Устройство для защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): классификация, требования, предпочтительные значения

Устройство для защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) (Surge Protective Device (SPD) — это устройство, предназначенное для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсных токов.

УЗИП является укомплектованным устройством с собственными средствами присоединения и это устройство содержит по крайней мере один нелинейный элемент.

Информация в этой статье полностью соответствует нормативной документации [1] и [2].

Пример УЗИП
Пример УЗИП

Классификация

Изготовители должны классифицировать УЗИП по следующим параметрам:

1. По числу вводов:

  • Одновводные;
  • Двухвводные.

Одновводное УЗИП (one-port SPD): УЗИП без последовательно включенного полного сопротивления между выводами.

Двухвводное УЗИП (two-port SPD): УЗИП с включенным последовательно между отдельными вводным и выводным выводами специальным полным сопротивлением.

2. По виду конструкции УЗИП:

  • Коммутирующие напряжение;
  • Ограничивающие напряжение.

3. По классу испытаний I, II и III.

4. По местоположению:

4.1. УЗИП для внутренней установки.

  • УЗИП, предназначенные для установки в оболочке и/или внутри зданий или под навесами;
  • УЗИП, установленные в наружных оболочках или под навесами, считают предназначенными для внутренней установки.

4.2. УЗИП для наружной установки.

УЗИП, предназначенные для применения без оболочек, вне зданий и не под навесами (например, в низковольтных воздушных линиях электропередач).

5. По доступности:

5.1. Доступные УЗИП.

УЗИП, которые могут быть полностью или частично доступны для прикосновения неквалифицированному персоналу при открывании без помощи инструмента крышек или оболочек уже смонтированных УЗИП.

5.2. Недоступные УЗИП.

УЗИП, которые не могут быть доступны для прикосновения неквалифицированному персоналу ввиду их установки вне доступа (например, на воздушных линиях электропередач) или размещения в оболочках, которые можно открыть только с помощью инструмента.

6. По способу установки:

  • Стационарные.
  • Переносные.

7. Разъединители (включая защиту от сверхтока):

7.1. По местоположению:

  • внутренние;
  • внешние;
  • внутренние и внешние.

7.2. По защитным функциям:

  • с тепловой защитой;
  • с защитой от токов утечки;
  • с защитой от сверхтока.

8. По степеням защиты, обеспечиваемая оболочками согласно кодам IP, указанным в IEC 60529.

9. По диапазону температуры и влажности:

  • с нормальным диапазоном;
  • с расширенным диапазоном.

10. По системе питания:

  • переменного тока частотой от 48 до 63 Гц;
  • переменного тока частотой вне диапазона от 48 до 63 Гц, что может потребовать дополнительных или измененных методик испытаний.

11. Многополюсные УЗИП.

12. При поведении УЗИП при повреждении:

  • размыкание цепи (УЗИП стандартного типа);
  • короткое замыкание (УЗИП короткозамкнутого типа).

Предпочтительные значения для УЗИП

Предпочтительные значения – это значения, наиболее часто применяемые на практике. В зависимости от реальных условий они могут быть выше или ниже.

Предпочтительные значения импульсного тока Iimp для испытаний класса I:

  • Iimp – 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 12,5; 20,0 и 25,0 кА;
  • Q (заряд) – 0,5; 1,0; 2,5; 5,0; 6,25; 10,0 и 12,5 А·с;
  • W/R – 0,25; 1,0; 6,25; 25,0; 39,0; 100,0 и 156,0 кДж/Ом.

Удельная энергия W/R для испытания класса I (specific energy W/R for class I test): Энергия выделяемая импульсным током Iimp на единицу сопротивления 1 Ом.

Предпочтительные значения номинального разрядного тока (In) для испытаний класса II: 0,05; 0,10; 0,25; 0,50; 1,00; 1,50; 2,00; 2,50; 3,00; 5,00; 10,00; 15,00 и 20,00 кА.

Предпочтительные значения напряжения разомкнутой цепи Uос для испытаний класса III: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 10,0 и 20,0 кВ.

Предпочтительные значения уровня напряжения защиты Up : 0,08; 0,09; 0,10; 0,12; 0,15; 0,22; 0,33; 0,40; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 0,90; 1,00; 1,20; 1,50; 1,80; 2,00; 2,50; 3,00; 4,00; 5,00; 6,00; 8,00 и 10 кВ.

