Устройства защиты электросети от перенапряжения

13.03.2014

Что такое TOV и что такое Swells

В электрических распределительных сетях возникает целый ряд нежелательных событий, одним из которых можно назвать «перенапряжение» - временное повышение напряжения значительно выше номинального. Предотвратить это распространённое явление очень трудно, если вообще возможно. Так или иначе, перенапряжения являются постоянными спутниками действующих электросетей. Частота наступления этого события, а также уровень превышения номинального напряжения в каждом конкретном случае определяется конфигурацией оборудования электросетевого хозяйства. Это событие и называется в англоязычных источниках TOV, и определяется как достаточно длительное по времени превышение верхней границы допустимого диапазона сетевого напряжения, ставшее следствием аварии или неисправности оборудования. Не следует путать это явление с короткими и резкими всплесками напряжения, имеющими импульсный характер, также часто встречающимися в электрических сетях.

Кратковременные перенапряжения в электросетях (длительностью порядка нескольких десятков миллисекунд) принято называть Swells (см. рис.1), просто для того, чтобы иметь термин, позволяющий обозначать этот подкласс перенапряжения и отличать его от более длительного (см. рис.2) по времени события. Как правило, в случае возникновения Swell, система самостоятельно возвращается в нормальное состояние без какого-либо постороннего вмешательства, в то время как возникновение TOV (более длительного перенапряжения), обычно сопровождается срабатыванием защитных устройств, обеспечивающих обесточивание соответствующих цепей. С другой стороны, традиционные устройства защиты от перенапряжения (УЗИП), как правило, ведут себя одинаково при возникновении TOV и Swells, и поэтому неспособны правильно отработать некритичные кратковременные броски напряжения: защита срабатывает в обоих случаях, в то время, как её реакция желательна лишь для более-менее длительных перенапряжений. По этой причине, при выборе УЗИП (с конкретным напряжением срабатывания) приходится принимать во внимание целый ряд трудно прогнозируемых факторов, таких, как вероятность возникновения перенапряжения, его величину и длительность, причём делать это необходимо для каждого частного случая применения защитного устройства.

Короткий выброс напряжения Swell Длительное перенапряжение TOV
Рис.1 Swell - короткий бросок напряжения (обычно более чем 110% номинала), как правило вызванный отключением мощной нагрузки, длительностью более одного периода.Рис.2 TOV – гораздо более сильное и длительное повышение напряжения (до 173% номинала, длительностью от нескольких секунд), вызванное, например, пробоем изоляции фазного провода.

Влияние TOV на защитную аппаратуру

В том случае, когда максимальное рабочее напряжение УЗИП Uc установлено ниже напряжения, потенциально способного появиться в сети при пробое изоляции или обрыве одного из питающих проводов, в условиях возникновения аварийной ситуации ток через УЗИП очень быстро нарастает, как следствие, лавинообразно повышается и температура устройства, что приводит к его разрушению. Во избежание проявления этого деструктивного эффекта классические УЗИП оснащаются встроенными системами тепловой защиты (см. рис.3), которые отключают устройство при критическом перегреве, что, в дальнейшем, приводит к тому, что электрооборудование остаётся без какой-либо защиты совсем. Следует, однако, признать, что надёжность традиционных систем защиты от перенапряжения достаточно высока, при выборе максимального рабочего напряжения Uc УЗИП равным или несколько большим, чем 1,45 от Uo для систем с заземлением типа TN и равным или несколько большим Uo для систем с заземлением типа TT. Сказанное, в свою очередь, не относится к оборудованию, заземлённому по схеме IT. УЗИП с высоким напряжением Uc (U1mA - имеется ввиду напряжение на варисторе, при протекающем через него токе, равном 1 мА) будет нормально работать и защищать оборудование в большинстве случаев возникновения перенапряжения, однако, оборотной стороной этого решения является полная нечувствительность аппаратуры к импульсным скачкам напряжения, именно вследствие смещения вверх напряжения защиты (Up) УЗИП. Защитная аппаратура с установленным низким рабочим напряжением Uc (низкое напряжение на варисторе U1mA) будет иметь, соответственно, пониженное Up, и, вдобавок, находиться под риском термического разрушения при перенапряжении в электросети.
Система термозащиты классического УЗИП
Рис.3 Система термозащиты классического УЗИП

Существуют ли решения, снижающие пагубное влияние высокого напряжения на УЗИП?

