Реферат: Оптимизация выбора схем защиты эпу объекта связи Зоричев А. Л

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 гро-зозащищенности.

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 IEC-61643-1 (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 ГОС-ЭНЕРГОНАДЗОРОМ 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".