Оптимизация выбора схем защиты ЭПУ объекта связи.

Оптимизация выбора схем защиты ЭПУ объекта связи
Зоричев А.Л.
Главный инженер НПО "Инженеры
электросвязи"
Нормативная база и основные принципы применения ОПН
В последнее время наблюдается повышение интереса к проблемам защиты
электропитающих установок (ЭПУ) от воздействия импульсных перенапряжений.
Связано это, в первую очередь, с накоплением в эксплуатирующих организациях
определенного отрицательного опыта по выходу оборудования из строя, а так же
появлением достаточно большого количества публикаций, посвященных вопросам
улучшения электромагнитной обстановки на объектах связи и энергетики и их грозозащищенности.
Из основных положений зоновой концепции защиты, одобренной и принятой
МЭК (Международной Электротехнической Комиссией), следует, что без применения специальных защитных устройств невозможно гарантировать нормальную работу и долгий срок службы современной электронной техники. В качестве элементной базы для защитных устройств, способных выдерживать большие значения импульсных токов и напряжений, в настоящее время используют искровые разрядники и оксидноцинковые варисторы. Принципы применения защитных устройств в
ЭПУ и их классификация приведены в следующих стандартах МЭК:
- IEC-61024-1 (1990-02): "Молниезащита строительных конструкций. Часть 1.
Общие принципы"
- IEC-61312-1 (1995-05): "Защита от электромагнитных импульсов при ударе
молнии. Часть 1. Общие принципы".
- IEC-61643-1 (1998-02): "Устройства защиты от перенапряжений для низко
вольтных систем распределения электроэнергии. Часть 1. Требования к эксплуата
ционным характеристикам и методы испытаний".
Существуют также различные национальные стандарты, которые в целом дублируют требования стандартов МЭК, например немецкий стандарт Е DIN VDE 0675
часть 6 (1989-11) и др..
Согласно приведенным выше документам, устройства защиты от перенапряжений, в зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токи, делятся на следующие классы: I, II, III (согласно стандарта IEC61643-1 (1998-02) или В, С, D (согласно стандарта Е DIN VDE 0675-6 (1989-11).
Особую важность играет наличие надежного заземления и системы выравнивания потенциалов на объекте. Требования к принципам устройства этих систем
регламентируются различными международными, европейскими и Российскими
стандартами. В качестве примера можно привести следующие документы:
- Европейский Телекоммуникационный Стандарт ETSI EN 300253 V2.1.0 (2001 12). "Инжиниринг оборудования. Заземление и выравнивание потенциалов обору
дования на объектах связи",
- Рекомендации Международного Союза Электросвязи ITU-T K.27 (с учетом
изменений, 1991 г.). "Защита от помех. Потенциаловыравнивающие соединения и
заземление в здании объекта электросвязи",
- ПУЭ (7-е изд.)
- Комплекс стандартов ГОСТ Р 50571 "Электроустановки зданий",
- РД 45.155-2000. "Заземление и выравнивание потенциалов аппаратуры
ВОЛП на объектах проводной связи".
Наиболее сложная схема системы защиты должна выстраиваться для объектов, которые находятся на открытой местности и имеют в своем составе высоко
расположенные элементы конструкции (антенны, вышки, молниеприемники и т.д.),
в которые с большой степенью вероятности может ударить молния. В том случае,
когда необходимо, например, защитить телефонную станцию, расположенную в
населенном пункте городского типа, вопрос решается гораздо проще. В городских
условиях удар молнии наиболее вероятен в трубы промышленных предприятий,
линии электропередач, телевизионную вышку или отдельные наиболее высокие
дома. Железобетонные конструкции зданий, выполняющие функцию естественного заземляющего устройства и имеющие электрическое соединение с системой
выравнивания потенциалов, достаточно хорошо экранируют находящуюся внутри
технику от электромагнитных воздействий, отводя большую опасную часть тока
молнии при прямом попадании в объект на землю.
Установка ограничителей перенапряжения на объектах.
Защитные устройства класса I устанавливаются на вводе в здание (во вводном щите, ГРЩ или же специальном боксе). Защитные устройства класса II - на
других подраспределительных щитах, на щитах в выпрямительной или в автозале.
Защита класса III может устанавливается также в распределительных щитах и непосредственно возле потребителя.
Схема подключения защитных устройств для наиболее часто применяемых
сетей типа TN-C-S приведена на рисунке 1. Ограничители классов I (В) и II (С) вклю-,
чаются между токоведущими проводниками (L1, L2, L3, N) и нулевым защитным
проводником (РЕ) для ограничения синфазных перенапряжений (провод-земля).
ОПН класса III могут включаться или по той же схеме, что и ОПН классов В и С, или
по схеме, обведенной пунктирной линией, для ограничения дифференциальных
перенапряжений(провод - провод).
Также возможно подключение по схеме, представленной на рисунке 2. В этом
случае ограничители выполняют функцию защиты от дифференциальных перенапряжений между фазными проводниками (L1, L2, L3) и нулевым рабочим проводником (N). Возможные синфазные перенапряжения при необходимости ограничиваются относительно РЕ проводника с помощью разрядников.
Достоинством приведенной схемы является то, что нулевой рабочий N и нулевой защитный РЕ проводники связаны между собой с помощью разрядника, который не имеет токов утечки, в отличие от варистора, а также обладает значительно
меньшей емкостью. Таким образом, улучшается помехозащищенность РЕ проводника, который может быть использован для заземления различного чувствительного электронного оборудования. При этом несколько снижается общее быстродействие схемы защиты. Для сравнения можно привести некоторые цифры. Современные газонаполненные грозовые разрядники имеют время срабатывания порядка 100 наносекунд, при этом не происходит выброса разогретых ионизированных газов (достижение современных технологий). Время срабатывания варистора
составляет менее 25 наносекунд, что в принципе соизмеримо.
В зависимости от индивидуальных условий объекта в первой ступени защиты
могут устанавливаться как разрядники класса I, так и варисторы этого же класса. Разрядники рекомендуется устанавливать при наличии воздушного ввода в здание, так
как в этом случае велика вероятность прямого попадания молнии в ЛЭП и, соответственно, протекания ее тока разряда через электроустановку объекта. Варисторные ограничители перенапряжения можно устанавливать при подземном вводе в здание.
Дополнительная защита от короткого замыкания.
Основным принципом приведенных выше схем включения ОПН является выравнивание потенциалов между двумя проводниками, одним из которых, как правило, является фазный проводник, а другим нулевой рабочий или нулевой защитный проводник. При этом в случае выхода из строя ОПНа возможно возникновение
режима короткого замыкания между данными проводниками, что может привести
к выходу из строя электроустановки и даже возникновению пожара. Имеющееся в
варисторных ОПН устройство отключения при перегреве варистора (тепловая защита), как правило, срабатывает при превышении допустимого тока разряда через
ОПН над максимально допустимым. Учитывая кратковременность этого воздействия, варистор даже может не выйти из строя, но при этом все равно будет отключен от защищаемой цепи в результате выделения большого количества тепловой
энергии. В некоторых случаях ОПН можно даже восстановить с использованием
старого варистора.
Несколько другая ситуация возникает в случае установившегося превышения
действующего напряжения в сети над максимальным допустимым рабочим напряжением, определенным ТУ для данного ОПН. При этом варистор открывается и через него длительное время протекает ток, который определяется приложенным к
варистору напряжением и его внутренним сопротивлением в открытом состоянии.
Этот ток близок к току короткого замыкания и может достигать нескольких десятков ампер. Из практики известно, что устройство тепловой защиты не всегда срабатывает в подобных ситуациях. Так же надо отметить, что ограничители перенапряжений на базе разрядников не имеют в своем составе устройства теплового отключения.
В результате описанного воздействия ОПН, как правило, разрушается от воздействия большого количества тепловой энергии, возможно даже возникновение
дуги и замыкание клемм устройства на корпус шкафа или DIN-рейку. Поэтому для
защиты электроустановки и ограничителей перенапряжения всех типов от режимов короткого замыкания необходимо предусматривать дополнительную защиту в
виде предохранителей или автоматов защитного отключения, устанавливаемых в
цепь последовательно с каждым ОПН (см. рисунки 1 и 2: F5-F11). Установка данных
предохранителей не требуется в том случае, если ограничители перенапряжения
установлены непосредственно после вводного автомата, который рассчитан на ток
до 100-160 AgL (значение зависит от производителя и ТУ на конкретный тип ОПН)Выполнение требований очередности срабатывания ОПН.
При установке защитных устройств необходимо, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 10 метров по кабелю электропитания.
Выполнение этого требования очень важно для правильной работы 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 перенапряже-
ния на следующей ступени защиты). Такие же требования предъявляются при подключении третьей ступени защиты. Это позволяет обеспечить последовательное
срабатывание ограничителей перенапряжения от более мощных к менее мощным.
В случае необходимости размещения защитных устройств на более близком
расстоянии 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 величина индуктивности
может быть взята меньшей (порядка 6 мкГн), при воздушном вводе это значение
должно быть не менее 12-15 мкГн. (см. рисунок 3).
При установке дросселей необходимо учитывать, что рабочие токи нагрузки
по фазам не должны превышать предельно допустимые значения, указанные в техническом паспорте на данные устройства.
При необходимости и для удобства монтажа и обслуживания устройства защиты могут размещаться в отдельном щитке. Причем в одном щитке могут быть установлены 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 4.
К нагрузочной стороне вводного автомата подключается вход щитка, к силовой стороне групповых автоматов - выход щитка. Заземление щитка должно осуществляться на главную заземляющую шину объекта. Основные требования по
монтажу и подключению главной заземляющей (потенциаловыравнивающей) шины в полной мере изложены в ГОСТ Р 50571.20-2000, ГОСТ Р 50571.22-2000 и Техническом циркуляре ассоциации "РОСЭЛЕКТРОМОНТАЖ", согласованным с ГОСЭНЕРГОНАДЗОРОМ Минтопэнерго России 10.05.2000 г.
Расстояния между главной заземляющей шиной, щитком защитным и вводным щитом объекта должны быть минимальные, РЕ проводники должны прокладываться по возможно кратчайшему пути. При подключении силовых кабелей к щитку
необходимо избегать совместной прокладки защищенного и незащищенного участков кабеля, а также защищенного кабеля и кабеля заземления.
Очень часто возникает ситуация, когда сложная электронная аппаратура при
подключении ее к контуру общего защитного заземления объекта отказывается работать из-за наличия больших помех на системе заземления. Обычно в подобных случаях используется специальный дополнительный контур заземления, электрически не
связанный с защитным заземлением (так называемое функциональное заземление).
При этом очень остро встает вопрос защиты оборудования, подключенного к такому
заземляющему устройству, от перенапряжений возникающих, например, при ударе
молнии в здание или систему молниезащиты. Для выравнивания очень большой разности потенциалов, возникающей в этом случае, между двумя независимыми контурами заземления (защитным и функциональным) может устанавливаться специальный потенциаловыравнивающий разрядник, который в исходном состоянии обеспечивает гальваническую развязку между этими контурами, а при возникновении перенапряжений кратковременно соединяет их, выравнивая потенциалы.
Литература:
- IEC-61024-1 (1990-02): "Молниезащита строительных конструкций. Часть 1.
Общие принципы".
- IEC-61312-1 (1995-05): "Защита от электромагнитных импульсов при ударе
молнии. Часть 1. Общие принципы".
- IEC-61643-1 (1998-02): "Устройства защиты от перенапряжений для низко
вольтных систем распределения электроэнергии. Часть 1. Требования к эксплуата
ционным характеристикам и методы испытаний".
- ГОСТ Р 50571.19-2000 "Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по
обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. За
щита 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. За
щита электроустановок от перенапряжений, вы-званных электромагнитными воз
действиями".
- Выбор и монтаж оборудования. Раздел 548. Заземляющие устройства и си
стемы уравнивания электрических потенциалов в электроустановках, содержащих
оборудование обработки информации".
- ГОСТ Р 50571.21-2000 "Электроустановки зданий. Часть 7. Требования к спе
циальным электроустановкам. Раздел 707. Заземление оборудования обработки
информации".
- ПУЭ (7-е изд.)
- РД 34.21.122-87 "Инструкция по устройству молниезащиты зданий и соору
жений".
- Европейский Телекоммуникационный Стандарт ETSI EN 300253 V2.1.0 (2001 12). "Инжиниринг оборудования. Заземление и выравнивание потенциалов обору
дования на объектах связи".
- Рекомендации Международного Союза Электросвязи ITU-T К.27 (с учетом
изменений, 1991 г.). "Защита от помех. Потенциаловыравнивающие соединения и
заземление в здании объекта электросвязи".
- РД 45.155-2000. "Заземление и выравнивание потенциалов аппаратуры
ВОЛП на объектах проводной связи".