Перенапряжения – это нарушения в нормальном режиме работы электросети, связанные с увеличением напряженности электрического поля до значений, опасных для элементов электроустановок и проводящих линий. В момент перенапряжения на номинальное сетевое напряжение накладывается мгновенный импульс или дополнительная волна напряжения.
Такие явления могут стать причиной повреждения изоляции и вызвать пожар, могут создать серьезную угрозу для работоспособности оборудования, а порой и для жизни и здоровья людей. Перенапряжения имеют разную природу. Однако современное защитное оборудование позволяет нейтрализовать последствия всех видов нарушений в работе сети.
В зависимости от источника возникновения, можно выделить четыре типа перенапряжений: атмосферные, коммутационные, переходные перенапряжения промышленной частоты и перенапряжения, вызванные электростатическим разрядом. Все они нарушают работу электросети и представляют опасность для оборудования на стороне потребителя.
Атмосферные перенапряжения связаны с грозовыми явлениями. Во время грозы в атмосфере происходит до 30-100 разрядов в секунду, при этом ежегодно земля испытывает около 3 миллиардов ударов молнии. Согласно данным комитета по молниезащите МЭК, порядка 50% разрядов молнии имеют силу свыше 33 кА, а 5% — свыше 85 кА. Вероятность поражения молнией зависит от климатической зоны, в которой расположен объект, а также от конкретного ландшафта. В частности, с повышенным вниманием надо относиться к молниезащите отдельно стоящих на равнине домов. Еще большую опасность создают расположенные поблизости от дома высокие деревья или сооружения (мачты, трубы). Также к зонам повышенных рисков относят горы, влажные участки возле водоемов, железистые почвы.
Прямой удар молнии опасен для человека и может стать причиной пожара. Нередко молния напрямую поражает трансформаторы, счетчики электроэнергии и бытовые электроприборы. Она служит причиной возникновения перенапряжений во всех проводящих элементах. Ток молнии вызывает тепловой эффект и расплавление изоляции в точках воздействия. Электродинамический эффект, возникающий при циркуляции токов молнии в параллельных проводниках, приводит к разрывам или сплющиванию проводов. Молния может вызывать даже эффект взрыва и ударной волны. Канал молнии, при прохождении по нему сильного импульсного тока, действует как антенна, вызывая перенапряжения в радиусе нескольких километров. Также во время грозы повышается потенциал земли из-за циркуляции тока молнии в грунте. Это объясняет непрямые разряды молнии из-за образующегося шагового напряжения и связанные с этим повреждения оборудования.
Таким образом, последствия грозовых явлений не менее опасны, чем прямой удар молнии. Именно поэтому важно обеспечивать не только первичную защиту зданий (молниеотводы), но и продумывать вторичную защиту внутреннего оборудования, в частности питающих и телекоммуникационных сетей. Это касается не только частных домов, но и городских квартир, которые защищены от прямого удара молниеотводами, устанавливаемыми на крыше здания, однако могут подвергаться импульсным скачкам напряжения, распространяющимся по сети.
Коммутационные перенапряжения возникают непосредственно в электрических сетях, поэтому их иногда называют «внутренними». Они представляют собой волны перенапряжения высокой частоты — от нескольких десятков до нескольких сотен кГц. Коммутационные перенапряжения могут быть обусловлены резкими перепадами нагрузки на линиях электропередачи (к примеру, из-за отключения понижающих трансформаторов подстанции), феррорезонансными явлениями и другими аварийными режимами работы распределительных сетей.
Причины коммутационных перенапряжений также могут быть связаны и с функционированием оборудования на стороне потребителя. К примеру, с отключением устройств защиты (плавких предохранителей, выключателей), отключением или включением аппаратуры управления (реле, контакторов), пуском или остановом мощных двигателей. По большому счету источниками коммутационных перенапряжений могут быть любые устройства, имеющие в своем составе катушку, конденсатор или трансформатор на входе питания, в том числе телевизоры, принтеры, компьютеры, электропечи, фильтры и т.д.
