УЗИП как необходимость. часть 1

1. Определение проблемы

В современном мире на промышленных объектах наиболее распространено применение автоматизированных систем управления технологическим процессом (далее – АСУТП), позволяющих обеспечивать автоматизацию операций технологического процесса на производстве как в целом так и на каком-либо его участке. АСУТП обеспечивает автоматизацию за счет определенных технических решений и программах средств, построенных на различном промышленном электронном оборудовании (далее – оборудование) созданных, в свою очередь, из электронных компонентов (радиодеталей).

Существенная часть оборудования серьезно подвержена риску выхода из строя в следствие воздействия на её электронные компоненты крайне высоких электрических импульсов перенапряжения. Причиной таких воздействий являются разряды молний проходящих грозовых фронтов (далее – разряды молний), а также дефекты питающих сетей, в том числе дефекты питающих сетей, являющиеся вторичными проявлениями разрядов молний.

Рисунок 1 – Разряды молнии в атмосфере

Разряд молнии несёт в себе колоссальную разрушительную силу, время и место которой невозможно предугадать. Длительность импульса разряда молнии составляет миллисекунды при силе тока в сотни тысяч ампер и напряжении в миллионы вольт, а также температурой в десятки тысяч градусов Цельсия. Именно такая разрушительная сила заключена при прямом (первичном) негативном проявлении удара молнии в объект/оборудование. Для промышленных объектов и их оборудования такое воздействие приводит к существенному нагреву конструкций зданий и/или токопроводящих, информационно-коммуникационных линий с последующим возгоранием, при наличии в них горючего материала. Помимо этого, сопровождаемые разряд молнии мощные электромагнитные импульсы приводят к выходу из строя дорогостоящего низковольтного электронного оборудования эксплуатируемых АСУТП.

Прямой или близкий к объекту/оборудованию удар разряда молнии провоцирует также вторичные (косвенное) негативные проявления. В таких случаях высокий потенциал разряда молнии проникает на оборудование через металлические трубопроводы, сети электропитания и связи, а также заземляющие конструкции промышленных объектов. Мощность импульсов вторичных проявлений разрядов молнии может достигать до сотни киловольт, что приводит к проявлению больших помех в работе высокоточного оборудования. Следствием этого является сбой или выход из строя с разрушением электронных компонент печатных плат оборудования, а также оплавлением или возгоранием изоляции проводников.

Здесь же нужно отметить, что сети электропитания могут занести высокий потенциал на оборудование и в следствие дефектов в них возникающих: короткое замыкание токоведущих линий на землю, аварийный сбой генерирующего оборудования и т.п. Так как длительность импульса перенапряжения в таком случает существенно выше разряда молнии, то устройства защиты от импульсных перенапряжений (далее – УЗИП) в таких случаях не эффективны. Для защиты оборудования от подобных инцидентов требуется применять специальные защитные меры.

Фактор некачественного монтажа оборудования, кабельных информационно-коммуникационных и питающих линий, в следствие технических ошибок в проектах или низкой квалификации персонала, негативно способствует проникновению высоких потенциалов на конструкции промышленных объектов и/или оборудование.

Прямое и косвенное проявление разряда молнии несет непосредственную опасность и для персонала, обслуживающего промышленные объекты и их оборудование, в следствие возможного возникновения шагового напряжения в местах проведения работ.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что удары разрядов молний приводят к серьёзным экономическим потерям предприятий, эксплуатирующих промышленных объекты, вследствие их существенного повреждения или полного уничтожения, а также несчастных случаев с персоналом.

Для промышленных объектов и их оборудования необходимо выполнять комплексные меры по молниезащите (грозозащите). Существенными элементами таких мер являются:

• Защита от прямых ударов разрядов молний посредством применения сети отдельно стоящих или размещенных на кровле сооружений конструкций молниеотводов.
• Защита оборудования и его электронных комплектующих от проникновения высокого потенциала вследствие вторичных проявлений разрядов молний посредством применения УЗИП.
• Защита от электромагнитных наводок на оборудование вследствие вторичных проявлений разрядов молний посредством организации экранирования информационно-коммуникационной кабельной продукции.
• Защита от возникновения шагового напряжения посредством организации подключения заземляющих элементов сооружений и оборудования к вертикальной/горизонтальной заземляющей шине (ВЗШ/ГЗШ).

Молниезащиту можно разделить на две составляющие:

• Внешняя (на объекте или изолирована от него) – молниеотводы, контуры заземления.
• Внутренняя – УЗИП, экранирование.

Мероприятия по молниезащите закладываются при проектировании объектов, но не всегда учитывают применение УЗИП, а на объектах, спроектированных много ранее, данный вид защиты отсутствует как класс. Современная практика эксплуатации АСУТП подтверждает необходимость применения УЗИП для электронного оборудования промышленных объектов.

На сегодняшний день промышленные предприятия относятся к защите электронного оборудования посредством УЗИП недостаточно ответственно. Причинами тому являются следующие факторы:

• Высокая стоимость качественных УЗИП от известных брендов.

Стоимость обусловлена тем, что при их производстве используются качественные электронные комплектующие и материалы, при этом производитель предоставляет гарантию на длительный срок эксплуатации.

• Низкая надежность бюджетных вариантов УЗИП.

Низкая надежность таких устройств обусловлена тем, что при их производстве используются недостаточно качественные электронные комплектующие при этом стоимость их не высока. Также производители зачастую не дают каких-либо гарантированных сроков надежной эксплуатации подобных устройств.

• Отсутствие доступных технических приспособлений для проверки работоспособности или остаточного ресурса эксплуатации УЗИП.

Остаточный ресурс является крайне важным параметром УЗИП, т.к. при потере его защитных свойств боле чем на 25 % от его начальных характеристик, с большей долей вероятности данный УЗИП не обеспечит защиту сооружений или оборудования от негативных воздействий разрядов молний.

• Необходимость установки УЗИП непосредственно у защищаемого оборудования.
• Необходимость учитывать условия эксплуатации промышленных объектов и оборудования: плотность ударов молний на 1 км² местности, характеристики кабельных линий, организация внешней молниезащиты, соответствие монтажа оборудования АСУТП проектным решениям.
• Устойчивый консерватизм в том, что такие устройства как автоматические выключатели (АВ) и дифференциальные автоматы (ДВ) обеспечат необходимую защиту сооружений промышленных объектов и их оборудования от воздействия различных проявлений разрядов молний.

В реальности же стоимость выполнения качественной молниезащиты электронного оборудования построенной на УЗИП не велика в сравнение с возможностью утраты сложного высокоточного электронного оборудования и как следствие возможной приостановкой технологического процесса.

Для проверки ресурса УЗИП на сегодняшний день можно использовать как услуги сервисной организации (изготовителя) УЗИП в условиях их лабораторий, так и услуги по проверке в рамках проведения регламентных или сервисных работ посредством переносных (мобильных) анализаторов.

Места и способы установки УЗИП, а также их характеристики эксплуатации можно закладывать заблаговременно в разрабатываемые проекты или прибегать к консультационным услугам изготовителей УЗИП, сервисных центров в части доработки действующих АСУТП.

АВ и ДА по своим характеристикам никоим образом не обеспечивают защиту от импульсных перенапряжений разрядов молний, а реагируют только на ток короткого замыкания, ток утечки на землю или перегрузку.

УЗИП предназначены для защиты от импульсных перенапряжений разрядов молний.

УЗИП является укомплектованным устройством с собственными средствами присоединения и содержит по крайне мере один нелинейный элемент (варистор, разрядник, супрессор).

УЗИП по типу нелинейного элемента подразделяют:

• Коммутирующего типа.

УЗИП такого типа в отсутствие импульса перенапряжения сохраняют высокое полное сопротивление, но могут мгновенно изменить его на низкое в момент появления напряжения. В них используются нелинейные устройства, такие как разрядники (газонаполненные, открытого типа, угольные, искровые промежутки).

• Ограничивающего типа.

В отсутствие импульса перенапряжения такого типа УЗИП сохраняют высокое полное сопротивление, но постепенно снижают его с возрастанием волны тока и напряжения.

При производстве данных УЗИП в их конструкции используются нелинейные устройства, такие как варисторы или защитные диоды.

• Комбинированного типа.

Действие УЗИП такого типа зависит от характеристик подаваемого напряжения, т.е. выполнение коммутации и ограничения напряжения, а также выполнение данных функций одновременно.

