"Новости Электротехники N3(27)"«Молниезащита: зоновая концепция »

< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал №4(28) 2004

В первой части статьи Алексея Зоричева о зоновой концепции молниезащиты, сформированной комплексом стандартов IEC (МЭК), были рассмотрены: зоны молниезащиты, требования к устройствам защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и схемы их включения [см. «Новости Электротехники» № 3(27), с. 64–67 или на www.news.elteh.ru]. Завершающая часть материала посвящена вопросам применения УЗИП.

Молниезащита: зоновая концепция

Алексей Зоричев, заместитель директора ЗАО «Хакель Рос», Санкт-Петербург

Очередность срабатывания УЗИП
При установке защитных устройств необходимо, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 10 м по кабелю электропитания (рис.1). Выполнение этого требования очень важно для правильной работы (координации срабатывания) защитных устройств.
В момент возникновения в силовом кабеле импульсного грозового перенапряжения с очень крутым фронтом, за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля при протекании по ним импульса тока, на них возникает падение напряжения, которое оказывается приложенным к первому каскаду защиты. Таким образом достигается его первоочередное срабатывание (обеспечивается необходимая временная задержка в нарастании импульса перенапряжения на следующей ступени защиты). Такие же требования предъявляются при подключении третьей ступени защиты.
Размещая УЗИП на расстоянии ближе 10 м или рядом, необходимо использовать искусственную линию задержки в виде импульсного разделительного дросселя с индуктивностью не менее 6–15 мкГн. Выбор величины индуктивности зависит от того, каким образом осуществляется ввод электропитания в объект. При подземном вводе, когда в первом каскаде защиты установлены варисторы, величина индуктивности может быть меньше (порядка 6 мкГн). При воздушном вводе (в первой ступени установлены разрядники) это значение должно быть не менее 12–15 мкГн (рис. 1). Это объясняется разным временем срабатывания разрядников и варисторов.
При установке дросселей необходимо учитывать, что рабочие токи нагрузки в фазных проводниках не должны превышать указанные в их техническом паспорте предельно допустимые значения.

Монтаж УЗИП
Устройства защиты могут размещаться в отдельном щитке, причем в одном щитке могут находиться ограничители перенапряжения всех трех классов. Это становится возможным в случае установки между ними разделительных дросселей. Пример схемы подключения к электроустановке защитного щитка с двумя ступенями защиты приведен на рисунке 2.
К нагрузочной стороне вводного автомата подключается вход щитка, к силовой стороне групповых автоматов – выход щитка. Заземление щитка должно осуществляться на главную заземляющую шину объекта или РЕ шину вводного щита (ГРЩ). Основные требования по монтажу и подключению главной заземляющей шины (ГЗШ) изложены в главе 1.7 ПУЭ (7-е издание), а также в Техническом циркуляре ассоциации «Росэлектромонтаж» № 6/2004 от 16.02.2004 «О выполнении основной системы уравнивания потенциалов на вводе в здание»*.

При монтаже УЗИП необходимо учитывать то, что расстояния между ГЗШ, защитным щитком и вводным щитом объекта должны быть минимальные. РЕ проводники должны прокладываться возможно кратчайшими путями без образования петель и острых углов.
При подключении силовых кабелей к щитку необходимо избегать совместной прокладки защищенного и незащищенного участков кабеля, а также защищенного кабеля и кабеля заземления (рис. 3).

*Технический циркуляр №6/2004 от 16.02.2004 «О выполнении основной системы уравнивания потенциалов на вводе в здания» // Новости Электротехники. – 2004. – № 3(27). – С. 80–81.

Дополнительная защита от КЗ
Основным принципом схем включения защитных устройств является уравнивание потенциалов между двумя проводниками, одним из которых, как правило, является фазный проводник, а другим – нулевой рабочий или нулевой защитный проводник. Между ними в случае выхода из строя УЗИП возможно возникновение короткого замыкания (КЗ), что приводит к выходу из строя электроустановки и даже к возникновению пожара.
Тепловая защита варисторных ограничителей (устройство отключения при перегреве варистора) срабатывает, как правило, при старении варистора, когда увеличиваются токи утечки, или при превышении фактического тока разряда через ограничитель над максимально допустимым. В последнем случае воздействие кратковременно и варистор не обязательно выходит из строя, но при этом всё равно будет отключен от защищаемой цепи в результате выделения большого количества тепловой энергии. В некоторых случаях устройство можно даже восстановить с использованием старого варистора.
Несколько иная ситуация возникает в случае установившегося превышения действующего напряжения в сети над максимальным допустимым для данного УЗИП рабочим напряжением. Пример такой ситуации: отгорание нулевого рабочего проводника при вводе в электроустановку, когда к нагрузке может оказаться приложенным межфазное напряжение 380 В. При этом варистор открывается и через него длительное время протекает ток, величина которого близка к току КЗ и может достигать нескольких сотен ампер.
Из практики известно, что устройство тепловой защиты не всегда срабатывает в подобных ситуациях. Кроме того, в составе УЗИП на базе разрядников нет устройства теплового отключения. В результате, от воздействия большого количества тепловой энергии защитное устройство, как правило, разрушается. Возможно даже возникновение дуги и замыкание клемм устройства на корпус шкафа или DIN-рейку при расплавлении пластмассы корпуса.
Поэтому для защиты электроустановки и УЗИП всех типов от режимов КЗ необходима дополнительная защита в виде предохранителей F5–F10 с характеристикой срабатывания gG или gL (классификация согласно ГОСТ Р 50339.0-92 (МЭК 60269-1-86) или VDE 0636 (Германия) соответственно), устанавливаемых в цепь последовательно с каждым УЗИП (рис. 1 и 2). Данные предохранители предназначены для защиты токоведущих проводников и коммутационных устройств от перегрузок и КЗ и имеют довольно сложную внутреннюю конструкцию.
Особо следует отметить, что применение защитных автоматов в данной ситуации не гарантирует необходимый результат. Опыт эксплуатации показывает, что сами автоматические выключатели бывают повреждены импульсом тока при грозовом разряде. При этом может произойти приваривание контактов расцепителя друг к другу и появляется вероятность несрабатывания автомата при КЗ в нагрузке. Предохранитель полностью исключает подобную ситуацию.
К тому же правильный выбор номинала практически исключает вероятность перегорания предохранителя от прохождения через защитное устройство импульсного тока при ударе молнии. Надо понимать, что при отказе от установки предохранителей, в случае возникновения КЗ хотя бы в одном из ограничителей перенапряжения, сработает вводный автомат и электропитание потребителя будет прервано до устранения неисправности. Применение предохранителей в цепи каждого ограничителя перенапряжений значительно уменьшает вероятность такой ситуации.
При выборе номиналов предохранителей следует руководствоваться рекомендациями производителя УЗИП. Номиналы общих и индивидуальных предохранителей определяются с учетом селективности их срабатывания и способности защитных устройств выдерживать расчетные токи КЗ для конкретной электроустановки (вопросы, связанные с методикой выбора номиналов предохранителей и возможностью применения автоматических выключателей, сейчас подробно изучаются).

Методика выбора типа защитных устройств
Система внутренней молниезащиты для электропитающей сети до 1000 В, состоящая из УЗИП разного типа, должна отводить грозовые токи или их большую часть без повреждения самих защитных устройств.
Для определения величины тока, проходящего через УЗИП первой ступени защиты в случае прямого удара молнии в здание с системой внешней молниезащиты, рекомендуется исходить из конфигурации системы заземления и уравнивания потенциалов здания, а также подведенных к нему коммуникаций. На рис. 4 приводится классический пример распределения грозового тока в объекте, подвергнутом прямому удару молнии (МЭК 61024-1-1; МЭК 61643-12).
Методика расчета токов растекания приведена в ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98), приложение А. Чтобы установить, как распределяются токи между металлическими элементами конструкции здания при попадании молнии в систему внешней молниезащиты, необходимо рассчитать сопротивления заземляющих устройств, трубопроводов, электропитающего ввода, ввода кабелей связи и т.п.

Если точный расчет затруднен, можно использовать так называемую квалифицированную оценку, исходящую из следующих рассуждений:

расчет производится для пикового значения тока Iimp, взятого из таблицы 2.3 Инструкции СО-153-34.21.122-2003 в соответствии с выбранным уровнем защиты от прямого удара молнии. Например, для объектов с первым уровнем защиты Iimp = 200 кА (10/350 мкс);
50% от общего тока (Iimp = 200 кА (10/350) ® IS1 = 100 кА (10/350)) отводится в землю через заземляющее устройство системы внешней молниезащиты;
50% от общего тока (Iimp = 200 кА (10/350) ® IS2 = 100 кА (10/350)) разделится равномерно (приблизительно по 17%) между наружными вводами в объект трех основных видов коммуникаций: кабелями связи и передачи информации, металлическими трубопроводами и проводами, например, ввода электрического питания 220/380 В.