Предпочтительные значения максимального длительного рабочего напряжения Uc действующего значения тока: 45; 52; 63; 75; 85; 95; 110; 130; 150; 175; 220; 230; 240; 255; 260; 275; 280; 320; 335; 350; 385; 400; 420; 440; 460; 510; 530; 600; 635; 660; 690; 800; 900; 1000; 1500; 1800 и 2000 В.

Требования

Идентификация.

Изготовитель должен предусмотреть минимум следующей информации, в том числе:

а) маркировка, обязательная для нанесения на корпус или на таблички постоянного крепления к корпусу УЗИП:

1) наименование изготовителя или торговая марка и номер модели;

2) максимальное длительное рабочее напряжение Uc (по одному значению для каждого вида защиты);

3) род тока: а.с. или “~” и/или частота;

4) классификация испытаний и параметры разряда для каждого вида защиты, заявленные изготовителем, обозначаемые и маркируемые одно за другим следующим образом:

– для испытания УЗИП класса I: “испытания класса I”, “Iimp” и значение тока в кА, и/или (Т1 в прямоугольнике), “Iimp” и значение тока в кА;

– для испытания УЗИП класса II: “испытания класса II”, “In” и значение тока в кА, и/или (Т2 в прямоугольнике), “In” и значение тока в кА;

– для испытания УЗИП класса III: “испытания класса III”, “Uос” и значение напряжения в кВ, и/или (Т3 в прямоугольнике), ” Uос” и значение напряжения в кВ;

5) уровень напряжения защиты Up (по одному значению для каждого вида защиты);

6) степень защиты, обеспечиваемой оболочкой по коду IP, если св. IP20;

7) идентификация выводов или проводов (если не идентифицированы иначе на устройствах);

8) номинальный ток нагрузки IL для двухвводных УЗИП или одновводных УЗИП с раздельными вводными и выводными выводами.

Если недостаточно места для размещения всей вышеуказанной маркировки, достаточно будет нанести на УЗИП наименование изготовителя или торговую марку и номер модели, а оставшаяся маркировка переносится в инструкцию по монтажу.

Если УЗИП классифицировано более чем по одному классу испытаний (например, испытанию класса I (Т1) и испытанию класса II (Т2)), то проводят испытания по всем заявленным классам. Если в этом случае изготовитель установил один уровень защиты, то маркируют наивысший уровень защиты;

b) информация, предоставляемая с поставляемым изделием:

1) местоположение;

2) число вводов;

3) способ установки;

4) номинальный ток короткого замыкания ISCCR (за исключением случаев, указанных в 7.2.5.3 ГОСТ IЕС 61643-11-2013);

5) параметры и характеристики внешних разъединителей (если требуется);

6) указатель действия разъединителя (при наличии);

7) направление нормальной установки, если имеет значение;

8) инструкции по монтажу:

– типы систем низкого напряжения (TN, ТТ, IT);

– предусмотренное соединение (между фазой и нейтралью, фазой и землей, нейтралью и землей, между фазами);

– паспортное напряжение системы переменного тока и максимальный допустимый уровень регулировки напряжения, на которое рассчитано УЗИП, механические размеры, длина проводников и т.д.;

9) диапазон температуры и влажности;

10) номинальная отключающая способность сопровождающего тока Ifi (кроме случая ограничивающих УЗИП);

11) остаточный ток Ipe;

12) номинальный импульсный ток перехода Itrans для УЗИП короткозамкнутого типа;

13) минимальное расстояние от любой заземленной проводящей поверхности до местоположения УЗИП;

14) Imax (не обязательно);

c) информация, содержащаяся в спецификации на изделие:

1) номинал временного перенапряжения UT, и/или типы систем питания УЗИП (согласно приложению В) и соответствующие схемы соединений;

2) суммарный разрядный ток ITotal для многополюсных УЗИП (если установлен изготовителем) и соответствующий класс испытаний;

3) падение напряжения для двухвводных УЗИП;

4) устойчивость к импульсным перенапряжениям со стороны нагрузки для двухвводных УЗИП (если установлена изготовителем);

5) сведения о заменяемых элементах (индикаторы, предохранители и т.д., если имеются);

6) скорость возрастания напряжения по времени du/dt, если установлена изготовителем;

7) коэффициент тока k, если иной, чем в таблице 20 ГОСТ IЕС 61643-11-2013;

8) виды защиты (для УЗИП, имеющих более одного вида защиты);

d) информация, предоставляемая изготовителем для типовых испытаний:

1) наличие коммутирующих составляющих (см. приложение С ГОСТ IЕС 61643-11-2013);

2) сопровождающий ток, ожидаемый во время предварительной обработки (500 А или >500 А, см. приложение С ГОСТ IЕС 61643-11-2013);

3) если в цепи индикатора состояния используются не сертифицированные компоненты, имеющие индивидуальные параметры, изготовитель должен предоставить соответствующие стандарты, позволяющие этим компонентам участвовать в испытаниях;

4) изоляция и электрическая прочность изоляции раздельных цепей;

5) ожидаемый ток короткого замыкания для предварительной обработки согласно 8.3.5.3.2 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Соответствие проверяют осмотром.

Маркировка.

Маркировка должна быть нестираемой и четкой и не должна наноситься на винты и съемные детали.

Примечание – Втычной модуль УЗИП не считают съемной деталью.

Соответствие проверяют испытанием по 8.2 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Требования к электрической части.

Защита от прямого прикосновения.

Эти требования применимы к доступным УЗИП, если максимальное длительное рабочее напряжение Uc превышает 50 В (действующее значение).

Для защиты от прямого прикосновения (недоступность токоведущих частей) УЗИП должно иметь такую конструкцию, чтобы его токоведущих частей нельзя было коснуться, когда УЗИП установлено для назначенной эксплуатации.

УЗИП, кроме классифицируемых исключительно для недоступного монтажа, должны иметь такую конструкцию, чтобы после монтажа и присоединения как для нормальной эксплуатации токоведущие части не были доступны даже после снятия деталей, снимаемых без помощи инструмента.

Соединение между заземляющими выводами и всеми присоединяемыми к ним доступными частями должно иметь низкое сопротивление.

Соответствие проверяют испытаниями по IEC 60529 и 8.3.1 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Остаточный ток Ipe.

Для всех УЗИП, снабженных выводом для защитного проводника, остаточный ток Ipe должен измеряться, когда выводы УЗИП соединены с источником питания при контрольном испытательном напряжении UREF, указанном изготовителем.

Соответствие проверяют испытанием по 8.3.2 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Уровень напряжения защиты Up.

Измеренное предельное напряжение УЗИП не должно превышать уровня напряжения защиты, установленного изготовителем.

Соответствие проверяют испытанием по 8.3.3 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Рабочий режим.

УЗИП должно быть способно выдерживать без недопустимого изменения характеристик заданные разрядные токи при подаче максимального длительного рабочего напряжения Uc.

Соответствие проверяют испытанием по 8.3.4 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Разъединители и индикаторы состояния.

– Разъединители УЗИП.

УЗИП должны иметь разъединители (наружные, либо внутренние или их комбинации), кроме УЗИП, предназначенных для подсоединения N-PE в системах TN и/или ТТ. Их функционирование должно контролироваться соответствующими индикаторами состояния.

Применение индикаторов в ходе и после некоторых типовых испытаний отражено в таблице 3 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

В таблице 3 приведена информация о включении разъединителей в некоторые типовые испытания. Требуемое поведение разъединителей в ходе и после некоторых типовых испытаний приведено по соответствию критериям F, G, Н, J по таблице 4 и проверяется испытаниями по 8.3.5 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

– Тепловая защита.

УЗИП должны быть защищены от перегрева при выходе из строя или перенапряжении. Такие испытания не проводят на УЗИП, содержащих только коммутирующие компоненты и/или ЛПУ.

Соответствие проверяют испытанием по 8.3.5.2 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

– Поведение при коротком замыкании.

УЗИП должно либо отказать, не создав опасных условий, либо выдержать ожидаемые токи короткого замыкания, которые могут возникнуть в системе питания при повреждении УЗИП.

Соответствие проверяют испытанием по 8.3.5.3, 8.3.5.3.1 и 8.3.5.3.2 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Испытание по 8.3.5.3.1 ГОСТ IЕС 61643-11-2013 проводят только в том случае, если установленная номинальная отключающая способность сопровождающего тока Ifi менее, чем испытательный ток.

Эти испытания не проводят на УЗИП, классифицируемых для наружной установки и недоступного монтажа, а также для УЗИП, предназначенных для подсоединения N-PE в системах TN и/или ТТ.

– Индикаторы состояния.

Изготовитель должен предоставить информацию о порядке функционирования индикатора и предпринимаемых действиях при изменении индикации состояния.