• Короткозамкнутого типа.

В условиях превышения импульсным током значением номинального разрядного тока такие УЗИП меняют свою характеристику на намеренное состояние внутреннего короткого замыкания.

УЗИП по количеству вводов подразделяют:

• Одновводные.

Такие УЗИП подключаются только параллельно защищаемой линии, т.к. не имеют последовательно включённого полного сопротивления между выводами.

• Двувводные.

Такие УЗИП подключаются как параллельно, так и последовательно защищаемой линии, т.к. имеют последовательно включённого полного сопротивления между выводами.

УЗИП по разделителю подразделяют:

• С разъединителем.

Данные УЗИП предназначены для отсоединения УЗИП или его части от силовой системы и предупреждения устойчивой неисправности системы. Применяется для указания о повреждении УЗИП

• Без разъединителя.

УЗИП по виду испытаний подразделяют (только для УЗИП низковольтных силовых распределительных систем):

• Класса I.

Такие 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

• Класса II.

Такие испытания проводятся номинальным разрядным током In, максимальным разрядным током Imax с формой волны 8/20 мкс или волной напряжения 1,2/50 мкс.

• Класса III.

Такие испытания проводятся комбинированной волной напряжения и тока 1,2/50 мкс - 8/20 мкс соответственно.

• Комбинированных классов: I+II; I+II+III и II+III.

УЗИП по виду защиты подразделяются, т.е. между какими выводами включён защитный элемент:

• Однополюсный.

Для подобных УЗИП защитный элемент может быть установлен между фазами, фазой и землей, фазой и нейтралью, нейтралью и землей или какой-либо комбинацией.

• Многополюсный.

Данные УЗИП имеют более чем один вид защиты.

УЗИП по диапазону температур и влажности подразделяются:

• С нормальным диапазоном.

Температурный диапазон от минус 5°С до плюс 40°С, диапазон относительной влажности составляет от 5% до 90%.

• С расширенным диапазоном.

Температурный диапазон от минус 40°С до плюс 70°С, диапазон относительной влажности составляет от 5% до 100%.

УЗИП по местоположению подразделяются:

• Внутренняя.

УЗИП предназначены для установки в оболочке и/или внутри зданий или под навесами.

• Наружная.

УЗИП предназначены для установки без оболочек, вне зданий и не под навесами (например, в низковольтных воздушных линиях электропередач – далее ВЛЭП).

УЗИП по способу установки подразделяются:

• Стационарные.

Для организации защиты оборудования по постоянной схеме. Устанавливаются на специальные планки, DIN-рейки и т.п.

• Переносные.

Мобильные, для организации защиты оборудования по временной схеме.

УЗИП по их доступности подразделяются:

• Доступные.

Полностью или частично доступны для прикосновения неквалифицированному персоналу при открывании без помощи инструмента крышек или оболочек уже смонтированных УЗИП.

• Недоступные.

Доступны для прикосновения неквалифицированному персоналу ввиду их установки вне доступа (установка на ВЛЭП) или размещения в оболочках, которые можно открыть только при помощи инструмента.

УЗИП по системе питания подразделяются:

• Переменного тока частотой от 48 до 63 Гц.
• Переменного тока частотой вне диапазона от 48 до 63 Гц.

УЗИП по области применения подразделяются на группы:

• Для низковольтных силовых распределительных систем, до 1000 V (далее – УЗИП-НС).
• Для систем передачи данных, управления, контроля и измерения (далее- УЗИП-У).

Такие УЗИП предназначены для 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

• Для телекоммуникационного оборудования (далее – УЗИП-Т).

Такие УЗИП предназначены для защиты коаксиальных линий низко- и высокочастотного оборудования и систем видеонаблюдения.

• Для цифровых интерфейсов (далее – УЗИП-И).

Такие УЗИП предназначены для защиты оборудования информационно-измерительных и управляющих систем, использующих различные интерфейсы и протоколы передачи данных от импульсных перенапряжений грозовых, электростатических разрядов

• Для оборудования железнодорожной автоматики и телемеханики (УЗИП-АТ).

Такие УЗИП предназначены специально для систем управления на железнодорожном транспорте.

Концептуально УЗИП-У, УЗИП-Т, УЗИП-И можно объединить в одну группу УЗИП-СИ.

