УЗИП и его плавкая вставка

Все очень просто

УЗИП и его плавкая вставка
Рис. 1. Традиционная схема включения УЗИП в защищаемую электрическую цепь

На рис. 1 традиционная схема включения УЗИП в защищаемую электрическую цепь. Все ее элементы привычны и вроде бы хорошо аргументированы.

УЗИП класса I, как правило коммутационного типа, выполнен на основе искрового разрядника и готов пропускать без повреждений импульсный ток первого компонента молнии с временными параметрами 10/350 мкс амплитудой 10 – 25 кА ( а то и более). При срабатывании УЗИП его пробитый искровой промежуток фактически замыкает накоротко электрическую цепь. Ток короткого замыкания в ней должен быть успешно прерван дугогасящей камерой УЗИП за столь короткое время, что силовой автомат Р1 не успеет сработать. В итоге импульсное перенапряжение от тока молнии не повредит защищаемый объект, а его снабжение электрической энергией фактически не прервется. Плавкий предохранитель П1 выбирается так, чтобы безболезненно пропустить импульсный ток молнии и сопровождающий ток короткого замыкания в течение того краткого времени, пока его не оборвет дугогасящая камеры УЗИП. Он обязан вступить в работу только при повреждении УЗИП от тока молнии, превышающего расчетный, или когда гашение сопровождающего тока не осуществилось. Такой поврежденный УЗИП бесполезен и, срабатывая, предохранитель отключает его, опередив автомат Р1. Тем самым гарантируется бесперебойное электроснабжение защищаемого объекта.

Все сказанное можно прочитать в любом руководстве по использованию УЗИП. Остается добавить, что примитивный предохранитель к сожалению не удается заменить современным эффективным автоматом. Автомат – это реле максимального тока с электромагнитом, катушка которого обладает заметной индуктивностью. Ее нельзя включить в цепь последовательно с УЗИП. При большой крутизне тока молнии на индуктивности катушки возникнет дополнительное падение напряжение. Суммируясь с напряжением на УЗИП, оно сведет на нет его защитное действие. Достаточно иметь в виду, что даже при расчетной крутизне фронта тока молнии в 100 кА/мкс (III уровень защиты) напряжение на индуктивности 1 мкГн составит 100 кВ. Именно по этой причине предпочтение вынужденно отдается короткой по длине плавкой вставке с малой индуктивностью, а не самому совершенному автомату.

Действительно просто? А если покопать поглубже?

Рис. 2 Данные характеризуют gG предохранители при воздействии импульсного тока 10/350 мкс

Скажем, предохранитель с плавкой вставкой на 100 А обеспечит нормальную работу УЗИП, когда ток молнии через него меньше ~ 10 кА. В случае возможной нагрузки УЗИП током молнии до 20 кА потребуется уже более мощный предохранитель с плавкой вставкой не меньше, чем на 160 А. Картина вполне наглядная и вряд ли нуждается в особых пояснениях.
Проблема возникает на следующем расчетном шаге, когда требуется оценить способность предохранителя отключать сопровождающий ток короткого замыкания в аварийном режиме. Здесь работа плавкой вставки определяется ее время-токовой характеристикой, о которой почему-то забывают руководства по использованию УЗИП. Суть дела в общем понятна. Любой предохранитель сгорает с выдержкой времени, которая нужна для его разогрева. С увеличением тока через плавкую вставку это время должно снижаться. Темп снижения как раз и определяется ампер-токовой характеристикой. Для примера она показана на рис. 3 для gG предохранителей универсального назначения. Верхняя строка на кривых дает номинальные токи предохранителей.

