Перенапряжение в сети и защита от перенапряжения

Устройства для защиты от перенапряжения в сети

Организация защиты электросетей многоквартирных домов от воздействия внешних факторов как природных, так и техногенных возлагается на компании, предоставляющие услуги электроснабжения. Молниезащита, а также другие устройства защиты входят в обязательное оборудование подстанций любого уровня.

Совсем по иному обстоят дела в тех случаях, когда частные дома запитаны от ВЛ. В такой ситуации организовать защиту от больших внешних токов, возникающих от грозовых разрядов, нужно самостоятельно. Для этой цели используются специальные устройства – ограничители перенапряжений. Схема их подключения представлена ниже.

Пример подключения ОПН

Обратим внимание, что ОПН были созданы для защиты от коммутационных и грозовых импульсов, обеспечить защиту от других негативных факторов, вызывающих повышение фазного напряжения они не в состоянии. Для ограничения влияния коммутационных и квазистационарных процессов понадобится комплексная защита

Ее можно организовать на базе реле напряжения и стабилизатора для всего дома. Реле должно соответствовать суммарной мощности нагрузки и устанавливаться на вводе. Диапазон срабатывания (нижняя и верхняя граница) можно выставить самостоятельно с учетом особенностей линии

Для ограничения влияния коммутационных и квазистационарных процессов понадобится комплексная защита. Ее можно организовать на базе реле напряжения и стабилизатора для всего дома. Реле должно соответствовать суммарной мощности нагрузки и устанавливаться на вводе. Диапазон срабатывания (нижняя и верхняя граница) можно выставить самостоятельно с учетом особенностей линии.

Реле напряжение в электрощитке

Когда напряжение на вводе выйдет за установленный порог, реле сработает и отключит питание, после нормализации ситуации домашняя сеть будет снова подключена.

Для устранения помех и восстановления приемлемого качества электричества следует установить стабилизатор напряжения на весь дом или квартиру. При выборе устройства необходимо учитывать максимальную суммарную мощность нагрузки. Если в доме имеются приборы, для которых качество напряжения некритично (бойлер, электропечь и т.д.), то их можно подключить минуя стабилизатор.

Перенапряжения в сетях 6(10) кВ

В России у эксплуатационного персонала предприятий электрических сетей сложилось довольно устойчивое мнение, что перенапряжения создают вакуумные выключатели, а элегазовые этого недостатка лишены. Но так ли это? Попробуем разобраться в причинах перенапряжений.

Причины возникновения перенапряжений в сетях

Начнем с простого утверждения, очевидного для любого человека, знакомого с курсом ТОЭ: любая коммутация (включение или отключение) какого-либо элемента сети (трансформатора, электродвигателя, конденсаторной батареи, воздушной или кабельной линии и т.д.) вызывает переходный процесс. Это связано с тем, что сеть является совокупностью индуктивностей и емкостей основного электротехнического оборудования, поэтому подключение или отключение некоторого элемента ведет к установлению нового режима. Переход сети от режима до коммутации к режиму после коммутации сопровождается изменениями токов в элементах и напряжений на них. Как правило, этот переход имеет вид затухающих колебаний, в процессе которых напряжение на емкостях оборудования относительно земли или между фазами может достигать величин значительно больших, чем номинальное. Это и называется перенапряжениями.
Подобный процесс объективен и не зависит от типа используемого выключателя. Например, можно показать, что при включении (пуске) высоковольтного электродвигателя возможно возникновение перенапряжений с кратностью до 3,3 относительных единиц (о.е.) по отношению к амплитуде наибольшего рабочего напряжения , что представляет опасность для его изоляции. Перенапряжения в этом случае не зависят от типа дугогасящей среды и определяются только моментом включения и разбросом замыкания контактов разных фаз. Исключить эти перенапряжения регулировкой хода контактов выключателя не представляется возможным.
При отключении выключателем любого типа (маломасляным, вакуумным, элегазовым, электромагнитным) практически каждого двойного или двухфазного замыкания на землю в сети 6-10 кВ с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью на все присоединения, включенные на данную секцию, воздействуют перенапряжения с кратностью до 3,4 о.е. Причиной их является неодновременное отключение тока в поврежденных фазах, когда на первой отключившейся фазе напряжение восстанавливается от нуля до амплитуды линейного. При этом в процессе колебаний напряжение достигает величины двойного линейного. Именно эти перенапряжения могут вызывать многоместные повреждения изоляции (и такие случаи известны в эксплуатации), когда из строя выходят сразу несколько высоковольтных электродвигателей или кабелей. И дело тут не в типе дугогасящей среды, используемой в выключателе, а в объективно существующих явлениях.
Теперь рассмотрим проблему перенапряжений при использовании вакуумных и элегазовых выключателей с учетом особенностей дугогасящей среды и конструкций этих аппаратов, а также нагрузок, ими коммутируемых.
При включениях нагрузки (трансформатора, электродвигателя, конденсаторной батареи) правильно спроектированным выключателем (не дающим отскоков контактов) его дугогасящая среда с точки зрения возникновения перенапряжений не играет никакой роли. Перенапряжения в этом случае обусловлены особенностями сети и коммутируемого присоединения как многоконтурных индуктивно-емкостных схем, моментом включения по времени и разбросом в замыкании контактов разных фаз вы-ключателя (см. выше).