В отличие от атмосферных, коммутационные перенапряжения развиваются не так быстро и могут не иметь столь мощного разрушающего воздействия. Однако нередко они носят повторяющийся характер и тем самым вызывают преждевременное старение оборудования.
Переходные перенапряжения промышленной частоты характеризуются тем, что имеют такую же частоту, как и сеть (50, 60 или 400 Гц). Они возникают из-за повреждения изоляции между фазой и корпусом или фазой и землей (в сетях с заземленной нейтралью), а также из-за разрыва нейтрального проводника; при этом однофазные устройства получают напряжение 400 В. Другая причина переходных перенапряжений связана с пробоем проводника, например, при падении кабеля высокого напряжения на низковольтную линию. Третья причина — образование дуги при срабатывании защитного искрового разрядника высокого или среднего напряжения, вызывающее повышение потенциала земли.
Перенапряжения из-за электростатического разряда опасны главным образом для высокочувствительных электронных устройств. Они могут возникать в сухой среде, где накапливается сильное электростатическое поле. К примеру, человек, идущий по ковру в изолирующей обуви, становится электрически заряженным до напряжения нескольких киловольт. Когда он прикасается к проводящей конструкции, возникает электрический разряд в несколько ампер с очень коротким временем нарастания (несколько наносекунд).
Устройства первичной защиты от перенапряжения необходимы для предотвращения прямых ударов молнии - они улавливают и отводят ее ток на землю. Такие устройства располагают выше уровня всех остальных конструкций, причем их высота зависит от размера защищаемой зоны. Как правило, для защиты жилых объектов используется стержневые молниеотводы, снабженные проводниками-токоотводами. Проектировать систему первичной молниезащиты на конкретном объекте должны специалисты в этой области.
Устройства вторичной защиты позволяют обеспечить нормальную работу оборудования и сетей внутри здания в условиях атмосферных и коммутационных перенапряжений. Их можно разделить на две большие группы - устройства последовательной и параллельной защиты. К первой группе относятся:
Сетевой фильтр PM6U-RS APC by Schneider Electric
Стабилизатор напряжения LS1500-RS APC by Schneider Electric
Источник бесперебойного питания BR1500G-RS APC by Schneider Electric
Куда более популярны устройства параллельной защиты, которые могут использоваться в установках любой мощности. Важно знать, что номинальное напряжение такого устройства должно соответствовать сетевому напряжению на вводах установки. В режиме «ожидания» (при отсутствии перенапряжений) ток утечки не должен протекать через устройство защиты, но при возникновении перенапряжения, превышающего допустимое значение, устройство должно моментально отводить вызванный перенапряжением ток на землю. Важной характеристикой такого оборудования является его быстродействие.
В жилых домах для защиты от перенапряжений чаще всего применяется модульное оборудование, устанавливаемое в распределительных щитах. В частности, это устройства защиты от импульсных перенапряжений — УЗИП и дифференциальные выключатели нагрузки с защитой от превышения напряжения — УЗО. Также существуют сменные ограничители перенапряжений и ограничители перенапряжений для защиты силовых розеток, обеспечивающие вторичную защиту подключенного оборудования. Некоторые ограничители встраиваются непосредственно в устройства, потребляющие электроэнергию, однако они не могут защитить от больших перенапряжений. Для защиты телефонных и коммутационных сетей от перенапряжений используются слаботочные разрядники, которые также устанавливаются в распределительных щитах или встраиваются в устройства, потребляющие электроэнергию.
Наиболее эффективными средствами для обеспечения защиты от перенапряжений в квартирах и частных домах служат модульные аппараты, устанавливаемые в распределительные щиты. Также с целью частичной защиты могут использоваться сетевые фильтры.
