CBM Technology Glamar
Єдиний
офіційний
представник
в Україні

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).

У деяких випадках можна обійтися внутрішнім захистом від блискавки, не встановлюючи зовнішній. Але якщо зовнішній вже є, то в цьому випадку небезпека від ІП у багато разів вища, оскільки при ударі блискавки імпульс струму проходить безпосередньо в землю поруч з будівлею і викликає індуктивні наведення на провідниках внутрішньої електричної мережі, та на сигнальних провідниках (при наявності систем відеоспостереження, охоронної сигналізації, СКС). Тому, при обладнанні будівлі системою зовнішнього блискавкозахисту вкрай необхідно встановлювати і внутрішню - ризики від збитків без цього непомірно великі. Основними джерелами перенапруги в мережах живлення є комутаційні процеси в енергетичній мережі, а також атмосферні розряди. Небажана енергія імпульсних перенапруг (ІП), спровокованих ударом блискавки, проникає в мережі живлення в результаті:

  • 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.

Рішення про необхідність застосування захисту від ІП на об'єкті, а також клас ефективності приймається на підставі:

  • 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.

На практиці, в залежності від кінцевих результатів аналізу, виявляється, що:

  • 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

Концепція захисту, представлена в серії стандартів EN 62305, ґрунтується на поділі об'єкта на зони блискавкозахисту (LPZ, Lightning Protection Zone), серед яких можна виділити:

  • LPZ 0А — зона зовні об'єкта, в якій зустрічається загроза прямого попадання блискавки і, як наслідок, впливу повного струму блискавки та повного магнетного поля;
  • LPZ 0B — 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

Номінальна напруга 1) (трьохфазна мережа), В Необхідна напруга стійкості для відповідної категорії і певного місця розміщення обладнання, приєднаного до лінії електроживлення
Головний розподільчий щит Розподільчі щити Безпосереднє підключення споживача
Рівень стійкості до імпульсних перенапруг 2), кВ
Категорія IV Категорія III Категорія II Категорія I
230/400 6 4 2,5 1,5
400/690 8 6 4 2,5
1000 Рівні, які залежать від конструкції мережі

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 SPD (ПЗІП) Клас випробувань Характеристика обмежувача
Тип 1 Клас I (B) Застосування • зниження імпульсів струмів блискавки при прямих ударах
• застосовуються в головному розподільному щиті на кордоні зон LPZ 0/1
Імпульсні випробування - імпульсом струму Iimp імітуючим струм блискавки, з певною граничною величиною Imax, зарядом Q, та енергією W/R, імпульсом в формі 10/350 мкс
- номінальним розвантажуючим струмом In (8/20 мкс)
- ударом напругою 1,2/50 мкс
Тип 2 Клас II (C) Застосування • обмеження індукованих перенапруг між:
- фазними провідниками L1, L2, L3 та захисним проводом PE
- нейтральними проводами N та захисними PE
• застосовуються в локальних розподільчих щитах на межі зон LPZ 1 і вище, а також на межі зон LPZ 0B/1, якщо зовнішні лінії повністю знаходяться в захисній зоні LPZ 0B
Імпульсні випробування - номінальним імпульсом струму In (8/20 мкс)
- максимальним імпульсом струму Imax (8/20 мкс)
- імпульсною напругою 1,2/50 мкс
Тип 3 Клас III (D) Застосування • обмеження перенапруг між:
- фазним провідником L та нейтральним N;
- нейтральними провідниками N, фазними L та захисним PE;
• застосовуються безпосередньо перед обладнанням, яке захищається
Імпульсні випробування • комбінованим імпульсом (імпульс напруги форми 1,2/50 мкс;
• імпульс струму форми 8/20 мкс

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

Представлена схема захисту від ІП мережі 230/400 В містить:

  • 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.

На Рис. 2 представлені три рівня захисту:

  • 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.

07 Грудня 2020

Залишити заявку та отримати консультацію