Что такое «Зонная концепция защиты от перенапряжений»?

В 70 – е годы ХХ-го века была разработана так называемая «зонная концепция защиты от ИП», вошедшая в дальнейшем в стандарт МЭК и национальные стандарты стран – членов МЭК, в том числе России.

Основные принципы зонной концепции:

- применение строительных конструкций с металлическими элементами (арматурой, каркасами, несущими элементами и т.п.), электрически связанными между собой и системой заземления, и образующими экранирующую среду для уменьшения воздействия внешних электромагнитных влияний внутри объекта («клетка Фарадея»);

- наличие правильно выполненной системы заземления и уравнивания потенциалов;

- деление объекта на условные защитные зоны и применение специальных устройств защиты от перенапряжений (УЗИП);- соблюдение правил размещения защищаемого оборудования и подключенных к нему проводников относительно другого оборудования и проводников, способных оказывать опасное воздействие или вызвать наводки. Основные пути попадания ИП для объектов различного типа приведены на рисунке 4.17.

Рисунок 4.17. Основные пути попадания ИП в электрическую сеть

Железобетонные конструкции зданий, выполняющие функцию естественного заземляющего устройства и имеющие электрическое соединение с системой выравнивания потенциалов, достаточно хорошо экранируют находящуюся внутри технику от электромагнитных воздействий (клеть Фарадея), отводя большую опасную часть тока молнии при прямом попадании в объект на землю (Рис. 4.18).

 

Рисунок 4.18. Структура здания (клеть Фарадея) и растекание токов по металлоконструкциям при прямом ударе молнии

 

Стандарт МЭК определяет зоны молниезащиты с точки зрения прямого и непрямого воздействия молнии:

Зона 0_А: Зона внешней среды объекта, все точки которой могут подвергаться воздействию прямого удара молнии (иметь непосредственный контакт с каналом молнии) и возникающего при этом электромагнитного поля.

Зона 0_В: Зона внешней среды объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии, так как находятся в пространстве, защищенном системой внешней молниезащиты. Однако в данной зоне имеется воздействие неослабленного электромагнитного поля.

Зона 1: Внутренняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии. В этой зоне токи во всех токопроводящих частях имеют значительно меньшее значение по сравнению с зонами 0_А и 0_В. Электромагнитное поле также снижено по сравнению с зонами 0_А и 0_В за счёт экранирующих свойств строительных конструкций.

Последующие зоны (Зона 2 и т.д.). Если требуется дальнейшее снижение разрядных токов или электромагнитного поля в местах размещения чувствительного оборудования, то необходимо проектировать так называемые последующие зоны. Критерий для этих зон определяется соответственно общими требованиями по ограничению внешних воздействий, влияющих на защищённую систему. Имеет место общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшаются влияние электромагнитного поля и грозового тока. На границах раздела отдельных зон необходимо обеспечить защитное последовательное соединение всех металлических частей, с обеспечением их периодического контроля.

На распределение энергии электромагнитных полей внутри объекта оказывают влияние различные элементы строительных конструкций такие как: отверстия или щели (например, окна, двери) обшивки из листовой стали (водосточные

трубы, карнизы), а также места ввода – вывода кабелей электропитания, связи и других коммуникаций.

На рисунке 4.19 приводится пример разделения защищаемого объекта на несколько зон. Кабели электропитания, связи и другие металлические коммуникации должны входить в защитную зону 1 водной точке и своими экранными оболочками или металлическими частями подключаться к главной заземляющей шине на границе зон 0_А - 0_В и Зоны 1.

Рисунок 4.19. Разделение защищаемого объекта на зоны

 

Описанное выше разделение объекта на условные зоны позволяет на практике эффективно решать вопросы защиты электропитающих сетей до 1000 В, а также линий связи, передачи данных, компьютерных сетей и других коммуникаций, входящих в объект, с помощью применения различного типа устройств защиты от импульсных перенапряжений (или так называемой внутренней системой молниезащиты).

Для гарантированной защиты объекта от перенапряжений, возникающих при стекании токов молнии на заземляющее устройство или при «приходе» волны перенапряжения по питающей сети (в случае далекого удара молнии), «Зонной концепции» предусмотрена трёхступенчатая схема включения защитных устройств. В соответствии с указанными ступенями различают три класса УЗИП, назначение которых приведены ниже.