Дифференциальные выключатели нагрузки (УЗО) предназначены в первую очередь для защиты людей от поражения электрическим током и предотвращения возгораний. Однако в линейке модульного оборудования Easy9, разработанного компанией Schneider Electric, также есть УЗО, совмещающие защиту от утечки тока и от превышения напряжения. Если в сети возникнет переходное напряжение промышленной частоты, к примеру, из-за обрыва нейтрального провода в подъезде многоквартирного дома, питание будет отключено. Такое устройство позволит защитить и проводку, и оборудование, и человеческую жизнь.
Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) помогают предотвратить последствия от непрямых ударов молний и аварийных скачков напряжения, губительных для дорогостоящей электроники; они компенсируют сильные броски напряжения, с которыми УЗО справиться не в состоянии. Как правило, электроника может выдержать перенапряжения до 1300-1500 В, в том время, как скачки напряжения при ударе молнии могут достигать 10 000 В. Задача УЗИП — сгладить импульсные перенапряжения до приемлемого уровня в 1000-1300 В.
Наиболее распространенный вариант УЗИП — это сетевые фильтры (удлинители с кнопкой), однако УЗИП в модульном исполнении (к примеру, Easy9 от Schneider Electric) обеспечивает значительно более надежную и качественную защиту от перенапряжений. К тому же, размещение аппарата в распределительном щитке на входе в квартиру позволяет защитить не только компьютер, но и кухонные приборы, климатическое оборудование, охранную сигнализацию, мультимедийные системы, поставленные на зарядку смартфоны и т.д. К сожалению, пока модульными аппаратами УЗИП оснащено не более 1 % российских домохозяйств.
При выборе устройств защиты от импульсных перенапряжений важно учитывать наличие молниеотвода, организацию системы заземления, информацию о токах короткого замыкания (КЗ). К примеру, если на здании или в 50 метрах от него установлен молниеотвод, можно использовать УЗИП класса I, в остальных случаях — класса II. Поскольку УЗИП не рассчитан на длительное пребывание под действием высокого напряжения, его следует защищать от КЗ с помощью автоматического выключателя.
Наличие УЗИП в электроустановке низкого напряжения обеспечивает полную защиту системы электроснабжения квартиры или частного дома и гарантирует сохранность всех видов дорогостоящей бытовой техники и электроники. При этом защитное оборудование линейки Easy9 характеризует доступная цена.
Ограничители перенапряжений Acti 9 предназначены в первую очередь для промышленных и административных зданий. Однако и в этой серии есть оборудование, которое при необходимости можно применять в жилых помещениях для надежной защиты от атмосферных перенапряжений. Это ограничители перенапряжения типа 2 со встроенным разъединителем — iQuick-PF, iQuick-PRD и модульные ограничители перенапряжений типа 2 — iPF & iPRD. В оборудовании Acti 9 предусмотрена сертифицированная координация срабатывания с автоматическими выключателями, кроме того, аппараты очень легко монтировать на объекте, а их состояние можно отслеживать удаленно с помощью системы мониторинга. Для телекоммуникационных сетей могут использоваться устройства защиты iPRC и iPRI.
Помимо этого в продуктовом портфеле Schneider Electric есть бытовые устройства защиты от всплесков напряжения APC SurgeArrest Performance. Сетевые фильтры этой серии предназначены для обеспечения минимально необходимой защиты компьютеров, бытовых электронных приборов и телефонных линий от импульсных помех.
При выборе решений для защиты от перенапряжений, важно учитывать несколько факторов. Во-первых, стоимость защищаемого оборудования и последствия его выхода из строя. Во-вторых, риски возникновения перенапряжений, которые напрямую связаны с состоянием сети и грозовой активностью в конкретной местности. Продумывая защиту электрооборудования, важно не забывать и о телекоммуникационных сетях (телефонные сети, пожарные и охранные сигнализации, системы «умный дом» и т.д.), которые также могут пострадать от перенапряжений.
