Нормативные документы и литература по молниезащите зданий и сооружений
- ГОСТ З 50571.5.53-2013 "Электроустановки низковольтные. Часть 5-53. Выбор и монтаж электрооборудования. Отделение, коммутация и управление"
534.2.3.4. Выбор в зависимости от разрядного тока (In) и импульсного тока (Iimp).
Если требуется применение устройств защиты от перенапряжений согласно МЭК 60364-4-44, пункт 443, то их номинальный разрядный ток In должен составлять не менее 5кА 8/20 для каждого режима работы.
При установке по типу подключения 2 согласно пункту 534.2.2 номинальный разрядный ток In для устройства защиты от перенапряжений, подсоединенного между нейтральным проводником и PE проводником, должен составлять не менее 20 кА 8/20 для трехфазных систем и 10кА 8/20 для однофазных систем.
Если требуется применение устройств защиты от перенапряжений согласно МЭК 62305-4, ток грозового импульса Iimp, согласно МЭК 61643-1, должен рассчитываться в соответствии с требованиями МЭК 62305-4. Более подробная информация по данному вопросу приводится в МЭК 61643-12. Если текущее значение этого тока не может быть установлено, то значение Iimp должно составлять не менее 12.5 кА для каждого режима работы.
При установке по типу подключения 2согласно 534.2.2 ток грозового импульса Iimp для устройств защиты от перенапряжений, подключаемого между нейтральным проводником и проводником РЕ, должен рассчитываться аналогично указанным выше стандартам. Если текущее значение этого тока не может быть установлено, то значение Iimp должно составлять не менее 50 кА для трехфазных систем, и 25 кА для однофазных систем.
УЗИП первого класса или типа первого, это защита от прямого попадания с временными характеристиками 10/350 мкс. 10 мкс - подъем фронта импульса, 350мкс - полу спад (до половины амплитуды) этого импульса.
Второе воздействие - косвенное или индуцированное воздействие.
Это импульсы с временными характеристиками 8/20 мкс.
В соответствии с сегодняшний системой координации молниезащиты защищаемого объекта, так называемая концепция молниезащиты, предполагает идею зонной концепции.
Зонная концепция защиты. Стандарт МЭК 62305
Зонная концепция предполагает, что устройство, которое в этой зоне располагается, должны обладать стойкостью к импульсному воздействию не ниже, чем регламентируется для этой зоны. Соответственно, устройства защиты УЗиП, должны принять меры для того, чтобы снизить уровень воздействия перенапряжения до того или ниже того уровня, который выдерживает устройство.
Если вы спроектировали все правильно, поставили УЗиП правильно, и у вас все-таки вышло из строя оборудование, и вы уверенны, что УЗиП сделан хорошо и грамотно, то это означает, что оборудование на самом деле не соответствует тому классу, которое должно находится в этой зоне.
Для проектировщиков важно сверить, что все элементы, которые он поместил в соответствующую зону - соответствуют классу защиты, если эта координация не выполнена, то эффективность защиты становится весьма сомнительна.
Далее, по мере удаления от места ввода молнии в землю, и соответственно возможности распределения ее через систему распределения энергии, уровни энергии уменьшаются и соответственно уровни напряжения тоже снижаются. Поэтому, чем старше зона, тем уровни напряжения должны быть меньше и стойкость оборудования к этим перенапряжениям тоже снижается. В соответствии со стандартами на сегодняшний день выделяется 4 категории оборудования по напряжению, каждой из которых соответствует своей зоне защиты.
Четвертый класс, это в основном уровень главного распределительного щита, близость трансформатора, элементы первичного распределения. Они должны выдерживать перенапряжения до 6000В (для трехфазных систем до 8000В, соответственно). Стационарное оборудование, устанавливаемое после распределительного щита (это может быть распределительный щит в здании, кабели, электродвигатели силовые должны выдерживать уровни напряжения примерно до 4000В и соответственно защита должна обеспечить именно значение напряжения не превышающее 4кВ.
