Устройство от перенапряжения. Установка узип — схемы подключения, правила монтажа

Facebook

Довольно часто происходят поломки электрической бытовой техники, ведь любой электротехнический агрегат при создании рассчитывается на работу с определенным уровнем электроэнергии, т.е. на конкретные показатели силы и напряжения тока в сетях подключения. Поэтому при превышении этих норм может случиться аварийная ситуация.

Использование дорогостоящей домашней техники, агрессивные природно- атмосферные явления, не слишком высокий уровень прокладки линий электропередач делает жизненно необходимым для собственников квартир и домов принятие мер по защите от перенапряжения электросетей в частном доме и минимизации возможных последствий.

Откуда возникает перенапряжение

Планировка и строительство многих многоэтажек еще пару десятков лет назад производилась без прицела на сегодняшнее многообразие бытового электрооборудования: микроволновки, многокамерные холодильники, утюги высокой мощности и другие приборы, имеющие электрическое питание. Поэтому максимумы потребления электричества по утрам и вечерам пагубно влияют на работу всей электросети в любом жилище.

Электричество, текущее по кабелю или проводу, неспособному выдерживать такую нагрузку, способствует их ненормальному нагреву в дневные часы и охлаждению в вечерние. В силу законов физики, проводник ослабевает, поскольку он делается то шире, то уже. Контакты в щитке на первых этажах или в едином вводно-распределяющем устройстве в доме заметно ослабевают. Также нулевые контакты могут отгореть, что приводит к перепаду напряжения от 110 до 360 вольт на всех этажах, выше этажа с перегоревшими контактами.

Перенапряжение в электросети может произойти в результате попадания молниевого разряда в линию электропередач, подстанцию или элементы дома, при этом сила тока просто огромная, порядка 200 килоампер. При попадании в молниеприемник и дальнейшем прохождении молнии по контуру заземления в проводниковых материалах возникает электродвижущая сила, измеряемая в киловольтах.

Также вызвать резкий скачок напряжения могут сварочные работы или одновременное включение многими соседями электроприборов или подключение/отключение мощного потребителя. Для защиты дорогостоящей электротехники и всего частного дома необходима защита от перенапряжения в сети.

Особенности защиты домашней электропроводки

Организация защиты от возникающего высокого напряжения – один из ключевых вопросов при прокладке электросети в жилом доме. Осуществляется она с помощью особых трансформаторов и фильтров сети. Во многих домах на этажных щитках устанавливаются автоматические выключатели, которые защищают от электротоков при коротком замыкании и временных перегрузок.

Когда возможна высокая нагрузка, все устройства, защищающие сети от повышенного напряжения, должны иметь приспособления для автоотключения и выключатели, реагирующие на изменения показателей тока. Как правило, самая надежная защита от подобных скачков ставится на входном силовом проводе, поскольку именно он испытывает наибольшее воздействие во время пиков нагрузки.

Схема защиты от перенапряжения домашней электросети бывает простой и многоуровневой. Простая – представлена в основном реле перенапряжения в этажных щитках, а многоступенчатая (комбинированная, защищающая как от бытовых скачков напряжения, так и от импульсных, при грозах) – УЗИП, т.е. устройства защиты от импульсных перенапряжений. Такие устройства наиболее часто встречаются в частных домах.

Обратите внимание! Электронные приборы выходят из строя как из-за повышенного, так и из-за пониженного напряжения в сети (например, холодильники тяжело запускаются, что негативно сказывается на их дальнейшей работе).

Изоляционные слои домашних электросетей рассчитаны, как правило, на стандартные 220в, поэтому, если напряжение возрастает многократно, в диэлектрическом слое проскакивает искра, которая может спровоцировать электродугу и дальнейшее возгорание.

Чтобы не допустить негативных последствий, применяют следующие защиты, функционирующие по таким принципам:

при резком внеплановом повышении напряжения происходит отключение электросхемы в доме или в квартире;
вывода полученного сверхнормативного электрического потенциала от электроприборов путем перевода его в земляной контур.

Если напряжение поднимается незначительно (например, до 380 вольт), на помощь приходят различные стабилизаторы. Однако их защитные возможности довольно ограничены – они больше рассчитаны на поддержание заданных рабочих значений в электросетях.

