УЗИП как средство защиты от коммутационных перенапряжений

Импульсные перенапряжения характеризуются микросекундной (реже – наносекундной) длительностью и высокой амплитудой, превышающей двукратное значение максимально допустимого рабочего напряжения. Причиной возникновения импульсных перенапряжений являются молниевые разряды и процессы коммутации в электрических сетях с номинальным напряжением как 0,4 кВ, так и в сетях с напряжением выше 1 кВ. Если удары молнии – явление сезонное и довольно редкое, то переключения оборудования происходят круглогодично с частотой от ежесекундных до ежедневных. Поэтому внимание к вопросу защиты оборудования от воздействия импульсных перенапряжений не должно ослабевать вне зависимости от времени года.

Коммутационные перенапряжения – «внутренние», создаются самой сетью и, в отличие от атмосферных, они, как правило, менее разрушительны, поскольку напряжение и ток у них ниже. Однако коммутационные перенапряжения нередко носят повторяющийся характер, вероятность их возникновения выше, а продолжительность может быть намного больше, чем продолжительность грозового перенапряжения. Эти факторы в совокупности определяют высокий риск преждевременного старения и выхода из строя оборудования.

Коммутационные перенапряжения возникают при быстрых изменениях режимов работы сети, сопровождающихся высокочастотными переходными процессами в коммутируемых устройствах и соединенной с ними сети. Поскольку любой элемент сети обладает распределенной или сосредоточенной емкостью и индуктивностью, то в образованном этими элементами колебательном контуре при переключениях возбуждаются высокочастотные колебания. В некоторых случаях опасные помехи будут возникать при отключении оборудования, в некоторых – при включении.

Помехи, вызванные коммутациями высоковольтного оборудования в первичной сети (т.е. в сети, в которой непосредственно происходит переключение), через различные механизмы связи (гальванический, индуктивный, емкостной) передаются во вторичные цепи и воздействуют на входы промышленной и бытовой аппаратуры. Особенно опасны перенапряжения, воздействующие на незащищенные информационные цепи, проложенные параллельно силовым цепям.


Перенапряжения при коммутациях высоковольтного оборудования

В процессе работы энергосистемы часто приходится менять ее схему путем включения или отключения отдельных линий как в плановом, так и в аварийном порядке. Практически каждая коммутация линии сопровождается высокочастотными переходными процессами, приводящими к перенапряжениям.

Коммутационные перенапряжения возникают при отключении короткого замыкания в сети, коммутациях электротехнических устройств, работа которых сопровождается генерацией магнитного поля – реакторов, трансформаторов, генераторов, двигателей, а также при отключении конденсаторных батарей, дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью и в ряде других случаев.

Наибольшие по амплитуде перенапряжения будут возникать при коммутациях «быстрыми» элегазовыми и вакуумными выключателями, в которых ток рвется быстро.

Наибольшие по длительности перенапряжения возникают, как правило, при переключении разъединителями (хотя такие коммутации проводить не рекомендуется, однако, не всегда это оказывается возможным).

Следствием коммутаций оборудования выше 1 кВ будут не только перенапряжения в высоковольтной сети, но и перенапряжения во вторичных цепях, в первую очередь в цепях трансформаторов напряжения и тока, а также в цепях собственных нужд 0,4 кВ подстанций (рисунки 1–2).


Рисунок 1 – Перенапряжения в цепях трансформатора напряжения при переключениях элегазового выключателя 330 кВ на подстанции.
Напряжение помех ~1,5 кВ, частота - единицы МГц


Рисунок 2 – Перенапряжения в цепях трансформатора напряжения при переключениях выключателя 10 кВ на подстанции.
Напряжение помех ~2,7 кВ, частота – десятки МГц

Перенапряжения при коммутациях на стороне потребителя

Оборудование на стороне потребителя 230/400 В также может являться причиной коммутационных перенапряжений.

