Автор: Denis Imsirovic, B.SC.E.E.
Перевод: Ирина Бедим

С давних времен люди были очарованы явлением молнии, но, к сожалению, они не смогли объяснить это. В настоящее время, в эпоху компьютеров и других чувствительных устройств, стало необходимо расширить технические возможности для успешной или полной защиты жизненно важных услуг.
1. Введение
Технологии развиваются большими шагами; поэтому устанавливаются аппараты в тех областях, где невозможно было себе представить некоторое время назад. Огромное количество информации используется по всему миру, которая должна быть правильно связана, быстрее передаваться и использовать максимально возможную защиту. Сегодня особенно в таких экономически и технически развитых странах мира нет возможности отказаться от этих требований. Защита от перенапряжения должна рассматриваться, как жесткий панцирь, который защищает устройства и людей от сильных внешних воздействий, таких как удар молнии, и предотвращения технологического и экономического ущерба. Перенапряжения вызваны следующими факторами:

• Атмосферные разряды в результате прямых попаданий в элементы конструкции или системы, или большие индуцированные напряжения в результате воздействия этих прямых попаданий
• Причиной перенапряжений являются коммутационные переходные процессы
• Неисправности в распределительных системах, таких как линия-земля, или падение мощности и низкое напряжение линий связи
• Ошибки регулирования мощности, которые могут возникать вблизи крупных промышленных потребителей энергии или вблизи электрифицированных железнодорожных систем

Рисунок 1: Соотношение разных причин повреждений

2. Установка защиты от перенапряжений
Изготовитель может производить очень качественный продукт, но в случае, если устройство защиты от перенапряжений неправильно установлено в систему, нет никакой уверенности в надлежащей защите. Различные типы устройств защиты от перенапряжений используются в соответствии с различными системами сети, поэтому очень важно убедиться, что устройство защиты от перенапряжений выбрано правильно и согласовано с типом энергосистемы в использовании и любой перегрузки по току установленных защитных устройств. Для достижения максимального уровня защиты, следующие пункты должны быть рассмотрены:

• правильный выбор устройства защиты от перенапряжений в соответствии с системой сети;
• создавать больше уровней защиты;
• учитывать длину проводников заземления;
• определить уровень защиты напряжений.

2.1. Различные типы импульсов и токов
Перед тем как начать писать на бумаге, определите и даже обсудите тему перенапряжений, определив необходимые предположения. Моделирование коротких пиков перенапряжений и атмосферных разрядов требует точного определения кратковременных токовых пиков и кратковременных пиков напряжения. Стандарт IEC 61643 описывает три типа импульсов:

• энергия импульсного тока 10/350,
• импульсный ток 8/20,
• импульсное напряжение 1,2/50.

Энергия импульсного тока 10/350, Iimp
Прямые удары могут быть смоделированы энергией импульсного тока 10/350. Это также используется для определения текущего Iimp, что может соответствовать стандарту IEC 61643, применяемого как энергия импульсного тока для тестирования устройств защиты от перенапряжений класса I. В соответствии со стандартом время 10 мкс является временем нарастания энергии импульсного тока от 10% до 90 % от значения, в то время как 350?s – это время спада от 90% до 50% от значения. Стандарт также позволяет 20% отклонения.
Ток импульсный 8/20, In и Imax
Непрямые удары могут быть смоделированы импульсным током 8/20. Это используется для определения In и Imax и оба тока в соответствии со стандартом IEC 61643 могут быть использованы, как импульсный ток для тестирования устройств защиты от перенапряжений класса II. Максимальный ток Imax представляет двойное значение номинального тока In или в соответствии с различными техническими данными производителя. В соответствии со стандартом время 8 мкс является временем нарастания импульсного тока от 10% до 90% от значения, в то время как 20 мкс – это время спада от 90% до 50% от значения. Стандарт также позволяет 20% отклонения.
Импульсное напряжение 1,2/50, Uoc
Устройства защиты от перенапряжения класса III испытываются в соответствии со стандартом IEC 61643 при помощи совмещения волн, напряжения 1,2/50 и тока 8/20. Совмещенная волна подается генератором, который использует 1,2/50 импульсное напряжение в разомкнутой цепи и 8/20 импульсный ток в замкнутой. Импульсное напряжение определяется, как Uoc и ток при замкнутой цепи, как Isc. Стандарт определяет время 1,2 мкс, как время нарастания импульсного напряжения от 30% до 90% от значения, в то время как 50 мкс является временем спада от 90% до 10% от значения. Стандарт позволяет 20% отклонения также.

Рисунок 2: Разница между формой волн 10/350 и 8/20 Рисунок 3: Волна 8/20

На рисунке выше (рис. 2) показана разница между формами волн импульсного тока 10/350 и 8/20. Площади измерения для кривой может быть представлена, как энергия удара. Согласно уравнению энергии или интегралу Джоуля можно сделать несложный расчет для доказательства того, что энергия при прямом ударе намного выше.
Расчет:

2.2. Определение защитного уровня напряжений, Up
Вверх, защитный уровень напряжений, который появляется на выводах устройств защиты от перенапряжений при наличии импульса точной формы и амплитуды. Главное правило подключения устройства защиты от перенапряжений – это монтировать и подключать его между фазой и землей проводника (PE или PEN) или параллельно охраняемому элементу, как показано на рисунке ниже (рис. 5). Когда появляется атмосферный разряд или короткий пик напряжений, предварительные характеристики установленного варистора изменяют форму и разрядник идет на проведение этапа. Реакция может быть представлена, как замыкание переключателя и лишний ток идет в землю. Установленный варистор – это нелинейный резистор и при нормальных условиях он имеет очень большое сопротивление, при коротком пике напряжения или атмосферном разряде ситуация становится обратной, это означает низкое сопротивление и проведение этапа – всю избыточную энергию приводит к земле.

Рисунок 4: Уровень напряжения без разрядникомРисунок 5: Уровень напряжения с разрядником

Целью защиты от перенапряжений является достижение более низкого значения уровня напряжения как диэлектрической прочности охраняемого оборудования. В соответствии со стандартом IEC 61643 устройства делятся на четыре группы-категории. Диэлектрическая прочность должна даваться каждым производителем.

Таблица 1: Диэлектрическая прочность в зависимости от категории

2.3. Правильная длина проводников заземления
Основной причиной нерегулярной функции элементов защиты от перенапряжений является неучет длины заземляющего проводника PE, PEN. Длина проводников влияет на дополнительное индуктивное падение напряжения следующим образом: проводник длиной 1 м имеет индуктивность примерно 1?H, что при токе крутизны 1kA/?s обеспечивает приблизительно 1 кВ. Разность напряжения, которая возникает из-за дополнительной длины проводника, должна рассматриваться вместе с разрядниками Up уровня напряжения, при достижении должного результата.

Рисунок 6: Дополнительные индуктивные напряжения

Поэтому устройства защиты от перенапряжения должны быть установлены с уменьшенным значением длины проводников связанных между зажимами фазы и земли.
Пример ниже (рисунок 7) демонстрирует правильный способ монтажа и максимальную длину проводника. Сечение заземляющего проводника должно соответствовать:

• Класс I: минимальное 16мм2,
• Класс II, III: минимальный 6мм2.

Рисунок 7: Правильная установка и максимальная длина проводника

2.4. Защита зон и создание более высокого уровня защиты
Защита зон и точки пересечения защиты зон, где установлена защита от перенапряжений, предусмотрены заводом-изготовителем. Защита зон делится на три уровня.
Места или точки подключения: MB, SB в SA.

Рисунок 8: Защита уровня

В точке MB (главного распределительного щита), которая находится на пересечении OB/1 и подлежит частичным прямым ударам молнии, должны быть установлены устройства защиты от перенапряжений класса I. Устройства защиты от перенапряжения класса I предназначены для импульсов тока разрядника 10/350 мкс. В точке SB (подплате распределения), которая находится на пересечении 1/2 и подлежит непрямым ударам молнии, должны быть установлены устройства защиты от перенапряжений 2 класса. Устройства защиты от перенапряжения класса II предназначены для импульсов тока разрядника 8/20 мкс. В точке SA (розетка), которая находится на пересечении 2/3 и подлежит непрямым ударам молнии, должны быть установлены устройства защиты от перенапряжений III класса. Устройства защиты от перенапряжения класса III предназначены для комбинированных импульсов напряжений 1,2/50 и импульсов тока 8/20. Разрядники класса III используются, когда для защиты предназначено очень чувствительное оборудование, с диэлектрической прочностью IV категории и устанавливается всегда за разрядники класса I, II. Когда вторичный или каскадный уровень защиты был выбран, изготовитель должен предоставить таблицу Up значений.

Рисунок 9: Схема характерных значений Up (кВ) в зависимости от тока (кА)

2.5. Правильная установка защиты в соответствии с сетевыми системах
Для правильной установки устройство защиты от перенапряжений должно быть установлено в системе между фазой (L) и заземляющим проводником (PEN, PE). В TN-S и ИТ-системах устройства защиты от перенапряжений должны быть установлены между нейтралью N и заземляющим проводником PE. В системах TT действует специальное правило: газоразрядная трубка должна быть установлена между нейтралью N и заземляющим проводником PE. Газоразрядная трубка необходима в случае соединения фаза-земля, высокий потенциал передается на землю и корпус аппарата, который не подключен к такому же потенциалу, могут представлять риск для жизни человека. Установка газоразрядных трубок достигает гальванической развязки между проводниками и разрывом электрической цепи в первом периоде. Рисунок 10: TNC-S системы связи Рисунок 11: TNS системы связи Рисунок 12: TT системы связи Рисунок 13: IT системы связи
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для достижения максимальной защиты от перенапряжений оборудования, по крайней мере, указанные выше параметры должны быть рассмотрены. Тема защиты от перенапряжений с каждым днем ближе к нашей жизни, из-за человеческой природы, которая является одной из причин, так что короткие пики напряжения появляются все больше и больше в наших домах.Дело в том, что LV разрядники перенапряжения представляют большой бизнес-потенциал, потому что некоторые из стран уже приняли постановление, что каждая новая электроустановка должна включать защиту от перенапряжения.