Защита электронных устройств при грозовых разрядах
Для любой электроники очень высок риск повреждения во время грозы. Для серьезного нарушения в работе электронных приборов прямое попадание молнии необязательно, достаточно нахождения центра грозы рядом с объектом, на котором смонтированы эти приборы. Причинами этого являются электромагнитные импульсы, которые вырабатываются статически заряженным воздухом.
Аналогичные последствия может иметь и достаточно удаленный удар молнии в воздушную линию электропередачи. Мощный электромагнитный импульс приводит к перенапряжениям в сети и выходу из строя электронных узлов.
Весьма подвержены вредному воздействию описанных процессов станции управления насосами, получающие питание от комплектных трансформаторных подстанций (КТП) по воздушными линиями 0,4кВ.
Для защиты от вредного воздействия электрических разрядов в электроустановках напряжением до 1кВ используют ограничители перенапряжения, которые называют устройствами защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).
Существуют три класса УЗИП – I, II и III.
УЗИП класса I предназначены для защиты от импульсов перенапряжений с характеристикой волны 10/350мкс, это значит, что максимально допустимое время нарастания импульса перенапряжения до максимума и спада до номинального значения не должно превышать 10 и 350 микросекунд соответственно. При этом допустим кратковременный ток от 25 до 100кА, такие импульсные токи возникают при разряде молнии, когда она попадает в ЛЭП на расстоянии ближе 1,5км к потребителю. Устройства этого класса выполняются на разрядниках, их необходимо устанавливать в вводно-распределительном устройстве.
УЗИП класса II предназначены для защиты от кратковременных импульсных помех, и устанавливаются в распределительные щиты. Они способны обеспечить защиту от импульсов перенапряжения с параметрами 8/20мкс, ток может составлять 10…40кА. В этих УЗИП применяются мощные варисторы.
Аналогичным образом устроены и УЗИП класса III, с тем лишь отличием, что максимальный ток внутреннего варистора не должен превысить 10 кА.
Необходимо отметить, что для надежной защиты оборудования важно присутствие всех ступеней защиты (УЗИП I, II и III классов).
Подключение УЗИП для системы заземления TN-C-S
В системе заземления ТТ, которая широко используется в сельской и загородной местности, на стороне потребителя выполняется местный штыревой заземлитель, к которому подключаются все проводники защитной земли PE.
В системе ТТ ставить варисторный модуль УЗИП в первой, второй и третей ступенях между N и РЕ (также как и между L и PE) нельзя. В случае не полного востановления варистора система ТТ превратится TN-C, что недопустимо.
В такой же ситуации между L и PE, опасный потенциал будет подан на корпуса электрооборудования, так как в ТТ нейтральный провод питающей сети не подключен к системе защитного заземления.
Подключение УЗИП для системы заземления TТ
Защита класса I должна обязательно устанавливаться на объектах, имеющих воздушный ввод и, соответственно, подверженных грозовому разряду.
Для подземного кабельного ввода достаточна установка защит класса II и III.
В случаях, когда в конструкции КТП не предусмотрено наличие УЗИП, при питании от воздушной линии электропередачи необходимо установить ограничители перенапряжений на концевых опорах воздушных линий 10кВ/0,4кВ.
Большинство УЗИП имеют модульное исполнение и могут быть установлены на DIN-рейку 35 мм. Обязательное требование — щит для установки УЗИП должен иметь металлический корпус с подключением к защитному проводнику.
Производители рекомендуют защищать УЗИП с помощью плавких вставок. Данные рекомендации объясняются более быстрым срабатыванием предохранителей при импульсных токах, а также возможностью повреждениями контактной системы автоматических выключателей при разрывании токов большой величины.
При выполнении трехступенчатой защиты от перенапряжений, устройства должны располагаться на определенном расстоянии друг от друга по длине провода. Например, от УЗИП I до УЗИП II расстояние должно быть не менее 15 м по длине соединяющего их провода. Расстояние между II и III ступенью должно быть 5 метров. При невозможности разнести устройства на предписанные расстояния, применяют согласующие дроссели.
В заключение необходимо отметить, что комплексная защита электронных устройств от грозовых разрядов требует значительных материальных затрат. Невыполнение (или частичное выполнение) рекомендованных требований защиты, в случае удара молнии в воздушную линию, учитывая колоссальную энергию разряда, неминуемо приведет к выходу из строя не только электронных систем, но и электротехнических компонентов. Но в любом случае необходимо, чтобы электронная аппаратура максимально соответствовала базовым стандартам по электромагнитной совместимости.
Примитивные схемы питания на балластных конденсаторах являются причиной массовых отказов электронных узлов как в грозовые периоды, так и при наличии в сети импульсных помех. Несколько лучше показывают себя бестрансформаторные импульсные AC/DC преобразователи, но все же их основной нишей применения являются всевозможные бытовые приборы с питанием от внутридомовой электросети.
При питании промышленной аппаратуры управления совершенно неуместна экономия на гальванически развязанных источниках питания и оконечных быстродействующих элементах защиты чувствительных цепей. Грамотно сконструированные электронные модули управления значительно меньше подвержены отказам из-за перенапряжений, чем их «экономные» собратья.