Защита от импульсных перенапряжений в системах электропитания: опыт Европы

Защита объектов от импульсных перенапряжений — очень важный вопрос, которому ранее уделялось крайне мало внимания. Однако эти вопросы тщательно рассматриваются в базовых европейских стандартах, в частности EN 62305, а также в украинском варианте ДСТУ EN 62305:2012. Для всестороннего раскрытия темы авторы используют также ссылки на другие нормативные акты.

Молнии представляют собой опасность не только из-за того, что они могут поразить здания и людей. При попадании мощного электрического разряда в линии электропередачи, которые подходят к дому или сооружению, возникают импульсные перенапряжения (ИП), опасные как для внутренней проводки дома, так и для внутреннего электронного оборудования (компьютеры, бытовая техника и др.). При этом опасность остается, если удар молнии происходит даже на каком-то значительном расстоянии от здания (говорят о длине до 20 км). Ежегодно по электрическим проводам в дом может поступать до десятка таких импульсов. Для борьбы с ними следует устанавливать специальные устройства, которые получили название УЗИП (устройства защиты от импульсных перенапряжений).

В некоторых случаях можно обойтись внутренней молниезащитой, не устанавливая внешнюю. Но если она уже имеется, то в этом случае опасность от ИП во много раз выше, так как при ударе молнии импульс тока проходит непосредственно в землю рядом с домом и вызывает индуктивные наводки на проводниках внутренней электрической сети дома, а также на сигнальных проводниках (при наличии систем видеонаблюдения, охранной сигнализации, СКС). Так что при оборудовании дома системой внешней молниезащиты крайне необходимо устанавливать и внутреннюю — риски от ущерба без этого непомерно велики. Основными источниками перенапряжения в цепях электрического питания являются коммутационные процессы в энергетической сети, а также атмосферные разряды. Нежелательная энергия импульсных перенапряжений (ИП), спровоцированных ударом молнии, проникает в цепи электрического питания в результате:

• непосредственного, гальванического воздействия полного или частичного тока молнии, который появляется в установках во время попадания молнии в строительный объект или в подходящие к нему наружные линии (электропитания, телекоммуникационные);
• косвенного воздействия тока молнии путем электромагнитной индукции — индуцированные ИП, возникающие вследствие воздействия электромагнитного импульса молнии во время разрядов вблизи объекта или присоединенных к объекту наружных линий, а также в результате прохождения тока молнии через систему внешней молниезащиты.

Решение о необходимости применения защиты от ИП на строительном объекте, а также о классе ее эффективности принимается на основании:

• результатов анализа риска угроз, вызванных достигающими земли атмосферными разрядами, проведенного согласно положениям нормы EN 62305‑2: «Защита от удара молнии. Управление риском»;
• требований нормы HD 60364-4-443: «Электроустановки на строительных объектах — Защита для обеспечения безопасности — Защита от нарушений напряжения и электромагнитных нарушений — Защита от атмосферных или коммутационных перенапряжений».

Требования последнего документа относятся к защите электропроводки от ИП, вызванных атмосферными разрядами, проходящими по воздушным линиям электропередачи, а также возникших в результате коммутационных перенапряжений. Норма не касается случаев перенапряжений, вызванных непосредственным попаданием разряда молнии в рассматриваемый объект или разрядом вблизи объекта.

В соответствии с требованиями нормы EN 62305-2 основной критерий, определяющий необходимость применения устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) (SPD, Surge Protection Device) для защиты рассматриваемого объекта, вытекает из зависимости: R > RT, где:
R — полный риск (риск угрозы поражения объекта прямым попаданием разряда молнии),
RT — допустимый риск.

Из этого следует, что если рассчитанный в соответствии с требованиями нормы EN 62305-2 риск поражения объекта прямым попаданием разряда молнии превышает величину допустимого риска, то необходимо применение средств защиты для ограничения этого риска до безопасного (допустимого) уровня.

На практике, в зависимости от конечных результатов анализа, оказывается, что:

• для объектов с малой площадью сбора разрядов молнии (зоны стягивания объекта) достаточным средством для защиты объекта может быть применение только УЗИП без необходимости использования внешней молниезащиты;
• если возникает необходимость применения внешней молниезащиты (LPS, Lightning Protection System), то такой объект нужно обязательно защищать также с помощью УЗИП.