При проектировании защиты для частного дома рассматривают различные конструкционные решения и их технические характеристики. Необходимо учитывать принципы формирования базы ограничителей перенапряжения (опн). Например, газонаполненные разрядники после того, как импульс прошел, пропускают через себя т.н. сопровождающий ток, напряжение которого сопоставимо с коротким замыканием. По этой причине они сами могут быть источником возгорания, и их нельзя применять для защиты от электрического пробоя.

Для домашних сетей чаще всего применяют варисторное устройство защиты (полупроводниковые резисторы) – реостаты, скомпанованные из варисторных «таблеток» из смеси оксидов цинка, висмута, кобальта и других. При штатном функционировании электросети такой автомат защиты допускает микроскопические утечки, а при проходе импульса повышенной вольтажности – способен мгновенно перестроиться на режим «туннеля» и «спустить» больше тысячи ампер за очень короткий промежуток времени, поскольку сопротивление на этом приспособлении снижается с возрастанием силы тока, после чего происходит быстрое возвращение к штатной «боевой готовности».

Классы стойкости электропроводки

Все электроприборы в бытовых зданиях разделяется по четырем основным категориям, в зависимости от максимально выдерживаемого перенапряжения:

IV категория – до 6 киловольт;
III категория – до 4 киловольт;
II категория – до 2,5 киловольт;
I категория – до 1,5 киловольт.

В соответствии с этими категориями выстраивается система защиты, которая сокращенно называется узо (устройство защитного отключения) с защитой от перенапряжения, в целях маркетинга их чаще всего называют ограничителями, используют и другие наименования. Ограничители монтируются по ходу движения возможного импульса. Так, на участке от вводного щитка идет 6-киловольтный импульс, в первой зоне он снижается ограничителем перенапряжения до 4 киловольт, в следующей зоне он падает до 2,5 киловольт, а в жилой зоне с помощью УЗИП III категории потенциал импульса снижают до 1,5 киловольт. Устройства защиты всех классов функционируют в комплексе, последовательно понижая потенциал до нормальных значений, с которыми легко справляется изоляция домашней электропроводки.

Важно! При неисправности хотя бы одного из звеньев этой защитной цепочки может возникнуть электропробой в изоляции, что приведет к выходу конечного электроприбора из строя. Поэтому необходимо периодически проверять исправность каждого элемента устройств защитного отключения.

Основные устройства системы защиты

Один из лучших способов спасти электросеть от скачков напряжения – монтаж стабилизатора, подходящего по техническим характеристикам. Это недешевые устройства, и не всегда они используются, поскольку напряжение в сетях и так бывает достаточно стабильным.

Также устранить нестабильность в работе сети помогают реле контроля напряжения. При обрыве нулевой жилы и замыкании в провисших кабелях такое реле способно включить защитные функции даже быстрее стабилизатора, нужно лишь 2-3 миллисекунды.

Такие реле очень компактны – для монтажа они требуют меньше места, чем стабилизаторы, легко ставятся на простейшую din-рейку, кабеля подключаются элементарно (в отличие от монтажа стабилизаторов, когда вынужденно вклиниваются в электросеть или устанавливают особый короб для него). Стабилизаторы заметно гудят, поэтому в жилых помещениях их устанавливать нежелательно, а вот реле работают практически бесшумно. Кроме того, аппараты, контролирующие разность электрических потенциалов, потребляют очень мало электричества. Цена на такие реле в несколько раз ниже тех, что сложились на стабилизаторы.

Принцип работы реле контроля состоит в том, что при постоянном поступлении электротока устройство определяет разность потенциалов и сравнивает ее с допустимыми значениями. Если показатели в норме, ключи остаются открытыми, и ток продолжает течь по сети. Если же проходит мощный импульс, происходит моментальное закрытие ключей и отключение подачи электроэнергии потребителям. Такая быстрая и однозначная реакция помогает обезопасить все подключенные бытовые агрегаты.

Дополнительная информация. Возвращение в штатный режим происходит с некоторой задержкой, регулируемой таймером. Это необходимо для того, чтобы крупные электроприборы, такие как холодильники, кондиционеры и другие, включились с соблюдением правил и технической настройкой.

Подключение реле производится по фазному кабелю, при этом нуль-кабель включается во внутреннюю схему для питания энергией.

Имеется два способа: сквозное подключение (по прямой) или с использованием прибора – контрактора для коммуникации. Оптимально подключать релейный механизм до подключения счетчика, чем обеспечится и его защита от перенапряжения. Однако, при наличии на приборе учета пломбы придется монтировать реле за ним.

Импульсные перенапряжения в электросети частных домов возникают из-за грозы с молниями или коммутационных скачков. Для безопасности электропроводки применяются специальные устройства УЗИП. Как правило, это ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), стабилизаторы и реле контроля потенциалов. Конечно, обустройство такой системы – мероприятие затратное, однако его стоимость гораздо ниже дорогих электробытовых приборов.

Видео

В конструкцию всех современных бытовых приборов входят чувствительные электронные компоненты. В результате, несмотря на все положительные качества и высокие технические характеристики, данное оборудование крайне отрицательно реагирует на перепады напряжения. Подобные скачки присутствуют во всех электрических сетях и полностью устранить их практически невозможно. Поэтому, чтобы сберечь дорогостоящую технику, требуется устройство защиты от перенапряжения.

Причины возникновения и опасность скачков напряжения

В момент перепада напряжения в электрических сетях его амплитуда изменяется на короткий промежуток времени. После этого она быстро восстанавливается с параметрами, приближенными к начальному уровню.

Подобный импульс электрическим током продолжается буквально в течение нескольких миллисекунд, а его возникновение обусловлено следующими причинами:

Грозовые разряды. Вызывают скачки напряжения до нескольких киловольт, которые не сможет выдержать ни один прибор. Подобные перепады нередко становятся причиной отключения сети и пожара.
Перенапряжение, вызываемое процессами коммутации, когда подключаются или отключаются потребители с высокой мощностью.
Явление электростатической индукции при подключении электросварки, коллекторного электродвигателя и другого аналогичного оборудования.

Опасность последствий от перенапряжений наглядно отражается на рисунке, где грозовой и коммутационный импульсы существенно отличаются от номинального сетевого напряжения. Изоляционный слой в большинстве проводов рассчитан на значительные перепады и пробоев обычно не случается. Часто импульс действует очень недолго и напряжение, проходя через блок питания и стабилизатор, просто не успевает подняться до критического уровня.

Иногда слой изоляции сети 220 В может не выдержать возрастающего напряжения. В результате случается пробой, сопровождающийся появлением . Для потока электронов образуется свободный путь в виде микротрещин, а проводником служат газы, наполняющие микроскопические пустоты. Этот процесс сопровождается выделением большого количества тепла, под действием которого токопроводящий канал расширяется еще больше. Из-за постепенного нарастания тока, срабатывание защитной автоматики немного запаздывает, и этих нескольких мгновений вполне хватает, чтобы вывести из строя в частном доме всю электропроводку.

Особую опасность представляют повышенное и пониженное напряжение, находящееся в таком состоянии долгое время. В основном это происходит по причине аварийных ситуаций, которые требуется устранить, чтобы ток пришел в норму. Других способов нормализации и каких-либо специальных приборов, защищающих от этого явления, не существует.

Длительные перенапряжения и провалы из-за недостатка напряжения

Как правило, причиной длительных перенапряжений в сетях становится обрыв нулевого провода. В этом случае нагрузка на фазные жилы распределяется неравномерно, что приводит к , когда разность потенциалов смещается к проводнику с максимальной нагрузкой.

Таким образом, неравномерный трехфазный ток, воздействуя на нулевой кабель, находящийся без заземления, способствует концентрации на нем избыточного напряжения. Этот процесс будет продолжаться до полного устранения неисправности или до тех пор, пока линия окончательно не выйдет из строя.

Другим опасным состоянием сети является провал или недостаток напряжения. Подобные ситуации очень часто возникают в сельской местности. Суть явления заключается в падении напряжения ниже допустимой величины. Такие проседания представляют серьезную опасность и реальную угрозу для оборудования. Многие современные приборы оборудованы несколькими блоками питания и недостаточное напряжение приводит к кратковременному выключению одного из них.

В результате, последует незамедлительная реакция электронной аппаратуры в виде ошибки, выведенной на дисплей, и полной остановки рабочего процесса. Если подобная ситуация сложилась с отопительным котлом в зимнее время года, тогда отопление дома будет прекращено. Устранить проблему возможно с помощью стабилизатора, фиксирующего такие проседания и поднимающего напряжение до номинальной величины.

Виды и принцип действия защитных устройств

Защита электрической сети от скачков напряжения может осуществляться разными способами. Наиболее распространенными и эффективными считаются следующие:

Молниезащитные системы.
Стабилизаторы напряжения.
Датчики повышенного напряжения, используемые совместно с УЗО. В случае неполадок они вызывают токовую утечку, под влиянием которой произойдет срабатывание защитного устройства.
Реле перенапряжения.

Похожие функции выполняют , с помощью которых компьютеры подключаются к домашней сети. Данные приборы не защищают от перенапряжений, они действуют как аккумуляторы, позволяя выполнить нормальное выключение компьютера и сохранить нужную информацию в случае внезапного отключения света. Стабилизировать напряжение это устройство не может.

Под действием молнии возникают электрические импульсы. Защита от их негативного воздействия осуществляется путем установки грозозащитного разрядника, используемого совместно с . Он также известен, как автомат для защиты от перенапряжения. Кроме того, необходимо обеспечить дополнительную безопасность от электронного потока с параметрами, отличающимися от рабочих характеристик данной сети. Для этих целей используются специальные датчики, используемые с УЗО, и реле защиты от перенапряжения. Назначение и принцип работы данных устройств не такие, как у стабилизатора.

Основной функцией обоих компонентов является прекращение подачи электрического тока, когда перепад напряжения превысит максимальное значение, определенное паспортными техническими показателями этих устройств. После того как параметры сети нормализуются, реле включается самостоятельно и возобновляет подачу тока.

Молниезащита от перенапряжений

Защитные системы против грозовых разрядов могут быть устроены разными способами, в зависимости от технических условий.

Первый вариант предполагает внешнюю молниезащиту, устанавливаемую дома (рис. 1). В этом случае допускается максимальная сила удара молнии непосредственно в элементы самой системы. Расчетная величина такого тока составит примерно 100 кА. Защититься от мощного импульса при перегрузке возможно с помощью комбинированного УЗИП, который устанавливается внутрь вводного электрического щита и действует как выключатель. Одно такое устройство защитит все оборудование, находящееся в доме.

В другом случае внешняя молниезащита отсутствует, а напряжение подается к дому по воздушной линии (рис. 2). Молния ударяет в опору ЛЭП с расчетным током, проходящим через УЗИП, величиной тоже 100 кА. Защитить электрооборудование от мощного импульса помогут специальные устройства с защитой, размещаемые во вводном щите, на стене здания или на самом столбе, в месте ответвления линии. При использовании распределительного щита, защита организуется по такой же схеме, как и в предыдущем варианте.

Если же УЗИП устанавливается на столбе, то нецелесообразно применять 3 в 1, поскольку на участке от столба до здания возможно появление наведенных, то есть, повторных перенапряжений. Поэтому будет вполне достаточно прибора класса 1+2, а при расстоянии до дома свыше 60 метров, внутри дома в главный щит дополнительно устанавливается УЗИП 2-го класса.

И, наконец, третья ситуация, когда питание дома подается через подземный кабель, в том числе и в сети 380 В, а внешняя молниезащита тоже отсутствует (рис. 3). Максимум, что может случиться - появление наведенных импульсных перенапряжений. Ток молнии не попадет в сеть даже частично. Величина расчетного импульсного тока составляет около 40 кА. Чтобы защитить электрооборудование достаточно УЗИП 2-го класса, установленного во вводный электрический щит.

Ограничители перенапряжений

Рассматривая вопросы защиты от перенапряжения сети, следует отметить, что данную функцию в первую очередь должны выполнять организации, отвечающие за электроснабжение. Именно они устанавливают на ЛЭП необходимые защитные устройства. Однако, как показывает практика, это выполняется далеко не всегда, и проблемы защиты дома от перенапряжений вынуждены решать сами потребители.

Защита от перенапряжения в сети на подстанциях и воздушных ЛЭП осуществляется с помощью ОПН - нелинейных ограничителей перенапряжения. Основной этих устройств является варистор, имеющий нелинейные характеристики. Его нелинейность состоит в изменяющемся сопротивлении элемента в соответствии с величиной приложенного напряжения.

Когда электрическая сеть работает в нормальном режиме, а напряжение имеет свое номинальное значение, ограничитель напряжения в это время обладает большим сопротивлением, препятствующим прохождению тока. Если же при ударе молнии возникает импульс перенапряжения, наступает резкое снижение сопротивления варистора до минимального значения и вся энергия импульса уходит в контур заземления, соединенный с ОПН. Таким образом, обеспечивается безопасный уровень напряжения, и все оборудование оказывается надежно защищенным.

Для электрических сетей дома или квартиры существуют компактный блок модульных ограничителей перенапряжений, не занимающих много места в распределительном щитке. Они работают точно так же, как и в линиях электропередачи. Эти приборы подключены к заземляющему контуру или к рабочему заземлению, по которому уходят опасные импульсы.

Другие виды защитных устройств

Существуют и другие варианты защиты от перенапряжения в сети. Они широко применяются в быту и считаются одними из наиболее эффективных средств.

Сетевые фильтры

Отличаются простой конструкцией и доступной стоимостью. Несмотря на свою малую мощность, это устройство вполне способно защитить оборудование при скачках, достигающих 380 вольт и даже 450 вольт. Более высокие импульсы фильтр не выдерживает. Он просто сгорает, сохраняя в целости дорогостоящую электронику.

Данное устройство защиты от перенапряжения оборудуется варистором, играющим ключевую роль в обеспечении защиты. Именно он сгорает при импульсах свыше 450 В. Кроме того, фильтр надежно защищает от помех высокой частоты, возникающих при работе сварки или электродвигателей. Еще одним компонентом служит плавкий предохранитель, срабатывающий при коротких замыканиях.

Стабилизаторы

В отличие от сетевых фильтров, эти устройства позволяют выполнить нормализацию напряжения дома и привести его в соответствие с номиналом. Путем регулировок устанавливаются граничные пределы от 110 до 250 вольт, и на выходе устройства получаются требуемые 220 В. В случае скачков напряжения и выходе его за допустимые пределы, стабилизатор автоматически отключает питание. Подача напряжения возобновляется лишь после приведения сети к нормальному рабочему режиму.

В определенных условиях, например, за городом или в сельской местности, стабилизаторы являются наиболее эффективной защитой от перенапряжения, выступают в качестве единственного варианта, способного выровнять напряжение до установленных норм.

Все стабилизирующие устройства, используемые в быту, разделяются на два основных типа. Они могут быть линейными, когда к ним подключается один или несколько бытовых приборов, или магистральными, устанавливаемыми на вводе сети в квартире или во всем здании.

Молния - это мощный электрический разряд (рис. 5.32), образующийся при сильной электризации туч или земли. Разряды молнии могут возникать внутри облака, между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Электрическое поле облака имеет огромную напряженность - миллионы В/м. Когда большие противоположно заряженные области подходят достаточно близко друг к другу, некоторые электроны и ионы, пробегая между ними, создают светящийся ионизированный канал, по которому за ними устремляются остальные заряженные частицы. По мере продвижения ионизированного канала (лидера) к земле напряженность поля на его конце усиливается, и под его действием из выступающих на поверхности земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Так происходит молниевый разряд. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.

Все производственные объекты должны быть оборудованы системой молниезащиты. Молниезащита промышленных зданий является обязательным элементом безопасности, способным предотвратить серьезный материальный ущерб и человеческие жертвы.

Первичное действие молнии - прямой удар - опасен термическим и механическим разрушением здания. При прямом попадании молнии в провода, в линии возникает перенапряжение, вызывающее разрушение изоляции электрооборудования, а большие токи обуславливают термические повреждения проводников.

Вторичное действие молнии характеризуется образованием электрических токов в замкнутых токопроводящих системах здания (электропроводке, трубопроводе и пр.). Процесс переноса электрических потенциалов, возникших при ударе молнии, по внешним металлоконструкциям (трубопроводам) в защищаемое здание может привести к пожару, взрыву, выходу из строя электрического и электронного оборудования (табл. 5.11).

Возможные последствия молнии

Проявления опасности	Поражающие факторы	Последствия
Прямой удар молнии в здание	Разряд до 200 кА, напряжением 1000 кВ, температура 30 000°С	Поражение людей, разрушение частей здания, пожары
Удаленный разряд при ударе молнии в коммуникации (до 5 км и больше)	Занесенный потенциал молнии через провода электроснабжения и металлические трубопроводы (возможный импульс перенапряжения - сотни кВ)	Поражения человека, нарушение изоляции электропроводки, выход из строя оборудования, потери баз данных, сбои в работе компьютерных систем
Близкий (до 500 м от здания) разряд молнии	Наведенный потенциал молнии в токопроводящих частях здания и электроустановках (возможный импульс перенапряжения - десятки кВ)	Поражение человека, нарушение изоляции электропроводки, возгорания, выход из строя оборудования, потери баз данных, сбои в работе компьютерных систем
Коммутации и короткие замыкания в цепи низкого напряжения	Импульс перенапряжения (до 4 кВ)	Выход из строя оборудования, потери баз данных, сбои в работе компьютерных систем

Еще одним из опасных проявлений молнии является ударная волна. Разряд молнии является электрическим взрывом и в некоторых аспектах похож на детонацию взрывчатого вещества. Он вызывает появление ударной волны, опасной в непосредственной близости.

Например, при скорости нарастания тока 30 000 ампер за 0,1 миллисекунду и диаметре ионизированного канала 10 см могут наблюдаться следующие давления ударной волны:

- на расстоянии от центра 5 см (граница светящегося канала молнии) - 0,93 МПа (разрушение конструкций, тяжелые контузии человека);
- на расстоянии 0,5 м - 0,025 МПа (разрушение непрочных строительных конструкций и травмы человека);
- на расстоянии 5м - 0,002 МПа (выбивание стекол и временное оглушение человека).

Опасное действие молнии в отношении человека может проявляться в следующем: контактное поражение (от наведенных потенциалов на металлические части оборудования), офтальмологическое поражение (вспышка молнии), шаговое напряжение (при растекании тока молнии в земле), тупая травма (вследствие действия ударной волны), прямой удар (прямое попадание молнии в человека).

При проектировании системы молниезащиты учитывается назначение объекта, особенности его конструкции и географическое местоположения региона, напрямую связанное с интенсивностью грозовой деятельности.

Молниезащита промышленных зданий разрабатывается исходя из типа опасного воздействия, возникающего при электрическом разряде молнии. Все промышленные объекты нуждаются в индивидуально подобранных мерах защиты от воздействия атмосферных перенапряжений. Наибольшей опасности подвергаются высотные объекты, поэтому в первую очередь в защите нуждаются высотные здания, мачты, трубы, опоры ЛЭП.

Первичным источником повреждений является ток молнии. В зависимости от точки поражения различают следующие источники повреждений (табл. 5.12) :

- S - удар молнии в здание (сооружение);
- S2 - удар молнии вблизи здания (сооружения);
- S3 - удар молнии в линии коммуникаций;
- S4 - удар молнии вблизи линий коммуникаций.

В зависимости от характеристик защищаемого здания (сооружения) удар молнии может нанести различные повреждения. На практике при оценке риска различают три основных типа повреждений, которые могут появиться в результате удара молнии:

- D - вред живым существам;
- D1 - физическое повреждение здания (сооружения) и (или) линий коммуникаций;
- D3 - отказ электрических и электронных систем.

Повреждение здания (сооружения) вследствие поражения молнией может быть ограничено частью сооружения или может простираться на несколько сооружений. Повреждения могут воздействовать на прилегающие к сооружению территории или окружающую среду (например химическое или радиоактивное заражение местности).

Каждый тип повреждения, один или в сочетании с другими, может привести к различным прямым и косвенным потерям в защищаемом сооружении. Тип возникающих потерь зависит от характеристик сооружения и его частей. Следует рассматривать следующие типы потерь:

- L - связанные с гибелью и травмированием людей;
- L2 - с полным или частичным разрушением общественных коммуникаций;
- L3 - с нанесением вреда объектам культурного назначения;
- L4 - экономические (связанные с разрушением здания (сооружения), его части и (или) нарушением или прекращением деятельности).

Установленные комбинации возможных повреждений и потерь в зависимости от типа источника }