УЗИП-НС характеризуются типом заземления систем (TN-C, TN-S, TN-C-S, ТТ, IT) и номинальным напряжением.

Тип применяемого на объекте заземления определяет способ монтажа (подключения) УЗИП к защищаемому оборудованию, т.е. между каким проводниками будут параллельно установлены электронные компоненты, такие как: варисторы, разрядники.

Пример -

• TN-C:     между L и N (в однофазной сети);                            между L1...L3 и PEN (в трехфазной сети).
• TN-S:     между L и PE, N и PE (в однофазной сети);            между L1...L3 и PE, N и PE (в трехфазной сети).

Согласно ГОСТ Р 50571.19 по стойкости изоляции электротехническое оборудование для эксплуатации в сетях 220/380 В, делится на категории:

• IV - перенапряжение на вводе в объект не должно превысить уровень 6 кВ;
• III - перенапряжение после главного распределительного щита не должно превысить уровень 4 кВ;
• II - перенапряжение на выходах вспомогательных распределительных щитов не должно превысить уровень 2,5 кВ;
• I - перенапряжение на оборудование, подключаемое непосредственно к электрическим розеткам не должно превышать уровень 1,5 кВ.

Согласно IEC-61643-1 (1998), IEC-61643-12 (2002) УЗИП, в зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токи, делятся по классам испытаний:

• I (B*).

Предназначены для защиты от прямых ударов молнии в систему молниезащиты здания (объекта) или воздушную линию электропередач (ЛЭП). Нормируются импульсным током «Iimp» с формой волны 10/350 мкс.

• II (C*).

Предназначены для защиты токораспределительной сети объекта от коммутационных помех или как вторая ступень защиты при ударе молнии. Нормируются импульсным током «Iimp» с формой волны 8/20 мкс.

• III (D*).

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. Нормируются импульсным током «Iimp» с формой волны 8/20 мкс.

* Примечание: классность УЗИП согласно немецкому стандарту E DIN VDE 0675-6 (1989-11. В настоящее время практически не применяется.

Согласно стандарту IЕС 61312-1 в части прямого или косвенного воздействия разряда молнии молниезащита подразделяется на зоны (рис. 2):

• Зона 0a: Внешняя зона объекта, все точки которой могут подвергаться воздействию прямого удара разряда молнии и возникающего при этом вредных электромагнитных полей.
• Зона 0b: Внешняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара разряда молнии, так как находятся в пространстве, защищенном системой внешней молниезащиты. В данной зоне имеется воздействие неослабленных электромагнитных полей.
• Зона 1: Внутренняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара разряда молнии. В этой зоне токи во всех токопроводящих частях имеют значительно меньшее значение по сравнению с зонами 0a и 0b. Электромагнитные поля снижены по сравнению с зонами 0a и 0b за счет экранирующих свойств строительных конструкций объектов.
• Зона 2 и последующие: Внутренние зоны объекта в местах размещения чувствительного оборудования, проектируемые при необходимости дальнейшего снижения разрядных токов или электромагнитных полей. Критериями для этих зон являются соответствующие требования по ограничению внешних воздействий, влияющих на защищаемую систему. На границах раздела отдельных зон необходимо обеспечить защитное последовательное соединение всех металлических частей, с обеспечением их периодического контроля.

Рисунок 2 – УЗИП. Концепция зонирования

Согласно «Зоновой концепции» УЗИП следует устанавливать разных классов каскадно, на стыке зон защиты (рис. 2):

1) На опоре, на сооружении (снаружи) до счетчика или в главном распределительном щитке (ГРЩ) следует устанавливать УЗИП класса I (В). Это устройство рассчитано на поглощение импульсов перенапряжения с формой волны 10/350 мкс и защищает от прямых ударов молнии в линию электропередачи или систему молниезащиты сооружения.

2) В распределительном щитке (РЩ) объекта устанавливаются УЗИП класса II (С). Это устройство рассчитано на гашение остаточного импульса, который прошел через УЗИП класса I, а также защиту от перенапряжений, вызванных коммутацией в высоковольтных сетях с формой волны 8/20 мкс.

3) За автоматическими выключателями, к которым подключается электропитающие установки (ЭПУ) или потребляющее оборудование устанавливаются УЗИП класса III (D), которые выполняют функцию фильтрации от остаточных бросков перенапряжений и высокочастотных помех. При этом УЗИП устанавливается максимально близко к защищаемому оборудованию.

При этом между разными классами УЗИП должно выдерживаться расстояние не менее 15 метров кабеля, либо должен быть установлен специальный разделительный дроссель (индуктивность), в противном случае самая «слабая» ступень защиты примет на себя максимальную энергию импульса, так как они выполняются на основе быстродействующих варисторов и УЗИП выйдет из строя.

Для общего понимания работы основных прицепов работы УЗИП, согласно их классам испытания, необходимо ознакомится с графиками, представленными на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – УЗИП-НС. Принцип работы

График 1 рисунка 3 отображает импульс перенапряжения, вызванный разрядом молнии или коммутацией мощной индуктивной нагрузки. Красным выделена зона импульса, который на себя гасит УЗИП класса I.

УЗИП класса I устанавливается первым в цепи, т.к. гасит основную часть импульса перенапряжения, отводя его в систему заземления.

График 2 рисунка 3 отображает остаточный импульс перенапряжения, не поглощённый УЗИП класса I. Красным выделена зона импульса, который на себя гасит УЗИП класса II. Принцип действия УЗИП класса II аналогичен УЗИП класса I, с тем отличием, что он может пропустить через себя гораздо меньший импульс, точнее выделяющуюся энергию во время этого импульса. Индуктивность, установленная между УЗИП класса I и II, обеспечивает последовательность срабатывания. Частой ошибкой электромонтажников является установка для защиты оборудования только УЗИП класса II. Данная ошибка зачастую приводит к тому, что вся энергия импульса направляется на УЗИП класса II и приводит к физическому разрушению быстродействующих варисторов, из которых он состоит с последующим возможным пожаром и повреждением рядом установленного оборудования.

График 3 рисунка 3 отображает остаточный импульс перенапряжения, не поглощённый УЗИП класса I и II. Данный тип УЗИП выполнен также на варисторах, но менее мощных.

График 4 рисунка 3 отображает импульс перенапряжения, проникающий на оборудование при правильно выполненной молниезащиты на основе УЗИП.

На сегодняшний день на рынке представлены УЗИП в различных комбинациях по их классу испытания: I+II, II+III, I+II+III. Подобные технические решения позволяют оптимально проектировать монтаж УЗИП на защищаемых объектах.

УЗИП используются для защиты объектов/оборудования от коротких импульсов перенапряжения с фронтом волны 10/350 (T1) и 8/20 мкс (Т2), снижая напряжение до допустимых величин. Сравнение фронтов волны импульсов перенапряжения представлено на рисунке 4.

 

Т1 – время в микросекундах, за которое импульс достигнет максимального значения;

Т2 – время в микросекундах, за которое напряжение импульса снизится до половины от максимального значения

Рисунок 4 – Фронты волн импульсов перенапряжения

Графики на рисунке 4 указывают на то, что форма волны 10/350 мкс является более опасной, так как перенапряжение дольше воздействует на изоляцию оборудования, вызывая ее ускоренное старение.

Несмотря на то, что УЗИП является устройством защиты электросети, оно само должно быть защищено от повреждений, которое может возникнуть из-за разрушения элементов конструкции в момент поглощения энергии перенапряжения.

Защищаются УЗИП предохранителями согласно ГОСТ Р 50339.0-92 (МЭК 60269-1-86).

Если ток предохранителя больше указанного, то должен быть установлен дополнительный предохранитель, защищающий оборудование от разрушения УЗИП. При этом УЗИП класса II может быть защищен автоматическим выключателем вместо предохранителя.

Основными критериями организации молниезащиты для низковольтных питающих сетей посредством УЗИП являются:

• Монтаж УЗИП согласно применяемому типу заземления: TNC, TNS, TNC-S, ТТ или IT.
• Защита оборудования основана на принципах работы УЗИП по их классам: I, II, III.
• Организация защиты УЗИП от длительного воздействия на них высокоэнергетического перенапряжения.

Основные принципы применения УЗИП рассмотрены в ГОСТ Р МЭК 61643-12-2011; ГОСТ Р 50571.5.53-2013/МЭК 60364-5-53:2002 и в ГОСТ Р 55630-2013/IEC/TR 62066:2002.