Индикатор состояния может состоять из двух частей (одна из которых является незаменяемой), соединенных элементом связи, который может быть механическим, оптическим, звуковым, электромагнитным и т.д. Незаменяемая часть индикатора состояния должна быть способна к срабатыванию не менее 50 раз.

Примечание – Действие элемента связи, который управляет незаменяемой частью индикатора состояния, может быть имитировано не действием звена заменяемой части УЗИП, а другим способом, например автономным электромагнитом или пружиной.

Если на индикацию применяемого типа имеется конкретный стандарт, то незаменяемая часть индикатора состояния должна отвечать требованиям этого стандарта, при этом индикатор состояния должен быть испытан на 50 операций срабатывания.

Сопротивление изоляции.

Сопротивление изоляции УЗИП должно быть достаточным с точки зрения защиты от токов утечки и прямого прикосновения.

Соответствие проверяют испытанием по 8.3.6 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Электрическая прочность изоляции.

Электрическая прочность изоляции должна быть достаточной с точки зрения устойчивости к пробою и защиты от прямого контакта.

Испытание проводят в соответствии с 8.3.7 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Поведение УЗИП в условиях ВПН.

УЗИП должно выдержать все испытания на ВПН по 8.3.8.1 и 8.3.8.2 ГОСТ IЕС 61643-11-2013 и соответствовать определенному критерию по таблицам приложения В и 8.3.8.1 и 8.3.8.2.

Примечание 1 – Испытания по 8.3.8.1 и 8.3.8.2 ГОСТ IЕС 61643-11-2013 не учитывают случая возникновения импульса одновременно с ВПН.

УЗИП должно выдерживать перенапряжения, вызванные повреждениями или помехами в высоковольтной системе, либо не создавать опасности удара в случае отказа.

УЗИП, для которых изготовитель в своей инструкции установил возможность их применения в системах ТТ между нейтралью и РЕ выше главного УДТ, должны отвечать критерию соответствия по виду, установленному 8.3.8.2 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Примечание 2 – Вышеуказанное охватывает назначение согласно пункту 534.2.3.3 IEC 60364-5-53.

Требования к механической части.

Монтаж.

УЗИП должны быть снабжены средствами для монтажа, обеспечивающими механическую надежность.

Во избежание ошибочного сочленения втычных модулей с розетками должно быть предусмотрено механическое кодирование/блокировка.

Соответствие проверяют осмотром.

Винты, токопроводящие части и соединения.

Соответствие 8.4.1 ГОСТ IЕС 61643-11-2013 проверяют осмотром и пробным монтажом.

Внешние соединения.

Электрические соединения возможны с применением одного из следующих средств:

  • винтовых зажимов и болтовых соединений;
  • безвинтовых зажимов;
  • соединений, прокалывающих изоляцию;
  • плоских зажимов быстрого соединения;
  • концом проволочного вывода;
  • других равноэффективных средств;
  • или стандартизованных вилок и/или штепсельных розеток.

Выводы должны иметь конструкцию, обеспечивающую возможность присоединения проводников наименьшего и наибольшего поперечного сечения по 8.4.2 ГОСТ IЕС 61643-11-2013.

Выводы должны прикрепляться к УЗИП таким образом, чтобы они не разбалтывались при затягивании или отпускании крепежных винтов или блокирующих гаек. Для ослабления крепежных винтов или блокирующих гаек может понадобиться инструмент.

а) Выводы для внешних проводников должны быть такими, чтобы при присоединенных проводниках гарантировать необходимое контактное давление постоянно. Выводы должны быть легкодоступны в предусмотренных условиях эксплуатации;

b) средства для зажима проводников в выводах не должны использоваться для фиксации других компонентов, хотя они могут фиксировать выводы и препятствовать их вращению;

с) выводы должны обладать соответствующей механической прочностью;

d) выводы должны иметь такую конструкцию, чтобы при зажиме проводника не вызывать его повреждений;

e) выводы должны иметь такую конструкцию, чтобы проводник был надежно зажат между металлическими поверхностями;

f) выводы должны иметь такую конструкцию и расположение, чтобы ни жесткий сплошной, ни скрученный многопроволочный проводники не могли выскользнуть при затягивании крепежных винтов и гаек.

Винтовые выводы.

а) Винты и гайки для зажима проводников должны иметь метрическую резьбу ISO или другую, аналогичную по шагу и механической прочности

Примечание – Можно использовать резьбы SI, ВА, UN, поскольку они фактически аналогичны по шагу и механической прочности резьбе ISO;

b) Выводы должны быть закреплены или расположены таким образом, чтобы при затягивании и ослаблении крепежных винтов или гаек они не могли выпасть из мест их крепления к УЗИП.

Данные требования не означают, что конструкция выводов должна исключать их вращение или смещение, однако любое их перемещение должно быть в достаточной степени ограничено, чтобы исключить несоответствие требованиям настоящего стандарта.

Для предупреждения ослабления зажима достаточным считают применение изолирующего компаунда или смолы при условии, что:

  • эти средства не подвергаются нагрузкам при нормальной эксплуатации;
  • на их эффективность не влияют температуры, имеющие место в самых неблагоприятных условиях, указанных в настоящем стандарте.

с) винты или гайки выводов, предназначенных для подсоединения защитных проводников, должны быть стойкими к самоотвинчиванию;

d) винты не должны быть изготовлены из мягкого или подверженного текучести металла, такого как цинк или алюминий.

Соответствие проверяют осмотром и испытанием по 8.4.2.1 [1].

Безвинтовые выводы.

Выводы должны иметь такую конструкцию, чтобы:

а) каждый проводник был зажат отдельно. Проводники подсоединяют или отсоединяют либо все одновременно, либо каждый по отдельности;

b) была возможность надежно зажать любое число проводников вплоть до максимально предусмотренного.

Соответствие проверяют осмотром и испытанием согласно 8.4.2.2. [1]

Воздушные зазоры и расстояния утечки.

УЗИП должны иметь достаточные воздушные зазоры и расстояния утечки.

Соответствие проверяют испытанием по 8.4.3 [1].

Механическая прочность.

Все детали УЗИП, имеющие отношение к защите от прямого прикосновения, должны обладать достаточной механической прочностью.

Соответствие проверяют осмотром и испытанием по 8.4.4 [1].

Требования к условиям окружающей среды и материалам.

УЗИП должны функционировать удовлетворительно в условиях эксплуатации, указанных в разделе 4 [1].

Защита, обеспечиваемая оболочкой (код IP).

УЗИП должны быть снабжены оболочкой для защиты от попадания твердых посторонних предметов и проникновения воды, обозначенной кодом IP, установленным изготовителем.

Соответствие проверяют осмотром и испытанием по 8.5.1 [1].

Теплостойкость.

УЗИП должны обладать достаточной теплостойкостью.

Соответствие проверяют испытанием по 8.3.5.1-8.3.5.3 [1].

Огнестойкость.

Изоляционные части корпуса должны быть невоспламеняемыми или самозатухающими.

Соответствие проверяют испытанием по 8.5.4 [1].

Трекингостойкость.

Индекс трекингостойкости изоляционных материалов, которые могут создать проводящий путь между электрическими соединениями, проверяют испытанием по 8.5.5 [1].

В испытании нет необходимости, если расстояние утечки равно двойному значению, указанному в 8.4.3 [1] или больше его, или в случае, если изоляционным материалом является керамика, слюда или аналогичный материал.

Электромагнитная совместимость (ЭМС).

Устойчивость к электромагнитным помехам.

УЗИП, как не содержащие, так и содержащие электронные цепи, в которых все компоненты пассивны (например, диоды, резисторы, конденсаторы, индукторы, варисторы и другие импульсостойкие компоненты), не чувствительны к электромагнитным помехам, ожидаемым в нормальных условиях эксплуатации, поэтому испытаний на помехоустойчивость не требуется. УЗИП, содержащие чувствительные электронные цепи, соответствуют стандартам серии IEC 61000.

Помехоэмиссия.

УЗИП, как не содержащие, так и содержащие электронные цепи, которые не генерируют при нормальной эксплуатации основные частоты свыше 9 кГц, могут генерировать электромагнитные помехи только в ходе защитных операций. Длительность таких помех составляет от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд.

Частоту, уровень и последствия таких излучений считают нормальной электромагнитной средой низковольтных установок. Поэтому требования к помехоэмиссии соблюдены и проверки не требуют.

УЗИП, содержащие электронные цепи, выполняющие коммутационную функцию на частоте 9 кГц и выше, соответствуют стандартам серии IEC 61000.

Список использованной литературы

  1. ГОСТ IЕС 61643-11-2013
  2. ГОСТ Р МЭК 61643-12-2011