Бурштинський М.В. Копчак Л.С. Хай М.В. Апарати захисту та керування в електричних установках низької напруги

Подождите немного. Документ загружается.

розряду у землю в один етап. Вони лише понижують напругу та

енергію проникаючої перенапруги до рівня, який не пошкодить ізоля-

цію підімкненого за ними устаткування цієї категорії стійкості.

Таблиця 1

Класифікація електроустаткування

за імпульсною стійкістю ізоляції до перенапруг

Категорія

перенапруг

Вид устаткування

Номінальн

імпульсна

витримува

на напруга,

кВ

Спеціальне устаткування, що, будучи приєднаним до

електроустановок будинків, потребує додаткових

пристроїв захисту від імпульсних перенапруг (ПЗІП,

фільтри, ємності). ПЗІП можуть бути вбудовані в устат-

кування категорії І або розташовані між цим устатку-

ванням та іншою частиною електроустановок (наприклад,

персональні комп’ютери, що підімкнені до мережі жив-

лення через подовжувачі з вбудованими ПЗІП)

1,5

ІІ

Устаткування, що приєднується до електроустановок

будинків за допомогою штепсельних розеток та інших

аналогічних з’єднувачів (наприклад, побутові електро-

прилади, радіоелектронні прилади, переносний

інструмент)

2,5

ІІІ

Устаткування, встановлене усередині будинків, що є

частиною конкретної електроустановки будинку і

доступне для звичайних осіб і ненавченого персоналу.

Приклади такого устаткування – розподільні щитки,

провід, вимикачі й розетки, електроплити

4,0

ІV

Устаткування, встановлене поблизу від електроуста-

новок будинків (усередині або ззовні) перед головним

розподільним щитом, яким може бути увіднороз-

подільний пристрій для багатоповерхових будинків або

квартирний щиток для індивідуальних будинків (на-

приклад, електричні лічильники, первинні апарати

захисту від надструмів)

6,0

Рис. 4. Зони захисту від імпульсних перенапруг:

ГРЩ – головний розподільний щит; РЩ – розподільний щит;

ПЗІП – пристрій захисту від імпульсних перенапруг;

ГЗШ – головна заземлювальна шина; СО – спеціальне обладнання

(наприклад, факс, комп’ютер); і

– частковий струм розряду блискавки

1.4. Принцип будови ПЗІП. Класифікація

1.4.1. За принципом будови ПЗІП поділяють на варисторні

обмежувачі перенапруги та іскрові розрядники. В іскрових розрядниках

енергія імпульсу скидається через електричну дугу, що перекидається

між двома електродами і відводиться у землю. Їхній недолік – порів-

няно довгий час спрацювання і, до того ж, викид електричної дуги. Цих

недоліків позбавлені варисторні ПЗІП.

1.4.2. Основним елементом варисторного обмежувача є

власне варистор.

Варистор – це таблетковий реостат, зроблений з окису цинку

(ZnО) як металокерамічний сплав, опір якого дуже нелінійно

залежить від напруги на його затискачах (рис. 5).

Рис. 5. Вольт-амперна характеристика варистора (а), його розширене

(разом з термічним захистом) умовне графічне позначення (б), умовне

графічне позначення іскрового розрядника (в), загальне позначення

розрядника (г)

У нього дуже великий опір для низької напруги і дуже малий

для високої. Під час роботи обмежувача його варисторний елемент

постійно під напругою мережі. Завдяки вищезгаданому великому

опорові для низької напруги струм, що протікає через варистор за

номінальної робочої напруги, дуже малий (він становить одиниці чи

десятки мікроампер залежно від класу, типу та ступеня старіння

обмежувача, але звичайно не перевищує 0,5 мА). Його називають

струмом витоку.

Захисна здатність цього елемента полягає у пропусканні

струму розряду в землю після того, коли напруга на його затискачах

досягне рівня його напруги “запалювання”.

Після “запалювання” варистор виходить на ділянку великих

струмів (до тисяч ампер), який нерідко називають тунельним.

Тунельна ділянка багато у чому визначає захисні властивості й,

зокрема, т. зв. захисний рівень обмежувача, тобто максимальну напру-

гу, яка діє на обладнання, що захищає варистор, шунтуванням.

Час, необхідний для спрацювання обмежувача з моменту

надходження імпульсу напруги, дорівнює декільком десяткам

наносекунд, що і є їхньою перевагою перед іскровим розрядником.

Після спрацювання та пропускання розрядного струму варистор-

ний обмежувач повертається до ізоляційного стану, унеможлив-

люючи подальше протікання струму (крім струму витоку).

Обмежувач може мати внутрішній термічний опір, який у разі

перевищення допустимої сили струму, що протікає як струм витоку,

від’єднує варистор, створюючи розрив електричної ланки, в якій він

працює.

Варисторні елементи допускають їхнє паралельне з’єднання для

збільшення навантажувальної здатності за струмом комплектних

обмежувачів, що також є їхньою серйозною перевагою.

1.4.3. Класифікація ПЗІП за їхньою здатністю обмежувати

перенапругу.

Основним показником у цьому сенсі згідно з міжнародним

стандартом є захисний рівень напруги (U

) – параметр, який одержу-

ють на підставі імпульсних випробувань. Його паспортне значення

повинно бути більшим, ніж значення напруги після її обмеження за

допомогою цього ПЗІП.

Очевидно, у змонтованій системі значення захисного рівня

напруги U

ПЗІП повинно бути нижчим, ніж напруга, гарантована

для устаткування, наступного за категорією стійкості ізоляції до

перенапруг.

Згідно з нормами міжнародного стандарту за рівнем захисту,

тобто U

, обмежувачі напруги поділяють на класи – І, ІІ, ІІІ, а за

нормами деяких європейських країн на класи, або групи А, В, С, D.

Відзначимо, що класи – І, ІІ, ІІІ чи їхні відповідники В, С, D

використовують для внутрішнього захисту, а клас (група) А – для

зовнішнього захисту.

Класифікація обмежувачів перенапруг, призначення, рівень за-

хисту та місце розташування наведено у табл. 2 та показано на рис. 6.

1.4.4. Ударний, інакше імпульсний струм І

, поданий у табл. 2, є

піковим значенням струму з певною формою хвилі, наприклад (8/20) мкс

(рис. 7). Використовується під час випробування ПЗІП. Порція

енергії, що виділяється в обмежувачі у разі проходження вказаного

імпульсу струму через обмежувач, призводить до його нагрівання і є

обмеженою. У контексті сказаного для кожного обмежувача вка-

зують його номінальний імпульсний (ударний, розрядний) струм – І

та максимальний імпульсний струм – І

max

для заданої випробувальної

форми імпульсу.

Таблиця 2

Класифікація обмежувачів перенапруг

і місце їхнього встановлення

Засто-

сування

ПЗІП

Клас

Призначення

Рівень

захисту

, кВ

Ударний

струм І

кА

Місце монтажу

На по-

вітря-

них

лініях

Захист від пря-

мого влучення

блискавки і за-

несеної високої

напруги

6 5

Лінії електропере-

дачі

У внут-

рішньо-

му про-

воді

В(І)

Захист від пря-

мого влучення

блискавки і за-

несеної високої

напруги

5÷50

(10/350)

Місце силового вво-

ду в будинок із блис-

кавковідводом: з’єд-

нання, коробка по-

руч з відгалуженням,

головний розподіль-

ний щит

У внут-

рішньо-

му про-

воді

С(ІІ)

Захист від на-

веденої напру

ги

або занесеної ви-

сокої напру

ги,

об

меженої ПЗІП

класу В

<1,5÷2,5

5÷15

(8/20)

Відгалуження елек-

тричного проводу в

будинку, головний

розподільний щит,

поверхові розподіль-

ні щитки, розподіль-

ні щитки

Безпо-

середні

й захист

спожи-

вачів

D(III)

Захист від наве-

деної напруги

або занесеної ви-

сокої напруги,

обмеженої ПЗІП

класу С

<1÷1,5

1,5÷5

(8/20÷1,2/50)

Розетки або коробки

встановлені безпосе-

редньо біля устатку-

вання

Головний

розподільний

щит

Зона 1 Зона 2 Зона 3

Клас І(В)

Клас ІІ(С) Клас ІІІ(D)

Розподільний щит Побутові електро- та

радіоелектронні прилади

тощо

Спеціальне

обладнання

Увід

Обладнання

категорії IV

6 кВ

Обладнання

категорії ІІІ

4 кВ

Обладнання

категорії IІ

2,5 кВ

Обладнання категорії I

1,5 кВ

Рис. 6. Розташування обмежувачів перенапруг

Рис. 7. Форма хвилі імпульсного струму (8/20) мкс

Визначено, що термін дії обмежувачів у разі пропускання

номінального імпульсного струму становить близько 200 тис. годин

і упродовж цього часу вони можуть спрацювати незліченну кількість

разів. Максимальний імпульсний струм I

max

інакше називають

стійкістю обмежувача, і перевищення цього струму веде до

пошкодження обмежувача.

1.5. Організація багатоступінчастого захисту

1.5.1. Координація (узгодження) обмежувачів напруги.

Розглянемо фізичну картину явища обмеження імпульсу перена-

пруги за допомогою ПЗІП з різними захисними рівнями напруги,

тобто різних класів, які розташовані у відповідних зонах.