Основными причинами перенапряжений на изоляции отдельного присоединения (и только его, а не всей сети) при отключении нагрузки, связанными с особенностями дугогасящей среды и конструкцией выключателя, являются срез тока и эскалация напряжения. Рассмотрим эти явления по порядку.

Вакуумный выключатель ВБСК-10,
ОАО «Электрокомплекс», г.МинусинскВакуумный выключатель 3AH5 Siemens,
ССК «Уралинвестэнерго», г.ЕкатеринбургВакуумный выключатель ВБЭ-10-20/1600 УХЛ2,
ГНПП «Контакт», г. Саратов
Элегазовый выключатель HD-4,
АBB

Срез тока
Рис.1
Относительные токи среза выключателей с разными дугогасящими средамиЭскалация напряжения
Рис.2. Экспериментальная осциллограмма отключения пускового тока электродвигателя 6,3 кВ, 736 кВт, подключенного кабелем сечением 3х95, длиной 70 м, вакуумным выключателем с возникновением эскалации напряжения с кратностью 4,0 о.е. в первой отключаемой фазе выключателя .
Масштаб: 100 мксек,
5 кВ.Литература

Виды УЗИП

УЗИП имеют корпус из негорючего пластика и в большинстве случаев представляют собой разрядники или варисторы самых разных конфигураций. Сегодня ограничители импульсных перенапряжений имеют индикатор выхода из строя. Данные устройства необходимы для создания надежной и эффективной системы внутренней молниезащиты.

Разрядник обычно представляет собой электроприбор (открытого воздушного или закрытого типа) с двумя электродами. На них при увеличении напряжения до определенного значения они пробиваются, тем самым снимая импульс перенапряжения. Варистор является полупроводниковым устройством, имеющим симметричную крутую вольт-амперную характеристику. Принцип его действия заключатся в том, что при достижении на его контактах определенной величины напряжения, он быстро и значительно понижает значение своего сопротивления и пропускает ток.

Ограничители импульсных перенапряжений характеризуются параметрами номинального, импульсного напряжения и временного перенапряжения. В зависимости от мощности импульса, которое УЗИП может рассеять и в соответствии с ГОСТом Р 1992-2002 (МЭК 61643-1-98) выделяют 3 класса ограничителей:

I B (амплитуда 25-100 кА; для волны 10/350 мксек) – применяется в распределительных щитках;
II C (амплитуда 10-40 кА; для волны 8/20 мкс) — применяется в вводах электропитающих устройств, щитках помещений;
III D (амплитуда до 10 кА; для волны 8/20 мкс) – обычно устройства этого класса уже встроены в электроприборы.

Что такое перенапряжение в сети и в чем его опасность?

Под данным термином подразумевается повышение напряжения в электросетях или линиях электропередач сверх установленной нормы. Она ограничена 5,0% и 10,0% (допустимое и предельно допустимое отклонение, соответственно). В ГОСТ 13109 91, где описаны нормы, которым должно соответствовать качество электроэнергии дается более детальное определение этому эффекту. Нормативный документ дает описания двум вариантам проявления высокого напряжения:

Импульсное перенапряжение. Проявляется как резкое повышение амплитуды напряжения, после чего наблюдается понижение к исходному или близкому к нему уровню (см. А на рис.1). Продолжительность импульса менее 10,0 миллисекунд.
Эффект временного перенапряжения. В данном случае превышение номинала более 10,0% наблюдается дольше 10,0 мс (см. В на рис.1).

Рис 1. Пример импульсного (А) и временного (В) перенапряжения Перенапряжения опасны тем, что могут не только вывести из строя подключенные к сети приборы, а и разрушить изоляцию электрооборудования. В последнем случае создается угроза для человеческой жизни и повышается риск возникновения аварийной ситуации. Повреждение изоляции электроустановок довольно часто становится причиной пожара.

Пожар, вызванный перенапряжением

Сущность явления

Перекос фаз проявляется в трехфазных четырех- (пяти-) проводных сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.

Как правило, низковольтная трехфазная электрическая сеть напряжением 400 В (0,4 кВ) содержит источники электроэнергии, обмотки которых соединены в «звезду» с выведенным нулем.

Если трехфазная сеть четырехпроводная, то нулевой проводник выполняет две функции. Первая функция: нулевой рабочий проводник служит для подключения однофазных электроприемников. Вторая функция: нулевой рабочий проводник служит для работы защиты. В пятипроводной сети, каждой из двух перечисленных функций соответствует свой провод.В низковольтных сетях различают первичные и вторичные источники электроэнергии (источники питания) независимо от способа получения электрической энергии. К первичным источникам относятся те, которые непосредственно вырабатывают электроэнергию, например электрические генераторы (в качестве привода в них могут быть использованы гидроагрегаты, паровые турбины, дизели, газовые двигатели). К вторичным источникам относятся те, которые преобразуют электрическую энергию первичных источников, как правило, это трансформаторы, установленные в трансформаторных подстанциях (ТП).

Идеальную модель, отображающую взаимосвязь и взаиморасположение фазных и линейных напряжений можно изобразить в виде равностороннего треугольника с вершинами «А», «B», «С» и центром «0».Векторы АВ, ВС и CA (лежащие на сторонах треугольника) — это линейные напряжения (380В).Векторы, проведенные из центра треугольника к его вершинам — 0A, 0B и 0С — это фазные напряжения.В идеале они равны между собой 0A=0B=0С и сдвинуты друг относительно друга на угол 120°, то есть└A0B=└B0C=└C0A=120°. Данная модель является идеальной и перекос фазных напряжений в ней отсутствует.

Так как к трансформаторам ТП подключают множество потребителей, в том числе однофазных, то в каждый случайный момент времени можно ожидать, что нагрузки в различных фазах будут различны. Причем если даже однофазные нагрузки по величине одинаковы, то их включение под нагрузку или отключение не может происходить синхронно. Возникает ситуация RA > RB > RC ≠ 0, где «R» – это сопротивление нагрузки, и, соответственно, «RA» — это спротивление нагрузки на фазе А, «RB» — это спротивление нагрузки на фазе B, «RC» — это спротивление нагрузки на фазе C.

Различие фазных нагрузок по величине и характеру создает условия для возниконовения перекоса фазных напряжений.

Если обратиться к описанному выше равностороннему треугольнику, то графически это будет выглядеть следущим образом: точка 0 в центре треугольника, из которой исходят векторы идеальных фазных напряжений величиной 220В 0A, 0B и 0С, — смещается относительно центра треугольника. Назовем ее 0′. Смещаются и сами векторы фазных напряжений на произвольный угол друг относительно друга. Смещенные векторы фазных напряжений 0’A, 0’B и 0’С не равны между собой, 0’A ≠ 0’B ≠ 0’С. Напряжение на каждой из фаз меняется с величины в 220 В например на 190В, 240В и 230В соответственно.

Такая ситуация называется перекосом фазных напряжений.

Если бы сопротивления нагрузки были равны, то токи, через них протекающие так же были равны между собой.Учитывая то, что угол сдвига между ними равен 120°, то их геометрическая сумма равнялась бы нулю.

Однако при их неравенстве в результате суммирования возникает ток I00′, который называется уравнительным. А, следовательно, напряжение U00′, которое называется напряжением смещения.

Перекос фаз (фазных напряжений), как правило, характеризуется неизменностью или одинаковостью линейных напряжений источника и значительным различием по величине фазных напряжений. То есть равносторонний треугольник, образуемый векторами линейных напряжений остается равносторонним треугольником, это означает, что значение трех линейных напряжений соответствует 380В, возможны незначительные отклонения значений, которые называются являются допустимыми.Значительно смещаются векторы фазных напряжений внутри треугольника, которые соединяют точку внутри треугольника с его вершинами, меняется величина фазных напряжений и угол сдвига между ними.

Основные причины

Поскольку внешние факторы воздействия были уже рассмотрены, сразу перейдем к внутренним причинам, вызывающим повышение напряжения, начнем по порядку. Коммутационные факторы:

Резкое отключение нагрузки при срабатывании защитных устройств, например, воздушные выключатели создают сильные помехи, особенно при аварийном отключении линий электропередач.
Коммутация конденсаторных установок.
Выключение мощных электромашин и силовых трансформаторов (вызывает воздействие индуктивных токов на линию).
Перекоммутация линий.

Пример типового коммутационного отклонения напряжения отмечен синим цветом на представленном ниже графике.

Типовое коммутационное перенапряжение

Квазистационарные отклонения могут быть вызваны следующими факторами:

Режимными, к таковым относятся:

несимметричные КЗ на землю в сети с изолированной нейтралью;
дуговые замыкания в линиях с напряжением 6,0-35,0 кВ (дуговые перенапряжения);
разгон генераторной установки вследствие резкого отключения нагрузки;
неправильная фазировка трансформаторных установок;
другие неблагоприятные сочетания ЭДС в электросети.

Резонансными перенапряжениями. Они возникают в том случае, когда частоты вынужденной ЭДС и отдельного участка сети близки к совпадению. Если это произойдет, то «емкостной эффект» приведет к перенапряжению.

В том случае, когда линия работает в неполнофазном режиме и к ней подключен трансформатор, у которого заземленная нейтраль, имеется большая вероятность образования резонансного контура. Взаимодействие произойдет между индуктивностью трансформаторной установки и межфазной емкостью также станет причиной высокой кратности перенапряжения.

Феррорезонансное перенапряжение. Данный вид отклонений может наблюдаться при образовании резонансного колебательного контура, отвечающего следующим условиям:

частота близка к 50,0 Гц;
имеют место низшие и высшие гармоники;
у индуктивной составляющей насыщенный магнитопровод.

При неполнофазном режиме работы системы эффект феррорезонанса возможен в контурах, где имеется индуктивность образованная соединенными последовательно трансформаторами.

Грозозащита Ubiquiti. Рекомендации по подключению устройств без заземляющего винта на корпусе

Оборудование Ubiquiti , пожалуй, наиболее распространенное и доступное решение радиодоступа в России. О проектировании каналов на этом оборудовании написано уже многое, есть даже альтернативные линейки программного обеспечения — однако не так широко, как хотелось бы, освещена тема заземления. А ведь при некорректном заземлении даже самая правильно спроектированная сеть принесет лишь разочарования и убытки. Сегодня наш материал как раз о приземленном, а именно о заземлении. Благо, к нам прибыла новая продукция Ubiquiti — всепогодная грозозащита.

Итак, мы рады представить всепогодную гигабитную грозозащиту ETH-SP.

Устройство компактно и может крепиться к мачте той же стяжкой, что и активное оборудование:

Контакт заземления производитель рекомендует прикручивать прямо в мачту (он не запрещает прикрутить кабель с обычной клеммой, однако винт с гайкой для такого крепления даже не положили в коробку):

Внутреннее устройство системы довольно простое: экраны кабеля подключены к контакту заземления, защита от перенапряжения реализуется разрядниками — причем они установлены для каждой линии, что позволяет использовать как любую из допустимых по 802.3af/at схем питания, так и пассивное PoE, применяемое на «млaдших» устройствах Ubiquiti.

Установленные в устройстве разрядники позволяют осуществить отсечку импульсов напряжения выше номинала срабатывания, например, при близком разряде молнии.

Ранее, при отсутствии всепогодных грозозащит, рекомендовалась следующая схема подключения:

Данная схема обеспечивает единую точку заземления и защиту кабеля от наведенных импульсов. Однако сейчас мы можем предложить более надежную схему, с использованием двух грозозащит:

При такой схеме в десятки раз снижается длина кабельного спуска до ближайшей точки заземления и, соответственно, улучшаются условия отвода перенапряжения. По сути, установка двух грозозащит в такой конфигурации эмулирует устройство с металлическим корпусом. Так как заземление оборудования теперь происходит в двух точках (мачта и шина заземления внизу), при инсталляции по возможности проверяется разница потенциалов между точками 1 и 2. Для проверки используется кабель не менее 18 AWG (0,82 кв. мм). Мультиметр (лучше использовать true RMS) должен показывать разницу потенциалов менее 10 mV DC и менее 300mV АС напряжения, сопротивление менее 5 Ом. При бóльших значениях возможны повреждения вследствие ESD (ElectroStatic Discharge — необязательно при грозе), что является негарантийным случаем. В случае превышения данных значений рекомендуется проверить шины заземления зданий/сооружений. Для соединения устройств используйте качественную медную витую пару и коннекторы. Для соединения экранированных кабелей рекомендуются к использованию коннекторы «с ушком»

Обратите внимание, что производитель требует использования только экранированных кабелей и подключения экрана на протяжении всей трассы от устройства

Таким образом, применение грозозащит, осуществляющих разрыв экрана, является недопустимым с точки зрения производителя и невозможности осуществления гарантийного ремонта:

(цитата из Quick Start Guide для оборудования Ubiquiti NanoStation M, раздел Warranty Conditions — доступен по адресу http://dl.ubnt.com/guides/NanoStation_M/NanoStation_M_Loco_M_QSG.pdf на сайте производителя).

Типичная схема грозозащиты с разрывом экрана — прямое нарушение рекомендаций производителя:

Выводы:

Компактная и недорогая всепогодная грозозащита Ubiquiti может эффективно применятся для оборудования как с Gigabit Ethernet, так и с Fast Ethernet портом;
При установке двух грозозащит возникает схема с двумя защитными заземлениями, требующая эквивалентности их потенциалов;
Применение экранированного кабеля и металлизированных разъемов обязательно при любой схеме заземления.

И в завершение: стоимость новой грозозащиты Ubiquiti в CompTek — 12 долларов США.

Что такое перенапряжение в сети и в чем его опасность?

Импульсное перенапряжение. Проявляется как резкое повышение амплитуды напряжения, после чего наблюдается понижение к исходному или близкому к нему уровню (см. А на рис.1). Продолжительность импульса менее 10,0 миллисекунд.
Эффект временного перенапряжения. В данном случае превышение номинала более 10,0% наблюдается дольше 10,0 мс (см. В на рис.1).

Пожар, вызванный перенапряжением

Принцип работы реле

Вся суть работы конструкции заключается в контролировании подачи тока. Перенапряжение или недостаточная подача может вывести из строя технику.

Установка реле крайне необходима при:

обрывах линий;
плохих погодных условиях;
падении электричества;
перегрузке фазы.

Прибор имеет в своем составе микросхему, контролирующую процесс работы устройства в целом. Она может снижать и повышать напряжение, сигнализировать, включать или выключать прибор. РКН способно выравнивать работу сети.

Напряжение варьируется в диапазоне 100-400 ВТ. Погодные условия или гроза значительно увеличивают показатели, что ведет к перенапряжению. Прибор может сгореть от резких скачков электроэнергии. Для этого и используют специальные ограничители напряжения.

Устройство всегда срабатывает мгновенно. Его отличием от стабилизатора является то, что реле отключает участки с сильными скачками, а стабилизатор производит распределение и регулировку подачи. При появлении аварийных ситуаций наличие реле считается наиболее эффективным.

Принцип работы защитных устройств

Для защиты от электроимпульсов, возникающих под действием молнии, устанавливается грозозащитный разрядник вместе с УЗИП. А обезопасить линию от потока электронов, параметры которого не соответствуют рабочим характеристикам сети, можно с помощью специальных датчиков, а также реле перенапряжения.

Следует сказать, что как ДПН, так и реле по принципу действия и назначению отличаются от стабилизатора.

Задача этих элементов состоит в том, чтобы прекратить подачу электроэнергии в случае превышения величиной перепада максимального порога, указанного в техническом паспорте средства защиты или выставленного регулятором.

После нормализации параметров электрической линии происходит самостоятельное включение реле. ДПН для защиты линии следует устанавливать только в паре с устройством защитного отключения. Его задача заключается в том, чтобы при обнаружении неполадок вызвать утечку тока, под воздействием которой сработает УЗО.

Наглядно про реле напряжения на видео:

Недостаток такой схемы заключается в необходимости ее ручного включения после того, как напряжение придет в норму. В этом плане выгодно отличается стабилизатор напряжения. Это устройство предусматривает регулируемую временную задержку токоподачи, если происходит его срабатывание под воздействием чрезмерного напряжения. Стабилизатор часто используют для подключения кондиционеров и холодильных аппаратов.