Защита от гнева богов. устройства защиты от импульсных перенапряжений

Допустимые параметры электроэнергии

Номинал напряжения, обозначенный на всей бытовой электротехнике, составляет 220В, однако в реальной жизни это значение стабильно далеко не всегда. Это учитывается при изготовлении современных приборов, и они могут устойчиво работать при колебании напряжения от 209 до 231В, а также переносить разброс от 198 до 242В. Если бы небольшие перепады разности потенциалов не были предусмотрены конструкцией бытовой техники, она ломалась бы постоянно. Более значительные отклонения приводят к перегрузке сети, и это снижает эксплуатационный ресурс аппаратуры.

Чтобы сгладить колебания напряжения и обеспечить безопасность приборов, достаточно установить стабилизатор. Гораздо опаснее для электротехники перенапряжение (так называется резкий скачок разности потенциалов).

Резюмируем полученную информацию

Итак, уверенно направляемся в магазин с целью приобретения весьма полезных приборов защиты и учитываем что:

• для обеспечения автономного строения, не имеющего наружной грозовой защиты, потребуется трехступенчатое сооружение А – В – С, действие которой будет последовательно ограничивать импульсные волны 6 – 4 – 2,5 кВ;
• при расстоянии от ограничителя С (2,5 кВ) до приемника энергии больше 10ти метров нужен будет еще и прибор D (1,5кВ);
• для объекта с существующей защитой от атмосферных и сетевых перенапряжений нужен только тандем В – С (4 — 2,5 кВ).

Хочется верить, что наши советы помогут грамотно выбрать приборы для защиты от всего спектра перенапряжений. А вот установку их желательно поручить «бывалым» электрикам. Без опыта лучше не браться за крайне ответственное дело.

Реле-прерыватели, или реле контроля напряжения

Довольно действенный и всегда недорогой способ (1500-3000 рублей). Реле-прерыватель размыкает электрическую цепь при повышении или понижении напряжения в электросети до определенных значений. По российским нормам, отклонения напряжения допускаются в пределах ±10% от номинальных 220В. Скачок напряжения – это все, что выходит за эти рамки, иногда скачки бывают очень сильными, например, при обрыве воздушной линии в частном секторе попадание линейного провода на провод нейтрали вызывает скачок линейного напряжения до 380-400 В, вместо 210-230 В (норма для однофазной сети). Когда реле прервало подачу тока, оно начинает раз в несколько секунд проверять параметры напряжения, и если оно в пределах нормы и стабильно, подача электричества возобновится.

Лучше, если у реле есть дисплей, отображающий параметры напряжения и кнопки регулировки верхнего и нижнего предела, тогда реле можно настроить под конкретный прибор. Оптимально, если есть и таймер, с помощью которого можно задать время включения прибора после его принудительного отключения реле. Например, это может быть интервал в несколько минут, чтобы сохранились настройки стиральной машины, кондиционера, хлебопечки и т.п

Кроме того, это важно для приборов с компрессорами (холодильник, морозильник, кондиционер), им частые включения/ выключения вредны

Реле-розетка для одного прибора

Реле бывают для однофазной и двухфазной (380 В) сети, рассчитаны приборы на разную максимальную нагрузку, могут устанавливаться как в электрощиток, на рейку (на 3 прибора) так и отдельно – в розетку, такие реле рассчитаны на один прибор.

Минусы

Реле не стабилизирует напряжение, оно лишь прерывает и возобновляет подачу тока. Перепады напряжения чаще всего не единичны и происходят довольно долго – от нескольких минут до нескольких часов. На практике это означает, бытовой прибор, контролируемый реле-прерывателем, надолго обесточивается или работает, постоянно прерываясь. В первом случае это ведет к сбою программы (как правило, техника «помнит» выбранную программу минут 10-15), во втором – ведет к быстрому износу узлов техники – нагревателей, компрессоров, моторов и т.п.

От чего защищает ИПБ

Основная задача источника бесперебойного питания (ИПБ) – обеспечение потребителей электроэнергией при отсутствии напряжения в сети. Наиболее часто этот прибор используют для питания компьютеров. Хотя ИПБ обеспечивает напряжение 220 вольт непродолжительное время, имеется возможность сохранить информацию и выключить компьютер. Актуально применение источника бесперебойного питания при использовании малогабаритной электростанции для беспрерывной подачи энергии в момент ее запуска.