Зональная концепция защиты

Концепция защиты, представленная в серии норм EN 62305, основывается на разделении объекта на зоны молниезащиты (LPZ, Lightning Protection Zone), среди которых можно выделить:

• LPZ 0_А — зона снаружи объекта, в которой встречается угроза прямого попадания молнии и, как следствие, воздействия полного тока молнии и полного магнитного поля;
• LPZ 0_B — зона вне объекта, в которой нет угрозы прямого попадания молнии, но возможно воздействие частичного тока молнии или индуцированных токов, а также полного магнитного поля;
• LPZ 1…N — зоны внутри объекта, в которых нет угрозы прямого попадания молнии, но возможно воздействие ограниченного тока молнии или индуцированных токов, а также полного или ослабленного магнитного поля.

Идея зональной защиты представлена на Рис. 1.

Рисунок 1. Концепция зональной защиты от перенапряжения

Зона LPZ 1, как правило, находится внутри объекта и ограничена его наружными стенами, зоны LPZ 2 и выше могут быть определены для отдельных этажей, территорий или помещений объекта. На границах зон LPZ 1 и выше ИП должны быть ограничены при помощи УЗИП для определенных в данной зоне уровней безопасных напряжений. В этом случае применяется правило SEP (Single Entry Point), в соответствии с которым все питающие и слаботочные кабели, а также другие проводящие системы (например, металлические водопроводные, газовые или отопительные трубы) должны входить в защитное пространство на границе зон LPZ 0/1 по мере возможности в одном месте и быть соединены гальванически (непосредственно или косвенно при помощи УЗИП) с главной шиной выравнивания потенциалов. Линии питания, соединенные с наземными энергетическими линиями или частично проходящие в зоне LPZ 0А, должны быть защищены на границе зон LPZ 0/1 УЗИП, которые в состоянии отвести частичный ток молнии (типа 1). Применение УЗИП типа 2 на границе зон LPZ 0/1 допустимо в случае защиты кабельных линий электропитания или наружных линий, которые полностью проходят в зоне LPZ 0В. В случае, когда объект оснащен системой внешней молниезащиты, обязательно следует применять УЗИП типа 1. Детальные характеристики и свойства различных типов этих приборов рассмотрены в следующем разделе.

Подбор ограничителей перенапряжения

Общее правило защиты от ИП заключается в ограничении перенапряжения до величины, которая будет ниже уровня устойчивости защищаемого оборудования. Требуемые в соответствии с положениями нормы HD 60364-4-443 уровни устойчивости представлены в Табл. 1.

Таблица 1. Требуемые уровни номинального напряжения стойкости оборудования по HD 60364-4-443

Категория I — адресованная конструкторам оборудования
Категория II — адресованная комитетам технических стандартов, разрабатывающим нормы для оборудования, подключенного к сети электропитания
Категория III — адресованная комитетам стандартов, разрабатывающим нормы в сфере подбора электрических параметров для оборудования, а также для специальных изделий
Категория IV — адресованная энергетическим предприятиям и инженерам, контролирующим сети

¹⁾ соответствует IEC 60038
²⁾ максимальный уровень импульсного перенапряжения между рабочими жилами и PE

Из таблицы видно, например, что оборудование, питающееся от главного распределительного щита (ГРЩ) низкого напряжения сети 230/400 В, должно выдерживать перенапряжения с уровнем до 2,5 кВ. Специально защищенное оборудование, ввиду чувствительности его электронных систем, характеризуется более низким уровнем устойчивости (1,5 кВ). К тому же всегда следует учитывать дополнительное падение напряжения, возникающее в кабелях электропитания, соединяющих УЗИП с защищаемым оборудованием. Его значения могут достигать значительных уровней в случае при расстоянии, превышающем 0,5 м.

Оборудование для ограничения перенапряжения, применяемое в распределительных сетях низкого напряжения (до 10000 В) внутри строительных объектов, должно быть подвержено испытаниям класса I, II или III (Табл. 2).

Таблица 2. Основная информация об УЗИП, отвечающих разным классам ударных испытаний

Тип 1, 2, 3 — обозначение типа SPD в соответствии с EN 61643-11
Класс I, II, III — обозначение класса испытаний в соответствии с EN 61643-11
Класс B, C, D — обозначение класса испытаний в соответствии с DIN VDE V 0675 Teil 6

В связи с различными характеристиками, определенными во время испытаний по имитации ударов молнии, это оборудование делится на три типа.