Рис. 3. Ампер-токовая характеристика

Теперь не трудно убедиться, что 100-амперная плавкая вставка сработает в течение 0,1 с при токе короткого замыкания примерно в 1000 А, а для сокращения времени срабатывания до 0,01 с потребуется ток в 2000 А.
Время больше 0,01 с особого интереса не представляет, потому что примерно столько же занимает реакция автомата, а он ни при каких обстоятельствах не должен успеть отключить цепь, прервав электроснабжение защищаемого объекта. Вот вам и первая проблема! Ток короткого замыкания в защищаемой цепи никак не связан с током молнии. Он определяется характеристиками источника питания, в первую очередь напряжением короткого замыкания силового трансформатора. Изменить его мы не в состоянии. Представьте себе такую вполне реальную ситуацию. Ток молнии рассчитан и его величина через УЗИП равна, скажем, 8 кА. Чтобы с гарантией пропустить такой ток, выбрана плавкая вставка с номинальным током в 100 А. Для ее срабатывания за время 0,01 с нужен ток короткого замыкания в 2000 А, но в той низковольтной сети, для которой предназначается защита от перенапряжений, столь больших токов короткого замыкания попросту не бывает из-за маломощного трансформатора. Тогда плавкая вставка не успеет сработать своевременно. Ее опередит автомат и электроснабжение защищаемого объекта прервется. Если подобное недопустимо, приходится сознательно выбирать плавкую вставку с меньшим номинальным током. Но тогда защитное устройство не будет работать со 100%-ной надежностью. При каких-то достаточно больших, но совершенно безопасных для УЗИП токах молнии он будет принудительно отключен сработавшей плавкой вставкой. Так, в разобранном примере при установке предохранителя на 63 А вместо 100-амперного это будет происходить при импульсном токе чуть больше 5 кА.

Из двух зол меньшее

По сути дела именно такой выбор предлагают инженеру инструкции по эксплуатации УЗИП. Либо нужно согласиться с перерывом работы защищаемого оборудования из-за отключения его силовой электрический цепи, когда плавкая вставка не сможет своевременно блокировать поврежденный УЗИП, либо терпеть ложные отключения ни в чем не повинного УЗИП вынужденно ослабленным предохранителем. Здесь производители УЗИП умывают руки. Все на совести проектировщика или его заказчика.

Вот только все ли? Нет ли каких-либо незаметных огрехов в изложенном построении? По крайней мере одна неточность достаточно очевидна. Оценивать время срабатывания предохранителя по время-токовым характеристикам рис. 3 возможно далеко не всегда, потому что они не учитывают предварительного разогрева металлической нити плавкой вставки импульсом молнии. Точный расчет здесь сложен из-за учета в целом нелинейной зависимости сопротивления металлической проводника от его температуры. Но простую качественную оценку можно сделать по параметру “удельная энергия”, который введен в нормативный документ по молниезащите СО-153-34.21.122-2003 и в стандарт по молниезащите МЭК 62305. Удельная энергия определяется интегралом от квадрата тока.

Удельная энергия определяется интегралом от квадрата тока
где Т – полная длительность воздействия тока. Произведение удельной энергии на сопротивление проводника, по которому протекает ток, дает выделившуюся тепловую энергию.

В случае неизменного тока I через плавкую вставку

W/R = I2tср

Если время срабатывания плавкой вставки, как в нашем примере, t_cр = 0,01 с, а ток равен 2000 А, то W/R = 4×10⁴ Дж/Ом
Интегрировать ток молнии тоже не придется. При неизменной форме импульса тока удельная энергия прямо пропорциональна квадрату его амплитуды. Для импульса в 100 кА ее значение, равное 2,5×106 Дж/Ом, приведено в таблице 2.4 СО-153-34.21.122-2003. Значит при токе через УЗИП в 8 кА, который использован в рассмотренном примере, удельная энергия будет в 100²/8² раз меньше, т.е. 1,6×10⁴ Дж/Ом. Это 40% от требуемой для срабатывания плавкой вставки. Заметно, но не так уж принципиально. Конечно, ток срабатывания снизится, но поскольку I ~ (W/R)^1/2, снизится всего на 23%. Теперь время срабатывания в 0,01 с будет обеспечено сопровождающим током в 1550 А вместо 2000 А. Действительно, поправка не так уж принципиальна.

