Защита от импульсных перенапряжений

Устройства защита от скачков напряжения (такие как устройства SPD производства Finder) устанавливаются в электрических цепях и служат для защиты людей и оборудования от скачков напряжения, которые могут образовываться по разным причинам на подводящих электрических линиях.
Эти скачки напряжения в сети могут быть вызваны как атмосферными явлениями (молнии),так и большими пусковыми токами при запуске мощных электродвигателей, короткими замыканиями в сети, и прочими факторами.
Устройства SPD устанавливаются как выключатели нагрузки параллельно линии электрического ввода, которая подлежит защите.
При нормальном напряжении в сети (например, 230 В), SPD работает как открытый контакт, имеющий очень высокое сопротивление (стремящееся к бесконечности).
Но, в условиях повышенного напряжения его сопротивление стремительно падает до 0 Ω.
Это немедленно вызывает короткое замыкание линии питания, и отводит повышенное напряжение на землю.
Таким образом, линии питания защищаются при помощи устройств SPD.
Когда напряжение питания возвращается в норму, сопротивление SPD резко увеличивается, и снова начинает работать как открытый контакт.

Работа ограничителя перенапряжения при нормальном напряжении	Работа ограничителя перенапряжения при повышенном напряжении

Расчетные значения и маркировка УЗИП Тип 1

УЗИП Тип 1 следует устанавливать до электросистемы, в точке силового ввода.
УЗИП обеспечивает защиту людей и оборудования в здании от прямого попадания молнии (возникновения пожара
и смерти людей) и характеризуется следующими параметрами:
[Iimp10/350] Импульсный ток: Iimp соответствует пиковому значению тока при импульсе 10/350 мкс.
Этот колебательный сигнал соответствует прямому попаданию молнии и применяется для тестов производительности устройств УЗИП тип 1.

Рис 1: Колебательный сигнал 10/350 мкс

Из сравнения форм сигналов на рис 1 и рис 1, видно, что устройства УЗИП тип 1 обеспечивают защиту от более высокой энергии.
[In8/20] Номинальный ток разряда: Пиковый ток (и форма колебательного сигнала) через устройство УЗИП, в соответствии с нормативами EN 62305, определяется как последствие попадания молнии для линии электропитания.

Рис. 2: Колебательный сигнал 8/20 мкс

Расчетные значения и маркировка УЗИП Тип 2

Устройства УЗИП тип 2 служат для непропускания повышенного напряжения от молнии в электрические цепи, для которых важно
соблюдение параметров стабильного напряжения.
SPD тип 2 устанавливаются за устройствами УЗИП тип 1 или УЗИП тип 1+2, (минимальное расстояние 1 м) и защищают системы и оборудование от повреждения. Устройства УЗИП тип 2 характеризуются:
[In8/20] Номинальный ток разряда: Пиковый ток (и форма колебательного сигнала) через устройство УЗИП, в соответствии с нормативами EN 62305, определяется как последствие попадания молнии для линии электропитания.
[Imax8/20] Максимальный ток разряда: Пиковое значение максимального тока при импульсе 8/20мкс, которое устройство УЗИП может разрядить хотя бы 1 раз.

Расчетные значения и маркировка УЗИП Тип 3

Устройства УЗИП тип 3 применяются для защиты конечного оборудования от перенапряжений.
Их устанавливают в электрораспределительных сетях, совместно с устройствами УЗИП тип 1 и/или 2.
Они устанавливаются в постоянных или переносных розетках.
Основные характеристики УЗИП тип 3:
Uoc: тестовое напряжение. Это пиковое значение напряжения от тестового генератора с импульсом 1.2/50 мкс (рис 1) , в тоже
время допускается подача тока с импульсом 8/20мкс (рис 2).Устройства УЗИП тип 3 применяются для защиты конечного оборудования от перенапряжений.
Их устанавливают в электрораспределительных сетях, совместно с устройствами УЗИП тип 1 и/или 2.
Они устанавливаются в постоянных или переносных розетках.

Рис. 1: Колебательный сигнал 1.2/50 мкс	Рис. 2: Колебательный сигнал 8/20 мкс

Рекомендации по подключению устройства защиты от умпульсных перенапряжений.

Для правильной установки устройств УЗИП требуется обеспечить минимальное расстояние до локальной шины с равным потенциалом,
к которой подключены кабели заземления от защищаемого оборудования.
При подключение фазы следует руководствоваться расчетной нагрузкой.

Рекомендуется защита от короткого замыкания устройств УЗИП (предохранителями типов gL/gG).
Если устройства защиты от перегрузки по току F1 (которые не являются частью схемы) имеют рабочий диапазон меньше или
равный максимальному рекомендованному диапазону для устройств защиты по току F2 (резервный предохранитель), в
этом случае F2 может быть пропущен.
Если F1 > 160A, тогда F2 = 160A (F2min = 125A только для УЗИП тип 2)
Если F1 ≤ 160A, тогда F2 может быть пропущен
Применение предохранителя 125A тип gL/gG, вместо предохранителя 160A тип gL/gG, как защита по току от короткого
замыкания допустимо, и не влияет на эффективность и функции защиты устройства УЗИП.

Взаимодействие устройств УЗИП.

 Для оптимальной защиты от скачков напряжения рекомендуется каскадирование устройств УЗИП.
Взаимодействие имеет целью разделение энергии, проходящей через устройства УЗИП или, как альтернатива, их подключение при помощи проводов, имеющих минимальную длину, обозначенную на рисунке ниже, для использования полного сопротивления их собственных проводников.

Защита фотогальванических систем (PV) от молнии.

Фотогальванические системы обычно устанавливаются в местах зданий, наиболее подверженных ударам молний.
Если нет альтернативы установке фотогальванических панелей в других местах, кроме крыши, единственным практическим способом
защиты от прямых ударов молний, является применение системы защиты от молний (LPS).
Непрямые эффекты от молнии могут быть скомпенсированы грамотным применением устройств УЗИП.
Такие эффекты могут возникать когда удары молнии происходят в близости от электрических линий, и магнитная индукция создает повышенное напряжение в проводниках – опасность как для людей, так и для оборудования.
На практике, кабели постоянного тока фотогальванических систем весьма уязвимы от кондуктивных и излучаемых наводок,
вызванных электрическими воздушными разрядами молний.
Более того, перенапряжения в фотогальванических системах имеют не только атмосферное происхождение.
Также следует принимать во внимание скачки напряжения, вызванные переключениями электрических потребителей, подключенным
к ним. Эти перенапряжения могут вывести из строя как инверторы, так и фотогальванические панели, следовательно,
следует организовать защиту инвертора как со стороны DC, так и со стороны AC.

Варианты установки УЗИП для фотогальванических систем

[UOC STC] Напряжение фотогальванической системы:
соответствует максимальному рабочему напряжению УЗИП, и должно быть больше или равно максимальному напряжению
без нагрузки фотогальванической системы – в зависимости от конфигурации: без заземления или с центральным заземлением.
Предполагается, что максимальное напряжение без нагрузки фотогальванической системы рассчитано по формуле 1.2 x N x UOC(модуль),
где UOC(модуль) напряжение без нагрузки одного модуля фотогальванической системы в стандартных условиях,
N – количество модулей, подключенных последовательно в каждой зоне системы (TS 50539-12).
Система без заземления.
Система без заземления типична для небольших инсталляций, характеризуется отсутствием заземления со стороны DC.
UOC STC соответствует напряжению между положительной и отрицательной клеммами. Фотогальванические панели класса
II обычно применяются в системах без заземления.
Однако, в случае применения панелей класса I, их металлические корпуса надлежит тщательно заземлить.

Рис. 1: Инсталляция системы без заземления

Системы с центральным заземлением.
Система применяется для больших установок, работающих с большим напряжением: заземление проводится в соответствии
с нормами проводом соответствующего сечения.
В этом случае UOC STC – потенциал между клеммами подключения УЗИП и заземлением.

Рис. 2: Инсталляция системы с центральным заземлением

Фотогальванические системы для зданий без системы защиты от молнии (LPS).

В качестве примера на рис. приведена упрощенная схема фотогальванической системы, установленной на здании не оборудованном молниеотводом.
В таких системах защита от молний должна быть предусмотрена для следующих компонент фотогальванической системы:
- Вход DC инвертора
- Выход AC инвертора
- Низковольтная распределительная сеть
На входе DC инвертора следует установить устройство SPD, предназначенное для фотогальванических систем, в соответствии
с расчетным напряжением системы. На выходе AC инвертора, следует установить устройства защиты от скачков напряжения
тип 2, в соответствии с типом системы. В точке подключения низковольтной распределительной сети, установить устройства
УЗИП тип 2, подходящего типа (TT, TN).
В более сложных системах понадобится установка дополнительных устройств УЗИП.
Например, если фотогальванические панели расположены далее, чем в 10 м от инвертора, установите один комплект УЗИП
как можно ближе к панелям, и один комплект УЗИП около инвертора. В точке съема нагрузки должен быть установлен УЗИП
тип 1 или комбинация тип + тип 2.

Рис.: пример фотогальванической системы для здания не оборудованного системой защиты от молний; защита со стороны
DC при помощи УЗИП с UOC STC = 420 V, и защита со стороны AC устройством 7P.22, характерным для систем TT.

Фотогальванические системы для зданий, оснащенных системой защиты от молний (LPS).

Для зданий, оснащенных LPS, хорошей практикой является установка фотогальванических панелей в зоне, защищенной молниеотводом.
Дополнительно требуется обеспечить выравнивание потенциалов с помощью шины соответствующего сечения, расположенной как можно ближе к точке подключения
низковольтной распределительной сети.
Система LPS, устройства УЗИП и все металлические части надлежит подсоединить к шине выравнивания потенциалов.
Устройства УЗИП для защиты со стороны DC аналогичные, как и для систем без молниеотвода, следовательно, нужно применять разрядники соответствующего
напряжения (UOC STC) для фотогальванических систем.
Для защиты инвертора со стороны АС применяются устройства УЗИП тип 2, при условии, что на вводе установлено устройство УЗИП тип 1.
Однако, если инвертер расположен около панелей, рекомендуется установить УЗИП тип 1 со стороны AC, вместо УЗИП тип 2.
Имейте ввиду, что в соответствии с EN 62305, установка УЗИП тип 1 обязательна в точке электрического ввода, в случае если здание оснащено молниеотводом (с или без солнечных батарей).

Защита УЗИП предохранителями.

Устройства УЗИП Finder могут коммутировать ток до 100А DC (200В DC).
Это значит, что если номинальный ток линии (Is) ниже 100 A, нет необходимости устанавливать дополнительный предохранитель.

Технология устройств защиты от импульсных перенапряжений Устройства защиты от импульсных перенапряжений Finder используют варисторы и искровые разрядники.
Варистор: устройство с переменным сопротивлением.
При номинальном напряжении его сопротивление стремится к бесконечности, но в случае скачков напряжения в сети, его сопротивление резко падает до нуля.
Таким образом, варистор обеспечивает короткозамкнутый контур в случаях перенапряжения в сети.
В процессе работы по защите сети, происходит деградация характеристик варистора из-за тока утечки, значение которого не велико при нормальном напряжении, но резко возрастает при
каждом броске напряжения, вплоть до окончания срока службы варистора, на что указывает изменение цвета в сигнальном окошке модуля – с зеленого на красный.
Искровой разрядник: состоит из двух электродов, разделенных воздухом или газом.
При возникновении скачков напряжения,через электрическую дугу между электродами проходит разряд,и напряжение возвращается в норму.
Электрическая дуга гасится при значениях тока равных или ниже 10 ампер.
Газовая среда обеспечивает постоянный уровень напряжения пробоя,которое не зависит в этом случае от окружающей среды,атмосферного давления, влажности или примесей в воздушной среде.
Однако, существует небольшая задержка между образования дуги и моментом начала отвода тока, которая зависит от величины перенапряжения и скорости нарастания.
Следовательно, уровень защиты искровым разрядником может варьироваться в некоторых пределах, но он гарантивано ниже параметра Up.

Характеристики компонентов устройств защиты от импульсных перенапряжений

Компонент	Обозн.	Ток утечки	Рассеивание энергии	Время отклика	ВАХ
Идеальный		0	высокое	быстрое
Искровой разрядник		0	высокое	среднее
Варистор		очень низкий	среднее	быстрое

Категории защиты (по перенапряжению).

При выборе устройств защиты от импульсных перенапряжений требуется согласовать значение номинального напряжения УЗИП, с защищаемым оборудованием.
Это в свою очередь относится к категориям защиты (по перенапряжению).
Категории защиты нормируются согласно IEC 60664-1, для напряжений 230/400В следующим образом:
- Категория защиты I: 1.5 кВ для "особо чувствительного" оборудования (например электронные устройства, ПК,телевизоры и т.п.;
- Категория защиты II: 2.5 кВ для "потребительского" оборудования, работающего в "нормальной" электрической сети (например, бытовые электрические приборы);
- Категория защиты III: 4 кВ для оборудования, являющегося частью электрической системы (например электрощиты,силовые выключатели)
- Категория защиты IV: 6 кВ для оборудования установленного в электрических вводных и распределительных щитах (например, электросчетчики).

Зоны защиты от молнии и категории защиты.

Международные стандарты определяют различные зоны защиты от молнии.
Они обозначаются аббревиатурой LPZ с соответствующим номером.
LPZ 0A: Внешняя зона, где возможно прямое попадание молнии,и где оборудование подвергается максимальному влиянию наведенного молнией электромагнитного поля.
LPZ 0B: Внешняя зона, расположенная за устройством защиты от молнии, но подверженная влиянию наведенного молнией электромагнитного поля.
LPZ 1: Зона внутри здания - подверженная попаданию молнии.
Электромагнитное поле уменьшенное, и зависит от степени экранирования.
Эта зона защищается устройствами УЗИП Тип 1 совместно с устройствами защиты в зонах LPZ 0A или 0B.
LPZ 2: Зона, например комната, где скачки тока от молнии ограничиваются устройствами защиты.
Эти зоны надлежит защищать устройствами УЗИП Тип 2,совместно с устройствами защиты в зоне LPZ 1.
LPZ 3: Зона внутри помещения, электрооборудование которой особо защищается от бросков напряжения (обычно защита устанавливается внутри розетки).
Эта зона оснащается устройствами УЗИП Тип 3, которые работают совместно с устройствами защиты в зоне LPZ 2.

Типовые зоны защиты от молнии (LPZ), Категории защиты и Устройства УЗИП

Расчетные значения и общая маркировка для всех УЗИП

[Uc] Максимальное продолжительное рабочее напряжение:
С этим напряжением УЗИП гарантированно работает как "открытый контакт".
Это напряжение обычно равно номинальному напряжению на вводе (UN) + 10%. Для устройств защиты от импульсных перенапряжений Finder, Uc определяется как 275 В.
[Up] Уровень защиты напряжения: Максимальное напряжение,которое может выдержать устройство УЗИП во время скачка напряжения.
Например, для устройств УЗИП Finder Тип 2, это означает, что перенапряжение 4кВ будет ограничено максимум до 1.2 кВ. Следовательно, электронные устройства, такие как
ПК, телевизор, стерео-система и т.д. будут под защитой, т.к. их внутренняя защита способна выдержать перенапряжение до 1.5 кВ.
Для лучшего понимания этой концепции, представьте, что УЗИП это выключатель с низким сопротивлением, установленный параллельно.
В случае скачков напряжения, выключатель замыкается, и весь ток течет через сопротивление.
Согласно закона Ома, падение напряжения на нагрузке будет равно произведению сопротивления на ток (V = R x I), и будет ограничено < Up

Проверка на короткое замыкание: Следующая характеристика, обычно не приводится для устройств, но важная для правильной установки, это проверка на короткое замыкание при
максимальной защите от перенапряжения.
Это максимальный ток через короткозамкнутую цепь, который может выдержать устройство УЗИП, установленное совместно с устройствами дополнительной защиты от перенапряжения – такими как
предохранители, рассчитанными на значения ниже, чем УЗИП.
Следовательно, максимальный расчетный ток через короткозамкнутую цепь, в точке установки устройства УЗИП не должен превышать это значение.