Величина тока, проходящего через отдельные вводы, обозначается как Ii , при этом:

I_i = I_S2 I n ,

где n равно числу вводов.
Для оценки тока IV в отдельных жилах неэкранированного кабеля, ток в кабеле делится на количество проводов m:

I_V = I_i I m .

Для правильного выбора типа защитных устройств и их основных параметров целесообразно руководствоваться следующим алгоритмом:
1) расчет производится исходя из максимального значения грозового тока Iimp (10/350 мкс) в зависимости от уровня защиты объекта от прямого удара молнии;
2) далее для каждого провода системы электропитания определяется (по приведенной выше методике) значение импульсного тока формы (10/350 мкс), который может в нем протекать и который должно гарантированно отвести защитное устройство класса I;
3) после этого выбирается защитное устройство с некоторым запасом (20–30%), учитывая возможную неравномерность растекания токов по различным проводникам.

В случае изменения исходных данных (числа вводов в объект, типа системы электропитания, количества проводов в кабеле и т.д.) итоговые значения могут существенно измениться как в сторону уменьшения импульсных токов, так и в сторону их возрастания. В случае применения экранированных кабелей большая часть токов растекается через экранные оболочки, что подтверждает необходимость использования данных кабелей на объектах с повышенными требованиями к защищенности от удара молнии.

Методика выбора УЗИП при воздушном вводе
Приведенные ранее заключения истинны для объектов, оборудованных системой внешней молниезащиты и имеющих кабельный подземный ввод электропитания. Ситуация может серьезно усложниться в случае воздушного ввода электропитания. Элементарный расчет показывает, что при прямом попадании молнии с током Iimp = 200 кА (10/350 мкс) и при условии его равномерного распределения по четырем проводам системы TN-C импульсные токи в каждом проводе будут иметь значения около 50 кА. Стекание этих токов на землю будет осуществляться в две стороны: через оборудование низковольтной стороны подстанции и элементы электроустановки объекта в примерном соотношении 1:1.
Таким образом, в каждом проводе на вводе электропитающей установки объекта ток будет равен 25 кА (10/350 мкс). Если предположить, что равномерное растекание токов по какой-то причине не произошло, то это значение может возрасти до 45–50 кА и более.
УЗИП на базе варисторов обеспечивают качественную защиту при их применении в первой ступени при амплитудах величиной Iimp = 20 кA (10/350 мкс), что в большинстве случаев достаточно даже при воздушном вводе электропитающей линии в объект.
Если защитное устройство должно выдерживать более высокие амплитуды грозовых токов, рекомендуется применить разрядники искрового типа, которые могут иметь значение Iimp = 50–100 кA (10/350 мкс).
Однако при выборе искрового разрядника необходимо обращать внимание на такой параметр, как сопровождающий ток If , который протекает через разрядник после окончания импульса перенапряжения и поддерживается самим источником тока, т.е. электроэнергетической системой. Фактически значение этого тока стремится к расчетному току КЗ (в точке установки разрядника для данной конкретной электроустановки). Поэтому в цепи «L-N; L-PE» нельзя применять газонаполненные (и другие) разрядники со значением If равным 100–300 А. В результате длительного воздействия сопровождающего тока они будут повреждены и могут вызвать пожар. Для установки в данную цепь необходимы разрядники со значением If , превышающим расчетный ток КЗ, т.е. от 2–3 кА и выше.

Выбор защитных устройств: резюме
В качестве первой ступени защиты рекомендуется:
При воздушном вводе электропитания (вне зависимости от наличия внешней системы молниезащиты – СМЗ, когда возможно прямое попадание молнии в провода ЛЭП в непосредственной близости от объекта) рекомендуется устанавливать грозовые разрядники. Они должны пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением 50–100 кА, гасить сопровождающие токи величиной более 4 кА и обеспечивать уровень защиты (Up) менее 4 кВ (например, многозазорные угольные искровые разрядники без выброса ионизированных газов).
При подземном вводе электропитания (при наличии внешней системы молниезащиты, когда существует вероятность попадания молнии в молниеприемник СМЗ) можно установить варисторные защитные устройства, способные пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением 10–25 кА и обеспечивать уровень защиты Up = 4 кВ и ниже. При этом желательно произвести предварительную оценку токов растекания по приведенной выше методике. При отсутствии внешней системы молниезащиты ее необходимо установить, так как прямой удар молнии в этом случае, как правило, приводит к динамическим воздействиям на строительные конструкции объекта, а также может вызвать пожар за счет искрения и перекрытия воздушных промежутков между токопроводящими элементами объекта.

В качестве второй ступени защиты в цепях L–N используются устройства на базе варисторов с максимальным импульсным током 20–40 кА формы 8/20 мкc и уровнем защиты (Up) менее 2,5 кВ. В цепях N–PE применяются газонаполненные металлокерамические разрядники, способные выдерживать импульсные токи с амплитудой 20–40 кА формы 8/20 мкc. Сопровождающие токи в цепях N–PE не возникают, поэтому в данном случае могут применяться разрядники с If равным 100–300 А.

В качестве третьей ступени защиты используются модули с максимальным импульсным током 6–10 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Up) менее 1,5 кВ. Целесообразно применять комбинированные устройства с дополнительным помехоподавляющим фильтром в полосе частот 0,15–30 МГц.

Разделительные дроссели (если их применение необходимо) выбираются, исходя из величины максимальных рабочих токов нагрузки (например: 16, 32, 63 или 120 А).
Для объектов с подземным вводом электрического питания можно применять комбинированные устройства, отвечающие по своим входным параметрам требованиям к варисторным защитным устройствам I класса (импульс тока величиной 10–25 кА; форма 10/350 мкс). По своим выходным параметрам (уровень защиты (Up) 1300–1700 В при номинальном импульсном токе, форма 8/20 мкс) они выполняют требования ко II классу защиты.
Подобные устройства позволяют отказаться от использования разделительных дросселей, т.к. всё устройство смонтировано в одном общем корпусе для установки на DIN-рейку. Размер корпуса при этом меняется в зависимости от количества защищаемых проводников и соответствует размеру от двух до семи стандартных типовых корпусов (для однофазной и трехфазной сети соответственно). Однако, в случае установки подобного устройства на воздушном вводе электропитания, существует вероятность его выхода из строя при ударе молнии непосредственно в провода ЛЭП возле объекта.

Особенности подключения УЗИП
В некоторых ситуациях установки защиты только на вводе здания недостаточно для того, чтобы с большой степенью вероятности защитить такую категорию потребителей электроэнергии, как высокочувствительная электронная техника. Защитные устройства третьего класса в этом случае устанавливаются непосредственно возле защищаемого оборудования (на вводе в квартиру, офис). При использовании устройств защиты от импульсных перенапряжений необходимо учитывать некоторые особенности их подключения в схему электроустановки объекта.
В случае применения устройств защитного отключения (УЗО), УЗИП первого и второго класса должны быть включены до УЗО (по ходу энергии). Таким образом, их срабатывание не вызовет ложного отключения УЗО.
Устройства защиты третьего класса могут быть установлены после УЗО (по ходу энергии), но при этом должны использоваться устройства защитного отключения типа «S» (селективные) с временной задержкой срабатывания от импульсных помех (рис. 5).
При измерениях, производимых на электроустановке, когда методикой измерений предусматриваются испытания высокими напряжениями (например, проверка сопротивления изоляции проводов), необходимо отключать защитные устройства от электроустановки. Несоблюдение этого правила приведет к искажению результатов измерения или в худшем случае к выходу из строя устройств защиты от импульсных перенапряжений.

Литература:
IEC-61024-1 (1990-04): Молниезащита строительных конструкций. Часть 1. Основные принципы. IEC-61024-1-1 (1993-09): Молниезащита строительных конструкций. Часть 1. Основные принципы. Руководство А: Выбор уровней защиты для молниезащитных систем.
IEC-61312-1 (1995-05): Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1. Основные принципы.
IEC-61643-12 (2002): Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 12. Выбор и принципы применения.
ГОСТ Р 50571.19-2000 Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений.
ГОСТ Р 50571.20-2000 Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 444. Защита электроустановок от перенапряжений, вызванных электромагнитными воздействиями.
ГОСТ Р 50571.21-2000 Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж оборудования. Раздел 548. Заземляющие устройства и системы уравнивания электрических потенциалов в электроустановках, содержащих оборудование обработки информации.
ГОСТ Р 50571.22-2000 Электроустановки зданий. Часть 7. Требования к специальным электроустановкам. Раздел 707. Заземление оборудования обработки информации.
ГОСТ Р 50571.26-2002 Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений.
ГОСТ Р 51732-2001 Устройства вводно-распределительные для жилых и общественных зданий. Общие технические условия.
ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний.
ГОСТ Р 50339.0 (МЭК 60269-1-86) Низковольтные плавкие предохранители. Общие требования. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Глава 1.7. Заземление и защитные меры электробезопасности. – 7-е изд.
СО-153-34.21.122-2003 Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций.
СП 31-110-2003 Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий.