Узип и узм в чем разница
Защита от перенапряжений в быту — все типы, все достоинства/недостатки
Как защитить свое имущество (и себя) от перенапряжений в электросети? Какие виды перенапряжений бывают?
Повышенное напряжение
Это постоянное или кратковременные превышение напряжения свыше допустимого допустимого, которым является 230/400 вольт +/-10% (ГОСТ).
Оно представляет опасность для бытовой техники. Может пострадать как блок питания, так и вся внутренняя электроника, на случай если встроенные в блок защиты не справятся.
Самые частые причины появления — неравномерная нагрузка на фазы (перекос) и обрыв нулевого проводника.
Пониженное напряжение
Это постоянное или кратковременное понижение напряжения ниже допустимого, которым является 230/400 вольт +/-10% (ГОСТ).
Хоть и не является перенапряжением, но упомянуть о нем стоит. Для современной бытовой техники с импульсными блоками питания оно не представляет опасности. Более того, в большинстве случаев блоки питания сейчас устанавливаются универсальные «глобальные», т. е. поддерживают весь диапазон мировых напряжений 100-240 вольт.
У приборов не содержащих импульсные блоки, возникают проблемы в связи с потерей мощности. ТЭНы (отопление, электрочайник, варочные панели и т.д.) просто теряют выдаваемую мощность, а к примеру компрессоры могут перестать стартовать из-за нехватки пусковой мощности.
Про последнее скажу больше. Ранее, на старых моделях холодильников, длительное пониженное напряжение часто приводило к пожару. Реле на включение компрессора срабатывало, а у мотора не хватало сил провернуть его на старте. В итоге он стоял в одном положении и под напряжением, что приводило к разогреву и возгоранию его самого или чего-либо вокруг. Именно так сгорели многие дачи.
Тоже самое касается высокомощной техники с электродвигателями. Например воздушный компрессор в гараже (без электронного управления) может точно так же как и старый холодильник «не завестись» и стоять под напряжением пока не полыхнет мотор.
Это короткие и очень сильные всплески (порой превышающие 1000 вольт), отсюда и название.
Коммутационные
Происходят при рабочих процессах на подстанциях. Их естественно стараются сгладить, но они все равно есть.
Аварийные
Неисправности на подстанциях. Попадание молнии в воздушную сеть.
Коммутационные пагубно влияют на блоки питания в бытовой технике, при значительных «всплесках» могут вылетать внутренние предохранители и варисторы.
Аварийные способны превращать в пепел не просто то что включено в розетку, но даже электрощиты и саму проводку. Нередко заканчиваются пожаром.
Отключает фазу если напряжения выходят за заданный параметр.
Бывают как моноблочные так и раздельные, реле управления + контактор который коммутирует силовую часть.
— способность восстановления подачи энергии после срабатывания
— часто имеют расширенный функционал (например контроль тока)
— компактны и занимают мало места в щите
— защищают от высокого и от низкого напряжения
— низкая стоимость
— низкая надежность и ресурс
— низкая коммутационная способность
— ограничения по мощностным показателям
— отсутствие защиты от импульсных перенапряжений
К сожалению сие бюджетное решение получило столь широкую распространенность не потому что это правильно, а просто потому что дешево и «экранчик есть». Увы, от большинства подобных изделий чаще больше вреда чем пользы.
Надо понимать что это наше локальное «изобретение». Крупные Европейские бренды (за редким исключением) такой продукции вообще не выпускают, по причинам приведенным выше.
В ходе моих личных испытаний и замеров, а так же по статистике от тех кто этими изделиями пользуется, выводы таковы:
— не использовать моноблочные реле напряжений с вводными автоматами выше С40
— обязательно устанавливать байпас рубильник для быстрого восстановления питания когда это чудо вдруг внезапно сдохнет
Куда более сложное и дорогое решение. Зато надежное и долговечное.
— способность восстановления подачи энергии после срабатывания
— высокая надежность и ресурс
— любая мощность и коммутационная способность (зависят от применяемого контактора)
— защищают от высокого и от низкого напряжения
— занимают много места в щите
— высокая стоимость в сравнении с мноноблочными (само реле + контактор)
— меньшая скорость срабатывания в сравнении с мноблочным реле
— проблемы с работоспособностью при низких напряжениях (зависит от модели контактора)
— отсутствие защиты от импульсных перенапряжений
Отключает присоединенное к нему устройство (например вводной автомат) если напряжение превышает допустимое. Так же существуют расцепители низкого напряжения, которые срабатывают при пониженном.
— высокая надежность и ресурс
— не влияет на мощность и коммутационную способность (они зависят от присоединенного устройства)
— занимают крайне мало места в щите
— низкая стоимость
— неспособность восстановления подачи энергии после срабатывания
— отсутствие защиты от импульсных перенапряжений
УЗИП (Устройство Защиты от Импульсных Перенапряжений)
В зависимости от класса и конструкции, это либо газовый разрядник либо варистор (либо комбинация двух). Модуль УЗИП подключается к фазам, нолю и земле, сразу после вводного автомата. При появлении на вводе импульса, он резко снижает свое сопротивление, замыкая фазу и/или ноль на землю, тем самым он не пропускает всплеск дальше себя в проводку квартиры/дома.
— защита от всевозможных импульсных перенапряжений
— любая мощность и коммутационная способность (УЗИП подключается к сети параллельно)
— крайне высокая скорость срабатывания
— не защищает от постоянного повышенного напряжения, только от всплесков
— не работает без полноценного заземления
— неспособность восстановления подачи энергии после срабатывания
— ресурс определяется количеством полученных разрядов
— высокая цена за качественные модели
— иногда требуется доп защита самого УЗИПа
Частая ошибка — многие считают что все модули УЗИП одинаковые и подключаются одинаково. Естественно это не так и зависит от применяемой системы заземления. Вот схема для осознания сего факта.
Так же многие считают что УЗИП защищает и от постоянного повышенного напряжения. Но это не так. УЗИП рассчитан на работу со всплесками, а постоянное перенапряжение портит даже его самого, так же как бытовую технику.
В отличии от остальных типов защиты которые просто отключают внутридомовую проводку от ввода, стабилизатор корректирует параметры входного напряжения, старясь уложить их в норматив (чем стабилизатор дороже, тем лучше ему это удается).
— стабилизирует напряжение на постоянной основе
— требует импульсной защиты на вводе (УЗИП)
— требует пространства и охлаждения вне щита
— низкий ресурс и надежность у бюджетных моделей
— крайне высокая цена за надежные модели
Полноценная защита это всегда комбинация устройств, каждое из которых выполняет свою функцию.
В интернете и среди начинающих электриков бытует ошибочное мнение что для эффективной защиты от всех видов перенапряжений достаточно просто поставить дешевое моноблочное реле за 2500р и на этом все. Увы, это не является полноценным решением проблемы.
Обязательное требование для полноценной защиты — УЗИП класса 2 в распределительном щите (квартиры и загородные дома). А если речь идет о загороде и воздушных линиях электропередачи, так же УЗИП класса 1 на вводе (как правило в щите учета).
В квартирных щитах для современного жилья (новострой, ввод — одна фаза 50-63А) наиболее рациональна комбинация — расцепитель перенапряжения + УЗИП класса 2.
В квартирных щитах для старых построек (вторичка, ввод — одна фаза 25-40А) установка УЗИПа как правило невозможна из-за отсутствия заземления или неправильной его реализации (некорректная модернизации системы заземления с TN-C до TN-C-S при капремонте). Там просто расцепитель или реле напряжения (по вкусу).
Загород с его воздушными линиями это отдельная песня. Там обязательно реле напряжения из-за того что сеть может гулять туда-сюда по 5 раз на дню. Т.к. вводные токи низкие, допустимо применение моноблочных реле напряжений с целью экономии. УЗИП класса 1 в ЩУ и класса 2 в ЩР крайне желательны, но упираются в наличие правильно реализованного контура заземления, и конечно же в бюджет как итог.
Стабилизатор напряжения это не сколько защита сколько обеспечение стабильной работы электропотребителей в нестабильных сетях. Использование стабилизатора в качестве защиты — такое себе занятие. Это отдельная тема и про них мне стоит сделать целую отдельную запись.
Вот так коротко и без лишних слов, чтобы было понимание основ. В последующих записях вы увидите реализацию подключения и подбора компонентов в каждом конкретном случае.
(тут будут ссылки на продолжения с примерами)
—-
Остальные мои записи по электрике вы найдете тут.
Устройство защиты от импульсных перенапряжений. Выбор, применение, схема монтажа
Если в вашем доме установлено множество дорогой бытовой техники, лучше позаботиться об организации комплексной защиты электросети. В этой статье мы расскажем об устройствах защиты от импульсных перенапряжений, зачем они нужны, какие бывают и как устанавливаются.
Природа импульсных перенапряжений и их влияние на технику
Многим с детства знакома суета с отключением от сети бытовых электроприборов при первых признаках надвигающейся грозы. Сегодня электрооборудование городских сетей стало более совершенным, из-за чего многие пренебрегают элементарными устройствами защиты. В то же время проблема не исчезла совсем, бытовая техника, особенно в частных домах, все еще находится в зоне риска.
Техногенные ИП непредсказуемы, они возникают в результате коммутационных перегрузок на трансформаторных и распределительных подстанциях.
Импульсные напряжения очень коротки по времени (менее 0,006 с), они появляются в сети систематически и чаще всего проходят незаметно для наблюдателя. Бытовая техника рассчитана выдерживать перенапряжения до 1000 В, такие появляются наиболее часто. При более высоком напряжении гарантирован выход из строя блоков питания, возможен также пробой изоляции в проводке дома, что приводит к множественным коротким замыканиям и пожару.
Как устроен и как работает УЗИП
УЗИП, в зависимости от класса защиты, может иметь полупроводниковое устройство на варисторах, либо иметь контактный разрядник. В нормальном режиме УЗИП работает в режиме байпаса, ток внутри него протекает через проводящий шунт. Шунт соединен с защитным заземлением через варистор или двумя электродами со строго нормируемым зазором.
При скачке напряжения, даже очень непродолжительном, ток проходит через эти элементы и растекается по заземлению или компенсируется резким падением сопротивления в петле фаза-ноль (короткое замыкание). После стабилизации напряжения разрядник теряет пропускную способность, и устройство снова работает в нормальном режиме.
Таким образом, УЗИП на некоторое время замыкает цепь, чтобы переизбыток напряжения мог преобразоваться в тепловую энергию. Через устройство при этом проходят значительные токи — от десятков до сотни килоампер.
В чем различие между классами защиты
В зависимости от причин возникновения ИП, различают две характеристики волны повышенного напряжения: 8/20 и 10/350 микросекунд. Первая цифра — это время, за которое ИП набирает максимальное значение, вторая — время спада до номинальных значений. Как видно, второй тип перенапряжений более опасный.
Устройства I класса предназначены для защиты от ИП с характеристикой 10/350 мкс, наиболее часто возникающих при разряде молнии в ЛЭП ближе 1500 м к потребителю. Устройства способны кратковременно пропустить через себя ток от 25 до 100 кА, практически все приборы I класса основаны на разрядниках.
УЗИП II класса ориентированы на компенсацию ИП с характеристикой 8/20 мкс, пиковые значения тока в них колеблются от 10 до 40 кА.
Класс защиты III предназначен для компенсации перенапряжений со значениями тока менее 10 кА при характеристике ИП 8/20 мкс. Устройства класса защиты II и III основаны на полупроводниковых элементах.
Может показаться, что достаточно установки только устройств класса I, как наиболее мощных, но это не так. Проблема в том, что чем выше нижний порог пропускного тока, тем менее чувствителен УЗИП. Другими словами: при коротких и относительно низких значениях ИП мощный УЗИП может не сработать, а более чувствительный не справится с токами такой величины.
Устройства с классом защиты III рассчитаны на устранение самых низких ИП — всего в несколько тысяч вольт. Они полностью аналогичны по характеристикам устройствам защиты, устанавливаемым производителями в блоках питания бытовой техники. При дублирующей установке они первыми принимают на себя нагрузку и предотвращают срабатывание УЗИП в приборах, ресурс которых ограничен 20–30 циклами.
Есть ли необходимость в УЗИП, оценка рисков
Полный перечень требований к организации защиты от ИП изложен в МЭК 61643–21, определить обязательность установки можно по стандарту МЭК 62305–2, согласно которому устанавливается конкретная оценка степени риска удара молнии и вызванных им последствий.
В целом при электроснабжении от воздушных ЛЭП установка УЗИП I класса почти всегда предпочтительна, если только не был выполнен комплекс мероприятий по снижению влияния гроз на режим электроснабжения: повторное заземление опор, PEN-проводника и металлических несущих элементов, устройство громоотвода с отдельным контуром заземления, установка систем уравнивания потенциалов.
Более простой способ оценить риск — сопоставить стоимость незащищенной бытовой техники и устройств защиты. Даже в многоэтажных домах, где перенапряжения имеют весьма низкие значения при характеристике 8/20, риск пробоя изоляции или выхода из строя приборов достаточно велик.
Установка устройств в ГРЩ
Большинство УЗИП имеют модульное исполнение и могут быть установлены на DIN-рейку 35 мм. Единственное требование — щит для установки УЗИП должен иметь металлический корпус с обязательным подключением к защитному проводнику.
При выборе УЗИП, помимо основных рабочих характеристик, следует учитывать также номинальный рабочий ток в режиме байпаса, он должен соответствовать нагрузке в вашей электросети. Другой параметр — максимальное напряжение ограничения, оно не должно быть ниже самого высокого значения в рамках суточных колебаний.
УЗИП подключаются последовательно к питающей однофазной или трехфазной сети, соответственно через двухполюсный и четырехполюсный автоматический выключатель. Его установка необходима на случай спаивания электродов разрядника или пробоя варистора, что вызывает постоянное короткое замыкание. На верхние клеммы УЗИП подключают фазы и защитный проводник, на нижние — нулевой.
Пример подключения УЗИП: 1 — ввод; 2 — автоматический выключатель; 3 — УЗИП; 4 — шина заземления; 5 — контур заземления; 6 — счетчик электроэнергии; 7 — дифференциальный автомат; 8 — к автоматам потребителей
При установке нескольких защитных устройств с разными классами защиты требуется их согласование с помощью специальных дросселей, подключенных последовательно с УЗИП. Защитные устройства встраиваются в цепь по возрастанию класса. Без согласования более чувствительные УЗИП будут принимать основную нагрузку на себя и раньше выйдут из строя.
Установки дросселей можно избежать, если протяженность кабельной линии между устройствами превышает 10 метров. По этой причине УЗИП I класса монтируют на фасаде еще до счетчика, защищая от перенапряжений учетный узел, а второй и третий класс устанавливают, соответственно, на ВРУ и этажных/групповых щитках.
Защита от гнева богов. Устройства защиты от импульсных перенапряжений
Продолжаем тему электроликбеза про устройства защиты, и этот пост — знакомство с устройствами защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Это устройства для вашего электрощита, призванные бороться с кратковременными всплесками напряжения, например из-за грозы. Текст рассчитан для нетехнарей, так что добро пожаловать) Видеоверсия в конце.
Начнем с того, что знают сегодня даже дети — молния представляет собой разряд электричества, иногда ударяет в рукотворные объекты и способна испортить технику. Хоть это предложение и звучит по детски, но человечеству понадобились века, для понимания таких простых и очевидных сегодня вещей. Знание о природе и характеристиках разряда не далось человечеству без жертв, помянем Георга Вильгельма Рихмана.
Первыми регулярный ущерб, от удара молниями, стали испытывать связисты — телеграфные линии, растянутые по полям на столбах, регулярно приносили к дорогому и нежному оборудованию станций кратковременные всплески высокого напряжения. Причем не только от ударов молнии в сами провода, но даже от ударов молний неподалеку от линий! И уже тогда пришлось изобретать способы защиты оборудования от этих всплесков. Когда, спустя десятилетия свои провода стали растягивать на столбах уже энергетики, для только появившегося электрического освещения, некоторые наработки телеграфистов пригодились.
Статистика ударов молний, ломавших телеграф в Бельгии по месяцам и времени суток. Вырезка из журнала Electrical Review за 1885 год.
Стоит сказать, что для современной техники молния уже не является чем то запредельно мощным и умопомрачительным. Если взять все эти миллионы вольт и сотни тысяч ампер, умножить на время — мы получим энергию разряда, а это всего порядка 1 ГДж энергии. Если перевести в привычные кВт*ч, то это всего 277 кВт*ч, можно даже посчитать стоимость одного разряда молнии. Проблема лишь в том, что это количество энергии выделяется за доли секунды, что порождает проблемы, с которыми и борются разными техническими приемами.
Что происходит при ударе молнии в линию электропередач? Энергия молнии растекается по проводникам в поисках пути ухода в землю. Это вызывает рост напряжения до огромных величин, из-за чего изоляция не выдерживает, и ее пробивает. В тех местах, где протекал разряд, повреждения оставляет как нагрев, так и электромагнитные силы. И про электромагнитные силы хочу отметить особо: из-за очень большой скорости нарастания тока при ударе молнии, даже разряд в непосредственной близости, наводит токи в окружающих проводниках. Поэтому даже, если молния ударила в молниеотвод на крыше и ушла по металлоконструкциям в землю, на проводах внутри здания могут появиться всплески напряжения опасной величины. Поэтому защита строится не только от прямых попаданий молнией, но и от различных наведенных ею явлений.
Вопрос защиты от атмосферного электричества и от импульсных перенапряжений достаточно обширен, поэтому пост рассчитан дать лишь крайне поверхностное представление и не претендует на полноту. Для более полного и глубокого изучения темы в конце есть ссылки на дополнительные материалы. Если сформулировать кратко физический смысл устройств защиты — их задача сбросить в заземление всю энергию, наведенную в линиях молнией, не допуская чрезмерного роста напряжения. Эти устройства назвали УЗИП — устройства защиты от импульсных перенапряжений.
▍Акт первый. Приманиваем молнию и отправляем ее в землю.
Про громоотводы (они же молниеотводы, и они же молниеприёмники) наверняка слышали и видели все:
Молниеотвод на куполе деревянной церкви. Источник.
Это не обязательно торчащий в небо шпиль, у линий электропередач он выполнен в виде грозозащитного троса, который выше всех и не имеет изоляторов:
Пара грозозащитных тросов над ЛЭП. Источник.
Принцип простой — это проводник, электрически соединенный с землей, и размещенный как можно выше. Если на данном участке создадутся условия для удара молнией, то наиболее вероятно (но не 100% гарантированно!) разряд произойдет именно в заземленный проводник, а не в окружающие объекты. Сечение проводника выбирается достаточным, чтобы провести разряд к заземлению без повреждений. Громоотвод выполняет собой роль «зонтика» принимая всю стихию на себя. Аналогия с зонтиком становится еще более явной, если посмотреть на формулы расчета радиуса защищаемой громоотводом площади — она тем больше, чем выше громоотвод. Стоит отметить, что существует несколько методик определения защищаемой молниеотводом области, и даже среди специалистов по молниезащиты нет единогласного мнения, какая методика точнее. Например фото из энциклопедии Британника показывает два подхода к расчету защищаемой области — конус по высоте молниеотвода и метод катящейся сферы.
Защищаемые молниеотводом области. Источник.
Разработчики решили, что молниеотводы такой формы работают лучше. Источник
Но, если бы способ работал без нареканий, то текст бы оборвался на этом месте. Он и обрывался, до появления чувствительной и нежной аппаратуры.
▍Акт второй. Минимолнии.
Не все высоко поднятые проводники могут быть заземлены, для успешного перенаправления энергии разряда в землю. Например антенны — она должна быть высоко и заземлять ее нельзя, иначе она перестанет принимать сигналы. А можно ли сделать устройство, которое бы соединяло бы например антенну с землей только в момент удара молнии, и при этом не оказывала влияния в остальное время?
Можно, и устройство это называется искровой разрядник. Вот пример разрядника для электрооборудования конца 19 века:
Идея защиты проста — между защищаемым проводником и заземлением в разряднике создается минимально допустимый зазор так, чтобы при нормальной работе напряжение не превышало напряжение пробоя зазора. Если в защищаемой линии по какой то причине напряжение возрастет (из-за удара молнии или из-за всплесков от работы электрооборудования) то в зазоре происходит электрический пробой — зажигается электрическая дуга, которая из-за ионизации газа неплохо проводит ток. Именно эта дуга обеспечивает временное электрическое соединение с землей, и гаснет, если напряжение понизилось ниже напряжения гашения дуги.
Но есть две проблемы. Первая — малопредсказуемое напряжение пробоя разрядника — изменение температуры, влажности воздуха — и напряжение изменилось. Немного коррозии — напряжение изменилось. Кривые ручки регулировщика — очень сильно изменилось. Второй недостаток — более фундаментальный — напряжение при котором происходит пробой, и напряжение, при котором дуга гаснет отличаются. Причем напряжение зажигания дуги еще зависит от скорости нарастания напряжения. График на картинке как раз показывает «горб» — пока разрядник не сработал напряжение успевает вырасти, затем зажигается дуга и напряжение падает. Пунктиром показан график напряжения при защите варистором.
Если первый недостаток получилось побороть, заключив разрядник в герметичную колбу, заполненную заранее приготовленной смесью газов, то со вторым ничего поделать не получилось. Да, разными ухищрениями можно уменьшить разницу между напряжением пробоя и напряжением, когда дуга гаснет, но не радикально. Причем напряжение гашения должно быть ВЫШЕ напряжения источника питания (*с оговорками). Иначе может получиться неприятная ситуация, когда разряд молнии пробил разрядник и ушел в землю, но дуге погаснуть уже не даст генератор, питающий линию. И дуга в разряднике будет гореть пока кто-то из них не сломается. Вот пример разрядника РБ-5, отечественного производства из аппаратуры связи — колба герметична и заполнена инертным газом:
Разрядники применяются до сих пор и очень широко. Причем разрядники выпускаются огромным ассортиментом на все случаи жизни, от маленьких для защиты линий связи до огромных для зашиты линий электропередач. Вот например как выглядит разрядники в плате мини-АТС (цилиндрические с брендом производителя EPCOS), для защиты от импульсов высокого напряжения, которые могут оказаться в телефонной линии:
▍Акт третий. Полупроводники защищают полупроводники.
На замену разрядникам в деле защиты линий (причем не только линий электропередач, но и например линий связи, но пост в основном посвящен линиям электропередач напряжением 220-230В) пришли варисторы. Это особый тип резисторов, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Вот так выглядит их Вольт-амперная характеристика, которая показывает связь тока через прибор и приложенного напряжения:
То есть они ведут себя примерно как разрядники. Если напряжение ниже порогового — то их сопротивление велико, есть только мизерный ток утечки. Если напряжение превышает пороговое, то варистор довольно сильно меняет свое сопротивление, начиная хорошо проводить ток. Но, в отличии от разрядника, возвращается в исходное состояние с высоким сопротивлением, стоит лишь напряжению опуститься ниже порогового. В итоге напряжение на контактах варистора получается относительно стабильным, повышение напряжения он скомпенсирует увеличением тока через себя, что не даст напряжению расти.
Чисто технически, варистор представляет собой таблетку спеченной керамики из вещества, которое обладает свойством полупроводника, например гранул оксида цинка в матрице из смеси оксидов металлов, поэтому его и называют MOV — Metal Oxide Varistor. Гранулы создают огромное количество pn переходов, проводящих ток в одном направлении. Но так как их образуется много и в случайном порядке, для выпрямления тока они бесполезны. Но свойство устраивать электрический пробой при превышении определенного напряжения (а электрический пробой pn перехода обратим), оказалось очень кстати. Регулируя толщину таблетки, можно добиться достаточно стабильного порогового напряжения при производстве. А увеличивая объем шайбы, можно увеличить максимальную энергию импульса, который способен поглотить варистор.
Варистор получился не идеальным, поэтому он не заменил, а лишь дополнил разрядники. За огромный плюс — отсутствие разницы между напряжением пробоя и напряжением восстановления, варисторам прощают токи утечки, ограниченный ресурс (после некоторого количества срабатываний может потерять характеристики), большой габарит при скромных допустимых энергиях разряда. Включенный в линию варистор будет гасить всплески напряжения примерно таким образом:
Так как варистор может со временем прийти в негодность, и например начать проводить ток, когда не требуется, устраивая короткое замыкание, необходимо предусматривать защиту от короткого замыкания. Большие могучие варисторы на DIN рейку, для защиты силовых линий, часто содержат в себе встроенную защиту. Вот например так выглядит начинка варистора в щиток от IEK:
Видно саму таблетку варистора (синего цвета). К ней присоединены электроды и подпружиненный флажок опирается на электрод, припаянный легкоплавким припоем… Если варистор нагревается свыше разумного (не важно, от пришедшего импульса с молнии, или по причине деградации) то припой плавится, электрод отсоединяется, разрывая цепь, и пружина опускает флажок, показывает неисправность варистора. Если защиты не предусмотреть, неконтролируемый нагрев варистора может устроить пожарчик.
Варисторы небольших размеров можно встретить во множестве электронных устройств, для защиты от случайно пришедших по сети всплесков высокого напряжения. В большинстве удлинителей, именующих себя «сетевыми фильтрами» вся фильтрация сводится к наличию пары варисторов внутри. Вот на фото можно разглядеть варисторы (синего цвета) в разных удлинителях:
▍Акт четвертый. Защита для самых нежных.
Этот раздел я включил полноты ради.
Помимо варисторов и разрядников есть еще устройства защиты — полупроводниковые супрессоры (TVS-transient voltage suppressor), они же TVS-диоды, они же полупроводниковые ограничители напряжения. Это специально спроектированные диоды, которые работают на обратной ветви вольт-амперной характеристики (да, той самой, где происходит обратимый электрический пробой у варисторов). Физически они выполняют ту же самую функцию, что и остальные устройства защиты — не проводят ток, если напряжение в норме и начинают проводить ток, если напряжение почему-то превысило допустимое значение, тем самым выполняя роль ограничителя. На фото довольно крупный экземпляр, они бывают совсем миниатюрные:
Фото из каталога моей любимой Промэлектроники. TVS-диоды бывают как в выводных корпусах, так и в корпусах для поверхностного монтажа. Бывают сборки с несколькими TVS диодыми для защиты групп линий.
Полупроводниковые ограничители напряжения почти прекрасны всем, кроме одного — величина энергии импульса, который они способны ограничить, поглотив излишки, очень мала. Создание на их базе защиты, способной хоть как то сравниться по характеристикам с разрядниками или варисторами будет слишком дорогой. Поэтому они нашли применение там, где нужна компактная защита самой нежной и чувствительной электроники от небольших по мощности всплесков, например от статического электричества. Будьте уверены — в вашем телефоне все контакты, что ведут внутрь (USB, наушники) защищены маленькими TVS диодами, которые не позволят напряжению на этих контактах повыситься выше 5 В, даже если вы случайно «щелкните» по ним электричеством снимая свитер.
Если хочется узнать поподробнее про полупроводниковые ограничители напряжения, это можно сделать тут, и тут. Но, если вы не разработчик электроники, то врядли вы будете как-то взаимодействовать с этими устройствами защиты.
▍Акт пятый. Концепция зональной защиты.
А можно поставить в электрощиток на вводе в дом универсальное устройство защиты от импульсных перенапряжений, и не знать проблем? К сожалению — нет. Хотя бы потому что даже если вы подавили все нежелательные всплески на входе в дом, можно повторно словить их проводкой внутри здания, например когда ток разряда молнии будет следовать от громоотвода в землю где-то за стенкой — электромагнитное поле столь мощное, что в любом проводнике наведет импульс тока. Или например, что в сеть импульс повторно проникнет через телефонный аппарат, придя по телефонной линии. Поэтому процесс построения защиты усложняется — нужно анализировать все пути проникновения электромагнитного импульса от молнии внутрь защищаемого объекта.
Чтобы не ставить на каждое устройство полный комплект устройств для защиты от прямого попадания молнией (было бы слишком дорого), придумали концепцию зональной защиты, и соответствующих классов устройств. Объект, электрическая начинка которого защищается от повреждения молнией, разделяется на зоны, согласно степени воздействия молнией. Все линии (силовые, связи), переходящие из зоны в зону, на границе зон оснащаются устройствами защиты. Проще понять это на абстрактном примере дома:
Картинка взята из руководства OBO Betterman. Lightning protection guide
(LPZ — lightning protection zone — зона защиты от молнии)
Зона 0а — это зона, куда непосредственно может ударить молния. В проводнике может оказаться полный ток молнии
Зона 0b — это зона, куда молния напрямую уже не ударит, но в проводнике может оказаться частичный ток молнии — как из-за электромагнитного поля, так и просто из-за пробоя изоляции.
Зона 1 — Это зона, где может появиться наведенный молнией ток.
Зона 2,3,4 и т.д. — зона, где наведенный молнией ток ослаблен и меньше, чем в вышестоящей зоне. Зон может быть сколь угодно много, как в матрешке.
То есть понятно — при переходе из зоны в зону, электромагнитный импульс молнии ослабевает, в том числе из-за устройств защиты на границах зон, и за счет экранирования и ослабления в пространстве. Например бетонная стенка с заземленной арматурой внутри может служить таким экраном. Зоны обычно разделяются по естественным препятствиям — стена, корпус шкафа, корпус прибора и т.д.
И вот для удобства, устройства защиты разделили на классы. И когда понятно деление на зоны — достаточно взять из каталога устройство соответствующего класса.
Класс I (B)- это устройства способные выдержать частичный ток молнии (зона 0), и предназначены для установки на вводном щите. (где зона 0 переходит в зону 1)
Класс II (С)- это устройства способные выдержать меньший ток, чем устройство класса I, но они дешевле и напряжение, до которого они срежут импульс меньше. Предназначены для установки на распределительном щите. (Как раз где зона 1 переходит в зону 2)
Класс III- (D)Это устройства способные выдержать импульс еще меньшей величины, чем класс II, но зато срезающие импульс почти полностью. И предназначены для установки уже на щит конечного потребителя. Многие грамотно спроектированные устройства имеют подобную защиту уже внутри себя.
Почему бы не ставить везде устройства защиты класса I? А просто потому что установка устройства класса I там, где с лихвой хватит класса III, например у конечного потребителя — неоправданный перерасход бюджета. Это как строить полностью укомплектованную пожарную часть там, где достаточно поставить огнетушитель. Кроме того, чем брутальнее и мощнее устройство защиты, тем больше величина напряжения импульса, который просачивается через нее в потребителя. (тем выше напряжение ограничения, см картинку выше)
Картинка из руководства Шнайдер электрик
Но если хочется всё и сразу, существуют комбинированные устройства, например Класс I+II которые соответствуют параметрам сразу нескольких классов, но за такую универсальность производитель попросит дополнительных денег.
▍Акт шестой. Стандартная молния.
Стоит отметить, что даже многолетняя собранная статистика не исключает, что конкретно вы не согрешили настолько, что по вам ударит аномально мощная молния, но вероятность этого весьма низкая. (Например МЭК 62305-1 считает, что даже по самым отъявленным грешникам молнии с зарядом более 300 Кл выпускаются менее чем в 1% случаев.)
Вот прекрасная в своей наглядности иллюстрация из руководства OBO BETTERMANN, где иллюстрируется статистика разрядов молний по току, и как разные уровни защит от молний (LPL) их покрывают:
Так как процесс предсказания тока у молнии, которая ударит в объект в будущем сродни процессу предсказания курса биткоина (то есть гадание), и придумали разные уровни защит от молний, и картинка выше наглядно показывает как они соотносятся. Необходимый уровень защиты выбирается согласно оценке рисков ущерба от попадания молнии.
▍Акт седьмой. Портим всё забыв про мелочи.
Описанное выше актуально для сферического коня в вакууме. В реальной жизни есть огромное количество тонкостей, которые опускаются для упрощения, но рано или поздно дадут о себе знать. Вот примеры некоторых из них:
1. Собственная индуктивность и сопротивление проводников.
Отрезок провода длинной 1 метр обладает индуктивностью примерно 1 мкГ и ненулевым сопротивлением. А значит при высоких темпах нарастания тока (а для молний они как раз характерны) лишний запас провода может свести смысл защиты к нулю. Многие производители в своих руководствах явно указывают, что длина проводников от линии к клеммам устройства защиты должны быть максимально короткой, и в сумме не превышать 0,5 м. Вот наглядная картинка из руководства OBO BETTERMANN, как лишние 2 метра провода повлияли на защиту. Если УЗИП (оранжевый) срезает пришедший импульс до величины 1,5 кВ, то на проводниках падает дополнительно 2 кВ, и в итоге в нагрузку придет импульс напряжением 3,5 кВ.
Весьма изящным способом уменьшить влияние проводников является подключение вот таким образом:
Некоторые производители, для удобства монтажа вообще предусматривают двойные клеммы, например как на этом устройстве (отечественное кстати):
2. Сопротивление играет роль.
При токе разряда молнии в 50 кА, на проводнике с сопротивлением в 0,1 Ом при протекании тока создастся разница напряжения в 5 кВ. Поэтому УЗИП следует подключать максимально толстым проводником, не менее 6 мм2, даже если сама по себе линия 2,5 или даже 1,5 мм2. Если вы подключили УЗИП V-образно как на фото выше, то толстым у вас останется только заземляющий проводник.
4. Ставим автомат вместо предохранителя.
Если вы внимательно прочитаете документацию на устройства защиты от импульсных перенапряжений, то многие производители требуют установку предохранителей для защиты от короткого замыкания — если устройство выйдет из строя, оно может устроить короткое замыкание защищаемой линии на землю. И при таком сценарии лучше, если сгорит предохранитель и отключит устройство защиты от линии, чем это сделает вводной автомат обесточив нагрузку. Но см. п.1 — глупо сначала добиваться минимальной индуктивности проводников, чтобы затем воткнуть автоматический выключатель, внутри которого электромагнитный расцепитель в виде катушки индуктивности. В итоге автоматический выключатель будет работать как дополнительные виртуальные несколько метров провода (см п1) увеличивая напряжение импульса, дошедшего в нагрузку. И именно поэтому крайне желательно использовать именно предохранители. (это еще если не брать во внимание, что есть опасность что импульс тока в 10-50-100 кА вызовет спекание контактов в автомате)
5. УЗИП на базе варисторов имеют ток утечки.
Он небольшой, но при этом не нулевой. И тут здравый смысл отходит на второй план перед электросетевой компанией, которая имеет свое мнение на то, где должно быть установлено УЗИП. Так что может получиться так, что УЗИП вы поставите после счетчика. Но так как счетчик — собственность электросетевой компании, можете делать кулфейс когда после грозы сгорит счетчик и вам придут его менять.
6. Отсутствие контроля.
Представьте, что вы оснастили УЗИПами электрощит, который питает метеостанцию в безлюдном месте. Рядом прошла гроза, УЗИПы выполнили свою функцию, спасли начинку станции от повреждения, но погибли сами — их отключила защита. И получается ситуация, когда станция нормально работает, но при этом не имеет защиты, и следующая гроза может вывести ее из строя. Именно от таких неприятных ситуаций, существуют УЗИП с контактами, которые размыкаются/замыкаются, когда защита выходит из строя (например на фото УЗП-220 это контакты 4 и 5). В таком случае умерший УЗИП может подать сигнал в систему диспетчеризации, что пора высылать монтажника для замены защиты.
▍Акт восьмой. Практический.
Дочитавший до этого места наверняка уже задался вопросом — а зачем мне надо УЗИП и как его включать? Переходим к конкретике.
Если вы живете в частном доме и электричество в дом поступает по воздушной линии электропередач, то вам требуется УЗИП, причем класса I. (В некоторых случаях может хватить и II класса, но тут уже очень много «но») Если вы живете в многоквартирном доме, все инженерные системы которого в порядке, то в УЗИП не является устройством первой необходимости, но хуже не сделает. Типовая схема использования УЗИПов выглядит вот так (опять взял картинку из руководства OBO BETTERMANN:
Ввод слева. УЗИПы класса I располагаются сразу после вводного автомата (ну или после электросчетчика, если электросетевая компания желает) по одному на каждую фазу. Видно повторное заземление (5) и TN-C превращается в TN-C-S. Без заземления УЗИП не работает — куда ему отводить энергию импульса, кроме как в землю?
Внутри здания на промежуточном щите, например этажном, используются УЗИП класса II, которые подавят то, что смогло пройти через УЗИПы на вводе. Обратите внимание — между N и PE стоит УЗИП специально для этого предназначенный, так как в норме напряжение между N и PE невелико.
Ну и наконец рядом с потребителем ставится УЗИП класс III. У хорошо спроектированных устройств внутри уже предусмотрена производителем защита от перенапряжений.
▍Резюме:
Видео версия поста, не слово в слово, но близко к тексту, для тех кто любит слушать и смотреть:
▍Что еще почитать для углубления знаний:
1. Прежде всего нормативная документация. Говорим Окей, гугл, «Устройство молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций: Сборник документов. Серия 17. Выпуск 27» и внимательно изучаем, в сборнике собраны нормативные документы: Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87) и Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций (СО 153-34.21.122-2003) а также отдельно гуглим и смотрим ГОСТ Р МЭК 62305. Он состоит из большого количества частей, но ни один блогер в интернете не может быть выше нормативных требований.
2. Есть прекрасный сайт https://zandz.com Ребята не только записали вебинары с приглашенными специалистами сферы, но и сделали их стенограммы, так что можно быстро прочитать вместо просмотра видео. Все это великолепие они выложили бесплатно, но потребуется регистрация. Респект. Видеозаписи вебинаров у них на ютуб канале лежат и доступны без регистрации, например вебинары проф. Базеляна (https://www.youtube.com/watch?v=R-KbjRb4Yuw&list=PLjJ4-onvu94qpAA_zsCLkrTzJMBLXU0ns)
3. Неплохая статья на хабрахабре https://habr.com/ru/post/188972/
4. Многие производители выпускают руководства по проектированию — такая завуалированная реклама, где простым языком объясняются основы и заодно приводится выдержки из каталога оборудования, которое решает проблему. На русском языке есть прекрасное руководство от шнайдер электрик (https://www.se.com/ru/ru/download/document/MKP-CAT-ELGUIDE-19/), нас интересует раздел J, посвященный защите от перенапряжений. В нем все довольно просто, наглядно и точно.
5. Если вы владеете английским языком, то фирмы, производящие все для молниезащиты, выпустили замечательные руководства. Конечно с перекосом в свою продукцию, но как видите некоторые иллюстрации я позаимствовал у них. Это OBO BETTRMAN lightning protection guide, Dehn lightning protection guide.
Также хочу выразить благодарность Павлу, Денису, Евгению и Виктору за рецензирование черновика статьи.
Другие статьи цикла: Про предохранители, про автоматические выключатели, про УЗО, про выбор автоматического выключателя, про устройства защиты.