Как показано выше, основной тактикой, применяемой в создании конкурентоспособных УЗИП, устойчивых к перенапряжениям, является метод сдвига вверх их рабочего напряжения, однако, при этом загрубляется их чувствительность из-за соответствующего подъёма уровня Up – напряжения защиты.
Компания Iskra Zaščite d. o. o. является разработчиком новой линейки УЗИП, семейства SAFETEC® (Рис.4) , где применены инновационные решения, позволяющие защитным устройствам оставаться в строю при превышении рабочего напряжения Uс до полутора раз. Устройства семейства SAFETEC® имеют сниженный уровень Up напряжения защиты, при этом, в случае перенапряжения в электросети (и превышения Uс) они не будут разрушены, как традиционные УЗИП!
УЗИП семейства SAFETEC
Рис.4 УЗИП семейства SAFETEC® - инновационные технологии, патентованные решения

Как работает SAFETEC® при перенапряжении

В том случае, когда сетевое напряжение превышает рабочее напряжение УЗИП (Uc), в цепь включается ограничитель тока (обозначен ТС на рис.5), который снижает ток, протекающий через варистор (MOV) до безопасного уровня 10 мА. Значение 10 мА укладывается в рабочий диапазон токов варистора, поэтому ток этой величины неспособен повредить его. Это означает, что после устранения перенапряжения варистор остаётся полностью работоспособным (нет необходимости заменять УЗИП после аварии!).
Применённые конструктивные решения позволяют ограничивать ток, текущий через варистор, несколькими миллиамперами уже при развитии перенапряжения, таким образом, если при аварии срабатывает также и тепловая защита, то электрическая дуга, появляющаяся при расцеплении контактов, будет либо очень слабой, либо не сможет образоваться вовсе. Система тепловой защиты срабатывает в случаях перегрузки или в случае превышения лимита текущего через варистор тока. Эта система имеет запатентованную, чисто механическую конструкцию, обеспечивающую эффективное гашение возникающего при её срабатывании дугового разряда и последующее разнесение токоведущих частей на максимальное расстояние друг от друга. После срабатывания системы тепловой защиты цепь остаётся постоянно разомкнутой.

Рис.5 Блок-схема устройств семейства SAFETEC®

Реакция различных типов УЗИП на перенапряжение

В нашей лаборатории были проведены сравнительные испытания УЗИП, соответствующие требованиям стандарта IEC 61643-11:2011. Каждый из протестированных образцов включался под нагрузку при максимально допустимом стандартами напряжении сети: 230В + допустимая добавка 10%, итоговое напряжение переменного тока составило 253В (среднеквадратичное значение), см. Рис.6.
Через 10 секунд работы в этом режиме имитировалась ситуация пробоя изоляции на землю, и напряжение повышалось до 438В, путём переключения источника питания (с учётом смоделированного ранее перенапряжения). Оба источника питания, использовавшихся в тестовых испытаниях, обладали способностью обеспечивать ток короткого замыкания порядка 100А. Интервал между отключением первого источника питания и подключением второго, обеспечивающего условия перенапряжения, составлял не более 100мс. Во время всего теста производился замер тока, протекающего через испытуемое устройство, посредством токовых клещей, а также измерением падения напряжения на его клеммах.

 


 Рис.6 Схема испытательного стенда

Образцы для сравнительных испытаний были приобретены в открытых источниках, и представляют типичный рыночный ассортимент на сентябрь 2012 года. Отобранные устройства предназначены для монтажа на стандартную рейку 1TE DIN, имеют в качестве защитного элемента варистор, оборудованы тепловой защитой, и рассчитаны на максимальное рабочее напряжение Uc, близкое к 275В (см. Табл.1).

Таблица 1 Сравнение заявленных характеристик УЗИП SAFETEC® и четырёх конкурирующих устройств от независимых производителей

Образец Рабочее напряжение в сети Максимальное продолжительное рабочее напряжение УЗИП (UC) переменного тока Номинальный ток разряда In 8/20 мкс Максимальный ток разряда Imax 8/20 мкс Защита от высокого напряжения по уровню Up
№1 230/400 В 275В 20 кА 65 кА < 1,25 кВ
№2 230/400 В 255В 20 кА 40 кА < 1,25 кВ
№3 230/400 В 280В 20 кА 40 кА < 1,3 кВ
№4 230/400 В 335В 20 кА 40 кА < 1,6 кВ
SAFETEC® 230/400 В 275В 20 кА 40 кА < 1,6 кВ

Образец №4 имеет повышенное рабочее напряжение UC и высокий уровень защиты от высокого напряжения Up – в силу высокого значения параметра U1mA применённого варистора. УЗИП SAFETEC® при рабочем напряжении UC, равном 275В, также имеет высокий уровень защиты от высокого напряжения Up, однако это определяется не параметром U1mA варистора. Параметр (U1mA) был измерен для каждого протестированного образца перед проведением испытаний (см. Табл.2).

