Вебинар "Когда и какие УЗИП устанавливать?" Страница 1

Текст вебинара. Страница 1

Быстрая навигация по слайдам:

Примерное время чтения: 55 минут.

Если УЗИП необходим

— Эдуард Меерович, здравствуйте!

— Добрый день, коллеги! Добрый день, Анатолий!

— Ещё раз добрый день, коллеги! Рады вас приветствовать на нашем вебинаре. Сегодня у нас третий вебинар из серии «Электромагнитная совместимость с молнией». Тема сегодняшнего вебинара: «Когда и какие УЗИП устанавливать?». Лектор – признанный эксперт в области молниезащиты и заземления, профессор Эдуард Меерович Базелян. Напомню, что следующий вебинар Эдуарда Мееровича на тему «Молниезащита и пожарная безопасность» предварительно у нас запланирован на 3 октября. Регистрация у нас открыта, ссылку на регистрацию я сейчас отправлю в чат. Далее, напомню, что также мы проводим серию вебинаров по BIM-проектированию. Следующий вебинар из этой серии у нас состоится 19 сентября, также сейчас отправляю ссылку на регистрацию в чат. Узнавать о новых мероприятиях вы можете не только на сайте, но и в наших группах социальных сетях. Основные наши группы будут сейчас в чате. Добавляйтесь в социальных сетях или регистрируйтесь на сайте, чтобы не пропускать актуальные события. Несколько организационных моментов: наш вебинар продлится около 70 – 80 минут в зависимости от вашей активности и в зависимости от того, какое количество вопросов вы будете задавать. Со своей стороны я вас призываю быть активными, оставляйте комментарии в чате и задавайте вопросы. Отмечу, что вопросы прошу оставлять во вкладке «Вопросы» и писать к какому слайду или к какой фразе лектора они относятся. Также сразу отвечу на частый вопрос – видеозапись вебинара будет, она будет опубликована на нашем сайте в течение двух – трех дней после вебинара. Если никаких технических проблем не случится, то это происходит именно в этот срок. Итак, вступительная часть завершена, я передаю слово лектору. Эдуард Меерович?

— Спасибо большое, Анатолий! Добрый день, коллеги! У нас третий семинар и я чувствую себя немного не в своей тарелке. Никак я не могу понять, что собственно есть очень специфического в УЗИП по сравнению с традиционной молниезащитой? Я занимаюсь молниезащитой больше полувека, но до того, как я начал ей заниматься, появились ограничители перенапряжений, стали бороться с перенапряжениями и вопрос об установке разрядников, ограничителей – это вопрос, который решался и прорабатывался в течение многих лет. И вдруг всё по новой. Где же та самая изюминка, которая заставила снова к этому прийти? Почему нужно делать семинар о том, как и какие УЗИП ставить? Я не нашёл для себя никакого другого ответа, кроме вот какой вещи: речь идёт о совершенно другом уровне напряжений. Теперь мы говорим о сетях с рабочим напряжением в сотни, десятки, а то и в единицы вольт. Тогда как вся техника высоких напряжений и вся молниезащита ориентировалась на напряжение киловольтного и более высокого уровня.

Заключение из вебинара №20

Именно по этой причине на предыдущем семинаре мы подробно рассматривали средства естественного ограничения перенапряжений и показали, что используя разумную систему молниеотводов, токоотводов, заземлителей, трассировку подземных и наземных коммуникаций, экрана можно достаточно существенно ограничить перенапряжение. И этими средствами их можно было ограничить массово, то есть речь шла о стрельбе по площадям. Если я правильно распределяю ток молнии, у меня сразу снижается перенапряжение во многом числе цепей. Именно это было привлекательным и именно это хотелось донести до сведения проектировщиков, которые могли бы таким образом, не ставя по возможности УЗИПы, всё-таки ограничивать перенапряжение. И там же мы показали и такую вещь, что эта возможность очень полезная, очень эффективная, но она не дает абсолютного эффекта. Всегда остаются цепи, в которых перенапряжение ниже определённого уровня не снижаются. И в первую очередь приходится говорить о резистивных перенапряжениях, которые связаны с распространением тока молнии через заземлитель объекта. Смотрите сами, вы в своих проектах прекрасно понимаете, что сделать сопротивление заземления меньше 1 Ом во многих случаях – это достаточно серьёзная проблема, а сделать сопротивление меньше 1 Ом в импульсном режиме – это ещё какая проблема. И что это значит? А это значит вот что, что ток килоамперного уровня в 1 кА, в 2 кА, в 5 кА вызывает на этом сопротивление падения напряжения в несколько киловольт, которые наверняка смертельно опасны для сетей 220 В – 380 В. Я уже не говорю о сетях более низкого напряжения и связанного с передачей какой-то цифровой информации. И тогда приходится говорить об УЗИП. УЗИП приходится ставить, это необходимая вещь. Но весь вопрос заключается в том, а сколько УЗИП нужно ставить и как на них рассчитывать?

Заключение из вебинара №21

И здесь я старался доказать, что УЗИП – это сильнодействующее средство, но это сильнодействующее средство с очень серьёзными негативными последствиями, которые обязательно надо иметь в виду. С чем связаны эти последствия – понятно. Вы вставляете какое-то устройство в защищаемую электрическую цепь, внутрь неё вставляете устройство. Это значит уже одним своим присутствием, это средство может изменить электрический режим этой цепи, может изменить частотную характеристику, причём может изменить таким образом, что у вас установка УЗИП окажется просто недопустимой, но настолько исказит работу режима цепи, что УЗИП не нужен будет. При его присутствии цепь не будет работать. И ещё один момент. Ещё один момент заключается в том, что если этих УЗИП много в цепи управления каким-то объектом, а УЗИП – это элементы не имеющие абсолютную надёжность, то получается что присутствие УЗИП начнёт изменять в негативную сторону надёжность работы всей системы управления в целом. Если этих УЗИП очень много, а их число иногда доходит до сотен, а иногда и до тысяч штук, то тогда надёжность системы в целом оказывается определяющей надёжностью работы УЗИП. А это уже совсем недопустимая вещь. И, наконец, вот какая штука – УЗИП рассчитываются достаточно сложным решением распределения тока в электромагнитных полях. Исходной информации для всего этого является статистика токов молнии. Эта статистика не настолько надёжна, чтобы ей абсолютно доверять.

Принцип действия УЗИП

Теперь что такое УЗИП с позиции теории электрических цепей? Это должно быть устройство, которое повредится раньше, чем повредится защищаемый объект. Лет 30 тому назад мы вели достаточно сложный эксперимент, у которого был трудно изготавливаемый датчик. Этот датчик повреждался, когда у нас происходил электрический пробой в том многометровом разрядном промежутке, который мы исследовали. Нам было очень жаль датчики, мы очень трудно их делали. И мы сделали такую элементарную защиту, которая показана здесь на этом самом рисунке. Взяли и в цепь-датчик включили навстречу друг друга два импульсных диода. В то время никаких УЗИП в наших руках не было. Эти диоды имели низкую проходную ёмкость, они никак не мешали прохождению полезного сигнала. А когда цепь повреждалась, большой ток сжигал эти самые датчики и устраивал короткое замыкание. По существу это было УЗИП, который сегодня никто применить ни в коем случае не рискнул бы. Почему? Во-первых, он был одноразового действия – это раз. Он просто сгорал, когда ограничивал перенапряжение. Во-вторых, этот УЗИП после исчезновения импульса напряжения не позволял включить в работу устройство, потому что он устраивал механическое короткое замыкание. Сегодня это абсолютно не допустимо, потому что защищаемый элемент должен продолжать работать, когда исчезнет перенапряжение. А такое устройство это не позволяло делать. Наконец третий момент – в большинстве электрических цепей по короткому замыканию течёт сопровождающий ток. Этот сопровождающий ток надо было гасить, а наше устройство никакого сопровождающего тока не допускало, и гасить его оно не собиралось. Поэтому вся разработка УЗИП сводится к следующим моментам. Первый момент – я его включил в цепь и у меня цепь не должна почувствовать его включения. То есть УЗИП не должен пропускать через себя ток в нормальном режиме и не должен изменять своими паразитными элементами (в первую очередь паразитной ёмкостью) частотную характеристику цепи. Во-вторых, при срабатывания УЗИП, напряжение на нем должно быть меньше, чем то напряжение, которое в состоянии выдерживать защищаемая аппаратура. Это второй момент. Третий момент – после исчезновения перенапряжения УЗИП должен перейти в исходное состояние, погасив сопровождающий ток, если он есть. И таким образом не прерывать работу того устройства, которое мы защищаем. И все эти требования должны сопровождаться ещё кучей не менее важных вещей. А эта куча, вот какая: смотрите, я должен сработать так быстро, чтобы у меня перенапряжение не успело повредить защищаемый элемент. А если это низковольтный элемент, если это низковольтная изоляция, то при пробое такой низковольтной изоляции защита должна происходит в лучшем случае в доли микросекунды, а иногда и в единицы наносекунды, а иногда и долей наносекунды. То есть мое защитное устройство, мое УЗИП должно быть быстродействующим. И наконец, последнее – я должен обеспечить требования по температуре в месте установки УЗИП, по давлению в месте установки УЗИП, по пожарной и взрывобезопасности в месте установки УЗИП. Именно по этой причине из-за большого числа этих требований каталоги УЗИП, которые существуют в большинстве совершенных технических фирм по их производству, они представляют в сотни страниц размером А4. Именно из-за большого разнообразия числа УЗИП и получается такая вещь. Слишком специфическими оказываются требования к УЗИП.

УЗИП ограничительного типа

А теперь имея в виду эти самые требования, давайте посмотрим, что же у нас есть в наличии на лицо. Вообще говоря, чаще всего специалистам по молниезащите и электромагнитной совместимости приходится выбирать между двумя типами УЗИП. УЗИП ограничительного типа на основе варистора и УЗИП коммутирующего типа на основе старого доброго искрового разрядника, который появился в электротехнике по крайне мере сотню лет тому назад. УЗИП на основе варисторов. Здесь цветная картинка, которую вы видите перед собой – это вольтамперная характеристика такого УЗИП. При номинальном напряжении УЗИП практически полностью изолятор. Это токи на уровне единиц микроампер. Эти токи не дают практически никакого энерговыделения, шайба, а она чаще всего сделана из оксида цинка, очень дешёвая шайба, она не греется и УЗИП особо никак не влияет на электрическую цепь, к которой я его поставил. Когда на УЗИП напряжение повышается и когда оно доходит до превышающего уровня номинальное напряжение в электрической цепи, токи через УЗИП начинают уже исчисляться единицами и десятками миллиампер. И в этом случае частотная характеристика УЗИП, на этом участке УЗИП его вольтамперная характеристика практически горизонтальна. То есть с изменением тока напряжение на УЗИП практически не вырастает. Это и есть рабочая часть характеристики УЗИП, которая стабилизирует напряжение в электрической цепи, не смотря на большое входное сопротивление большой ток, который создает, например, грозовое перенапряжение. Это полезная часть характеристики, это и есть его рабочая часть. Такая рабочая характеристика на УЗИП малых габаритов, она доходит примерно до тока в единицу, лучше случае до токов в десяток килоампер. А дальше она начинает очень сильно нарастать, стабилизация напряжения прекращается. А в УЗИП выделяется слишком большая энергия, от которой он может разрушаться. И вот у нас получается следующая штука, у нас получается ограничитель перенапряжения, достоинством которого является как минимум две вещи. Первая вещь – это простота конструкции, а вторая вещь – отсутствие сопровождающего тока. Потому что как только перенапряжение исчезло, то нормальный уцелевший УЗИП снова переходит сюда. И переход из одного состояния в другое у такого варистора на основе оксида цинка происходит достаточно быстро. Это примерно 20 – 25 наносекунд не больше. И это значит, что такая шайба оксида цинковая может быть использована для ограничения быстро нарастающих перенапряжений. Потому что 20 – 25 наносекунд – это очень хорошее время для работы. А где главный недостаток? А главный недостаток снова в этой характеристике. Смотрите, такое напряжение на УЗИП, реально эта величина находится на уровне сотен единиц киловольт. И если при таком напряжении текут приличные килоамперные токи, то здесь выделяется очень большая энергия, мощность – UI. УЗИП очень быстро нагревается и разрушается. Поэтому сделать УЗИП на основе варистора, на токе больше чем 10 кА, максимум 20 кА практически невозможно. Это невозможно, поэтому их на такие токи и не делает. А вторая малоприятная вещь связана с тем, что УЗИП подвержен деградации. Что под этим подразумевается? Под этим подразумевается вот какая вещь: если у вас низкое качество напряжения, например, вы поставили УЗИП в сельской сети 220 В – 380 В, где из-за перекоса фаз у вас вместо 220 В на фазе может быть 250 В, а то и 270 В. Я живу загородом, мне это очень знакомо. Что в результате этого получается? В результате этого дела УЗИП чуть-чуть приоткрывается. Через него начинает течь ток, токи мили амперного, а то в десяток мили амперного уровня. Токоотвода никакого нет. Шайба из оксида цинка быстро греется, она меняет свои характеристики, а то и попросту разрушается. Это обстоятельство – нестабильность характеристик УЗИП и делает их не очень пригодным для использования в ответственных электрических цепях, где они должны пропускать достаточно большие токи молнии.

УЗИП коммутирующего типа

А теперь вот какая вещь, теперь УЗИП на основе разрядника – УЗИП коммутирующего типа. Смотрите, я с самого начала хочу показать вам его вольтамперную характеристику. Напряжение повышается, тока никакого через УЗИП нет, потому что его искровой разрядник не пробит. Когда напряжение доходит до уровня пробоя разрядника, разрядник пробивается, очень быстро искровой канал превращается в дугу и увеличение тока через этот прибор никак не связано с увеличением напряжения. Напряжение на искровом пробитом промежутке УЗИП – это 10 В – 12 В, от силы 15 В. Это значит, что энергия, которая выделяется как ток помноженный на напряжение, она маленькая. И УЗИП можно делать на очень большие токи. Я обратился к своим знакомым, чтобы мне показали УЗИП с наибольшим по величине током и мне прислали эту фотографию. Такой УЗИП на ток 200 кА, он способен пропускать такие токи при импульсе 10 на 350, который является типовым импульсом, имитирующим ток первого компонента молнии. Но УЗИП на ток 100 кА, на 150 кА – это ординарные УЗИП, которые выпускают достаточно большое количество фирм и эти УЗИП помещаются по габаритным размерам в корпуса типичные для низковольтной аппаратуры, например, для автоматов или разрядников. В чем достоинство такого УЗИП я уже сказал, он в состоянии пропустить очень большие токи. А теперь давайте разговаривать о недостатках такого прибора. Недостатка два достаточно серьёзных. Если разрядник пробился, то пробившийся разрядник будет пропускать сопровождающий ток уже после того как грозовое перенапряжение исчезло. Для этого вполне достаточно напряжение электрический сети 220 В. И через такой разрядник потечёт сопровождающий ток, величина которого определяется мощностью того источника, который эту цепь питает. И этот сопровождающий ток может исчисляться единицами и даже десятками кило ампер. И сам по себе этот ток не погаснет, его надо гасить. И для того чтобы его погасить, нужно предусмотреть в УЗИП дугогасительную камеру, которая может работать на разных принципах, но она должна быть. И способность УЗИП погасить сопровождающий ток – это важная его характеристика. Сегодня существуют УЗИП, которые в состоянии погасить сопровождающий ток промышленной частоты величиной приблизительно до 50 кА. Такие УЗИП реально существуют. Но вы сами понимаете, если я запихиваю в УЗИП дугогасительную камеру, он получается сложнее и он получается дороже. Второй недостаток тоже достаточно серьёзный. Искровой промежуток. Если это УЗИП, сделанные в воздушном промежутке, то величина такого зазора вряд ли может быть меньше одного миллиметра. А это значит, что напряжение пробоя такого промежутка, оно будет находиться на уровне 2,5 кВ – 3 кВ, ниже этого напряжения УЗИП не сработает. И это очень плохо, потому что доли его срабатывания перенапряжения величиной до 2,5 кВ – 3 кВ попадает на защищаемое оборудование. Нужно стремиться по возможности уменьшить напряжение срабатывания искрового промежутка УЗИП. Это можно сделать двумя способами. Первый способ – это устроить УЗИП не в воздухе, а в низко прочном газе, например, в смеси аргона и неона или в каких-то других благородных газах. Этим удается снизить напряжение срабатывания УЗИП, но при этом оно не в состоянии пропускать большие токи, потому что стеклянная колба просто развалится при большом токе. Второй момент – это сделать управляемый УЗИП в воздухе. Делается трех электродный УЗИП со специальным поджогом, благодаря которому напряжение удается снизить примерно с 2,5 кВ – 3 кВ до 1,5 кВ, а то и до 1,2 – 1,25 кВ. Вы скажете: «Ну и чепуха! Снизили напряжение в два раза». Это совсем не чепуха. Во-первых, это довольно сложно, потому что УЗИП становится ещё сложнее, а стало быть, ещё и дороже. А во-вторых, с 2,5 кВ до 1,5 кВ или до 1,25 кВ, то мне это позволит защищать электрические цепи напряжением 220 В, которые имеют электрическую прочность на уровне 2,5 кВ. Вопрос этот очень важный, но я ещё раз подчеркну: суть дела заключается в том, что мне приходится устраивать конструкцию, которая получается очень дорогой. И из-за того что она получается очень дорогой, применять его, конечно, значительно сложнее.

Защитный полупроводниковый диод

И есть ещё один момент. Искровые разрядники пробиваются не очень быстро. Время срабатывания искрового разрядника примерно 100 наносекунд. Поэтому УЗИП на основе искровых разрядников, это все-таки те УЗИП, которые защищают цепи, где очень быстрого срабатывания не требуется. А если требуется очень быстрое срабатывание, то тогда приходится применять УЗИП третьего типа – это УЗИП на основе полупроводникового защитного диода. Эти УЗИП работают следующим образом. У них пробивается p-n переход, пробой p-n перехода осуществляется очень быстро за единицы, за десятые, а то и за сотые доли наносекунды. И также быстро этот полупроводниковый переход возвращается в исходное состояние. Но пропускная способность этих приборов по току молнии, она, в общем, не велика. И самое главное вот что – для того чтобы пропускать токи на уровне хотя бы сотен ампер, а о больших токах там и речи не идёт, вам приходится делать p-n переход достаточно большой площади.

Методика расчёта токов нагрузки УЗИП Вебинар «Ответы на вопросы об УЗИП», страница 1 УЗИП — надежная защита для сложной электроники Вебинар "Программное обеспечение для расчёта надёжности молниезащиты любого объекта за 30 минут." Страница 3 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 1 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 2 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 3