Какие бывают перенапряжения и как с ними бороться

By Немченко Лілія 6 лет ago
Home  /  Статьи  /  Какие бывают перенапряжения и как с ними бороться

Обычно в любых электрических сетях (силовых, слаботочных, информационных) напряжение находится в пределах, определённых техническими нормативами. Но иногда бывают ситуации, когда напряжение выходит за эти рамки. Наиболее опасными являются отклонения в бóльшую сторону. Такие отклонения называются перенапряжениями. Посмотрим, какие бывают перенапряжения и какую опасность они представляют  для этих цепей и подключённого к ним  оборудования.

Во-первых, это длительные перенапряжения, вызванные различными проблемами в источниках электропитания, например неисправностью понижающего трансформатора, плохим контактом в нейтрали и т.д. Эти перенапряжения имеют сравнительно небольшую амплитуду, но действуют длительное время. Поэтому они представляют для оборудования вполне реальную угрозу.

Во-вторых, это миллисекундные перенапряжения, длительность которых измеряется  максимум несколькими полупериодами питающей сети. Имеют несколько бóльшую амплитуду и чаще всего являются результатом коммутации мощных реактивных нагрузок. Могут вызывать сбои в работе оборудования.

В-третьих, это микросекундные импульсные перенапряжения (МИП), появляющиеся в результате действия как естественных, так и искусственных факторов. К естественным факторам обычно относят молнии. К искусственным – различные переходные и коммутационные процессы в электросетях, импульсы при работе мощных тиристорных приводов, сварочных аппаратов и т.д. Время воздействия импульса — десятки и сотни микросекунд, амплитуда напряжения – до десятков киловольт, амплитуда тока – до ста килоампер. Несмотря на очень малое время воздействия (много меньше одного полупериода), последствия их воздействия на электронное оборудование и электропроводку могут быть фатальными.

В-четвёртых, это наносекундные импульсы, являющиеся чаще всего результатом воздействия статического разряда. Имеют большую амплитуду (десятки киловольт), но малый ток и очень малое время воздействия. Представляют опасность для информационных и слаботочных цепей.

Так как природа этих импульсов разная, то и способы защиты от них тоже сильно отличаются. Некоторые из этих способов давно и хорошо известны всем электрикам, например для защиты от длительных и миллисекундных перенапряжений широко применяются стабилизаторы напряжения, реле контроля напряжения, источники бесперебойного питания.

Интенсивную борьбу с микросекундными импульсами начали сравнительно недавно в связи с развитием и широким внедрением электронной техники. Несколько десятков лет назад проблемы микросекундных импульсных перенапряжений не стояло, т.к. всё промышленное оборудование строилось в основном на базе электромеханических устройств, не чувствительных к этим импульсам. Полупроводниковой техники было очень мало и сводилась она, в основном, к силовым диодам, тиристорам, транзисторам. С приходом в нашу жизнь микроэлектроники и микропроцессорной техники ситуация в корне изменилась, т.к. эти устройства очень чувствительны даже к очень коротким перенапряжениям. Для решения этой проблемы были разработаны специальные методы и специальные устройства, речь о которых и пойдёт в дальнейшем.

      Все МИП можно разделить на две группы (рис. 1).

Первая – это прямое воздействие на аппаратуру части тока молнии. Этот ток может попасть в здание по различным линиям, идущим снаружи здания, таким как линии питания переменного и постоянного тока различного напряжения, информационные линии, коаксиальные кабели, идущие от антенн и т.д. Также часть тока молнии может попасть в здание через систему заземления при ударе молнии в систему внешней молниезащиты или рядом со зданием.

Вторая – это электромагнитные наводки различной природы. И приходить эти наведённые импульсы перенапряжения могут не только извне, но и генерироваться внутри здания.

попадание микросекундных импульсов в оборудование

рис. 1 Попадание микросекундных импульсов в оборудование

Рассмотрим наиболее распространённые способы защиты от этих воздействий.

Во-первых, на объекте, особенно при наличии внешней молниезащиты, должна быть хорошая, грамотно сделанная система заземления. Она должна минимизировать занос тока молнии на ГЗШ и, соответственно, к оборудованию (рис. 2).

Во-вторых, в здании должна быть система уравнивания потенциалов, которая не позволяет возникать большой разности потенциалов между отдельными частями конструкции здания и оборудованием.

Кстати, эти мероприятия защищают не только оборудование, но и людей от поражения электрическим током.

В-третьих, грамотная прокладка и экранирование проводов и кабелей способны значительно уменьшить вредное воздействие МИП на оборудование. В качестве примера рассмотрим кирпичное здание, имеющее систему внешней молниезащиты или близкорасположенную молниеприёмную мачту (рис. 2). Внутри здания параллельно молниеотводу проложены неэкранированные провода длиной 10м (три этажа) и на расстоянии от молниеотвода 3м. Этот пучок проводов можно рассматривать как очень узкую и длинную рамку длиной L= 10м и шириной d= 5см. Тогда ЭДС, наведённая в рамке по закону Фарадея будет равна:

Vk(t)=-dФ(t)/dt=-µ˳µ   = 1047кВ

где µ˳=4π 10¯⁷ Гн/м, µ=1;

S (площадь рамки) =l*d=10*0,05=0,5м²,

di(t)/dt=10кА/мкс (Ipeak=100kA 10/350мкс);

R=3м (расстояние от молниеотвода).

Расчёт этот очень приблизительный, т.к. не учитывает некоторые параметры реального объекта, но представление об уровне импульсов даёт. Экранирование и прокладка проводов  в стальном закрытом коробе на бóльшем расстоянии от молниеотвода позволит снизить уровень этого импульса более чем на порядок. Арматура железобетонных конструкций также значительно ослабляет электромагнитные наводки.

Влияние импульса перенапряжения на аппаратуру в здании

рис. 2  Воздействие импульса перенапряжения на аппаратуру в здании

В-четвёртых, это применение устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Первые три способа достаточно хорошо прописаны в руководящих документах, поэтому подробно останавливаться на них мы не будем. Что касается применения УЗИП, то при кажущейся простоте этих устройств, их применение содержит много тонкостей и нюансов, начиная с обоснования необходимости применения и кончая правилами монтажа. Поэтому остановимся подробнее именно на этой теме.

Итак, применять или не применять УЗИП?  Для ответа на этот вопрос имеются два подхода. Первый подход – формальный. Обязательность применения УЗИП прописаны в ПУЭ, ДСТУ Б В.2.5-382008, а также в некоторых ведомственных документах. Если ваш объект попадает под действие этих документов, то применять надо в соответствии с требованиями данных документов, если нет, то можно перейти ко второму, неформальному, подходу и продолжить анализ ситуации.

Так как УЗИП защищает в основном электронное оборудование, надо понять, есть ли вам что защищать. И здесь надо учитывать не только стоимость самого оборудования, но и возможные последствия выхода его из строя или даже просто сбоев в работе. Иногда выход из строя копеечного прибора приводит к остановке всего техпроцесса и многомиллионным потерям.

 Кстати, импульсные перенапряжения негативно влияют не только на электронную аппаратуру, но и на кабели системы электроснабжения. Так как импульс имеет очень высокую амплитуду напряжения, то в некоторых случаях не выдерживает изоляция кабеля и происходит пробой между проводами (например фазой и нейтралью) или между проводом и землёй. Импульс длится максимум сотни микросекунд, поэтому защитные автоматы не успевают реагировать на него (самые лучшие автоматы защиты имеют время срабатывания единицы миллисекунд). В результате пробоя возникает только местное повреждение изоляции, не приводящее к короткому замыканию. Линия электропитания продолжает работать, а в месте повреждения изоляции возникает небольшой ток утечки. Этот миллиамперный ток не фиксируется никакими автоматами защиты (если он идёт между фазами или между фазой и нейтралью), зато он начинает разогревать изоляцию кабеля. В результате такого разогрева ускоряется процесс старения изоляции, что приводит к уменьшению сопротивления в данном месте и ещё большему росту тока. Процесс этот может длиться месяцами и даже годами, и в конце концов мы имеем возгорание электропроводки. Именно поэтому руководящие документы настоятельно рекомендуют устанавливать ограничители перенапряжения (УЗИПы) при воздушном вводе в здание.

Далее надо попытаться понять, насколько велика вероятность попадания импульса на ваше оборудование, а также характер и величину этого импульса. Так, если объект расположен в городе и вокруг стоят более высокие дома, то вероятность попадания к вам серьёзного импульса перенапряжения достаточно мала. Если же объект стоит в чистом поле рядом с мачтой связи, то есть реальная возможность словить не только наведённый импульс, но и значительную часть тока молнии (Рисунок 1). А если вы ещё и питаетесь от воздушной линии, то вероятность такого исхода значительно увеличивается.

Существует стандарт МЭК 62305-2 по оценке рисков, связанных с молниезащитой. Национальные стандарты не содержат методики расчета или чётких рекомендаций о необходимости применения специализированных защитных устройств. Поэтому приходится проводить эту оценку экспертно, основываясь на результатах комплексной оценки электромагнитной обстановки объекта.

Итак, если в результате анализа потенциальных рисков Вы пришли к выводу, что выгоднее применить УЗИП, чем потом ликвидировать последствия экономии, то Вам предстоит выбор конкретных устройств защиты и размещение их на объекте. А для этого надо разобраться в свойствах и характеристиках УЗИП.

Комерческий директор ООО «ЭФ ЭР ТИ — ГРУП»

Евгений Кузьминский

Category:
  Статьи
this post was shared 0 times
 000
About

 Немченко Лілія

  (15 articles)