояния варистора – зеленый (рабочий), а красный (устройство вышло из строя). Цветовая индикация позволяет заметить, что варистор находится в нерабочем состоянии, и вовремя заменить его на новый.

Подключение устройств защиты от импульсных перенапряжений

Требования к подключению УЗИП в электроустановке зданий определены стандартом МЭК 60364-5-53:2020 «Низковольтные электрические установки. Часть 5-53. Выбор и монтаж электрического оборудования. Устройства защиты для обеспечения безопасности, разъединения, коммутации, управления и контроля».

В частности, в документе сказано:

534.4.8 Подключение УЗИП

Эффективный уровень защиты от импульсных перенапряжений в электроустановке в значительной степени зависит от соединений и длины проводников, расположения самого УЗИП и требуемых разъединителей УЗИП.

Все проводники и соединения с соответствующей линией, которую необходимо защитить, а также соединения между УЗИП и любым внешним разъединителем УЗИП должны быть максимально короткими и прямыми. Следует избегать создания какой-либо ненужной петли кабеля.

Длина соединительных проводников определяется суммой длины пути проводников, используемых от проводника, находящегося под напряжением, до защитного заземляющего проводника РЕ между точками соединения А и В в соответствии с рисунком 8.

Необходимо обратить внимание на ограничение общей длины проводников между точками присоединения сборки УЗИП (см. рисунок 8), значение которой не должно превышать 0,5 м.

Рисунок 8 – Подключение УЗИП

На рисунке 8 обозначено:

• УЗС – устройство защиты от сверхтока электроустановки;
• УЗИП – устройство защиты от импульсных перенапряжений;
• A и B – точки присоединения сборки УЗИП

Примечание. При отсутствии устройства защиты от сверхтока длина b равна 0.

Для выполнения этих требований главный защитный проводник должен быть присоединен к заземляющему зажиму, расположенному как можно ближе к УЗИП, путем добавления при необходимости промежуточного заземляющего зажима (см. схемы на рисунке 9).

При определении общей длины соединительных проводников согласно рисунку 9 не должны приниматься во внимание следующие длины кабелей:

• от главного заземляющего зажима до промежуточного заземляющего зажима;
• от промежуточного заземляющего зажима до защитного заземляющего проводника РЕ.

Длина (и, следовательно, индуктивность) кабелей между УЗИП и главным заземляющим зажимом должна быть минимальной. УЗИП могут быть присоединены к главному заземляющему зажиму или к защитному заземляющему проводнику через металлические детали, например, металлическую оболочку распределительного устройства (см. 543.4.2), при условии, что она подсоединена к защитному заземляющему проводнику и соответствует требованиям к защитному проводнику в соответствии с МЭК 60364-5-54. При подключении соответствующих УЗИП к главному заземляющему зажиму и дополнительно к главному защитному проводнику может повыситься уровень защиты от импульсных перенапряжений.

Если общая длина проводников (a + b + c), как определено на рисунке 8, превышает 0,5 м, то следует выбрать, по крайней мере, один из следующих вариантов:

• выбрать УЗИП с более низким уровнем напряжения защиты UP (один метр длины прямолинейного кабеля, через который протекает импульсный ток 10 кА (8/20), увеличивает падение напряжения примерно на 1000 В);
• установить второй согласованный по параметрам УЗИП рядом с защищаемым электрооборудованием таким образом, чтобы уровень напряжения защиты UP соответствовал номинальному импульсному напряжению защищаемого электрооборудования;
• использовать установку, показанную на рисунке 9.

Рисунок 9 – Пример установки УЗИП с целью уменьшения длины проводников, питающих УЗИП

На рисунке 9 обозначено:

• УЗС – устройство защиты от сверхтока электроустановки;
• УЗИП – устройство защиты от импульсных перенапряжений;
• Р – защитный заземляющий проводник;
• О/У – электрооборудование или электроустановка;
• 1 – главный заземляющий зажим;
• 2 – промежуточный заземляющий зажим;
• 3 – длина с (подлежит рассмотрению);
• 4 – длина кабеля не должна учитываться;
• 5 – длина кабеля не должна учитываться;
• А и В – точки присоединения сборки УЗИП.

534.4.9 Эффективное защитное расстояние УЗИП

Если расстояние между УЗИП и защищаемым электрооборудованием превышает 10 м, то следует предусмотреть дополнительные защитные меры, такие как:

• дополнительное УЗИП, установленное как можно ближе к защищаемому электрооборудованию; его уровень напряжения защиты Uр ни в коем случае не должен превышать значение требуемого номинального импульсного напряжения Uw оборудования;
• использование одновводных УЗИП на вводе электроустановки или рядом с ним; их уровень напряжения защиты Up ни в коем случае не должен превышать 50 % от значения требуемого номинального импульсного напряжения Uw защищаемого электрооборудования. Эта мера должна осуществляться вместе с другими мерами, такими как использование экранированной проводки во всех защищаемых цепях;
• использование двухвводных УЗИП на вводе электроустановки или рядом с ним; их уровень напряжения защиты Up ни в коем случае не должен превышать значение требуемого номинального импульсного напряжения Uw защищаемого электрооборудования. Эта мера должна осуществляться вместе с другими мерами, такими как использование экранированной проводки во всех защищаемых цепях.
  534.4.10 Соединительные проводники УЗИП

Проводники между УЗИП и главным заземляющим зажимом или защитным заземляющим проводником должны иметь площадь поперечного сечения не менее:

• 6 мм² из меди или аналогичного материала для УЗИП класса испытаний II, установленных на вводе электроустановки или рядом с ним;
• 16 мм² из меди или аналогичного материала для УЗИП класса испытаний I, установленных на вводе электроустановки или рядом с ним.

В соответствии с требованиями пункта 433.3.1, b) МЭК 60364-4-43:2008 проводники, соединяющие УЗИП и устройства защиты от сверхтока с проводниками, находящимися под напряжением, должны быть рассчитаны на то, чтобы выдерживать ожидаемый ток короткого замыкания, и должны иметь площадь поперечного сечения не менее:

• 2,5 мм² из меди или аналогичного материала для УЗИП класса испытаний II, установленных на вводе электроустановки или рядом с ним;
• 6 мм² из меди или аналогичного материала для УЗИП класса испытаний I, установленных на вводе электроустановки или рядом с ним.

Перенапряжение в электрических сетях может возникать во время грозы и из-за переходных процессов в электрических сетях при коммутации оборудования. Даже кратковременные импульсные скачки напряжения, в несколько раз превышающие номинальное значение, могут нанести серьезный ущерб как электронике, так и электротехническому оборудованию, а также стать причиной пожара.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений – это надежное решение, позволяющее обеспечить защиту от ударов молнии в систему молниезащиты здания (производственного объекта) или воздушную линию электропередачи, защитить высокочувствительное научное, метрологическое, медицинское оборудование и дорогостоящую электротехнику от импульсных перенапряжений и бросков тока при коммутациях.