Далее, второй класс - портативное, сравнительно передвижное силовое оборудование с классом импульсной стойкости до 2,5кВ, соответственно защита должна снизить эту величину перенапряжения до уровня ниже или равно 2,5кВ.
И, наконец, первая категория оборудования, первый класс защиты - это чувствительная электроника, с уровнем защиты 1,5 кВ и в некоторых случаях, может быть ниже. Первая категория может включать в себя устройства, которые требуют более низких значений напряжений по стойкости, то есть они не могут принципиально выдерживать более высокие значения. В это случае, для оборудования первой категории очень важно получить о потребителе информацию, именно величину напряжения, которую он должен выдерживать.
Внутренняя молниезащита АББ
Варианты включения УЗиП в различные сети (ГОСТ Р 50571.5.53-2013 и ГОСТ МЭК 61643-12-2011).
В зависимости от того, что за схема распределения у нас рассматривается, мы будем ориентироваться, главным образом на схемы электроснабжения типа TNC, TNC-S, TNS и TT.
В стандартах 50571.5.53 в приложениях А - С даются схемы, соответствующие вариантам подключения устройств в системе распределения.
На сегодняшний день для защиты первого уровня (первого класса защиты) предлагаются устройства на базе разрядников и варисторов Тип 1 и Тип 1+2 (OVR T1). По значению импульсного тока (это тот ток, который разрядник готов выдержать не разрушившись): 25, 15 и 7 кА (10/350мс). Безопасная технология ограничения импульсов, минимальный риск взрыва и пожара.
Важным свойством для УЗиП первого уровня, является возможность формирования, так называемых токов подхвата. Если бы их не было, многие вопросы технические были бы и дешевле и удобней в решении. Ток подхвата это явление, которое возникает в результате того, что при возникновении молниевого разряда, при возникновении дуги в разряднике, дальше дуга может поддерживаться не импульсом коротким, который длиться достаточно короткое время, а источником питания и соответственно, держаться достаточно длительное время. При возникновении дуги у нас по сути возникает короткое замыкание и в разряднике он называется сопровождающим током. Значение этого сопровождающего тока будет определяться током короткого замыкания, в той точке, где устанавливается УЗиП - если речь идет о трехфазных системах, то это будет трехфазный ток короткого замыкания - и на него мы ориентируемся. Если это однофазные системы - то соответственно это будет однофазный ток короткого замыкания. Задача координации по этой величине - нужно, чтобы сопровождающий ток, на который производитель проверил свой УЗиП был больше, чем расчетное значение короткого замыкания в этой точке.
Если все-таки при возникновении импульса и возникновении подхвата разрядник продолжает формировать короткое замыкание, то есть переходит через ноль и разрядник не вернулся в непроводящее состояние, бывают такие ситуации (не часто, и чем качественнее сделан разрядник, тем менее вероятна такая ситуация, бюджетные варианты могут перейти к состоянию длительного поддержания дуги и разрушения под действием короткого замыкания) именно из-за такой ситуации все производители разрядников рекомендуют защищать с помощью средств ограничения сверхтоков. В качестве средства защиты от сверхтоков для разрядников можно использовать только предохранители.
Надо это принять, и не смотря на то, что у многих производителей, к сожалению включая компанию АВВ, в каталогах указывается, что автоматический выключатель тоже является средством защиты, к этой рекомендации ни в коем случае прислушиваться не нужно и использовать только предохранители.
Устанавливать OVR можно в разных местах по отношению к коммутационному защитному аппарату. Если у вас в системе стоит автоматический выключатель и поставить тип I (разрядник) после автомата, он защитит систему, которая располагается дальше, безусловно. Однако сам по себе автоматический выключатель окажется под воздействием импульсного тока и надо сказать, что в некоторых ситуациях это может быть весьма критично, потому что если вспомнить устройство автоматического выключателя - у него есть электромагнитный расцепитель, если речь идет о модульных устройствах и есть трансформаторы тока, если речь идет о более мощных устройствах с электронными расцепителями. Соответственно, индуктивность их очень велика и безусловно, при прохождении тока молнии возникнет на нем перенапряжение, которое будет приложено к этой самой катушке электромагнита, что приведет к пробою этой катушки и если энергетика процесса окажется существенной, это может привести к выходу из строя электромагнита защиты. Тем самым мы можем привести систему к точу, что мы останемся без защиты по короткому замыканию. Это опасная ситуация. Поэтому устанавливать УЗиП после автомата хуже, чем устанавливать его до автомата. Если случается с самим УЗИПом, мы помним о том, что перед ним надо установить специальное устройство защиты в виде предохранителя, который справляется с решением этой задачи. То есть, здесь потери безопасности не происходит. Это правильное решение, включение УЗИП перед автоматическим выключателем.
Дальнейшую защиту, второго и третьего уровня, требующую специальных высокоскоростных устройств срабатывания типа Т2, соответственно, чем ближе мы их устанавливаем к защищаемому объекту, тем эффективность решения будет выше.
Исходя из этого подход к выбору места установки и определяется. Конечно, самым близким, с точки зрения монтируемых систем является установка в щите конечного распределения, где УЗИП устанавливается в соответствии с приведенной ранее схеме и стандарту 50571.5.53 между фазами и землей. Только там, вместо разрядников устанавливаются варисторные ограничители второго типа.
Внутренняя защита АВВ. Виды координации элементов внутренней МЗ.
1. Координация по напряжению защиты относительно рабочего напряжения. В большинстве случаев на уровне, тех решений, которое предлагает АВВ, зона ограничена 0,4кВ, и в основном на типовые решения. Идея заключается в том, что уровень среза, то есть защитное значение напряжения должно быть гарантировано выше, чем возможный максимальный подъем амплитуды напряжения в сети. При этом помним два обстоятельства: первое, что действующее значение напряжения в системе - оно, все таки является действующим, а амплитудное, то самое, которое может привести к срабатыванию УЗИП - оно будет в √ 2 больше, чем значение действующей величины. Плюс ко всему, должны предполагать возможность подъема напряжения фазного, до уровня линейного. То есть ситуация с обрывом нуля, это вполне реальная ситуация, УЗИП не должен в этой ситуации пострадать и потянуть за собой страдание всей системы электроснабжения в целом.
Ну и, наконец, стандарт, упомянутый сегодня 61643 и 50571.5.53 тоже об этом говорит, что относительно номинального значения напряжения надо еще взять 10% запас, поскольку колебания напряжения допустимы в пределах требования по качеству на 10%. И исходя из этого, если взять наши традиционные распределительные системы трехфазные, мы ожидаем, что подъем напряжения в амплитудном значении может достигнуть уровня, примерно 700 вольт. Соответственно, уровень защиты УЗИПа, должен быть не ниже этих самых 700 Вольт. В большинстве случаев, надо сказать, мы ограничиваем значение третей ступени защиты - уровнем 900 Вольт, то есть уверенное превышение относительно этой величины. Поэтому, еще раз напомним, что как правило, мы, практически по всем позициям проходим, если нет какой-то специфической ситуации.
2. Координация ступеней УЗИП (классов 1,2,3) между собой по времени срабатывания. Задача координации заключается в том, что то напряжение, которое прикладывается к системе параллельного включения, должна привести к тому, что у нас сначала сработает первая ступень, то есть произойдет первое ограничение, после этого только с задержкой по времени сработает вторая ступень и после нее только сработает третья.
3. Координация УЗИП со средствами защиты от сверхтоков (резервной защиты). Многие производители дают такую рекомендацию, в виде таблиц, и еще раз обращаем внимание, что в качестве защиты для УЗИП нельзя ставить автоматические выключатели. По номинальным значениям предохранителей, которые устанавливаются последовательно с УЗИПами, также требуются координационные действия. Тут возможны две ситуации, и каждая из них по своему плоха. Первая ситуация возникает, если поставлен предохранитель слишком малого номинала, соответственно, есть опасность, что проходящий ток молнии разрушит этот предохранитель при том, что для УЗИПа никакой опасности ни ток, ни процессы, происходящие не предоставляли. Чем это плохо? Это плохо тем, что у нас система останется без защиты от перенапряжения, а учитывая то, что молния зачастую носит характер не одиночного импульса, а серии импульсов, то есть так называемые, многокомпонентные молнии, то это означат - прошел первый импульс, разрушил предохранитель и все оставшиеся хвосты, которые прошли последующие импульсы - они идут без защиты, в нашу защищаемую электроустановку. С другой стороны, если мы завысим очень сильно номинал предохранителя, то он перестанет выполнять свою функцию, у вас возникнет короткое замыкание, предохранитель не успеет разрушиться и у вас скорее сгорит проводник, или, что еще хуже - произойдет перегрев самого УЗИП и он может стать причиной, например пожара. Поэтому, защита от сверх токов, то есть предохранитель обязательно должен быть скоординирован с УЗИПом.
Здесь есть еще один момент, связанный с тем, что производители дают таблицу по такой координации, но к сожалению, часто номинал предохранителей занижены.
4. Последний вид координации - это проводники, которыми мы соединяем УЗИП с системой распределения. Одно из мест расположения УЗИП - главный распределительный щит, и мы знаем, что там на вводе располагаются проводники сечениями несколько десятков, а иногда и сотен миллиметров квадратных . Спрашивается, если у меня УЗИП сработал и перешел в режим короткого замыкания, то какие токи смогут выдержать проводники, подходящие к этому месту. Но и соответственно, если мы пропускаем через УЗИП импульс тока, сам проводник не должен быть поврежден. Многие могут сказать, что импульсы тока достаточно маленькие и проводники не повредятся, на самом деле, это не совсем так. У проводников есть определенный уровень энергетической стойкости и он должен быть сопоставлен с величиной энергии, которая проходит (канализируется) через нее.
Координации по пункту 3 и 4 можно назвать энергетической координацией средств защиты между собой.
Внутренняя защита АВВ
Координация по напряжению.
- Uc - максимальное среднеквадратичное напряжение длительно выдерживаемое OVR. Требуется, чтобы Uc > Un
UТ - Максимальное среднеквадратичное напряжение частотой 50Гц выдерживаемое OVR в течении 5 сек.
Координация УЗИП между ступенями защиты.
Между ступенями защиты необходимо также придерживаться расстояниям, которые заданы в каталоге.
Единственный способ координации автоматического выключателя с УЗИП, возможен только при условии, что при автоматическом выключателе нет катушки индуктивности. Но таким свойством обладают автоматы, типа TEMAX с терморасцепителем и Формула А также с расцепителем. Для домашнего использования, коттеджи, загородные дома, квартиры - это решение совершенно бессмысленное - здесь предохранители являются лучшим вариантом (обозначены на рисунке с левой стороны).
Но для промышленного использования, там где задача надежности подключения УЗИП является очень высокой и молниезащита критична для работы системы, на самом деле, автоматический выключатель может оказаться очень удачным и выгодным решением.
Еще один нюанс, о котором следует упомянуть - любой предохранитель обладает свойствами деградации в процессе эксплуатации. Допустим, через систему прошел импульс тока, и в импульсе предохранитель подогрелся. Недостаточно для того, чтобы разрушиться, но в процессе нагрева в предохранителе происходит активное окисление, номинал его падает и характеристики стойкости начинают уменьшаться.
Второй нюанс связан со свойствами предохранителей двух типов. Предохранителей типа А и предохранителей типа G. Обратите внимание, что все производители, и мы в частности рекомендуем в качестве защиты ставить предохранители именно типа G-G. Отличие предохранителей типа G-G заключается именно в том, что он способен защитить во всем диапазоне сверхтоков относительно номинального. Это означает, что если ток вырос не значительно, до уровня перегрузки, предохранитель g-g способен его отключить в заданный интервал времени за счет того, что у него в составе структуры используется элемент насильственной деградации, то есть при достижении температуры определенного значения, вступает в реакцию с металлом специальные легкоплавкие металлы, соответственно уменьшается сечение проводника, и тем самым ступенчато снижает скоростные характеристики стойкости выключателя на малые значения тока. Если у нас в один из импульсов произошло воздействие не приведшее к разрушению предохранителя, но достаточное для того, чтобы расплавить проводник, а точнее слой дополнительный на проводнике, мы тем самым снижаем номинал и есть шансы, что при следующем, сравнительно не большом импульсе тока у нас предохранитель будет разрушен и, соответственно мы опять останемся без защиты.
Энергетическая координация системы внутренней молниезащиты.
Систему можно считать скоординированной если выполняются неравенства:
Ju<Jdsc<Jovpd<Jw, ,(1)
где Ju - джолулев интеграл имупльса тока молнии, проходящего по защищаемому проводнику;
Jdsc - джоулев интеграл срабатывания устройства защиты от сверхтоков;
Jovpd - джоулев интеграл стойкости УЗИП;
Jw - джоулев интеграл стойкости защищаемого проводника.
Энергетическая координация системы внутренней молниезащиты. Таблица координации.
Выбор OVR для установки на вводе в здание.
Как определить Limp при установке устройств Тип 1?
Простейший расчет. Деление тока. Ожидаемый ток: 100%, Распределение токов в здании: (IEC 61 643-12 часть 1.1.2):
- 50% на землю
- 50% в электрическую часть.
В реальности в землю уходит значительно большая часть, чем 50%
Но, пользуясь принципом предельного значения, принимаем ток, проходящий через электрическую часть равной 50%.
Далее, если у нас система TNC (4 провода и на уровне вводно-распределительного щита производится защита) и весь ток, который по нашему предположению зайдет, разделится на 4 части. Если мы ориентируемся на максимальное значение тока, а стандарт 61643 и 62305 оперируют тремя значениями: 100, 150 и 200 кА. 200 кА ориентируется для защиты самых ответственных объектов, 150 кА - для менее ответственных и 100 кА - для самых распространенных. То есть для загородных коттеджей планируется удар токов на уровне 100 кА, вероятность по такому току вполне приемлема. В нашу систему ответвляется 50 кА и эти 50 кА делятся на 4 части, соответственно на каждый провод приходится по 12,5 кА. Исходя из этого мы и подбираем УЗИП нашей системы. Поскольку у нас система TNC в этой части, то мы выбираем защиту с тремя УЗИПами, включая УЗИП между линейными проводниками и РЕ проводником.
Второй уровень защиты.
Определить уровень тока, который будет наведен и попадет в нашу систему конечного распределения, достаточно сложно из-за очень большого количества влияющих факторов, которые на стадии проектирования просто не возможно предсказать.
В большинстве случаев массового проектирования нам достаточно воспользоваться тем, что указано в стандарте, где сказано, что между фазой и нейтралью возможно перенапряжение с возникновением токов после пробоя на уровне 5 кА. Практики рекомендуют установить на уровне 10 кА. Однако, варисторы, используемые в составе этого УЗИП имеют ограниченный ресурс, чем большее значение тока тем меньшее количество раз он способен их выдержать).
Износостойкость для варистора.
На сегодняшний день все наши УЗИП имеют индикацию срабатывания. Если токи на уровне 5 - 10 кА, то количество срабатываний, которые OVR15 способен будет выдержать: от 2 до 10 раз.