Распространенный источник бесперебойного питания

Очевидно, что применение ИПБ функционально, если в сети электроснабжения дома установлено реле напряжения. При использовании аккумулятора достаточной емкости к источнику бесперебойного питания может быть подключен газовый котел. Аккумулятора на 60 АЧ хватит для обеспечения напряжением котла мощностью 160Вт примерно в течение суток.

ИПБ с двойным преобразованием работает при изменении напряжения на входе в широких пределах, однако стоит очень дорого.

Вероятно, в большинстве случаев, в бытовых целях практичнее использовать одновременно недорогой источник бесперебойного питания и стабилизатор или реле напряжения.

В чем причины перепадов напряжения в сети?

Система электроснабжения в нашем государстве далеко не совершенна. Из-за этого положенная величина напряжения 220В, с расчетом на которую изготавливают всю бытовую технику, выдерживается далеко не всегда. В зависимости от того, какая нагрузка в конкретный момент приходится на сеть, напряжение в ней может колебаться в значительных пределах.

Скачки напряжения в наших сетях не являются редкостью из-за того, что подавляющее большинство всех элементов энергоснабжающей системы разрабатывалось несколько десятилетий назад и не рассчитывалось на современную нагрузку. Ведь практически в любой современной квартире имеется множество домашних энергопотребителей. Конечно, это делает проживание более комфортным, но вместе с тем значительно увеличивает потребление электричества. Линия далеко не всегда может справиться с такими нагрузками, следствием чего становятся частые перепады напряжения.

Один из способов защиты от перенапряжения сети на видео:

Надеяться на то, что вскоре старая система будет полностью переделана с учетом современных требований, не стоит. Поэтому защита от скачков напряжения электролинии и подключенных к ней аппаратов – это та задача, при решении которой хозяевам приходится думать собственной головой и работать своими руками.

Теперь поговорим о причинах, из-за которых возникают скачки напряжения, более подробно. Обычно изменения разности потенциалов происходят без резких бросков, и современная техника, рассчитанная на работу в пределах от 198 до 242В, способна справиться с ними без ущерба для себя.

Речь пойдет о тех случаях, когда напряжение в течение долей секунды повышается в разы, а затем столь же быстро снижается. Это и есть то явление, которое называется – скачок напряжения. Вот каковы причины, по которым оно чаще всего происходит:

• Одновременное включение (или, наоборот, отключение) нескольких приборов.
• Обрыв нулевого проводника.
• Удар молнии в линию электропередачи.
• Разрыв жил внутри провода из-за падения на ЛЭП дерева
• Неправильное подключение кабелей в общем электрощите.

Как видим, скачок напряжения может произойти по разным причинам. Предугадать, когда он произойдет, попросту нереально, а значит, подумать о защите от перепадов напряжения следует заблаговременно.

Пример монтажа реле напряжения на видео:

Типы перенапряжения в электрической сети

В общем случае по способу образования различают внутренние (или коммутационные) и внешние (грозовые или атмосферные) перенапряжения

Различают следующие основные типы перенапряжения в электрической сети:

1. грозовые перенапряжения
2. индуктивные перенапряжения
3. квазистационарные перенапряжения
4. коммутационные перенапряжения

Способы противодействия негативным воздействиям

В нижеприведенную таблицу сведены все виды негативных воздействий в электросети и технические методы борьбы с ними.

Вид негативного воздействия	Следствие негативного воздействия	Рекомендуемые меры защиты
Импульсный провал напряжения	Нарушение в работе оборудования содержащего микропроцессоры. Потеря данных в компьютерных системах.	Качественные блоки питания. Онлайн ИБП
Постоянный провал (занижение) напряжения	Перегрузка оборудования содержащего электромоторы. Неэффективность электрического отопления и освещения.	Автотрансформаторные регуляторы напряжения. Импульсные блоки питания.
Пропадание напряжения	Выключение оборудования. Потеря данных в компьютерных системах.	Батарейные ИБП любого типа, для предотвращения потерь данных. Автономные генераторы, при необходимости обеспечения бесперебойности работы оборудования.
Завышенное напряжение	Перегрузка оборудования. Увеличение вероятности выхода из строя.	Автотрансформаторные регуляторы напряжения. Сетевые фильтры с автоматом защиты от перенапряжения.
Импульсные перенапряжения	Нарушение в работе оборудования содержащего микропроцессоры. Потеря данных в компьютерных системах. Выход оборудования из строя.	Сетевые фильтры с автоматом защиты от перенапряжения.
Высокочастотные перенапряжения.	Нарушения в работе высокочувствительной измерительной и звукозаписывающей аппаратуры.	Сетевые фильтры с ФНЧ. Развязывающие трансформаторы.
Перекос фаз (разница фазного напряжения)	Перегрузка трехфазного оборудования.	Выравнивания нагрузки по фазам. Содержание в исправности силовой кабельной сети.
Отклонение частоты сети	Нарушение работы оборудования с синхронными двигателями и изделий зависящих от частоты сети.	Онлайн ИБП. Замена устаревшего оборудования.

Следует отметить, что современные качественные ИБП имеют в своем составе сетевой фильтр и ограничитель напряжения. Время реакции и переключения на батарею достаточно мало для обеспечения надежной бесперебойной работы любых электронных устройств. Использование отдельных стабилизаторов может быть оправданно при большом количестве оборудования, так как цена стабилизатора на 10 КВт примерно равна цене ИБП на 1КВт. Использование отдельного сетевого фильтра гораздо менее оправданно. ИБП не предназначены для систем, требующих непрерывного функционирования. Если мощность такого оборудования превышает 1 КВт, оптимальным решением будет использование автономного дизельного генератора.

Виды и принципы устройств защиты

Защита от перенапряжения может осуществляться разными способами. Самыми востребованными, простыми в реализации и надежными считаются следующие устройства:

• молниезащитная система;
• ограничители (стабилизаторы) напряжения;
• датчики повышенного напряжения, которые используются в комплексе с УЗО, при нештатных или аварийных ситуациях вызывают утечку тока;
• реле перенапряжения.

Также были разработаны блоки бесперебойного питания, выполняющие аналогичные функции. Специфика их работы заключается в том, чтобы продолжить работу и отключить прибор по всем правилам.

Молниезащита

• Распространенный способ – организация внешней молниезащиты. Сила удара молнии будет приходиться непосредственно на элементы самой системы. Приблизительная величина силы тока составляет 100 кА. От мощного импульса удается уберечься с помощью комбинированного УЗИП, который действует как выключатель и монтируется в водный электрический распределительный щиток. Одна такая система защиты предупредит выход из строя всего оборудования в доме.
• Внешняя молниезащита отсутствует, напряжение к дому подается по воздушной линии. Во время грозы молния ударяет в опору ЛЭП с расчетным током, который проходит через УЗИП, величина приблизительно такая же, как и в предыдущем варианте – 100 кА. Уберечь бытовую технику от мощного скачка напряжения помогут специальные защитные устройства, которые устанавливают на вводном щите, месте ответвления линии, на столбе или стене здания. При эксплуатации распределительного щитка защита происходит по аналогичной предыдущему способу схеме.

Ограничители перенапряжений

Защита от скачков напряжения в сети на воздушных ЛЭП и подстанциях осуществляется при помощи ОПН – ограничителей перенапряжения нелинейных. В состав конструкции входит варистор. Нелинейность заключается в изменении величины сопротивления в соответствии с величиной приложенного напряжения.

Когда сеть электроэнергии работает в штатном режиме, а напряжение соответствует номинальному, ограничитель обладает большим сопротивлением, который не позволяет протекать току. Если же, например, при ударе током образуется импульс, наблюдается резкое снижение сопротивления, что приводит к скачку напряжения.

Существуют компактные блоки модульных ограничений перенапряжений, которые занимают немного места в распределительном щитке дома. Эти устройства подсоединены к заземляющему контуру или рабочему заземлению, по которым проходят опасные импульсы.

Стабилизаторы напряжения

Если в сети величина напряжения начинает скакать, устройство это улавливает и отключает питание в автоматическом режиме. Возобновляется подача питания лишь после того, как показатели сети возвращаются к рабочему режиму.

Сетевые фильтры

Электротехнические конструкции имеют весомые преимущества в сравнении с аналогами – доступная стоимость и простая конструкция. Невзирая на малую мощность, фильтр способен защитить бытовую технику при скачках напряжения до 450 вольт. Как показывает практика, даже если производитель заявляет большие показатели, выше 450 вольт сетевой фильтр не выдерживает – сгорает, но при этом оставляет в целостности дорогостоящую бытовую технику.

Ключевую роль в защите от перенапряжения играет варистор. При достижении показателей выше 450 вольт сгорает именно он. Деталь надежно защищает электротехнические конструкции от помех высокой частоты, которые могут возникнуть при включении или отключении электрических двигателей или сварочных аппаратов. Еще одна важная деталь конструкции – плавкий предохранитель, который срабатывает при коротких замыканиях.

Прежде чем приступить к установке защиты от скачков напряжения 380 и 220 вольт, нужно убедиться в том, что сеть полностью обесточена. Автоматическим выключателем отключают подачу электричества и на выходе проверяют напряжение с помощью индикаторной отвертки. Также большое значение имеет качество используемых материалов. От легковоспламеняемых нужно отказаться, поскольку рано или поздно они неизбежно приведут к аварии.

Ограничитель импульсных перенапряжений

1. Преимущества в использовании ОПН
2. Технические характеристики ОПН
3. Устройство ограничителей импульсных перенапряжений
4. Защита от импульсных перенапряжений

Среди множества защитных устройств широко известен такой высоковольтный аппарат, как ограничитель импульсных перенапряжений. Импульсные перенапрежения возникают в результате нарушений в атмосферных или коммутационных процессах и способны нанести серьезный вред электрооборудованию.

Основным средством защиты дома при попадании молнии служит громоотвод или молниеотвод. Но он не способен справиться с разрядом, проникшим в сеть через воздушные линии. Поэтому проводник, принявший на себя этот импульс, становится основной причиной выхода из строя электрооборудования и домашней аппаратуры, подключенной к данной сети. Чтобы избежать подобных неприятностей рекомендуется их полное отключение на период грозы. Гарантированная защита обеспечивается путем установки ограничителей перенапряжения (ОПН).

Преимущества в использовании ОПН

В обычных средствах защиты установлены карборундовые резисторы, а также соединенные последовательно искровые промежутки. В отличие от них в ОПН устанавливаются нелинейные резисторы, основой которых является окись цинка. Они объединяются в общую колонку, помещенную в фарфоровый или полимерный корпус. Таким образом, обеспечивается их эффективная защита от внешних воздействий и безопасная эксплуатация устройства.

Особенности конструкции оксидно-цинковых резисторов позволяют выполнять ограничителям перенапряжения более широкие функции. Они свободно выдерживают, независимо от времени, постоянное напряжение электрической сети. Размеры и вес ОПН значительно ниже, чем у стандартных вентильных разрядников.

Технические характеристики ОПН

Основной величиной, характеризующей работу ограничителя перенапряжения ОПН, является максимальное действие рабочего напряжения, которое может подводиться к клеммам прибора без каких-либо временных ограничений.

Ток, проходящий через защитное устройство под действием напряжения, называется током проводимости. Его значение измеряется в условиях реальной эксплуатации, а основными показателями служит активность и емкость. Общая величина такого тока может составлять до нескольких сотен микроампер. По этому параметру оцениваются рабочие качества ОПН.

Все импульсные ограничители способны устойчиво переносить медленно изменяющееся напряжение. То есть, они не должны разрушаться в течение определенного времени при повышенном уровне напряжения. Значения, полученные при испытаниях, позволяют настроить защитное отключение прибора по истечению установленного срока.

Величина предельного разрядного тока является максимальным значением грозового разряда. С ее помощью устанавливается предел прочности импульсного ограничителя при прямом попадании молнии.

Нормативный ресурс ОПН определяется и токовой пропускной способностью. Он рассчитывается для работы в наиболее тяжелых условиях, когда присутствуют максимальные грозовые или коммутационные перенапряжения.

Устройство ограничителей импульсных перенапряжений

Производители электротехники пользуются технологией и конструкторскими решениями, которые применяются в других электроустановочных изделиях. Прежде всего, это материал корпуса и габаритные размеры, внешний вид и прочие параметры. Отдельно решаются технические вопросы, связанные с установкой ОПН и его подключением к общим электроустановкам потребителей.

Существуют отдельные требования, предъявляемые именно этому классу устройств. Корпус ограничителя перенапряжений должен обеспечивать защиту от прямых прикосновений. Полностью исключается риск возгорания защитного устройства из-за перегрузок. При его выходе из строя на линии не должно быть коротких замыканий.

Современный ограничитель импульсных перенапряжений оборудуется простой и надежной индикацией. К нему может подключаться сигнализация дистанционного действия.

Перенапряжение в результате коммутации

Такое явление может произойти при включении в линию или выключении приборов, дающих высокую индуктивную нагрузку. К ним относятся блоки питания, электромоторы, а также мощные инструменты, запитывающиеся от сети.

Этот эффект обусловлен законами коммутации. Моментальное изменение величины тока в соленоиде, а также разности потенциалов на конденсаторе произойти не может. Когда цепь с такой нагрузкой соединяется или размыкается, то в месте контакта отмечается появление вызванного самоиндукцией и коммутационными процессами электрического потенциала.

Течение переходного процесса всегда сопровождается выбросом напряжения, которое обладает полярностью, обратной входному. Небольшая емкость проводников в сети вызывает резонанс, длящийся короткое время и вызывающий высокочастотные колебания. По завершении переходного процесса они затухают.

Сколько продлится перенапряжение и какова будет его величина, зависит от следующих показателей:

• Индуктивность нагрузки.
• Моментальное значение разности потенциалов при коммутации.

• Емкость подключающих электрических кабелей.
• Реактивная мощность.

Альтернативный вариант — реле контроля напряжения в сети

Бюджетной альтернативой стабилизатору является реле контроля напряжения, которое выполняет оговоренную нами функцию отключения электропитания при выходе напряжения в сети за допустимые пределы. В зависимости от исполнения, устройство срабатывает при перенапряжении, либо контролирует и его нижний уровень.

Варианты модульных реле напряжения

Существуют модификации реле, которые восстанавливают питание автоматически при его возвращении к допустимым пределам, или это нужно делать вручную. Наиболее совершенные устройства предоставляют возможность установки уровней напряжения, при которых наступает отключение потребителей и времени задержки при возвращении питания. Например, холодильник нельзя включать в сеть повторно в течение пяти минут, чтобы не повредить компрессор. Именно такое значение можно задать на реле.

Реле напряжения ASV-3M после срабатывания необходимо включить вручную

При этом реле не обеспечивает стабильное напряжение, не компенсирует импульсные скачки и не защищает от грозового перенапряжения. Иными словами, такой способ защиты подходит в ситуации, когда напряжение в сети нормальное, но возможны его редкие и значительные отклонения, в том числе, в результате аварии в сети электроснабжения.

Существуют варианты исполнения для защиты отдельных потребителей в виде удлинителя или моноблока с вилкой и розеткой. Эти устройства рассчитаны на ток нагрузки 6-16А. Аналогичные приборы в модульном исполнении монтируются на электрощите.

Реле модульного типа может иметь на выходе переключающую группу контактов, нормально разомкнутые контакты, а также две отдельные группы нормально разомкнутых или нормально замкнутых контактов. Это позволяет реализовать разные варианты управления питанием потребителей.

Монтажная схема подключения реле напряжения в сети 220В

Электромонтаж реле напряжения модульного типа можно выполнить по вышеприведенной иллюстрации. В любом случае устройство подключается после входного автомата. Нулевой провод подсоединяется к клемме N, а провода фазы — к нормально разомкнутым контактам реле.

Для защиты более дорогого устройства его номинальный рабочий ток выбирается на ступень выше, чем значение, указанное на корпусе входного автомата. Например, если перед реле установлен автомат на 40А, выбирают прибор с номинальным значением 50А.

Если устройство с необходимым значением рабочего тока отсутствует, либо стоит слишком дорого, его можно заменить реле напряжения с минимальным параметром нагрузки. При этом к его выходу подключается контактор необходимой мощности или пускатель, который подает напряжение на потребители.

Электромонтаж реле напряжения в паре с контактором приведен на схеме. В данном примере собственно реле напряжения подключается также после входного автомата, счетчика и УЗО. Провод фазы с выходного контакта реле подключается к клемме управляющей обмотки контактора, а к ее второй клемме подсоединяется нулевой провод (выступающая часть корпуса). На выходные клеммы контактора (дальняя часть корпуса) сверху подаются фаза питания и ноль, а снизу подключаются провода фазы и нуля потребителей.

При наличии нормального уровня напряжения в сети реле контроля замыкает выходные контакты и подает питание на обмотку контактора. Он, в свою очередь, замыкает выходные контакты и подает питание потребителям. При отсутствии напряжения в сети или выходе его за допустимые пределы цепи последовательно разрываются и питание нагрузки отключается.

Схема подключения нескольких реле напряжения в однофазной сети

В ряде случаев удобно использовать несколько реле напряжения для разных типов потребителей. При этом для наиболее дорогих электронных потребителей, как, например, компьютеры, можно задать с помощью соответствующего реле допустимый диапазон входного питания в пределах 200-230В.

Бытовым электроприборам с электродвигателями, как, например, холодильник или стиральная машина, можно установить диапазон напряжения 185-235В. Потребители типа утюга, обогревателя или водонагревателя могут питаться напряжением 175-245В. Внутренние таймеры реле можно настроить на разное время задержки возобновления питания.

Причины импульсных перенапряжений

Причиной появления высоких напряжений обычно является разряд молнии, коммутационные процессы в системах электроснабжения, а также электромагнитные помехи, вызываемые мощными промышленными электроустановками. Различают перенапряжения:

• коммутаций;
• непосредственного разряда (при разряде во внешнюю молниезащиту или воздушные ЛЭП);
• индуцированные (при разряде рядом со зданием или в близстоящие объекты).

Электромагнитная индукция после разряда молнии характеризуется образованием магнитного поля в контурах металлических коммуникациях различной формы с переменными во времени параметрами. При этом значение электродвижущей силы зависит от амплитуды и крутизны тока молнии, а также размеров и формы самого контура.

Индукция электростатической природы провоцируется скоплением под кучевыми облаками с определенным электрическим потенциалом зарядов с противоположным знаком. Но в земле и на проводящих конструкциях наземных промышленных или жилых объектов это накопление приводит к тому, что за время разряда молнии заряды не успевают стечь в землю и становятся причиной появления импульсного перенапряжения. Чаще всего разность потенциалов появляется между металлическими трубами (водопроводными или канализационными), электропроводкой расположенными в постройке и металлической крышей. При этом, чем выше постройка, тем больше значения накопленных потенциалов.

Что такое электрическое перенапряжение?

«Электрическое перенапряжение» (в англ. терминологии — electrical overstress) — общее понятие, описывающее систему, которая испытывает перегрузку от слишком большого количества электронов (в общем понимании, энергии внешнего воздействия), пытающихся проникнуть в ее схему

Здесь важно помнить, что электрическое перенапряжение представляет собой функцию мощности и времени

Это дает возможность абстрагировать сложную схему, представив ее как один простой компонент, рассеивающий энергию, — например, резистор. Представьте воздействие напряжения в 1,1 В на резистор 1 Ом с номинальной рабочей мощностью 1 Вт. Уравнение для рассеиваемой мощности

P = V2/R

показывает, что на резисторе при таком воздействии мы имеет 1,21 Вт рассеиваемой мощности. Несмотря на то, что резистор рассчитан на 1 Вт, он, и это вполне вероятно, имеет некоторый заложенный в его конструкцию изготовителем технологический запас, поэтому способен вынести такую перегрузку как минимум в течение некоторого времени. Однако поскольку мы — инженеры, то должны сказать здесь «вероятно», а не «гарантированно».

А что произойдет, если мы увеличим напряжение до 2 В? Сэкономленные на этом резисторе деньги превратят его для вас в своеобразный обогреватель, пусть даже такая перегрузка действует в течение очень ограниченного периода. Напомню, что мощность зависит от квадрата напряжения V2/R, и в данном случае (по сравнению с предыдущим примером) на нашем резисторе будет рассеивается в четыре раза больше мощности!

Ну а что будет, если увеличить напряжение на резисторе до 10 В, но только на время, например на 10 мс? То есть здесь мы имеем дело с импульсом, причем определенной формы, поскольку необходимо учитывать не только его амплитуду, но и скорость нарастания и спада. И вот тут-то все становится интересным. В этом случае уже невозможно просто рассказать об эффектах такого воздействия, не понимая его влияния и того, к чему оно приводит в конкретном приложении. Поняв это, мы сможем применить полученные знания ко всей системе.