Предохранитель сработал. Что дальше?

Пусть все благополучно. Плавкая вставка сделала свое дело, поврежденный УЗИП своевременно отключен, автомат в силовой цепи не успел сработать и электроснабжение защищаемого объекта не нарушено. Это значит, не нарушен и канал, по которому поступало грозовое перенапряжение. Здесь явная грамматическая ошибка. Глагол не должен стоять в прошедшем времени. После затухания тока первого компонента молнии ее опасное воздействие не прекратилось. По данным СИГРЭ, обобщившим мировую статистику, большинство молний многокомпонентны. Среднее число импульсов тока в каждой вспышке близко к 5 – 6, причем, по крайней мере 50% из них в точности повторяют траекторию канала первого компонента, а значит продолжают воздействовать на ту же защищаемую электрическую цепь. Средняя пауза между компонентами близка к 60 – 70 мс, а полная длительность молниевой вспышки может достигать 1 с. После срабатывания предохранителя, отключившего поврежденный УЗИП, электрическая цепь осталась без защиты. Она полностью открыта для воздействия перенапряжений от тока всех последующих компонентов.

Пожалуй, теперь самое время повторно оценить целесообразность установки плавкого предохранителя для отключения поврежденного УЗИП. Конечно можно придумать ситуацию с отключением электроснабжения, настолько фатальную, что лучше рискнуть защищаемым объектом, нежели допустить ее. Хотелось бы привести какой-то убедительный пример, но моей фантазии для этого не хватило.

Что делать?

Для России и россиян это классический вопрос. Похоже в других местах о нем не очень задумываются. Как-то мне пришлось беседовать с известным зарубежным специалистом по защите от перенапряжений. Он заявил, что последующие компоненты молнии их не интересуют. На мой вопрос, - почему. Ответ был элементарным: “На этот счет нет специальных требований в нормативных документах МЭК. Будем думать, когда они там появятся”. Трудно поверить, что и физика молнии руководствуется предписаниями чиновников из МЭК.

Все, что написано дальше, личные соображения автора. Они никак не подкреплены указаниями нормативных документов, но физике грозового электричества в них ничто не противоречит. Полагаю, у меня как у любого специалиста с многолетним опытом профессиональной работы есть основания, для того чтобы представить все читателям хотя бы в качестве рабочей гипотезы.

Рис. 4. Кривая распределения токов молнии

Начинать надо с параметров тока молнии, потому что это ее главное оружие дистанционного действия. В отечественном нормативе по молниезащите СО-153-34.21.122-2003 есть раздел 2.3.4, который нормирует параметры тока молнии для оценки электромагнитных воздействий. Стало быть им надо пользоваться и при выборе УЗИП. Приведенная там таблица 2.4, полностью дублирующая стандарт МЭК 62305, предписывает ориентироваться на ток молнии в 100 кА даже для III и IV уровней защиты с надежностью 0,9 и 0,8 соответственно. Молния со столь сильным током достаточно редкое явление. Кривая распределения токов молнии, заимствованная из документов СИГРЕ, представлена на рис. 4. Она показывает, что величину 100 кА превышает ток всего лишь 5% молний. В коттедж высотой 10 м в средней полосе России в среднем нужно ожидать примерно 1 удар молнии за 100 лет эксплуатации, а в питающую его воздушную линию электропередачи 380/220 В длиной 200 – 250 м примерно 1 удар за 50 лет. Это значит, что средний срок ожидания молнии с током 100 кА и выше составит соответственно 2000 и 1000 лет. Для объекта высотой в 30 м расчетный срок будет на порядок короче, но и 200 лет тоже смотрятся достаточно убедительно. Не велика ли перестраховка? Нужно напомнить, что в молниезащите чаще всего приходится иметь дело с обычными объектами умеренной высоты.

По кривой рис. 4 легко убедиться, что вероятность появления молнии с током более 30 кА близка к 50% , а потому все оцененные выше усредненные сроки опасных проявлений молнии сократятся ровно в 10 раз. Нормативные документы не дают на этот счет никаких рекомендаций. Ответственность снова придется брать на себя проектировщику или заказчику работы. Повредить дорогую электронную начинку собственного дома или офиса, тем более промышленного предприятия вряд ли захочется. Ну а кратковременный перерыв электроснабжения даже с кратностью в 10 лет чаще всего можно пережить безболезненно. Попробуйте вспомнить, уважаемый читатель, происходило ли нечто подобное с вами безо всякого грозового воздействия. Скорее всего не раз и гораздо чаще, чем раз в 10 лет. Повторно включить входной автомат – дело не хитрое, тем более, что не так уж трудно разработать устройства с автоматическим повторным включением. Техника подобного рода давно и успешно применяется в высоковольтных электрических сетях. Она пока не разработана для сетей низкого напряжения только из-за отсутствия массового спроса.

В итоге представляется реальным следующее упрощение требований к работе УЗИП. Безусловно он обязан обеспечить сохранность дорогостоящей электронной техники и исключить повреждение изоляции внутренней электрической сети объекта, но требование к бесперебойному электроснабжению значимо далеко не всегда. Тем самым упрощается схема включения УЗИП. Он не только перестает нуждаться в плавком предохранителе, но и может быть выполнен одноразовым, без какой-либо системы дугогашения. Назначение такого УЗИП исключительно в том, чтобы при возникновении перенапряжения устроить короткое замыкание в защищаемой цепи и тем самым исключить воздействие недопустимо высокого напряжения на защищаемое оборудование и изоляцию. При этом сам УЗИП может погибнуть. Ничего страшного от этого не произойдет, потому что автомат на входе защищаемой цепи сработает и отключит ток короткого замыкания.

Рис. 5. Принцип работы УЗИП

Схема, представленная на рис. 5, которой часто поясняют принцип работы УЗИП, приобретает совершенно иной смысл. Она может трактоваться как вполне реальная схема защиты, если выбрать обратное напряжение полупроводниковых диодов несколько ниже выдерживаемого напряжения защищаемого устройства. О самих диодах можно не беспокоиться. После каждого срабатывания их придется заменить. Это не так уж страшно, если между заменами в среднем пройдет хотя бы несколько лет. К тому же и стоимость столь элементарного УЗИП будет копеечной. Достаточно лишь предусмотреть, чтобы выбранные диоды пропускали ток молнии и сопровождающий ток короткого замыкания без взрыва и пожара.

Нужны ли УЗИП с большой пропускной способностью?

Не стоит приписывать автору призыв ликвидировать производство современных УЗИП с высокой пропускной способностью и эффективным дугогашением. В современной технике достаточно объектов, которые не допускают даже самого кратковременного перерыва электроснабжения. Схема, представленная на рис. 5, их удовлетворить не может. Еще меньше их могут удовлетворить УЗИП, которые допускают даже редкое повреждение защищаемого оборудования. Требования к надежности стали сегодня исключительно высоки. Учитывая их, разумно еще раз оценить роль плавкой вставки в схеме включения УЗИП. Отношение к ней не представляется однозначным, тем более, что рынок предлагает сегодня УЗИП со встроенным в него предохранителем. Такой прибор будет успешно выполнять возложенные на него функции при правильном расчете не только импульсного тока молнии, но и сопровождающего тока короткого замыкания.

Положим, что УЗИП выбран правильно, а его предохранитель обеспечит успешное отключение сопровождающего тока в аварийном режиме. Скорее всего это произойдет за сотые доли секунды и электрическая цепь останется без защиты при воздействии импульсного тока последующих компонентов молниевой вспышки, полная длительность которой может достигать 1 с. Такую ситуацию никак нельзя назвать благополучной. И здесь снова приходится отступать от канонов. В этом направлении решительный, хотя и очень непростой шаг делают немецкие производители устройств. Специалисты разработали эффективную технологию гашения сопровождающего тока через УЗИП. Суть ее в следующем, газогенерирующий материал дугогасящей камеры, контактируя с горячим искровым каналом после пробоя разрядника, генерирует очень интенсивный радиально-осевой газовый поток. Именно он, растягивая и охлаждая канал, быстро делает его непроводящим. Гашение настолько эффективно, что даже в электрической цепи, где ток короткого замыкания способен подняться до 100 кА, фактический сопровождающей ток через УЗИП не превышает 500 А. Настолько быстро он прерывается в самом начале своего роста.

Рис. 6. УЗИП одноразового действия

Стремительным дугогашением дело не ограничивается. Разработчики настолько хорошо уверены в своей продукции, что советуют выбирать плавкую вставку с большим запасом. Так для УЗИП с максимальным током 10/350 мкс амплитудой 12,5 кА рекомендована плавкая вставка на 160 А, которая в импульсном режиме сгорает при токе около 20 кА. С более слабыми токами молнии УЗИП заведомо справится сам и плавкая вставка ему не понадобится. Это значит, что токи последующих компонентов молнии могут не приниматься во внимание. Они встретят на своем пути работоспособный УЗИП и не создадут сколько-нибудь значимых проблем.
Если расположить по нарастающей кривой защитные устройства различной сложности и стоимости, на самом нижнем уровне окажется примитивный и очень дешевый УЗИП одноразового действия, представленный на рис. 6, а вершину кривой займет технологически сложное устройство, реализующее систему гашения дуги. Как видите, выбор достаточно широкий и у проектировщика достаточно оснований для раздумий.

Ну а если все-таки ориентироваться на нечто среднее? Вот тогда надо обязательно помнить о многокомпонентных молниях, точнее о том, что срабатывание плавкой вставки отключает УЗИП и оставляет защищаемое оборудование без защиты от их импульсных токов. В случае достаточно весомой вероятности такого события традиционную схему с плавкой вставкой трудно признать удачным решением. Как минимум ее стоит модернизировать, организовав ступенчатую защиту. В этом нет ничего страшного. Установка за УЗИП класса I еще одного прибора класса II давно рекомендуется для снижения уровня защиты. Средний по качеству УЗИП класса I потребует этого с очень большой вероятностью из-за достаточно высокого напряжения срабатывания своего искрового разрядника. Установив дополнительно УЗИП класса II, можно убить сразу двух зайцев, - на только снизить уровень электромагнитного воздействия до безопасного уровня, но и гарантированно защититься от воздействия последующих компонентов молнии.

Гарантией служит существенно более слабый ток последующих компонентов. Их нормированное значение для всех уровней защиты ровно в 4 раза меньше, чем для первого компонента. К тому же импульсный ток последующего компонента имеет намного меньшую продолжительность. В итоге расчетное значение его удельной энергии составляет всего 1,8% от удельной энергии первого компонента. С подобным энерговыделением УЗИП класса II вполне может справиться, даже если он изготовлен на основе варистора. Остается только обеспечить селективную работу установленных УЗИП. Но об этом уже не раз говорилось на вебинарах.

Вместо заключения

Мой учитель, профессор И.С. Стекольников часто повторял: “Лучшее – враг хорошего”. Конечно, чтобы обеспечить безаварийную работу ответственных технических сооружений, нет смысла в копеечной экономии. УЗИП для их молниезащиты должны ориентироваться на самые неблагоприятные ситуации. Сегодня, пожалуй нет иной альтернативы, кроме выбора современных УЗИП, гарантирующих хорошие запасы и по пропускной способности, и по способности к гашению сопровождающего тока. Нужно помнить, что такие защитные устройства существуют и что они отлично зарекомендовали себя на практике. Стоит смириться с их повышенной стоимостью ради исключения опасности несоизмеримо больших ущербов, часто даже не имеющих стоимостного выражения.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор;
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты