Рынок УЗИП сегодня активно развивается и уже предоставляет российским потребителям хорошие возможности выбора при сравнительно невысоких ценах. Предлагаются модели различных конструкций, со своими достоинствами и недостатками.

Как не ошибиться в выборе, разумно оценить предложенные устройства, найти необходимую информацию? Статья Алексея Леонидовича Зоричева привлекает внимание к проблемам теоретического и конструктивного характера, возникающим при производстве и эксплуатации УЗИП.

Устройства защиты
от импульсных перенапряжений до 1 кВ

Выбор, эксплуатация, контроль

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

В настоящее время на отечественном рынке целый ряд компаний-поставщиков предлагают широкий ассортимент устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), что стало особенно заметно на прошедших в мае–июне 2005 года выставках в Москве («Связьэкспоком» и «Электро-2005») и в Петербурге («Энергетика и электротехника»). В большинстве случаев это фирмы, которые продают изделия, выпускаемые в Западной Европе, или иностранные поставщики, поставляющие разнообразные технологические комплексы под ключ.
В результате изделия разных производителей при установке на одном и том же объекте комбинируются между собой без какой-либо предварительной проверки их взаимной совместимости по амплитудам пропускаемых импульсных токов и уровням остающихся напряжений (уровням защиты).
Ситуацию усложняет то, что большинство видов предлагаемых УЗИП сконструировано в соответствии с немецким национальным стандартом DIN VDE 0675. Хотя настоящий стандарт на раннем этапе сыграл очень важную роль в развитии и решении проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) и теории защиты от перенапряжений, он, однако, не является обязательным для Российской Федерации. В России принят за основу более современный стандарт Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) IEC 61643-1:1998, который издан в виде ГОСТ Р 51992-2002 «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний».

Производство УЗИП в России

Можно отметить, что в области напряжений свыше 1 кВ отечественные производители выпускают ограничители перенапряжений (ОПН) в очень широком ассортименте и хорошего качества. Для напряжений менее 1 кВ данная проблема пока остается нерешенной.

До недавнего времени на рынке не было отечественных УЗИП, полностью соответствующих требованиям ГОСТ Р 51992-2002. Сейчас делаются первые шаги по организации производства устройств II и III классов. Их качество и доступность покажет время. В большинстве же случаев выпускаемые варисторные УЗИП имеют примитивную конструкцию, основу которой составляет дисковый варистор и два приваренных к его боковым плоскостям болта, гайки или т.п. Производятся такие устройства на том же оборудовании, что и варисторы для высоковольтных ОПН, и по своей сути являются составными элементами такого высоковольтного ограничителя перенапряжений.

Существуют УЗИП, предназначенные для установки на DIN-рейку 35 мм, но и они, и описанные выше конструкции не имеют в своем составе устройства теплового отключения, предназначенного для защиты неисправного варистора от перегрева и соответственно от вероятности возникновения пожара в электроустановке.

Необходимо добавить, что большая часть производимых отечественных УЗИП для низковольтных распределительных сетей относится всего лишь к третьему классу защиты согласно ГОСТ Р 51992. Эти устройства способны без разрушения или теплового пробоя кристалла варистора пропустить через себя максимальный импульсный ток I_max (волны 8/20 мкс) с амплитудным значением не более 10–15 кА, в то время как форма импульса тока при прямом ударе молнии Iimp описывается волной 10/350 мкс и значительно большими амплитудами тока (согласно [1, 2, 3]: 100, 150 и 200 кА (10/350 мкс) в зависимости от выбранного уровня надежности внешней системы молниезащиты).

Таким образом, даже при условии, что на долю ввода электропитания придется лишь часть тока, вызванного прямым ударом молнии (например 10–20%, с учетом его растекания по другим металлоконструкциям объекта [8]), а амплитудное значение тока I_imp (волны 10/350 мкс) может и не превысить значения I_max (волны 8/20 мкс) = 15 кА, при этом за счет большей почти на порядок длительности импульса тока Iimp выделенная на кристалле варистора тепловая энергия выведет его из строя!

Этот процесс иногда сопровождается взрывным разрушением кристалла варистора, что может стать причиной серьезных травм, повреждения изоляции проводников в электроустановке, а также за счет интенсивного искрения привести к возникновению пожара. При этом задача защиты потребителей электроэнергии может остаться нерешенной, так как часть импульса тока после выхода УЗИП из строя беспрепятственно пройдет в защищаемое оборудование и неизбежно повредит его.

Несогласованность терминологии и системы обозначений

Чтобы грамотно и быстро решать любую техническую проблему, необходимо иметь единую терминологию, систему обозначений основных параметров и применяемых сокращений. Термины, определения и обозначения, предусмотренные стандартом IEC 61643-1:1998, перенесены в ГОСТ Р 51992-2002 и имеют четкие и понятные формулировки, которые и рекомендуется использовать.

Ниже приведены наиболее часто встречающиеся недостатки, касающиеся определений, терминологии и сокращений.

1. Стандартом для низковольтных распределительных сетей предусмотрен термин «устройство защиты от импульсных перенапряжений», сокращение – УЗИП: «Устройство защиты от перенапряжений (УЗИП) – это устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и для отвода импульсов тока. Это устройство содержит по крайней мере один нелинейный элемент».

В качестве элементной базы для создания УЗИП, как правило, используют разрядники различных типов и оксидно-цинковые варисторы и полупроводниковые элементы.

В рекламной продукции, сопроводительной документации данные устройства могут называться ограничителями перенапряжений (ОПН). Термин используется в высоковольтной технике и обозначает варисторные устройства, предназначенные для защиты оборудования электростанций, подстанций, высоковольтных линий электропередачи и т.д. Он не подразумевает использование искровых разрядников и полупроводниковых приборов (первых – по причине сложности гашения сопровождающих токов больших величин, вторых – по причине малых значений выдерживаемых импульсных токов и напряжений).

Иногда весь спектр устройств защиты от импульсных перенапряжений (I, II, и III классов) называют грозоразрядниками, разрядниками грозового тока и т. п., совершенно не привязывая их к предусмотренной ГОСТом классификации и не учитывая, что данные устройства могут защищать от перенапряжений, не только вызванных ударом молнии, но и возникших в результате рабочих переключений оборудования на подстанциях, однофазных коротких замыканий на высоковольтных линиях или при работе низковольтных нагрузок, имеющих в своем составе ключевые преобразователи (например, тиристорные выпрямители, сварочные аппараты).

И еще обязательно надо отметить недостаточную корректность термина «устройство защиты от перенапряжений (УЗП)», который использован в новой «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», СО-153-34.21.122-2003, т.к. он не раскрывает суть и характеристику данного типа устройств. Перенапряжения, согласно ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», могут быть импульсными и временными. Импульсные перенапряжения данным ГОСТом не нормируются, но в то же время ГОСТ предусматривает нормирование временных перенапряжений, длительность которых превышает 10 мс, а амплитуда превышает значение 1,1 U_n (где U_n – номинальное напряжение сети). Устройства, предназначенные для защиты от импульсных перенапряжений, как правило, сами нуждаются в дополнительной защите от временных перенапряжений, в случае превышения ими максимального длительного рабочего напряжения Uс, предусмотренного производителем. Такие перенапряжения приводят УЗИП к выходу из строя, часто сопровождающемуся большим нагревом и разрушением как самого нелинейного элемента, так и корпуса устройства, а иногда и возгоранием.

Таким образом, электроустановка должна быть дополнительно защищена от воздействия временных перенапряжений при помощи специальных устройств, к которым можно отнести, например, реле контроля максимального напряжения с функцией управления контактором или другие подобные им приборы, широко представленные на рынке.

2. Требования к обозначениям параметров УЗИП.

Для того чтобы правильно выбрать УЗИП, проектировщику или потребителю необходима следующая информация, которая обязательно должна быть показана в каталоге и нанесена на лицевой части корпуса УЗИП:

• U_n – номинальное напряжение сети (в большинстве случаев равно 230 В, хотя производятся устройства с другими номинальными напряжениями);
• U_с – максимальное длительное рабочее напряжение (максимальное действующее значение переменного напряжения, которое может длительно подаваться на выходы УЗИП);
• I_imp – импульсный ток (как правило, испытательный импульс с формой волны 10/350 мкс определяется пиковым значением тока I_peak и зарядом Q, используется для испытаний защитных устройств класса I);
• I_max – максимальный импульсный разрядный ток (пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, который защитное устройство может пропустить один раз и не выйти из строя, используется для испытания УЗИП класса II);
• I_n – номинальный импульсный разрядный ток (пиковое значение тока, протекающего через УЗИП, с формой волны 8/20 мкс, применяется для испытания УЗИП класса II, ток данной величины защитное устройство может выдерживать многократно, при воздействии данного импульса определяется уровень защиты устройства, координируются другие характеристики УЗИП, а также нормы и методы его испытаний);
• U_p – уровень напряжения защиты (максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда; параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения, обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока I_n);
• I_f – сопровождающий ток – параметр для УЗИП на базе разрядников (ток, 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);
• IP – степень защиты, обеспечиваемая оболочкой (определяется производителем согласно ГОСТ 14254);
• J – диапазон рабочих температур УЗИП;
• t_a – время реагирования УЗИП на импульсное воздействие;
• I, II или III – класс защитного устройства по ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК– 61643-98).

3. Наиболее часто встречающиеся недостатки в обозначении параметров и маркировке УЗИП.

Не указывается класс УЗИП (I, II или III, в соответствии с ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК– 61643-1-98)) или обозначается буквами B, C, D без ссылки на стандарт. Буквенное обозначение, например, принято в немецком национальном стандарте DIN VDE 0675, который не может быть использован в России как нормативный документ.

Не указывается диапазон рабочих температур прибора J.

Данные основных параметров УЗИП, приведенные на фирменных табличках и в сопроводительной документации, значительно отличаются (завышаются) от данных, получаемых в специальных лабораториях при испытании защитных устройств соответствующими импульсными токами и напряжениями. Это касается прежде всего указываемых максимальных значений испытательных импульсных разрядных токов I_imp(10/350), I_max (8/20), I_n (8/20), а также данных, определяющих максимальную удельную энергию W/R и максимальный заряд Q для УЗИП I и II классов. Частично этот недостаток можно объяснить разбросом параметров самих нелинейных элементов, который обязательно существует при их серийном производстве.

Рис. 1 Зависимость уровня напряжения защиты разрядника от его конструкции

Не указывается, какие критерии были положены в определение параметра U_p (уровень напряжения защиты). Ясно, что для УЗИП на базе разрядника U_p зависит в первую очередь от крутизны фронта импульса (du/dt) и времени реагирования ta самого разрядника, которое в свою очередь зависит от его конструкции (рис. 1). Для варисторного УЗИП уровень напряжения защиты U_p напрямую зависит от амплитудного значения импульсного тока и не зависит от длительности и фронта импульса. Поэтому некоторые поставщики УЗИП показывают более низкое значение U_p, что, конечно же, является более привлекательным для потребителя. При этом они не акцентируют внимание на том, при каком значении импульсного тока оно было измерено (I_n, I_max или при каком-то меньшем (рис.2)).

Рис. 2 Зависимость уровня напряжения защиты варисторного УЗИП от амплитудного значения импульсного тока

Сказанное выше подтверждается осциллограммами, полученными при испытании УЗИП на базе разрядника и варистора комбинированной волной напряжения и тока формы 1,2/50 мкс и 8/20 мкс соответственно (рис. 3 а-в).

Рис. 3a Волна напряжения формы 1.2/50 мкс	Рис. 3б Форма импульса после срабатывания разрядника	Рис. 3в Форма импульса после срабатывания варистора

Частые недостатки в конструктивном исполнении
УЗИП I, II и III классов

Многие фирмы предлагают УЗИП классов I и II, в конструкции которых предусмотрен съемный модуль с нелинейным элементом (разрядником или варистором). Данный модуль соединяется с основанием (базой) устройства при помощи ножевых контактов в модуле и ответных контактов в базе. Такое исполнение кажется на первый взгляд более выгодным и удобным для заказчика, чем монолитный корпус, т.к. проще измерять сопротивление изоляции электропроводки (при измерениях повышенными напряжениями этот модуль можно просто изъять) или заменять модуль при выходе его из строя. Однако в модульных конструкциях при низком качестве гальванического покрытия контактов (неравномерное покрытие, окислившаяся поверхность и т.п.), недостаточной рабочей площади соприкосновения и малой степени прижатия контактных поверхностей друг к другу, способность таких соединений пропускать импульсные токи не превышает пределов I_max = 25 кA для волны (8/20 мкс) и I_imp = 20 кA для волны (10/350 мкс).

Несмотря на это, некоторые изготовители показывают в рекламных каталогах для защитных устройств подобного типа максимальные разрядные способности с величинами до I_max = 100 кA (8/20 мкс) или I_imp = 25 ё 50 кA (10/350 мкс), что определяется параметрами только самого нелинейного элемента и не всегда подтверждается на практике. Бывает, что уже при первом ударе испытательного импульса тока с указанными выше амплитудами происходит не только пережигание и разрушение ножевых контактов сменного модуля, но и повреждение ответных контактов в базе.

Результаты воздействия испытательного импульса тока I_max = 50 кА (8/20 мкс) на механическую часть и ножевой контакт варисторного УЗИП показано на фотографиях (рис. 4).

Рис. 4 Результаты воздействия испытательного импульса тока Imax = 50 кА (8/20 мкс) на механическую часть и ножевой контакт варисторного УЗИП

---

Очевидно, что после подобного воздействия сложным становится само извлечение вставки из базы, так как их контакты могут привариться друг к другу. Даже если вставку удастся отсоединить от базы, последнюю нельзя будет использовать далее из-за подгоревших контактов, которые приведут к резкому возрастанию переходного сопротивления и соответственно уровня защиты данного УЗИП.

Единственным разумным вариантом применения модульных УЗИП класса II может быть их использование в качестве второй ступени защиты при условии согласования их параметров (импульсных токов и уровней защиты) с УЗИП класса I, установленным в первой ступени.

Следующим очень часто встречающимся серьезным недостатком УЗИП (особенно I и II классов) является конструкция клемм для подключения проводников. Существует конструкция клемм, у которых зажимной винт при его заворачивании давит непосредственно на за- крепляемый провод, причем в точке соприкосновения возникает чрезмерно высокое давление, вызывающее так называемую «текучесть» материала провода (обычно меди или алюминия).

Через некоторое время текучесть материала приводит к ослаблению контакта провода в корпусе клеммы и, как следствие, к возникновению местного переходного сопротивления. Последнее при срабатывании УЗИП под воздействием импульсных разрядных токов с амплитудами в десятки килоампер вызывает искрообразование и обгорание всего зажима (рис. 5), что приводит к отказу устройства в целом и повышению риска возникновения пожара.

Рис. 5 Искрообразование и обгорание зажима в результате возникновения местного переходного сопротивления

---

Замечания по выбору защитных устройств

Результаты испытаний некоторых УЗИП и опыт компаний, эксплуатирующих подобные устройства, выявили ряд замечаний, которые рекомендуется учитывать при выборе типа УЗИП и оценке соответствия заявленных параметров его реальным возможностям.

Несоответствие указываемых максимальных значений испытательных импульсных разрядных токов I_imp (10/350 мкс), I_max (8/20 мкс), I_n (8/20 мкс), а также данных, определяющих максимальную удельную энергию W/R и максимальный заряд Q для УЗИП I и II классов. Например, некоторые производители указывают для варисторных УЗИП I класса ток I_imp (10/350 мкс) величиной более 20 кА. На рисунке 6 показан результат испытания защитного устройства током I_imp (10/350 мкс) = 25 кА, который был указан на лицевой панели УЗИП.

Рис. 6 Результат испытания УЗИП током Iimp (10/350 мкс) величиной более 20 кА

---

Вывод: К варисторным УЗИП, для которых производителем определены токи I_imp (10/350 мкс) величиной более 20 кА, следует относиться с некоторой осторожностью, так как производить такие УЗИП технологически довольно сложно. Это требует очень тщательной и трудоемкой подборки отдельных кристаллов варисторов (для создания сборки) по их квалификационному напряжению и еще целому ряду параметров. В результате такое производство становится экономически не выгодным и появляется основание считать, что приведенный в технической документации параметр может быть несколько завышен.

В тех случаях, когда необходимо обеспечить защиту от импульсных токов величиной более 20 кА (10/350 мкс), рекомендуется применять УЗИП на базе разрядников. Однако не все разрядники можно использовать: нужно оценить ожидаемое значение импульсного тока, который может протекать через элементы электроустановки, и сравнить его значение с предлагаемыми параметрами УЗИП на базе разрядника. При этом следует обратить внимание на значение сопровождающего тока (более подробно см. в журнале [8]). Далее желательно оценить конструкцию разрядника, как это было описано выше: разрядники со съемным модулем в некоторых ситуациях могут создать проблемы. При экспериментальных исследованиях были случаи, когда при протекании через разрядники тока I_imp (10/350 мкс) = 50 кА, съемный модуль под воздействием динамического удара выпрыгивал из базы.

Разрядники с открытой разрядной камерой при зажигании в них дуги выбрасывают раскаленные ионизированные газы через сопло в нижней части корпуса. Это накладывает особые требования к безопасности человека и к условиям монтажа. В зону выброса не должны попадать проводники и другие предметы, не стойкие к высоким температурам. Шкафы для таких разрядников могут быть изготовлены только из металла. Но самое главное, что при срабатывании таких разрядников на пределе своих возможностей (I_imp = 50 – 60 кА (10/350 мкс)) из них выбрасываются сгустки раскаленного и расплавленного материала их электродов, а сила выброса такова, что на практике известны случаи значительной деформации металлических шкафов, сравнимые только с последствиями взрыва ручной гранаты. На объектах связи с высокими антенно-мачтовыми сооружениями не раз наблюдались случаи, когда у металлических шкафов с подобными разрядниками выбивало закрытые дверцы. Пример срабатывания такого разрядника приведен на рисунке 7.

Рис. 7 Пример срабатывания разрядника с открытой разрядной камерой.

---

Вывод: Задавайте вопросы поставщикам защитных устройств, добивайтесь исчерпывающих ответов, и уже только после этого принимайте решение о приобретении того или иного устройства. Уважающий себя производитель всегда дает достаточный объем технической информации, а если Вы не сумели ее получить, попробуйте поискать что-то другое, более понятное: рынок сейчас начал наводняться подобными устройствами и есть из чего выбирать.

Диагностика УЗИП

Конструкция и параметры УЗИП постоянно совершенствуются, повышается их надежность, снижаются требования по техническому обслуживанию и контролю. Однако нельзя оставлять без внимания вероятность повреждения УЗИП, особенно при интенсивных грозах, когда во время одной грозы может произойти несколько ударов молнии в защищаемый объект или вблизи от него. Устройства защиты, применяемые в низковольтных электрических сетях и в сетях передачи информации, подвержены так называемому старению (деградации), т.е. постепенной потере способности ограничивать импульсные перенапряжения, когда амплитуды импульсных токов достигают предельных максимальных параметров I_max (8/20 мкс) или I_imp (10/350 мкс) для конкретных типов защитных устройств.

Повреждение УЗИП происходит следующим образом. Разрядные токи, протекающие при срабатывании защитных устройств, нагревают корпуса их нелинейных элементов до такой температуры, что при повторных ударах с той же интенсивностью в не успевшее остыть устройство происходит:

• у варисторов – нарушение структуры кристалла (тепловой пробой) или его полное разрушение;
• у металлокерамических газонаполненных разрядников (грозозащитных разрядников) – изменение свойств в результате утечки газов и последующее разрушение керамического корпуса;
• у разрядников с открытой разрядной камерой – за счет взрывного выброса ионизированных газов во внутреннее пространство распределительного щита могут возникать повреждения изоляции кабелей, клеммных колодок и других элементов электрического шкафа или его внутренней поверхности. При экс-плуатации разрядников этого типа в распределительных щитах необходимо принимать повышенные меры противопожарной безопасности.

По указанным причинам все серьезные изготовители УЗИП рекомендуют контролировать устройства как минимум два раза в год – перед началом и после окончания грозового сезона, а также после каждой сильной грозы, когда есть подозрение, что защитное устройство могло быть повреждено.

Проверку необходимо осуществлять с помощью специальных тестеров или приборов. Эти приборы должны иметься у специализированных организаций (так же как, например, у организаций, занимающихся измерениями сопротивления изоляции в электроустановках или сопротивления заземляющих устройств). Без сомнения, подобные организации должны иметь соответствующие лицензии. Контроль, осуществляемый другими способами, например, визуально или с помощью универсальных измерительных приборов, в этом случае по различным причинам неэффективен.