Что такое узип в электрике и как оно работает

Устройство и принцип работы УЗИП

УЗИП (устройство защиты от импульсных перенапряжений) предназначено для защиты от импульсных перенапряжений в электросети, в том числе спровоцированных ударом молнии.

Устройство УЗИП

Конструктивно устройство защиты от импульсных перенапряжений состоит из следующих элементов:
• база УЗИП из негорючего пластика, предназначенная для установки рабочего модуля;
• верхняя и нижняя клеммы для подключения проводов;
• контакты дистанционной сигнализации;

• съемные рабочие модули, состоящие из: корпуса из негорючего пластика; нелинейного рабочего элемента, в качестве которого может использоваться, например, варистор, обладающий возможностью изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения; силовых контактов. Один из контактов (верхний) припаян к варистору высокотемпературным припоем, а второй (нижний) — низкотемпературным припоем; теплового расцепителя в виде упругого токопроводящего контакта, припаянного к выводу варистора; индикатора состояния рабочего элемента. Если окно-индикатор зеленого цвета, то рабочий элемент находится в рабочем состоянии. Если же красного цвета, то рабочий элемент вышел из строя и требует замены.

Принцип работы УЗИП

Защита от перенапряжения

При возникновении перенапряжения (при протекании импульсного тока молнии) сопротивление нелинейного элемента УЗИП мгновенно падает и через защитное устройство начинает протекать ток.

За счет резкого изменения нелинейного сопротивления и протекания тока происходит ограничение напряжения. После окончания импульса сопротивление нелинейного элемента восстанавливается до исходного непроводящего состояния.

Состояние УЗИП

Если при эксплуатации на УЗИП будет длительно воздействовать нерасчетное напряжения сети, то варистор может выйти из строя. Индикатором этого состояния служит постепенный нагрев варистора под действием тока утечки. При нагреве выводов вари́стора до 120°С произойдет расплавление низкотемпературного припоя и расцепление контакта. Это приведет к опусканию флажка зеленого индикатора, который займет фиксированное положение благодаря сжатию пружины, установленной между контактом и индикатором. В индикаторном окошке появится элемент внутреннего корпуса красного цвета.

Мы рассказали о конструкции и принципе работы устройства защиты от импульсных перенапряжений. Также рекомендуем посмотреть 3D-видео, размещенное в начале данной статьи.

Что такое УЗИП и зачем он нужен

Раньше было принято вынимать вилки бытовой техники из розеток во время грозы, чтобы сохранить работоспособность оборудования и предотвратить возгорание, которое может возникнуть из-за импульсных перенапряжений и коммутационных скачков напряжения. Величина таких скачков может многократно превышать номинальные токовые значения электропроводки. Они возникают не только из-за природных, но и из-за техногенных причин (короткое замыкание, переключение мощных электродвигателей или трансформаторов).

Избежать нежелательных последствий таких явлений теперь можно и без вынимания вилки. Для этого нужно установить устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Такое оборудование не заменяет автоматические выключатели, а дополняет их: УЗИП устанавливается сразу после вводного автомата.

Что такое узип

Как работает УЗИП?

Принцип действия защитного оборудования основан на зависимости сопротивления от приложенного к контактам напряжения. Например, напряжение бытовой сети электросети составляет 220 вольт, а сопротивление – 1-100 Мом. Если напряжение в электросети увеличивается до пиковых значений, то УЗИП уменьшает сопротивление до нескольких ом и изолирует объект от разрушительного воздействия высоких импульсных токов. Снижение сопротивления обеспечивается благодаря наличию в конструкции электротехнического устройства варистора. Благодаря этому элементу УЗИП способен нивелировать перенапряжения при несимметричном (синфазном) и симметричном (дифференциальном) режиме.

Разновидности устройств

По принципу действия такое оборудование делится на вентильные и искровые разрядники, а также изделия с варисторами, о которых говорилось выше. Первые две разновидности УЗИП работают несколько иначе: при воздействии грозового разряда возникает перенапряжение, которое пробивает в соединяющей фазу с заземляющим контуром перемычке воздушный зазор. Благодаря этому импульс высокого напряжения уходит в землю и не наносит никакого вреда. Гашение высоковольтного импульса в вентильных разрядниках происходит на резисторе.

Модификация защитного оборудования определяет тип защищаемого объекта. Например, устройства на основе газонаполненных разрядников часто используют для защиты объектов с внешней системой молниезащиты или для зданий, которые обеспечиваются электроэнергией по ЛЭП. Варисторные УЗИП могут использоваться в высоковольтных сетях (на линиях 10 кВ и выше), в том числе и промышленных объектов, а низковольтная модель УЗИП может использоваться и в квартирных щитках.

Существуют еще и комбинированные УЗИП, которые объединили преимущества ранее приведенных моделей. Защитные устройства этого типа имеют низкое напряжение срабатывания варисторных моделей и большую рассеиваемую мощность искровых разрядников (некоторые модели могут пропускать токи в десятки килоампер).

К отличительным признакам помимо принципа действия относится еще и класс оборудования:

1 класс (B) – защищают от импульсов из-за удара молнии и короткого замыкания;
2-класс (C) – используются для защиты ЛЭП и подстанций от перенапряжения при переключении трансформаторов;
3 класс (D) – предназначены для ликвидации остаточных сетевых помех и перепадов напряжения.

Защитное оборудование всех перечисленных классов выпускает несколько компаний, отлично зарекомендовали себя УЗИП ETI, которые отличаются высокой надежностью, долгим сроком службы и доступной ценой.

Характеристики УЗИП

Чтобы правильно выбрать оборудование, необходимо понимать, что означают обозначения на упаковке и корпусе:

Umax – верхняя граница напряжения;
In – номинальное значение разрядного тока;
Up – напряжение срабатывания устройства;
Imax – предельная величина разрядного тока.

Также при выборе продукции необходимо обратить внимание на параметры питающей сети:

однофазная, TN-C;
однофазная, TN-S;
трехфазная, TN-C;
трехфазная, TN-S.

От типа питающей сети будет зависеть способ подключения. Например, однофазный прибор TN-C не имеет заземляющего провода, поэтому УЗИП подключается между фазным и нулевым проводом. Чтобы не ошибиться с подключением, необходимо внимательно изучить схему, которая указана на упаковке и корпусе устройства. На устройствах защиты от импульсных напряжений ETI имеются все необходимые для правильного выбора и установки обозначения. Чтобы полностью исключить вероятность ошибки, выбор и установку такого оборудования лучше поручить профессионалам.

УЗИП — классы и типы защиты от импульсного перенапряжения электросети

Лицензии компании Амнис

Перенапряжением называется любое превышение напряжения относительно максимально допустимого для данной сети.

К этому виду сетевых помех относятся как перенапряжения, связанные с перекосом фаз достаточно большой длительности, так и перенапряжения, вызванные грозовыми разрядами с длительностью от десятков до сотен микросекунд. Методы и средства борьбы зависят от длительности и амплитуды перенапряжений. В этом отношении импульсные перенапряжения можно выделить в отдельную группу.

Под импульсным перенапряжением понимается кратковременное, чрезвычайно высокое напряжение между фазами или фазой и землей с длительностью, как правило, до 1 мс.

Грозовые разряды – мощные импульсные перенапряжения, возникающие в результате прямого попадания молнии в сеть электропитания, громоотвод или импульс от разряда молнии на расстоянии до 1,5 км, приводящий к выходу из строя электрооборудования или сбою в работе аппаратуры. Прямое попадание характеризуется мгновенными импульсными токами до 100 кА с длительностью разряда до 1 мС.

При наличии системы громоотвода импульс разряда распределяется между громоотводом, сетью питания, линиями связи и бытовыми коммуникациями. Характер распределения во многом зависит от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций.

Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности, сопровождающуюся радиочастотными помехами широкого спектра. Природа возникновения помех приведена на примере ниже.

Например, при отключении разделительного трансформатора мощностью 1кВА 220/220 В от сети вся запасенная трансформатором энергия «выбрасывается» в нагрузку в виде высоковольтного импульса напряжением до 2 кВ.

Мощности трансформаторов в энергосети значительно больше, мощнее и выбросы. Кроме того, переключения сопровождаются возникновением дуги, являющейся источником радиочастотных помех.

Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования, интересен тем, что, хоть и имеет небольшую энергию, разряжается в непредсказуемом месте.

Форма и амплитуда импульсного перенапряжения зависят не только от источника помехи, но и от параметров самой сети. Не существует два одинаковых случая импульсного перенапряжения, но для производства и испытания устройств защиты введена стандартизация ряда характеристик тока, напряжения и формы перенапряжения для различных случаев применения.

Так для имитации тока разряда молнии применяется импульс тока 10/350 мкс, а для имитации косвенного воздействия молнии и различных коммутационных перенапряжений импульс тока с временными характеристиками 8/20 мкс.

Таким образом, если сравнить два устройства с максимальным импульсным током разряда 20 кА при 10/350 мкс и 20 кА при импульсе 8/20 мкс у второго, то реальная «мощность» первого примерно в 20 раз больше.

Существует четыре основных типа УЗИП (устройств защиты от импульсных перенапряжений)

Разрядник

Представляет собой устройство из двух токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При существенном повышении напряжения между пластинами возникает дуговой разряд, обеспечивающий сброс высоковольтного импульса на землю.

По исполнению разрядники делятся на: воздушные, воздушные многоэлектродные и газовые. В газовом разряднике дуговая камера заполнена инертным газом низкого давления. Благодаря этому их параметры мало зависят от внешних условий (влажность, температура, запыленность и т.д.), кроме этого газовые разрядники имеют экстремально высокое сопротивление (около 10 ГОм), что позволяет их применять для защиты высокочастотных устройств до нескольких ГГц.

При установке воздушных разрядников следует учитывать выброс горячего ионизированного газа из дуговой камеры, что особенно важно при установке в пластиковые щитовые конструкции. В общем, эти правила сводятся к схеме установки, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки разрядников

Типовое напряжение срабатывания для разрядников составляет 1,5 – 4 кВ (для сети 220/380 В 50 Гц).

Время срабатывания порядка 100 нс. Максимальный ток при разряде для различных исполнений от 45 до 60 кА при длительности импульса 10/350 мкс. Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в щиты, так и в виде модуля для установки на DIN-рейку.

Отдельную группу составляют разрядники в виде элементов для установки на платы с токами разряда от 1 до 20 кА (8/20 мкс).

Варистор

Керамический элемент, у которого резко падает сопротивление при превышении определенного напряжения.

Напряжение срабатывания 470 – 560 В (для сети 220/380 В 50 Гц).

Время срабатывания менее 25 нс.

Максимальный импульсный ток от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс.

Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в радиоаппаратуру, так и в виде DIN-модуля для установки в силовые щиты.

Разделительный трансформатор

Силовой 50 герцовый трансформатор с раздельными обмотками и равными входным и выходным напряжениями.

Трансформатор просто не способен передать столь короткий высоковольтный импульс во вторичную обмотку и благодаря этому свойству является в некоторой степени идеальной защитой от импульсных перенапряжений. Однако при прямом попадании молнии в электросеть может нарушиться целостность изоляции первичной обмотки, и трансформатор выходит из строя.

Защитный диод

Применяется, как правило, для защиты аппаратуры связи. Обладает высокой скоростью срабатывания (менее 1 нс) и разрядным током 1 кА при токовом импульсе 8/20 мкс.

Из четырех выше описанных устройств каждое имеет свои достоинства и недостатки. Если сравнить разрядник и варистор с одинаковым максимальным импульсным током и обратить внимание на длительность тестового импульса, то становится ясно, что разрядник способен поглотить энергию на два порядка больше, чем варистор. Зато варистор срабатывает быстрее, напряжение срабатывания существенно ниже и гораздо меньше помех при работе.

Разделительный трансформатор при определенных условиях имеет безграничный ресурс по защите нагрузки от импульсных перенапряжений (у варисторов и разрядников при срабатывании происходит постепенное разрушение материала элемента), но для сети 100 кВА требуется трансформатор 100кВА (тяжелый, габаритный и довольно дорогой).

Следует помнить, что при отключении первичной сети трансформатор сам по себе генерирует высоковольтный выброс, что требует установки варисторов на выходе трансформатора.

Одной из серьезных проблем в процессе организации безопасности оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений является то, что нормативная база в этой области до настоящего времени разработана недостаточно. Существующие нормативные документы либо содержат в себе устаревшие, не соответствующие современным условиям требования, либо рассматривают их частично, в то время как решение данного вопроса требует комплексного подхода. Некоторые документы в данный момент находятся в стадии разработки и есть надежда, что они вскоре выйдут в свет. В их основу положены основные стандарты и рекомендации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК).

В настоящее время существуют следующие нормативные документы, которые в той или иной мере рассматривают вопросы защиты электропитающих установок от импульсных перенапряжений:

Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87).
Временные указания по применению УЗО в электроустановках зданий (Письмо Госэнергонадзора России от 29.04.97 № 42-6/9-ЭТ разд.6, п. 6.3).
ПУЭ (7-е изд., п. 7.1.22).
ГОСТ Р 50571.18-2000, ГОСТ Р 50571.19-2000, ГОСТ Р 50571.20-2000.

Ниже представлены типовые схемы УЗИП. Как правило, это комбинация различных устройств, реализующих концепцию зонной защиты, широко распространенную за рубежом.

Основные ее положения приведены в стандартах IEC-1024-1 (1990-03) «Защита сооружений от удара молний. Часть 1. Общие принципы» и IEC-1312-1 (1995-02) «Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1. Общие принципы».

Суть данной концепции заключается в том, что объект, подлежащий молниезащите (защите от перенапряжений), разбивается на три условных зоны. Предусматривается последовательное снижение уровня перенапряжений от зоны 0 к зоне 1 и далее к зоне 2, в которой устанавливается оборудование. Границей зоны 0 и зоны 1 служит внешний контур заземления и стены здания.

Для систем электропитания границей этих зон является ГРЩ здания. Границей зон 1 и 2, как правило, является токораспределительный щит.

Классы УЗИП

Современная классификация защитных устройств строится в соответствии с зоновой концепцией молниезащиты (IEC-1024-1, IEC-1312-1). Основные классы УЗИП приведены в IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03) «Устройства защиты от волн перенапряжения для низковольтных систем распределения электроэнергии. Эксплуатационные требования и методы испытания».

В зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токиУЗИП делятся на следующие классы — A, B(I), C(II), и D(III).

Например, рекомендуемый УЗИП для частного дома рекомендуется установка I+II+III класса защиты

Класс	Назначение защитного устройства	Место установки	Основные требования, предъявляемые к устройству	Импульсный ток, пропускаемый устройством при срабатывании
B(I)	Для защиты от прямых ударов молнии в здание, мачту, ЛЭП (категория перенапряжения IV).	На вводе в здание (во вводном щите) или в главном распределительном щите.	– Защита от импульсных перенапряжений с большой энергией (прямых ударов молний, мощных бросков напряжений в режимах короткого замыкания). – Требуется защита от прямого прикосновения. – Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки.	В соответствии с требованиями: — 1 класс защиты УЗИП — E DIN VDE 0675-6/А1/ 03-96 (таблица 4) (при импульсе 10/350 мкС Iimp = 0,5 — 50 кА) — IEC 1643 — 1 (37A/44/CDV:1996-03)
C(II)	Для защиты электросети от коммутационных помех, как вторая ступень защиты при ударе молнии (категория перенапряжения III).	Распределительные щиты.	– Защита от синфазных перенапряжений (между фазой и землей, нейтралью и землей). – Требуется защита от прямого прикосновения. – Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки.	В соответствии с требованиями: — УЗИП 2 класса защиты — E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 5 кА) — IEC 1643-1 (37A/44/CDV:1996-03)
D(III)	Для защиты потребителей от остаточных бросков напряжений, фильтрация помех (категория перенапряжения II).	Розетки, оконечные защитные устройства (фильтры и т.п.)	– Защита от дифференциальных перенапряжений (между фазой и нейтралью). – Требуется защита от прямого прикосновения. – Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки.	В соответствии с требованиями: — УЗИП 3 класса защиты — E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 1,5 кА) — IEC 1643-1 (37A/44/CDV:1996-03)

Основой любых типов УЗИП являются системы заземления и выравнивания потенциалов внутри здания, поэтому любые мероприятия по защите должны начинаться с проверки этих систем.

Обязателен переход на системы электропитания TN-S или TN-C-S с разделёнными нулевым рабочим и нулевым защитным проводниками.

Этот переход важен не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для предотвращения поражения электрическим током обслуживающего персонала и повышения противопожарной безопасности объекта (возможно применение устройств УЗО).

Типовая схема установки защитных элементов зонной защиты представлена на рисунке 2.

Структура зонной защиты

Рис.2. Структура зонной защиты для сети типа ТN–S 220/380 В, 50 Гц

Защитные устройства класса В, газовые или воздушные разрядники с током разряда от 45 до 60 кА (10/350 мкс), устанавливаются на вводе в здание (во вводном щите, в ГРЩ или же в специальном боксе). Защитные устройства класса С в виде мощных варисторных модулей с токами разряда порядка 40 кА (8/20 мкс) – на других подраспределительных щитах. Защита класса D, варисторные модули с током разряда 6 – 8 кА или всевозможные фильтры со встроенной варисторной защитой устанавливается непосредственно возле потребителя.

Защита класса В должна устанавливаться обязательно на объектах, имеющих воздушный ввод и соответственно чья сеть может быть подвержена грозовому разряду.

В случае подземного кабельного ввода достаточна установка защит класса С и D.

Приведенные цифры по токам для защит по данной схеме существенно превышают требования норматива, однако разумное усиление всех рубежей защиты дает гарантию многолетней безаварийной работы элементов и обеспечивает существенно меньшие остаточные напряжения.

Установка разрядника в первой ступени защиты между нулевым рабочим (N) и нулевым защитным (PE) проводниками необязательна, так как защитные устройства расположены непосредственно возле точки разделения PEN проводника на N и PE проводники. Во второй ступени между N и PE проводниками устанавливаться ограничитель перенапряжения, так как при удалении от точки разделения PE-N проводника и увеличении длины электрических кабелей индуктивность и, соответственно, индуктивное сопротивление жил кабелей току разряда молнии резко возрастает. В результате этого возможно возникновение разности потенциалов между элементами оборудования, подключенного к N и PE проводникам.

Также при установке защитных устройств очень важно, чтобы расстояние между соседними ступенями было не менее 7–10 метров по кабелю электропитания. Выполнение этого требования необходимо для правильной работы защитных устройств.

В момент возникновения в силовом кабеле импульсного перенапряжения за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля обеспечивается необходимая временная задержка в росте импульса перенапряжения на следующей ступени защиты, что позволяет обеспечить поочерёдное срабатывание ограничителей перенапряжения от более мощных к менее мощным. В случае необходимости размещения защитных устройств на более близком расстоянии или рядом (в одном щите) необходимо использовать искусственную линию задержки в виде дросселя с номинальным током сети.

Подключение устройств защиты к РЕ рекомендуется делать отдельным проводником и сводить шине выравнивания потенциала (ШВП). Такое подключение позволяет свести к минимуму бросок потенциала в результате срабатывания УЗИП.

В случае применения устройств УЗО, ограничители перенапряжений классов В и С необходимо размещать на линейной стороне УЗО, чтобы токи разряда и токи утечки, протекающие через них на РЕ проводник, не вызывали срабатывания УЗО. К тому же в случае установки ограничителей перенапряжения классов В и С на сторону нагрузки УЗО, последнее может быть выведено из строя током разряда молнии, что недопустимо с точки зрения обеспечения электробезопасности. Ограничители перенапряжений класса D можно устанавливать после УЗО на стороне нагрузки для защиты оборудования от дифференциальных перенапряжений между фазным проводником L и нейтралью N. В этом случае импульсные токи разряда будут протекать между L и N проводниками, не отводясь на защитный РЕ проводник.

При данной схеме средняя точка двух варисторов подключается к РЕ проводнику через разрядник, который не позволит токам утечки варисторов вызвать ложное срабатывание УЗО. В данной схеме необходимо применение УЗО типа S с временной задержкой срабатывания. Однако, следует отметить, что вопрос применения УЗО на объектах, где необходимо обеспечение электропитания по первой категории, на данный момент времени остается не решенным. ПУЭ издание 7-е 1999 года предусматривает применение УЗО в электроустановках жилых, общественных, административных и бытовых зданий. Документы, определяющие область применения УЗО в электрических сетях промышленных предприятий, в настоящее время отсутствуют.

Наличие предохранителей F2 – F4 и F5 – F7 является обязательным в случае, если номинал предохранителей F1 превышает значение, указанное в паспорте на данный тип УЗИП.

Например, для разрядников FLT – PLUS CTRL 1.5 это 250 А, т.е. если линейный предохранитель F1 400 А, то F4 – F6 не более 250 А, а для варисторного модуля PIV 230 это значение составляет 160 А. Однако, в случае аварии защитных устройств существует вероятность потери питания в сети.

Во многих случаях для обеспечения непрерывности питания устанавливаются защитные автоматы (F2 – F4 и F5 – F6) с номиналом тока меньше линейного автомата. В этом случае возникает необходимость дополнительного контроля за состоянием УЗИП и в первую очередь варисторных блоков.

При соблюдении всех правил установки зонной срок службы защитных элементов составляет в среднем 15 – 17 лет.

Типовая схема защиты ЛВС

Рис.3. Типовая схема защиты ЛВС

В данной схеме (рис. 3) защиты потребители делятся на две группы.

Потребитель первой категории – сервера, бухгалтерия, связь и т.д. – те, для которых потеря питания приводит к серьезным экономическим последствиям.

Источник бесперебойного питания желательно типа on – line, так как при необходимости он обеспечит стабилизацию напряжения и имеет надежность существенно выше, чем ИБП типа оff – line.