УЗИП типа 1 (ранее класс В) предназначены для применения на границе зон LPZ 0А/1, например, в главном распределительном щите как первый уровень защиты от ИП. Их задачей является ограничение ИП больших энергий и недопущение проникновения в оборудование внутри здания. УЗИП типа 1 предназначены для защиты внутреннего оборудования объекта от тока молнии, который может появиться в случае непосредственного ее удара в наружные энергетические линии или систему молниезащиты объекта. Испытывается импульсным током Iimp, имитирующим импульс тока молнии формой 10/350 мкс. Типичный уровень напряжения защиты ограничителей типа 1 не превышает величины 4000 В.

УЗИП типа 2 (ранее класс С) применяются в качестве второй степени защиты. Их задачей является защита от индуцированных перенапряжений, а также ослабление остаточных перенапряжений после УЗИП типа 1. Они предназначены для применения внутри зон LPZ 1, а также на границах зон LPZ 0В/1 при условии, что все наружные линии находятся в защитной зоне LPZ 0В. Для создания УЗИП типа 2 чаще всего используются варисторы — элементы на основе поликристаллического полупроводника, созданные с использованием оксида цинка. Испытания прибора проводятся импульсами тока формой 8/20 мкс. Характеризуются уровнем защиты, соответствующим І или ІІ категории стойкости (соответственно 2,5 кВ или 1,5 кВ).

УЗИП типа 3 (ранее класс D) обеспечивают защиту оборудования от последствий близлежащих и отдаленных атмосферных разрядов (несколько сотен метров от объекта), индуцирующих ИП в линиях питания и оборудовании внутри объектов, а также от коммутационных перенапряжений, возникающих в электропроводке внутри объекта. Они предназначены для применения в непосредственной близости от оборудования. Подвергаются комбинированным испытаниям: импульсами формой 1,2/50 мкс и 8/20 мкс.

Трехуровневая система защиты от перенапряжения

Типичная, общеприменимая трехуровневая схема защиты оборудования электропитания 230/400 В, выполненного в системе TN-C-S, представлена на Рис. 2.

Рисунок 2. Пример использования УЗИП разного типа в сети электропитания TN-C-S

Представленная схема защиты от ИП сети 230/400 В содержит:

• элементы первого уровня защиты, способные отвести ток молнии при прямом попадании в объект;
• элементы так называемой конечной защиты, ограничивающие энергию ИП, проходящую через первый уровень защиты, а также энергию индуцированного перенапряжения в сети питания внутреннего оборудования.

Элементы первого уровня нужно устанавливать на входе кабелей электропитания в здание — лучше всего на кабельном стыке или в главном распределительном щите, т.е. на границе LPZ 0/1. Элементы конечной защиты устанавливаются непосредственно в цепях питания защищаемого оборудования.

На Рис. 2 представлены три уровня защиты:

• первый уровень ограничивает ИП до уровня 2,5 кВ и устанавливается в главном распределительном щите на границе LPZ 0/1;
• второй уровень ограничивает ИП до уровня 1,5 кВ и устанавливается в распределительных щитах на границе LPZ 1/2;
• третий уровень ограничивает ИП до величины, выдерживаемой конечным оборудованием, и устанавливается вблизи защищаемых объектов.

Таким образом, последовательное применение нормативных правил позволяет обезопасить объекты от последствий воздействия атмосферных разрядов и коммутационных перенапряжений. При проектировании многоступенчатой защиты от ИП всегда следует учитывать соответствующую энергетическую координацию УЗИП (последовательность соединяемых элементов) и защищаемого оборудования.

Хотелось бы отдельно отметить, что 100%-ное выполнение своих функций любой системой защиты от перенапряжений возможно только при наличии качественного заземления. Особенность такого заземления в том, что должно быть обеспечено наименьшее расстояние от заземляющей шины, к которой непосредственно присоединены УЗИП, до заземлителя, находящегося в грунте. Это позволяет избежать возникновения повторных наводок в цепях питания и линиях передачи информации.

Важность защиты от импульсных перенапряжений с помощью УЗИП невозможно переоценить. Тем более что до настоящего момента этим вопросам не уделялось должного внимания. Надеемся, что изложенный материал поможет глубже понять принципы построения систем внутренней молниезащиты зданий и сооружений.