Захист від імпульсних перенапруг в системах електроживлення: досвід Європи

Захист об’єктів від імпульсних перенапруг – дуже важливе питання, якому раніше приділялося вкрай мало уваги. Однак ці питання детально розглядаються в базових європейських стандартах, зокрема EN 62305, а також в українському варіанті ДСТУ EN 62305:2012. Для всебічного розкриття теми використовуються також посилання на інші нормативні акти.

Блискавки є небезпечними не лише через те, що вони можуть вразити будівлі і людей. При попаданні потужного електричного розряду в лінії електропередач, які підходять до будівлі або споруди, виникають імпульсні перенапруги (ІП), небезпечні як для внутрішньої проводки будівлі, так і для внутрішнього електронного обладнання (комп’ютери, побутова техніка та ін.). При цьому небезпека залишається, якщо удар блискавки відбувається навіть на значній відстані від будівлі (інколи до 20 км). Щорічно по електричних проводах в будівлю може надходити до десятка таких імпульсів. Для боротьби з ними слід встановлювати спеціальні пристрої, які отримали назву ПЗІП (пристрої захисту від імпульсних перенапруг).

• безпосереднього, гальванічного впливу повного або часткового струму блискавки, який з’являється в установках під час попадання блискавки в об’єкт або в зовнішні лінії, які до нього вводяться (електроживлення, телекомунікаційні);
• непрямого впливу струму блискавки шляхом електромагнітної індукції – індуковані ІП, що виникають внаслідок впливу електромагнітного імпульсу блискавки під час розрядів поблизу об’єкта або приєднаних до об’єкта зовнішніх ліній, а також в результаті проходження струму блискавки через систему зовнішнього блискавкозахисту.

• результатів аналізу ризиків загроз, викликаних атмосферними розрядами, проведеного відповідно до положень стандарту EN 62305-2: «Захист від удару блискавки. Управління ризиками».
• вимог норми HD 60364-4-443: «Електроустановки на будівельних об’єктах – Захист для забезпечення безпеки – Захист від порушень напруги і електромагнітних порушень – Захист від атмосферних або комутаційних перенапруг».

Вимоги останнього документа відносяться до захисту електропроводки від ІП, викликаних атмосферними розрядами, що проходять по повітряних лініях електропередачі, а також які виникли в результаті комутаційних перенапруг. Норма не стосується випадків перенапруг, викликаних безпосереднім попаданням розряду блискавки в даний об’єкт або розрядом поблизу об’єкта.

Відповідно до вимог стандарту EN 62305-2, основний критерій, який визначає необхідність застосування пристроїв захисту від перенапруг (ПЗІП) (SPD, Surge Protection Device) для захисту об’єкту, випливає із залежності: R > RT, де:
R — повний ризик (ризик загрози ураження об’єкта прямим попаданням розряду блискавки),
RT — допустимий ризик.

З цього випливає, що якщо розрахований відповідно до вимог норми EN 62305-2 ризик ураження об’єкта прямим попаданням розряду блискавки перевищує величину допустимого ризику, то необхідне застосування засобів захисту для обмеження цього ризику до безпечного (допустимого) рівня.

• для об’єктів з малою площею збору розрядів блискавки (зони стягування об’єкта) достатнім засобом для захисту об’єкта може бути застосування тільки ПЗІП без необхідності використання зовнішнього блискавкозахисту;
• якщо виникає необхідність застосування зовнішнього блискавкозахисту (LPS, Lightning Protection System), то такий об’єкт потрібно обов’язково захищати також за допомогою ПЗІП.

Зонова концепція захисту

• LPZ 0_А — зона зовні об’єкта, в якій зустрічається загроза прямого попадання блискавки і, як наслідок, впливу повного струму блискавки та повного магнетного поля;
• LPZ 0_B — зона поза об’єктом, в якій немає загрози прямого попадання блискавки, але можливий вплив часткового струму блискавки або індукованих струмів, а також повного магнетного поля;
• LPZ 1…N — зони всередині об’єкта, в яких немає загрози прямого попадання блискавки, але можливий вплив обмеженого струму блискавки або індукованих струмів, а також повного або ослабленого магнетного поля.

Ідея зонового захисту представлена на Рис. 1.

Рисунок 1. Зонова концепція захисту від перенапруг

Зона LPZ 1, як правило, знаходиться всередині об’єкта і обмежена його зовнішніми стінами, зони LPZ 2 і вище можуть бути визначені для окремих поверхів, територій або приміщень об’єкта. На межах зон LPZ 1 і вище ІП повинен бути обмежений за допомогою ПЗІП для певних в даній зоні рівнів безпечних напруг. У цьому випадку застосовується правило SEP (Single Entry Point), відповідно до якого всі живильні і низьковольтні кабелі, а також інші провідні системи (наприклад, металеві водопровідні, газові або опалювальні труби) повинні входити в захисний простір на межі зон LPZ 0/1 у міру можливості в одному місці і бути з’єднаними гальванічно (безпосередньо або опосередковано за допомогою ПЗІП) з головною шиною вирівнювання потенціалів. Лінії живлення, з’єднані з наземними енергетичними лініями або ті, що частково проходять в зоні LPZ 0А, повинні бути захищені на кордоні зон LPZ 0/1 ПЗІП, які в змозі відвести частковий струм блискавки (Типу 1). Застосування ПЗІП Типу 2 на межі зон LPZ 0/1 допустимо в разі захисту кабельних ліній електроживлення або зовнішніх ліній, які повністю проходять в зоні LPZ 0В. У разі, коли об’єкт оснащений системою зовнішнього блискавкозахисту, обов’язково слід застосовувати ПЗІП Типу 1. Детальні характеристики і властивості різних типів цих пристроїв розглянуті в наступному розділі.

Підбір обмежувачів перенапруги

Загальне правило захисту від ІП полягає в обмеженні перенапруги до величини, яка буде нижче рівня стійкості обладнання, яке захищається. Необхідні відповідно до положень норми HD 60364-4-443 рівні стійкості, представлені в Табл. 1.

Таблиця 1. Необхідні рівні номінальної напруги стійкості обладнання згідно HD 60364-4-443

Категорія I — адресована конструкторам обладнання
Категорія II — адресована комітетам технічних стандартів, які розробляють норми для обладнання, підключеного до мережі електроживлення
Категорія III — адресована комітетам стандартів, які розробляють норми в сфері підбору електричних параметрів для обладнання, а також для спеціальних виробів
Категорія IV — адресована енергетичним підприємствам і інженерам, контролюючим мережі

1) відповідає IEC 60038
2) максимальний рівень імпульсної перенапруги між робочими жилами і PE

З таблиці видно, наприклад, що обладнання, яке живиться від головного розподільного щита (ГРЩ) низької напруги мережі 230/400 В, має витримувати перенапруги з рівнем до 2,5 кВ. Спеціально захищене обладнання, з огляду на чутливість його електронних систем, характеризується більш низьким рівнем стійкості (1,5 кВ). До того ж завжди слід враховувати додаткове падіння напруги, що виникає в кабелях електроживлення, які з’єднують ПЗІП з обладнанням, яке захищається. Його значення можуть досягати значних рівнів у разі, якщо відстань перевищує 0,5 м.

Пристрої обмеження перенапруги, які застосовуються в розподільчих мережах низької напруги (до 10000 В) всередині будівель, повинні бути випробуваними згідно класу I, II або III (Табл. 2).

Таблиця 2. Основна інформація про ПЗІП, які відповідають різним класам ударних випробувань

Тип 1, 2, 3 — позначення типу SPD у відповідності до EN 61643-11
Клас I, II, III — позначення класу випробувань відповідно до EN 61643-11
Клас B, C, D — позначення класу випробувань відповідно до DIN VDE V 0675 Teil 6

У зв’язку з різними характеристиками, визначеними під час випробувань з імітацією ударів блискавки, ці пристрої діляться на три типи.

ПЗІП типу 1 (раніше клас В) призначені для застосування на межі зон LPZ 0А / 1, наприклад, в головному розподільному щиті як перший рівень захисту від ІП. Їх завданням є обмеження ІП високих енергій і недопущення проникнення до обладнання всередині будівлі. ПЗІП типу 1 призначені для захисту внутрішнього обладнання об’єкта від струму блискавки, який може виникнути в разі безпосереднього удару в зовнішні енергетичні лінії або систему блискавкозахисту об’єкта. Випробовується імпульсним струмом Iimp, який імітує імпульс струму блискавки формою 10/350 мкс. Типовий рівень напруги захисту обмежувачів типу 1 не перевищує величини 4000 В.

ПЗІП типу 2 (раніше клас С) застосовуються в якості другого ступеня захисту. Їх завданням є захист від індукованих перенапруг, а також ослаблення залишкових перенапруг після ПЗІП типу 1. Вони призначені для застосування всередині зон LPZ 1, а також на межах зон LPZ 0В/1 за умови, що всі зовнішні лінії знаходяться в захисній зоні LPZ 0В. Для створення ПЗІП типу 2 найчастіше використовуються варистори – елементи на основі полікристалічного напівпровідника, створені з використанням оксиду цинку. Випробування пристрою проводяться імпульсами струму формою 8/20 мкс. Характеризуються рівнем захисту, відповідним І чи ІІ категорії стійкості (відповідно 2,5 кВ або 1,5 кВ).

ПЗІП типу 3 (раніше клас D) забезпечують захист обладнання від наслідків наближених та віддалених атмосферних розрядів (кілька сотень метрів від об’єкта), які індукують ІП у лініях живлення і обладнанні всередині об’єктів, а також від комутаційних перенапруг, які виникають в електропроводці всередині об’єкта. Вони призначені для застосування в безпосередній близькості від обладнання. Піддаються комбінованим випробуванням: імпульсами формою 1,2/50 мкс і 8/20 мкс.

Трирівнева система захисту від перенапруг

Типова, трирівнева схема захисту обладнання електроживлення 230/400 В, виконаного в системі TN-C-S, представлена на Рис. 2.

Рисунок 2. Приклад використання ПЗІП різного типу в мережі електроживлення TN-C-S

• елементи першого рівня захисту, які здатні відвести струм блискавки при прямому попаданні в об’єкт;
• елементи так званого кінцевого захисту, обмежують енергію ІП, що проходить через перший рівень захисту, а також енергію індукованої перенапруги в мережі живлення внутрішнього устаткування.

Елементи першого рівня потрібно встановлювати на вводі кабелів електроживлення в будівлю – найкраще на кабельному стику або в головному розподільному щиті, тобто на кордоні LPZ 0/1. Елементи кінцевого захисту встановлюються безпосередньо в мережу живлення обладнання, яке захищається.

• перший рівень обмежує ІП до рівня 2,5 кВ і встановлюється в головному розподільному щиті на межі LPZ 0/1;
• другий рівень обмежує ІП до рівня 1,5 кВ і встановлюється в розподільчих щитах на межі LPZ 1/2;
• третій рівень обмежує ІП до величини, яка витримується кінцевим обладнанням, і встановлюється поблизу обладнання, яке захищаються.

Таким чином, послідовне застосування нормативних правил дає змогу убезпечити об’єкти від наслідків впливу атмосферних розрядів і комутаційних перенапруг. При проєктуванні багатоступінчастого захисту від ІП завжди слід враховувати відповідну енергетичну координацію ПЗІП (послідовність елементів, що з’єднуються) та обладнання, яке захищається.

Хотілося б окремо відзначити, що 100%-ве виконання своїх функцій будь-якою системою захисту від перенапруг можливо тільки при наявності якісного заземлення. Особливість такого заземлення в тому, що має бути забезпечена найменша відстань від заземлювальної шини, до якої безпосередньо приєднані ПЗІП, до заземлювача, який знаходиться в грунті. Це дає змогу уникнути виникнення повторних наведень в ланцюгах живлення та інформаційних лініях.

Важливість захисту від імпульсних перенапруг за допомогою ПЗІП неможливо переоцінити. Тим більше що до теперішнього моменту цим питанням не приділялося належної уваги. Сподіваємося, що викладений матеріал допоможе глибше зрозуміти принципи побудови систем внутрішнього блискавкозахисту будівель і споруд.

Розрядники — Пристрої захисту від імпульсних перенапруг (ПЗІП)

Особлива увага приділяється захисту кабельних ліній живлення та телекомунікацій, оскільки всі ці зони прокладені через усі лінії захисту, на кожному рівні встановлюється ПЗІП, які разом із системою вирівнювання потенціалів за лічені частки секунди забезпечують «гасіння» енергії блискавки. Загальноприйняті принципи встановлення ПЗІП за рівнем захисту та здатністю витримувати відповідні струми навантаження наведені нижче.

Міжзонний перехід (0В – 1) Пристрої захисту ПЗІП 1-го класу: прямі або близькі удари блискавки з напругою до десятків кВ знижуються до Up1 = 4 кВ, струм до 50 кА, 10/350 мкс. Встановлюються на введення в будинок головний розподільчий щит.

Міжзонний перехід (1 – 2) Пристрої захисту ПЗІП 2-го класу: напруга 4 кВ після ПЗІП-1 знижується до Up2 = 2,5 кВ, струм до 25 кА, 8/20 мкс. Встановлюються у головному чи другорядному щиті.

Міжзонний перехід (2 – 3) Пристрої захисту ПЗІП 3-го класу: напруги 2,5 кВ після ПЗІП-2 або імпульсні перенапруги від комутаційних процесів знижуються до Up3 = 1,5 кВ, струм до 10 кА, 8/20 мкс. Встановлюються безпосередньо поряд із споживачем.

Критерії вибору ПЗІП визначаються рівнем ризику ймовірності удару блискавки

Також потрібно враховувати при виборі ПЗІП карту місцевості грозової активності

Також потрібно врахувати кількість полюсів розрядника та під який тип заземлення розрахований прилад. Найпростіша схема електропостачання TN-C показана нижче, так само є й інші схеми електропостачання більш складні.

1. ПЗІП необхідно захищати автоматичним вимикачем з рівним числом полюсів, кривою відключення «С» та номінальним струмом відповідно до таблиці підбору.
2. При підключенні ПЗІП використовуйте мідний провідник перетином не менше:
   • ТИП 1 – 16 мм²
   • ТИП 2 – 4 мм²
   • ТИП 3 – не регламентований
3. Дотримуйтесь правила 50 см., для кожної з фаз, що захищаються, сумарна довжина провідників між апаратами повинна складати:

Пам’ятайте: Кожен 1 мм провідника – це додатковий 1 В перенапруги на навантаженні.

Розрядники є двох видів:

Розрядники багаторазового використання, такі пристрої йдуть зі змінними картриджами і у випадку коли пристрій захистить від удару блискавки, але вийде з ладу можна докупити окремо картридж і зробити заміну не демонтуючи пристрій повністю.

Розрядники в литому корпусі забезпечують такий самий захист, як і розрядники зі змінними картриджами, але якщо такий прилад вийде з ладу його потрібно буде повністю міняти з повним демонтажем.

Захист від імпульсивних перенапруг

Про актуальність блискавкозахисту свідчить той факт, що у країнах ЄС збитки від блискавок та викликаних ними перенапруг в мережі становлять 300 млн. євро на рік. Європейські страхові компанії констатують, що близько 32% виходу з ладу електричних та електронних приладів є наслідком прямих ударів блискавки та викликаних нею в мережі перенапруг (рис.1). Тому не дивно, що страхувальники все частіше пропонують встановити блискавкозахист та прилади для захисту від імпульсних перенапруг. Та це в Європі, а в нас страховий бізнес ще не так розвинутий, щоб застрахувати наших «електронних помічників».

Рис.1 Причини випадків пошкодження електроніки, через які страхові компанії реально виплачували страхувальникам відшкодування збитків.

Основним нормативним документом щодо блискавкозахисту в Україні є ДСТУ Б В.2.5-38:2008. Попередній норматив датується 1987 роком. Більше ніж 20 років вимоги до влаштування систем блискавкозахисту стали більш жорсткими. Зокрема, стандартом передбачений внутрішній блискавкозахист, який забезпечує безперебійну роботу систем енергопостачання, телекомунікаційних мереж і мереж передачі даних, систем автоматизації та управління, промислового і медичного обладнання. Наші будинки та офіси заполонили різноманітні електричні та електронні пристрої, покликані виконувати за нас звичну роботу і просто полегшувати життя, несучи нам комфорт та безпеку. Сучасне життя важко уявити без таких помічників цивілізації, як телефон, комп’ютер, модем, принтер, телевізор, ноутбук, стереосистема, холодильник, пральна машина, газовий котел, електроплита та інші. З найновіших технологій – це система «розумний дім», домашній кінотеатр, альтернативні джерела енергії, системи резервного живленя, тепловий насос та інші. На підприємствах це і відеонагляд, сервери, комп’ютери, кондиціонери, автоматика котлів, ліфтів, чутливе електрообладнання. Відмова сервера та комп’ютерів, які контролюють системи і механізми, чи комп’ютерів, які містять бухгалтерську інформацію – занадто великий ризик, щоб його допустити. Іноді вихід з ладу одного датчика призводить до зупинки технічного процесу і багатотисячних втрат.

Як виникають імпульсні перенапруги

Наявність тільки зовнішнього блискавкозахисту не може забезпечити повну безпеку. Даний захист слугує від пожежі в будинку чи іншого збитку, але не може запобігти силі руйнування від близького удару блискавки, імпульс якої заноситься у будинок через електричну мережу чи комунікації (рис. 2,а).

Рис.2. Перенапруга в мережі, викликана ударом блискавки: а)занесена напруга; б)наведена напруга.

Більшість людей побоюються тільки прямого попадання блискавки і мало хто знає, що залишкові грозові розряди можуть поширюватися в радіусі до 2 км від епіцентру удару і вивести з ладу побутові прилади та чутливе до імпульсних перенапруг електронне устаткування (рис. 2,б). Негативний вплив тут надає сильне електромагнітне випромінювання, яке супроводжує грозовий розряд, а також можливе проникнення в будинок струмів високої напруги (т.зв. занесений потенціал). Більшість ліній електропередач (ЛЕП) виконані повітряним способом, тому ймовірність прямого чи непрямого ураження електромережі блискавкою дуже висока. Тому сучасний блискавкозахист по запобіганню пожеж та імпульсних перенапруг в мережі повинен проводитись в комплексі, що включає зовнішню (блискавкоприймач, струмовідвід та заземлення) та внутрішню системи захисту від блискавки (пристрої захисту від імпульсних перенапруг – ПЗІП, ОПН, шина вирівнювання потенціалів) і обов’язково ефективної системи заземлення. Завданням системи заземлення є усунення різниці потенціалів між різними провідниками струму, для чого до головної заземлювальної шини (ГЗШ) під’єднують всі захисні провідники (РЕ), сталеві труби комунікацій, металеві конструкції будівлі, систему зовнішнього блискавко захисту, екрани кабелів і сам заземлювач. Іншою типовою причиною порушення роботи техніки є комутаційні імпульси, що виникають при обриві нульового провідника на ЛЕП чи підстанції, при роботі зварювального апарата, периметрів освітлення, трансформаторів.

При попаданні блискавки в лінію електропередач, сила струму може коливатися в межах 10 000 – 50 000А, а занесена напруга досягти декількох тисяч вольт, в той час як в домашній електромережі сила струму рідко перевищує 16А. В сервісні центри по ремонту побутової та офісної техніки найчастіше після грозових днів приносять плати котлів і пральних машин, системні блоки, модеми, багатофункціональні пристрої. (рис 3). Люди чомусь недооцінюють наслідки грози і забувають виключати з мережі електроприлади, залишаючи їх в режимі очікування. Саме стрімкий розвиток технологій супроводжується зменшенням робочих напруг електроніки, що викликає її підвищену чутливість до зовнішніх електромагнітних впливів.

Встановлені у ввідному та головному електрощитах пристрої захисного вимкнення (ПЗВ), диференційні автомати та автоматичні вимикачі (АВ) не врятують ваших «електронних друзів» від імпульсів перенапруги. Вони не для того призначені і не вирішують питання скидання імпульсу на землю. ПЗВ та АВ просто пропустять імпульс перенапруги, який і зробить свою «чорну» справу. Відомі випадки підгоряння чи приварювання в них контактів.

Зверніть увагу, що ні реле напруги (відсікачі), ні стабілізатори також не захищають від високої напруги розряду блискавки. Стабілізатор тільки стабілізує напругу, а від різкого скачка імпульсу він не врятує. Струми блискавки настільки великі, що автоматичні вимикачі, ПЗВ, реле напруги та стабілізатори перегоряють, а різноманітні блоки безперебійного живлення (UPS) можуть навіть вибухнути і спричинити пожежу. Автоматичні вимикачі, ПЗВ та реле перенапруги також не вирішують питання скидання імпульсу на заземлення, через що вони плавляться та згорають.

Тільки пристрої захисту від імпульсних перенапруг (ПЗІП, ОПН, розрядники) і якісне заземлення захистять вашу техніку від наслідків блискавки та різноманітних комутацій в мережі. Для обмежувачів імпульсних перенапруг (ПЗІП, ОПН) різної конструкції час спрацювання – від 25 наносекунд до декількох мікросекунд. ПЗІП складаються з варистора чи розрядника (або об’єднані в одному корпусі), які в нормальному стані являють собою розімкнутий ключ. При надходженні високовольтного імпульсу блискавки цей ключ замикається та відводить імпульсний струм через заземлювач в землю а також розсіює його у вигляді тепла. Без заземлення захиститися від небезпечного імпульсу неможливо – він повинен “піти” в землю, інакше буде “гуляти” по електромережі, поражаючи всю техніку, поки не знайде шлях до землі. Через це у будинках і квартирах неодмінно має бути ефективне заземлення, яке в багатьох випадках відсутнє або змонтовано неправильно.

Класи захисту від перенапруг

Наведені в міжнародному стандарті випробовувані параметри імпульсного струму блискавки описуються за допомогою форм хвиль 10/350 мкс та 8/20 мкс (рис.4).

Підключаються ПЗІП між фазами, між фазою і землею, між фазою і нейтралю, між землею і нейтралю і в будь-якій комбінації цих варіантів. Міжнародна електротехнічна комісія (МЕК) розділила ПЗІП розділили на три класи:

Клас 1. Встановлюється на вводі в будівлю в ввідному розподільчому щиті (ВРЩ) або головному розподільному щиті (ГРЩ). Монтується на DIN-рейку і може складатися з 1, 2, 3 чи 4-ох модулів. ПЗІП захищає від імпульсів (limp) з тривалістю фронту 10мкс і тривалістю періоду напівспаду 350мкс (скорочено 10/350мкс ),що відповідає імпульсу струму при прямому ударі блискавки в систему блискавкозахисту будівлі або в повітряну лінію електропередач і може досягати амплітуди в десятки і сотні кілоампер.

Клас 2. Призначені для захисту від перенапруг при віддалених ударах блискавки чи пікових напруг, що виникають в електромережі. Встановлюються в розподільних електрощитах та нормуються імпульсним струмом In з формою хвилі 8/20 мкс.