Таблица 4.4

Назначение трех классов УЗИП

Класс УЗИП	Назначение устройства
I	Предназначены для защиты от прямых ударов молнии в систему молниезащиты здания (объекта) или воздушную линию электропередач (ЛЭП). Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Нормируются импульсным током Iimp с формой волны 10/350 мкс.
II	Предназначены для защиты токораспределительной сети объекта от коммутационных помех или как вторая ступень защиты при ударе молнии. Устанавливаются в распределительные щиты. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс.
III	Предназначены для защиты потребителей от остаточных бросков напряжений, защиты от дифференциальных (несимметричных) перенапряжений (например, между фазой и нулевым рабочим проводником в системе TN-S), фильтрации высокочастотных помех. Устанавливаются непосредственно возле потребителя. Могут иметь самую разнообразную конструкцию (в виде розеток, сетевых вилок, отдельных модулей для установки на DIN-рейку или навесным монтажом). Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс.

 

47. Поясните смысл зонной концепции защиты от перенапряжений в электроустановках напряжением до 1 кВ по рис. 4.20 на стр. 84 пособия.

ГОСТ Р 50571.19 вводит понятие «импульсного выдерживаемого напряжения, требуемого для оборудования», иначе говоря, стойкости изоляции к импульсным перенапряжениям. По стойкости изоляции электротехническое оборудование, предназначенное для использования в сетях 220/380 В, делится на 4 категории (IV, III, II, I). Для каждой категории определяются так называемые максимально выдерживаемые импульсные напряжения (защитные уровни), допускаемые для подключённого оборудования. Например, для сети TN-C 220/380 В перенапряжение на вводе в объект не должно превышать уровень 6 kV, после главного распределительного щита – 4 kV, на выводах вспомогательных распредщитов - 2,5 kV и для оборудования подключаемого непосредственно к электророзеткам – 1,5 kV. Очевидная существующая взаимосвязь между зонами молниезащиты, классами защитных устройств и категориями стойкости изоляции оборудования к импульсным перенапряжением показана на рисунке 4.20.

Защитные устройства класса I устанавливаются на вводе в здание (во водном щите, ГРЩ или же специальном боксе) после вводного автомата (на границе Зоны 0 и Зоны 1). Защитные устройства класса II – во вторичных распределительных щитах (например, этажных или других щитах). Желательно размещать их до групповых автоматов. Точка размещения этого класса устройств может находиться на границе Зоны 1 и Зоны 2. Защита класса III может устанавливаться также в распределительных щитах или непосредственно возле потребителя (защитная зона 3). При расстоянии более 10-15 метров от места установки УЗИП до потребителя желательно установить дополнительное устройство III класса в непосредственной близости от защищаемого оборудования, чтобы гарантированно устранить возможные наводки на указанных длинах кабеля.

Одним из основных параметров защитных устройств является уровень защиты (U_Р), это максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока (I_n). Из рисунка ниже чётко видно, что каждая ступень защиты обеспечивает выполнение требований по импульсной стойкости изоляции.

Как правило, УЗИП класса I на базе разрядника имеют U_Р = 4 kV, на базе варистора ещё ниже, УЗИП класса II имеют U_Р = 1,3 – 2,5 kV, УЗИП класса III имеют U_Р = 0,8-1,5 kV.

 

Рис. 4.20. Зоны молниезащиты, классы УЗИП и категории стойкости изоляции к импульсным перенапряжениям

Проводящие части, входящие в здание извне, должны быть соединены как можно ближе к точке их ввода в здание. Для соединения с основной системой управления потенциалов все указанные части должны быть присоединены к главной заземляющей шине при помощи проводников системы уравнивания потенциалов.

М – открытая проводящая часть; С₁- металлические трубы водопровода, входящие в здание; С₂ –металлические трубы канализации, входящие в здание; С₃ – металлические трубы газоснабжения с изолирующей вставкой на вводе, входящие в здание; С₄ – воздуховоды вентиляции и кондиционирования; С₅ - система отопления; С₆ – металлические водопроводные трубы в ванной комнате; С₇ – металлическая ванна; С₈ – сторонняя проводящая часть в пределах досягаемости от открытых проводящих частей; С₉ – арматура железобетонных конструкций; ГЗШ – главная заземляющая шина; Т₁ – естественный заземлитель; Т₂ – заземлитель молниезащиты (если имеется); 1 – нулевой проводник; 2 – проводник основной системы уравнивания потенциалов; 3 – проводник дополнительной системы уравнивания потенциалов; 4 – токоотвод системы молниезащиты; 5 – контур (магистраль) рабочего заземления в помещении информационного вычислительного оборудования; 6 – проводник рабочего (функционального) заземления; 7 – проводник уравнивания потенциалов в системе рабочего (функционального) заземления; 8 –заземляющий проводник.