УЗИП, роль которых в электрических цепях заключается в пропускании через себя импульсных токов для уравнивания потенциалов между несколькими проводниками питающей линии, должны иметь защиту от сверхтоков.
Почему УЗИП следует защищать от сверхтоков?
УЗИП, как и любой другой элемент электрических цепей, может повреждаться при работе в режимах, не предусмотренных его техническими характеристиками. Это происходит, например, если фактический ток разряда через УЗИП превышает его максимальное паспортное значение или когда напряжение в электрических цепях в течение длительного времени превышает максимально допустимое рабочее напряжение Uc УЗИП. Если УЗИП в данной цепи не рассчитан на такое напряжение, то он откроется и окажется в режиме короткого замыкания (КЗ).
И в первом, и во втором вариантах возникает вероятность разрушения УЗИП, повреждения изоляции подключенных к нему проводников и других расположенных вблизи от УЗИП элементов электроустановки, а также возникновения в ней пожара.
Практика показывает, что в подобных ситуациях внутренние расцепители УЗИП не всегда успевают отреагировать из-за тепловой инерционности конструкции. Варистор, как правило, разрушается в течение нескольких секунд, после чего режим КЗ может сохраняться через дугу (по продуктам разрушения и горения). В конструкции разрядников тепловые расцепители обычно вообще не предусматриваются ввиду слабой эффективности. При этом, если в разряднике есть система индикации его выхода из строя, то она дает информацию только о повреждениях в цепи управления поджигающим электродом, а не о состоянии основного искрового промежутка.
Как правило, эта цепь состоит из малогабаритных элементов: варистора, двухэлектродного разрядника и импульсного трансформатора. Эти элементы дают возможность увеличить расстояние между электродами основного искрового промежутка и соответственно поднять максимальное рабочее напряжение Uc разрядника, что заявляется производителем как существенное повышение потребительских качеств изделия. Также говорится о снижении времени реагирования ta на величину менее 100 нс, что позволяет достигнуть значения уровня напряжения защиты Up менее 2,5 кВ при ряде импульсных воздействий и отнести разрядник к УЗИП условного класса I+II. Однако при несомненных плюсах эти элементы являются самым слабым местом конструкции: они повышают сложность и стоимость разрядника, снижая при этом его надежность.
В условиях жесткой конкуренции неоднократно звучат уверения тех или иных производителей УЗИП в том, что их изделия полностью защищены от последствий описанных выше аварийных ситуаций. Но это не подтверждается практикой.
Требования к защите от сверхтока УЗИП
Рассмотрим требования к защите от сверхтока устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), которые установлены стандартом МЭК 60364-5-53:2020.
В стандарте МЭК 60364-5-53 указано:
534.4.5 Защита УЗИП от сверхтока
534.4.5.1 Общие требования
Установленные УЗИП должны быть защищены от сверхтоков (токов короткого замыкания). Эта защита может быть внутренней и/или внешней по отношению к УЗИП в соответствии с инструкциями изготовителя.
Номинальные значения и характеристики внешних устройств защиты от сверхтока (УЗС) для защиты сборки УЗИП должны быть выбраны:
в соответствии с требованиями раздела 434 МЭК 60364-4-43:2008 (примечание автора статьи: у нас действует национальный стандарт ГОСТ Р 50571.4.43-2012); и
как можно более высокие, чтобы обеспечить высокую возможность защиты от импульсного тока для всей сборки, но не превышая номинальных значений и характеристик, требуемых в инструкции производителя УЗИП по его установке для максимальной защиты от сверхтока.
534.4.5.2 Расположение УЗИП по отношению к устройствам защиты от сверхтоков
Один из наших читателей оставил следующий комментарий: «На вводе в частный дом специалисты энергоснабжающей организации УЗИП установили до вводного автомата». Таким образом, «специалисты» электросетевой организации допустили грубую ошибку. УЗИП следует защищать устройством защиты от сверхтока, установленным перед ним, а не автоматическим выключателем или плавким предохранителем, установленным в трансформаторной подстанции и предназначенным защищать воздушную или кабельную линию электропередачи.
Расположение устройств защиты от сверхтоков, используемых для защиты УЗИП, может оказывать влияние на непрерывность питания электроустановки и эффективный уровень напряжения защиты внутри электроустановки.
Примечание 1 – Национальные комитеты могут принять решение в отношении того, какой из нижеследующих вариантов является предпочтительным в зависимости от типа установки.
a) Если устройство защиты от сверхтока для УЗИП расположено в цепи ответвления УЗИП, то непрерывность питания не нарушается в случае повреждения УЗИП, но ни электроустановка, ни электрооборудование не защищены от возможных дальнейших импульсных перенапряжений (см. рисунок 6) после срабатывание такого защитного устройства. При таком расположении эффективный уровень напряжения защиты внутри электроустановки повышается за счет падения напряжения на внешнем устройстве защиты от сверхтока, соединенном последовательно с УЗИП.