Перенапряжения возникают при отключении устройств защиты (плавких предохранителей, выключателей), отключении или включении аппаратуры управления (реле, контакторов), пуске или останове мощных двигателей. Коммутационные переходные процессы, сгенерированные выключателями и переключателями в пределах электроустановки потребителя, воздействуют на электрооборудование без существенного затухания, причем амплитуда этих перенапряжений относительно высока – порядка (0,5–4,5) кВ.

По сути источниками коммутационных перенапряжений могут быть любые устройства, имеющие в своем составе катушку, конденсатор или трансформатор на входе питания. В быту к таким устройствам относятся электропечи, фильтры, вентиляторы, компрессоры в холодильниках, стиральные и посудомоечные машины, пылесосы, дрели и т.д (рисунок 3). Коммутация подобных реактивных нагрузок, так же, как и пробои изоляции в силовых питающих кабелях вызывают колебательный процесс в сети 0,4 кВ.

Из-за переходных процессов будет повреждаться или деградировать электронная аппаратура, если она расположена в цепи силового коммутационного оборудования. Так, например, контроллеры для управления котельным оборудованием, насосами, системами отопления, различными двигателями, коммутируемые выключателем вместе с силовым оборудованием, многократно подвергаются воздействию импульсных перенапряжений.

Для промышленных систем, где короткое замыкание не является редким случаем, опасны срабатывания предохранителей на вводе питания – перенапряжения, возникающие при резком обрыве тока, влияют на все оборудование, соединенное с распределительной шиной.

Рисунок 3 – Коммутационные перенапряжения, вызванные штатной работой бытовой техники (дрель, пылесос)

Испытания оборудования звенящей волной

Оборудование, получающее питание от общественных сетей и сетей промышленных предприятий, обладает определенной помехоустойчивостью к воздействию перенапряжений, возникающих в низковольтных силовых линиях и линиях управления и сигнализации. Соответственно, существуют методы, уровни и критерии испытаний этого оборудования для определения возможности его работы в той электромагнитной обстановке, которая соответствует жилым, коммерческим, промышленным зонам и специальным объектам, таким как электростанции и подстанции.

Коммутационные перенапряжения при испытаниях оборудования моделируются «звенящей» (или круговой) волной (раньше в отечественных ГОСТ этот вид волны назывался «колебательная затухающая помеха», КЗП), которая представляет собой затухающий колебательный импульс с резким фронтом длительностью от 10 нс до долей микросекунды и общей продолжительностью колебаний 50–100 мкс. В качестве типичной определена звенящая волна со временем нарастания 0,5 мкс и частотой колебаний 100 кГц (рисунок 4, а). 

Рисунок 4 – Форма звенящей (круговой) волны 100 кГц


 Амплитуда напряжения, которым испытывается аппаратура (Рк1 на рисунке 4, б), соответствует уровням жесткости испытаний, применимых к портам электропитания, сигнальным портам и портам управления. Параметры испытаний на устойчивость к коммутационным перенапряжениям должны быть указаны в технической документации на продукцию. Если к аппаратуре не предъявляется обязательных требований, то предпочтительные испытательные уровни следует выбирать в соответствии с таблицей 1. Как правило, минимальный уровень испытаний 1 выбирается для техники, порт электропитания которой подключен к защищенному источнику, а максимальные уровни 3 и 4 – для оборудования, порт электропитания которого подключен к источнику электроснабжения промышленных предприятий или электрических станций и подстанций.

Таблица 1 – Испытательные уровни для звенящей волны и критерии выбора в зависимости от условий применения оборудования

В большинстве случаев, однако, бытовая аппаратура и большая часть промышленной аппаратуры не испытывается на устойчивость к коммутационным перенапряжениям. Такие испытания проводятся применительно к оборудованию электрических станций и подстанций согласно требованиям ГОСТ 51317.6.5, где устойчивость к коммутационным помехам ограничивается уровнем 2,5 кВ (таблица 2). Для бытовой и промышленной аппаратуры уровни устойчивости ниже, и следует ожидать, что устойчивость к коммутационным перенапряжениям такой аппаратуры будет лежать в диапазоне (0,5–2) кВ.

Остальные стандарты в области электромагнитной совместимости регламентируют испытания аппаратуры на помехоустойчивость только в отношении наносекундных (НИП) и микросекундных (МИП) импульсных помех (таблица 2).

Таблица 2 – Требования стандартов к уровню помехоустойчивости в зависимости от области применения оборудования

Фактические параметры коммутационных перенапряжений

Параметры коммутационных перенапряжений зависят от схемы и режима сети, типа коммутационной операции (замыкание, размыкание, повторное включение), нагрузки, типа автоматического выключателя или предохранителя, наличия устройств ограничения перенапряжений и других факторов. На рисунке 5 приведена простая RLC-цепь при подключении нагрузки, типичный переходной процесс, связанный с этим подключением, и реальные осциллограммы коммутационных перенапряжений в сети 0,4 кВ.

Частота колебания импульса коммутационного перенапряжения обычно находится в пределах нескольких сотен килогерц – единиц мегагерц, время достижения максимума обычно лежит в диапазоне 0,01–0,5 мкс. Величина перенапряжения может достигать нескольких киловольт, при этом более высокие значения возникают при коммутации индуктивных (двигатели, преобразователи) или емкостных нагрузок, а также при отключениях токов коротких замыканий.

Рисунок 5 – Перенапряжения при коммутации цепи RLC в сети 0,4 кВ



В таблице 3 приведены значения коммутационных импульсных напряжений для сетей низкого, среднего и высокого напряжения с вероятностью превышения не более 5% согласно ГОСТ 32144-2013. По данным таблицы 3 можно сделать вывод, что для сети 0,4 кВ при стойкости оборудования 4,5 кВ каждая 20-я коммутация приведет к пробою. При фактической стойкости аппаратуры (0,5–2,0) кВ вероятность превышения критического уровня перенапряжения составит уже порядка (15–20)%, что приведет к увеличению частоты повреждений оборудования при отсутствии защиты.

Таблица 3 – Величина коммутационных импульсных перенапряжений

Следует отметить, что даже если уровень перенапряжения не превышает уровень помехоустойчивости оборудования, то многократное воздействие помех может приводить к незаметной деградации как изоляции кабелей, так и входных элементов аппаратуры. Изоляция и элементы будут ускоренно «стареть», что, в итоге, приведет к уменьшению срока службы техники.

Защита от коммутационных перенапряжений

Устройства защиты оборудования и сетей в условиях грозовых и коммутационных перенапряжений можно разделить на две группы. К первой группе относятся устройства последовательной защиты – сетевые фильтры, реле и стабилизаторы напряжения, которые защищают электронную технику от относительно «медленных» перепадов напряжения, но не способны подавлять «быстрые» импульсные коммутационные перенапряжения во всем диапазоне частот и бессильны против мощных грозовых воздействий. Для надежной защиты от всех видов импульсных перенапряжений устанавливаются устройства параллельной защиты – УЗИП (устройства защиты от импульсных перенапряжений), которые могут использоваться в любых сетях до 1000 В переменного тока и до 1500 В постоянного тока (в сетях выше 1000 В применяются аналогичные устройства – разрядники, ОПН). УЗИП, содержащие нелинейные рабочие элементы на базе разрядников или варисторов, является радикальным, а в некоторых ситуациях и единственно возможным средством ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений.

В большинстве случаев коммутационные перенапряжения менее опасны, чем грозовые, поэтому УЗИП, выбранное для защиты от воздействий молнии, также эффективно при коммутационных воздействиях. Согласно ГОСТ IEC 61643-11 и IEC 61643-21 силовые и информационные УЗИП подвергаются испытаниям стандартным грозовым импульсом формой 1,2/50 мкс, близким по параметрам к импульсу звенящей волны, что позволяет рассчитывать на эффективное применение УЗИП для защиты не только от грозовых, но и коммутационных перенапряжений.

Однако зачастую источники коммутационных перенапряжений располагаются намного ближе к чувствительному оборудованию, чем УЗИП, установленные во вводных щитах для ограничения грозовых воздействий. В таком случае рекомендуется дополнительное УЗИП, которое устанавливается вблизи источника коммутационных помех. Так, применительно к жилым и общественным зданиям нормативной документацией регламентируется установка силового УЗИП (I или I+II класса) в блоках ввода ВРУ после вводного выключателя. Если при этом потенциально опасные коммутационные перенапряжения могут возникать внутри зданий, то рекомендуется дополнительное УЗИП (II, III или II+III класса).

В случае отсутствия защиты от воздействий молнии УЗИП для защиты от коммутационных перенапряжений рассматривается как самостоятельное средство и монтируется как можно ближе к источнику помех.

При нормальной работе системы или в аварийных режимах возможно возникновение временных перенапряжений, которые следует отличать от коммутационных. УЗИП предназначены для защиты от последствий ударов молнии и коммутационных импульсов, и не способны длительно рассеивать энергию временных перенапряжений. Поэтому при выборе максимального рабочего напряжения УЗИП для конкретной установки должны быть учтены ожидаемые значения и вероятность возникновения временных перенапряжений. Так, максимальное длительное напряжения УЗИП (U_с) должно быть больше ожидаемого максимального напряжения в сети, а параметр U_TOV (выдерживаемое УЗИП временное перенапряжение) – должен превышать ожидаемое временное перенапряжение в сети.

 

Заключение

Коммутационные перенапряжения возникают как вне установок потребителя, распространяясь по линии электроснабжения 0,4 кВ, так и на стороне потребителя при коммутациях нагрузки, генерирующей эти перенапряжения.

В большинстве случаев за любой коммутационной операцией или отключением короткого замыкания в электрической установке следует переходный процесс, сопровождающийся перенапряжениями. Величина коммутационных перенапряжений зависит от многих параметров и может превышать уровень стойкости изоляции силовой и слаботочной аппаратуры, ограниченный, как правило, (0,5–2,0) кВ.

Для ограничения всех видов импульсных перенапряжений применяются устройства защиты – УЗИП. Соблюдение требований по защите от грозовых перенапряжений с помощью УЗИП обеспечивает, как правило, также защиту от коммутационных перенапряжений. Однако если УЗИП, выбранное для защиты от воздействий молнии, установлено во вводном щите, то для защиты оконечной аппаратуры и техники от коммутационных помех необходимо использовать дополгнительное УЗИП II или III класса. Если защита от воздействий молнии не требуется, то УЗИП обычно применяются как самостоятельное средство для защиты от коммутационных перенапряжений.

 

Список литературы:

1.     ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

2.     ГОСТ IEC 61000-4-12-2016 Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-12. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к звенящей волне.

3.     ГОСТ Р 55630-2013 Перенапряжения импульсные и защита от перенапряжений в низковольтных системах переменного тока.

4.     ГОСТР 50571.4.44-2019 Электроустановки низковольтные. Часть 4.44. Защита для обеспечения безопасности. Защита от резких отклонений напряжения и электромагнитных возмущений.

5.     ГОСТ IEC 61643-12-2022 Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные. Часть 12. Устройства защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Принципы выбора и применения.

6.     ГОСТ 32396-2021 Установки вводно-распределительные для жилых и общественных зданий. Общие технические условия.

7.     ГОСТ 30804.6.1-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в жилых, коммерческих зонах и производственных зонах с малым энергопотреблением. Требования и методы испытаний.

8.     ГОСТ 30804.6.2-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах. Требования и методы испытаний.

9.     ГОСТ Р 51317.6.5-2006 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний.

10. Халилов Ф.Х. Классификация перенапряжений. Внутренние перенапряжения. Ученое пособие. Издание НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», Санкт-Петербург, 2012.