УЗИП как необходимость. часть 2

УЗИП-СИ относятся к слаботочным линиям с рабочим током до 5 А и напряжением до 170 В (цифро-аналоговая телефония, локальные вычислительные сети, промышленные сети передачи данных и управления и т.д.) Слаботочные линии в сравнении с силовыми гораздо сильнее подвержены воздействию импульсных перенапряжений, особенно наведённых (индуктивных). Поэтому защите оборудования по этим линиям требуется уделять особое внимание.

Тут сразу необходимо отметить, что данные УЗИП применяются и как средства защиты от прямых и косвенных последствий грозовых разрядов систем вторичного питания промышленного оборудования. Подбираются такие УЗИП по рабочему напряжению и номинальному току линии.

Стойкость электронных компонентов промышленного оборудования (микросхемы, транзисторы и т.д.) к импульсным перенапряжениям существенно ниже по сравнению с электротехническим оборудованием (реле, контакторы, двигатели и т. д.). Электронные компоненты подвержены повреждению при импульсах перенапряжения составляющих сотню наносекунд с амплитудой сотен вольт. Поэтому для коммуникационных сетей УЗИП обладают более высокой скоростью срабатывания и имеют более низкий уровень остаточного напряжения по сравнению с УЗИП для электрооборудования низковольтных силовых распределительных сетей.

Быстродействие УЗИП обеспечивают применяемые нелинейные компоненты, такие как защитные диоды (супрессор или TVS-диод), которые переходят в режим лавинного пробоя (срабатывают), когда амплитуда импульса перенапряжения достигнет значения их срабатывания (пробоя), пропуская через себя импульс тока, и ограничивая тем самым амплитуду импульса перенапряжения. Данный пробой защитного диода является обратимым, т.е. по окончании импульса перенапряжения супрессор возвращается в исходное состояние, если мощность и/или длительность импульса не превысили предельных значений.

Защитные диоды в схеме УЗИП обеспечивают вторую ступень защиты, первую же обеспечивают газонаполненные разрядники (см. раздел «Исполнение и конструкция УЗИП»).

Так как время срабатывания разрядников существенно больше времени срабатывания супрессоров (до 100 наносекунд), то необходимо производить их согласование (рис.5), посредством внедрения в схему согласующих линейных (резистор) и нелинейных элементов (супрессор).

FV1 – разрядник газовый трёхвыводной, R1-R2 – линейный согласующий элемент,

VD1-VD3 – защитный диод (супрессор)

Рисунок 5 – Схема УЗИП информационно-коммуникационных цепей серии с согласующими элементами

УЗИП-СИ в цепь подключаются последовательно, в отличии от УЗИП-НС, как правило подключаемые в цепь параллельно. В зависимости от конструкции, схемы и применяемых компонентов, УЗИП имеют ограничения по номинальному току (т.е. допустимому току в цепи) и неизбежно вносят различные дополнительные влияния в коммуникационные линии, такие как: активное сопротивление, индуктивность и паразитную ёмкость. Подобные влияния следует минимизировать.

На рисунке 6 приводится пример разделения защищаемого промышленного объекта на несколько зон, где кабели электропитания (поз.1), информационно-коммуникационные кабели (поз.2), проводники (поз.4) и элементы (поз.5) системы уравнивания потенциалов, а также другие металлические коммуникации должны входить в Зону 1 в одной точке и своими экранными оболочками или металлическими частями подключаться к ГЗШ (поз.6) на границе раздела Зон 0a - 0b и Зоны 1.

 

Рисунок 6 – Разделение объекта на зоны

Выбор соответствующего УЗИП – работа ответственная, решив которую, требуется приходить к следующему этапу – монтажу УЗИП на объекте.

Корректность монтажа УЗИП способствует отсутствию проявления взаимных наводок импульсов с одних проводов на другие при эксплуатации.

Одним из важных факторов монтажа является грамотная прокладка проводников, т.е. не следует прокладывать в одном кабельном канале проводники защищаемой УЗИП линии и проводники прочих нагрузок (рис. 7). Неграмотная прокладка проводников может примести к появлению посторонних импульсов в защищаемой цепи из-за появления между линиями взаимной индукции, что приводит к снижению эффективности применения УЗИП.

Рисунок 7 – Некорректные способы прокладки проводников

УЗИП подключаются параллельно или последовательно защищаемого оборудования и представляют собой корпус со сменными модулями или монолитную конструкцию с установкой на DIN-рейку, на стену, в патч-панель.

Установку УЗИП следует производить максимально близка к защищаемому оборудованию, чтобы исключить возможность воздействия колебаний или блуждающих волн, вызванных разрядными импульсами.

Во взрывоопасных зонах УЗИП следует устанавливать в специальные взрывозащищенные короба или применять специальные УЗИП, корпуса которых обеспечивают требуемый уровень взрывозащиты.

УЗИП является комплектным устройством с собственными средствами присоединения (клеммами) и содержит по крайне мере один нелинейный элемент.

Дополнительно УЗИП включают в себя индикаторы состояния, разъединители, плавкие предохранители, катушки индуктивности, резисторы, конденсаторы и другие элементы.

УЗИП для силовых цепей изготавливаются из оксидно-цинковых варисторов, разрядников или их комбинаций. 90% стоимости УЗИП составляют именно эти элементы. УЗИП для информационно-коммуникационных сетей изготавливаются с использованием тех же разрядников и лавинных диодов.

 

Варистор – это резистор с нелинейным сопротивлением с «крутой» симметричной вольт-амперной характеристикой (рис. 8). В исходном состоянии варистор имеет высокое внутреннее сопротивление (от сотен кОм до сотен МОм). При достижении определенного уровня напряжения на контактах варистора, он резко снижает свое сопротивление и начинает проводить значительный ток, при этом напряжение на контактах изменяется незначительно. Как и разрядник, варистор способен поглотить энергию импульса перенапряжения длительностью до сотен микросекунд. При длительном повышенном напряжении, варистор выходит из строя (разрушается) с выделением большого количества тепловой энергии (взрывается).

Все варисторы в исполнении на DIN-рейку оснащены тепловой защитой, предназначенной для отключения варистора от сети при его недопустимом перегреве (при этом по локальной механической индикации можно определить, что варистор вышел из строя).

 

Графическое изображение

 

Рисунок 8 – Варисторы. Виды исполнений

Разрядники – это электронный компонент, заполняемый инертным газом, с двумя или тремя выводами (электродами) (рис. 9). При превышении напряжения на электродах разрядника определенного значения, наступает пробой газового промежутка, тем самым ограничивая напряжение на электродах на определенном уровне. При пробое разрядника по нему протекает значительный ток (от сотен Ампер до десятков кило Ампер) за короткое время (до сотен микросекунд). После снятия импульса перенапряжения, если не была превышена мощность, которую способен рассеять конкретный разрядник, он переходит в исходное закрытое состояние до следующего импульса перенапряжения.

Разрядники срабатывают медленнее, нежели варисторы, поэтому их устанавливают между проводниками N и PE на малые значения пробивного напряжения, так как в нормальном режиме напряжение между проводниками N и PE отсутствует вовсе.

 

Двухвыводной

Трехвыводной

Стандарта SMD

Графическое изображение

 

Рисунок 9 – Разрядники. Виды исполнений

Лавинный диод (супрессор, TVS-диод) – электронный компонент, так называемый полупроводниковый диод, разновидность стабилитрона (рис. 10), обычно изготавливаемый из кремния, работа которого основана на обратимом лавинном пробое «p- n- перехода» при обратном включении, то есть при подаче на слой полупроводника с p-типом проводимости (анода) отрицательного напряжения относительно n-слоя (катода).

Лавинный пробой возникает при напряжённости электрического поля в «p-n переходе» достаточном для ударной ионизации, при которой носители заряда, ускоренные полем в переходе, генерируют пары «электрон-дырка». При увеличении поля количество порождённых пар нарастает, что вызывает нарастание тока, поэтому напряжение на диоде остаётся практически постоянным.

 

Двухвыводной однонаправленный

Двухвыводной однонаправленный стандарта SMD

Графическое изображение

 

Рисунок 10 – Лавинные диоды. Виды исполнений

Для корректного выбора УЗИП, проектировщику или потребителю необходима следующая информация, которая должна быть показана в технической документации и/или нанесена на лицевой части корпуса УЗИП:

 

• U_n – номинальное напряжение сети (230V, 24V, 5V).

Номинальное действующее напряжение сети, для работы в которой предназначено УЗИП.

• U_c – максимальное длительное рабочее напряжение.

Наибольшее действующее значение напряжения переменного тока, которое может быть длительно (в течение всего срока службы) приложено к выводам УЗИП.

• I_imp – импульсный ток.

Ток, определяемый пиковым значением «Ipeak» и зарядом «Q», используется для испытаний защитных устройств класса I. Как правило, испытательный импульс с формой волны 10/350 мкс.

• I_max – максимальный импульсный разрядный ток.

Пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, которое УЗИП может пропустить один раз и не выйти из строя. Используется для испытания УЗИП класса II.

• I_n – номинальный импульсный разрядный ток.

Пиковое значение тока, протекающего через УЗИП, с формой волны 8/20 мкс. Ток данной величины защитное устройство может выдерживать многократно. При воздействии данного импульса определяется уровень защиты устройства, координируются другие характеристики УЗИП, а также нормы и методы его испытаний. Применяется для испытания УЗИП класса II.

• U_p – уровень напряжения защиты.

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».

• I_f – сопровождающий ток.

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.

• Для установки в цепи «L-N; L-PE» нельзя применять УЗИП с газонаполненными (и другими) разрядниками со значением «I_f» равным 100–400 А. В результате длительного воздействия сопровождающего тока они могут вызвать пожар! Для установки в данную цепь необходимо применять УЗИП с разрядниками со значением «I_f», превышающим расчетный ток короткого замыкания, т.е. желательно величиной от 2–3-х кило ампер и выше.

Данный параметр применим только для УЗИП, комплектуемых разрядниками!

• IP – степень защиты, обеспечиваемая оболочкой корпуса УЗИП (определяется производителем согласно ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529:2013).
• J – диапазон эксплуатационных температур УЗИП.
• ta – время реагирования (срабатывания) УЗИП на импульсное воздействие.
• I, II или III – класс испытания по ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК– 61643-98).

 

• IEC-61643-1 (1998): «Устройства защиты от импульсных перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 11. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний» (введен в действие в виде ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98)
• IEC-61643-12 (2002): «Устройства защиты от импульсных перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 12. Выбор и принципы применения»
• ГОСТ Р 50571-4-44-2011 (МЭК 60364-4-44:2007): «Электроустановки низковольтные. Часть 4-44. Требования по обеспечению безопасности. Защита от отклонений напряжения и электромагнитных помех»
• ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529:2013): «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP) (с Поправкой)»
• ГОСТ Р 50339.0-92 (МЭК 60269-1-86): «Предохранители низковольтные. Часть 1. Общие требования»
• ГОСТ Р 50571.5.53-2013/МЭК 60364-5-53:2002: «Электроустановки низковольтные. Часть 5-53. Выбор и монтаж электрооборудования. Отделение, коммутация и управление»
• 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 55630-2013/IEC/TR 62066:2002: «Перенапряжения импульсные и защита от перенапряжений в низковольтных системах переменного тока. Общие положения»
• ГОСТ Р МЭК 61643-12-2011: «Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные. Часть 12. Устройства защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Принципы выбора и применения»