Примечание 2 – Если защита от сверхтока является внутренней для УЗИП, то падение напряжения устройства защиты от сверхтока уже включено в уровень напряжения защиты УЗИП Up.
На рисунке 6 обозначено:
- УЗС – устройство защиты от сверхтока (разъединитель УЗИП), требуемое производителем УЗИП;
- УЗИП – устройство защиты от импульсных перенапряжений;
- A и B – точки присоединения сборки УЗИП;
- О/У – электрооборудование или электроустановка, подлежащие защите.
b) Если устройство защиты от сверхтока для УЗИП установлено перед цепью ответвления УЗИП, то непрерывность питания вряд ли будет обеспечена в случае отказа УЗИП (см. рисунок 7). Тем не менее, при такой компоновке эффективный уровень напряжения защиты внутри электроустановки поддерживается на минимальном уровне.
Однако защита в соответствии с рисунком 6 также должна применяться в тех случаях, когда номинальное значение устройства защиты от сверхтока (УЗС), находящегося выше по цепи питания, превышает значение максимальной защиты от сверхтока, рекомендованное изготовителем УЗИП.
На рисунке 7 обозначено:
- УЗС – устройство защиты от сверхтока электроустановки, используемое для защиты УЗИП;
- УЗИП – устройство защиты от импульсных перенапряжений;
- A и B – точки присоединения сборки УЗИП;
- О/У – электрооборудование или электроустановка, подлежащие защите.
534.4.5.3 Селективность между устройствами защиты от сверхтоков
Там, где это требуется, следует учитывать потребность в селективности между устройствами защиты от сверхтоков в соответствии с особенностями установки в месте установки УЗИП и информацией, предоставленной изготовителем (см. раздел 535 МЭК 60364-5-53:2020).
534.4.5.4 Способность выдерживать импульсный ток устройствами, расположенными выше по электрической цепи
Для большинства установочных устройств (например, счетчиков, зажимов, защитных устройств, выключателей и т.д.), которые установлены перед УЗИП, не предусмотрена способность выдерживать импульсный ток, требуемая соответствующими стандартами на изделия.
При установке УЗИП как можно ближе к вводу электроустановки в соответствии с 534.4.1 уменьшаются значения импульсных токов, протекающих через расположенные после УЗИП установочные устройства.
Для получения дополнительной информации см. МЭК 61643-12, а также информацию производителя.
Предохранители в схемах с УЗИП
Применение предохранителей совместно с УЗИП разных классов с различными импульсными характеристиками рассмотрено в Приложении «P» стандарта МЭК 61643-12 (2008-11). Действующий в настоящее время в России нормативный документ ГОСТ Р МЭК 61643-12-2011 идентичен предыдущей версии стандарта МЭК (IEC 61643-12(2002)), в котором этого приложения не было.
Приложение «Р» рассматривает возможность применения предохранителей совместно с УЗИП, основываясь на характеристике теплового действия тока, которое вызывает расцепление предохранителя. Эта характеристика называется интегралом Джоуля – I2t, представляет собой интеграл квадрата силы тока по данному интервалу времени (t0, t1) и рассчитывается по формуле:
Результаты исследований были сведены в МЭК 61643-12 (2008-11) в таблицу Р.1 Приложения «P» (табл. 1), в которой сопоставляются основные типы конструктивного исполнения и номиналы предохранителей со значениями импульсных токов волн 8/20 и 10/350 мкс. Таким образом, зная, какова возможность УЗИП пропускать без повреждения или разрушения импульсные токи, можно подобрать к ним предохранители с характеристиками срабатывания gG, которые будут пропускать такие же импульсные токи без расцепления.
При этом следует отметить, что в колонке «расчетное значение» указаны значения токов при однократном воздействии, а в колонке «экспериментальное значение» указаны токи, полученные в цикле рабочих испытаний УЗИП согласно ГОСТ IЕС 61643-11-2013, где сказано, что УЗИП должны испытываться в комплексе с предусмотренными производителем устройствами защиты от сверхтоков. Данные, полученные при таких испытаниях, привели к необходимости снижения первоначальных расчетных номиналов предохранителей. В испытательной лаборатории ЗАО «Хакель Рос» были выборочно проведены эксперименты, которые подтвердили данные Таблицы P.1 из Приложения «Р».
Номиналы предохранителей и тип их времятоковых характеристик определяются производителем УЗИП и отражаются в технической документации. Обычно используются предохранители с характеристикой gG. Время их срабатывания значительно меньше, чем у автоматических выключателей тех же номиналов. При этом предохранители более стойки к значительным импульсным токам, имеют более простую и надежную конструкцию.
Заключение от Харечко Ю.В: при подготовке национального стандарта на основе стандарта МЭК 60364-5-53 (примечание от автора статьи: сейчас действует ГОСТ Р 50571.5.53-2013) следует корректно воспроизвести его требования, исправить ошибки, устранить недостатки.