Таблица 2. Сравнительные результаты тестов УЗИП SAFETEC® и четырёх конкурирующих устройств от независимых производителей

Образец Напряжение на варисторе, измеренное при протекании через него тока силой 1 мА (U1mA) Ток через УЗИП при напряжении сети 253В (замкнут Вк1) Ток через УЗИП при напряжении сети 438В (замкнут Вк2) Результаты тестирования
№1 425 В Отсутствует Высокий Возгорание и взрыв
№2 430 В Отсутствует Высокий Возгорание и взрыв
№3 455 В Отсутствует Высокий Возгорание и взрыв
№4 530 В Отсутствует Низкий Повреждён, нуждается в замене
SAFETEC® 469 В Отсутствует Низкий, с тенденцией к дальнейшему уменьшению Прошёл тест, оставшись исправным. Необходимости замены нет.

Устройства были протестированы в соответствии с требованиями стандарта IEC 61643-11:2011, который предполагает возможность возникновения перенапряжения в электросети, в том числе и вследствие пробоя изоляции одного из фазных проводов на землю. Как можно видеть, реальные условия эксплуатации могут привести к разрушению и возгоранию УЗИП, что и наблюдается в моделях, обозначенных №1, №2 и №3 – иллюстрация на Рис.7.

Рис.7 Результат воздействия напряжения 438В на УЗИП №3 – возгорание и взрыв (корпус устройства на фотографии заретуширован)

Образец №4 (с высоким напряжением на варисторе U1mA) продемонстрировал внутренний обрыв после нескольких секунд воздействия на него напряжения 438В, что стало результатом протекания через него тока, губительного для варистора (см. Рис.8).

Рис.8 Осциллограмма, демонстрирующая протекание тока через УЗИП №4 при прикладывании к нему напряжения 438В.

На Рис.9 приведена осциллограмма работы УЗИП семейства SAFETEC®. Хорошо видно, что при подаче напряжения 438В (начальный пик тока 446 мА) срабатывает система ограничения (ТС), которая плавно снижает ток через варистор: через 120 секунд после подачи высокого напряжения ток равен 48 мА, с последующим снижением до безопасного для варистора значения 10 мА. После снятия высокого напряжения устройство осталось полностью работоспособным и не требует замены!

Рис.9 Осциллограмма, демонстрирующая поведение УЗИП SAFETEC® при подаче на него напряжения 438В.

Выводы:

Все испытанные УЗИП, кроме УЗИП SAFETEC® при перенапряжении в электросети пропустили через себя значительные количества энергии, обусловленные, в первую очередь, возможностью источника питания (осторожно, подобные эксперименты небезопасны!).
Протекание тока через УЗИП вызвало их повреждения: внутренний обрыв и разрушение системы термозащиты образца №4, и взрыв и возгорание образцов №1, №2 и №3 (требуется их замена, кроме того, они сами являются источниками повышенной опасности!).
Ничего из вышеперечисленного не произошло с УЗИП семейства SAFETEC®, см Рис.10.

Реальный тест УЗИП

Образец №1 - U1mA – 425В – возгорание и взрыв
Образец №2 - U1mA – 430В – возгорание и взрыв
Образец №3 - U1mA – 455В – возгорание и взрыв
Образец №4 - U1mA – 530В – внутренний обрыв, необходимость замены
Образец№5 SAFETEC® - U1mA – 469В – исправен, необходимости замены нет)

Рис.10 Фотографии УЗИП, использованных в сравнительных испытаниях. До и после. Корпуса УЗИП заретушированы.

Автор: Алеш Штагой, ведущий инженер ИскраЗащиты.

© Контрактные Системы, копирование только с разрешения ООО "Контрактные Системы"

Как подключить УЗИП?

Назад к списку статей

Александр В. Демчишин

Грозозащита УЗИП Protec.

Оплата по безналичному расчету для юрлиц и физлиц
Отправляем Мейджор Экспресс до двери и склада ТК

Что нового?


Все новости