З появою хвилі перенапруги вона з блискавичною швидкістю

(швидкістю світла) поширюється по всьому устаткуванню. Мають

на увазі її перші прояви, оскільки максимум хвилі настає не миттєво,

а наростає за певним фронтом. Зі зростанням напруги імпульсу

першим спрацьовує обмежувач групи D (клас ІІІ), що має

найнижчий захисний рівень. Якщо не вжити відповідних заходів, то

за час, який мине, поки напруга імпульсу досягне захисного рівня

обмежувача групи С, обмежувач групи D за рахунок виділеної у

ньому енергії, іншими словами, за рахунок імпульсу струму,

відведеного ним у землю, зазнає руйнування, оскільки його номі-

нальна здатність пропускати струм є меншою, ніж обмежувача

групи С. Подолати це може додаткова індуктивність, увімкнена між

обмежувачами груп С та D. Такою індуктивністю L

може слугувати

сам з’єднувальний кабель відповідної довжини. Наведена в ньому за

рахунок імпульсної зміни струму протидійна ЕРС dtdiLe

кк

−

зменшує порівняно з напругою на обмежувачі С напругу, прикла-

дену до обмежувача D. Іншими словами, напруга, прикладена до

обмежувача D, буде меншою, ніж прикладена до обмежувача С на

величину спаду напруги на кабелі, що їх з’єднує. Сказане щодо

ланки D-C цілком стосується і ланки С-В.

На рис. 8 зображено приклад поступового зниження перена-

пруги у внутрішній триступінчастій системі захисту.

Рис. 8. Поступове зниження перенапруги у триступінчастій системі захисту:

А1, А2 – захисні та вимірювальні пристрої; L

к1

, L

к2

– розподілені

індуктивності з’єднувальних кабелів

На підставі опрацювання статистичних даних правильну

координацію обмежувачів гарантовано, якщо віддаль між групами D

i C становить не менше ніж 5 м активного електропроводу, а між

групами С і В – не менше за 10 м.

Якщо технічно неможливо забезпечити довжину з’єдну-

вальних провідників відповідно 10 м чи 5 м, обмежувачі окремих

груп повинні бути розділені спеціальною індуктивною котушкою L,

яку звичайно виконують у

вигляді окремого конструк-

тивного модуля, що кріпиться

на спільну з іншими апаратами

рейку (рис. 9).

Якщо струм споживача

перевищує номінальний струм

індуктивної котушки, їх можна

з’єднувати паралельно.

Для правильної координації обмежувачів В та С індуктивність

котушки повинна дорівнювати 15 мкН.

Рис. 9. Розділення обмежувачів

індуктивною котушкою L

Поділ об’єкта на зони захисту є концептуальним, на практиці у

певних випадках захисти двох зон, наприклад, захист зони В та зони С

можуть бути об’єднаними в один конструктивний блок (щит).

1.6. Дві основні схеми увімкнення

обмежувачів перенапруги

1.6.1. Ми не торкались увімкнення ПЗІП в електроустановку

залежно від системи її заземлення

. Вважалось, що струмоведуча частина

(фазний робочий провідник) повинна бути об’єднана з землею через

ПЗІП. На практиці об’єднання робочих провідників з землею через ПЗІП

(як фазного, так і нульового) має певну специфіку. Розглянемо дві

основні схеми увімкнення ПЗІП у системі заземлення TN-S (рис. 10).

Рис. 10. Схеми увімкнення ПЗІП

Схема рис. 10, а захищає обладнання від наведених пере-

напруг в колах робочих провідників: L–PE та N–PE, а схема рис. 10, б

призначена для захисту від перенапруг насамперед у спільному колі

робочих провідників L–N з подальшим захистом через іскровий

розрядник по колах L, N – PE.

В офіційному російському тексті відповідного міжнародного стандарту

(ІЕС) є поняття “тип системы заземления”, що, очевидно, є некоректним

перекладом з англійської поняття “тип заземлення системи”.

Кожна зі схем має певні переваги і недоліки. Звернемо лише

увагу на те, що іскровий розрядник в колі N–PE на схемі рис. 10, б

забезпечує гальванічний розв’язок цих провідників, що підвищує

завадостійкість устаткування зв’язку чи опрацювання інформації.

1.7. Деякі практичні рекомендації з монтажу ПЗІП.

Їхній захист від короткого замикання

1.7.1. Всі з’єднання від основної струмоведучої лінії та від

захисної шини до обмежувачів повинні бути якомога коротшими.

Щоб пояснити доцільність вкорочення з’єднувальних провід-

ників, звернемось до рис. 11. З нього видно, що напруга U

, яка

подається на лінію, що з’єднує обмежувач В з С, дорівнює напрузі на

обмежувачі В (

U ) плюс спади напруг на ділянках а та b (

bа

UU + ).

Ця напруга

U може недопустимо перевищити захисний рівень

обмежувача В – напругу

U (ним фактично стане напруга

U ),

порушити координацію і призвести до пошкодження пристрою, який

захищає обмежувач С.

Рис. 11. Під’єднання обмежувачів

Щоб цього не допустити, довжина провідників повинна задоволь-

няти умову:

5,0bа

≤

м.