Руководство по устройству электроустановок - Защита от перенапряжений

1 Общие положения
1.1 Что такое перенапряжение?
Перенапряжение - это импульс или волна напряжения с наложением на номинальное сетевое напряжение (см. рис. J1).

Рис. J1: Примеры перенапряжений
Этот тип перенапряжений характеризуется следующими параметрами (см. рис. J2):
время нарастания (tf) в мксек;
скорость нарастания в кВ/мксек.
Эти два параметра нарушают работу оборудования и вызывают электромагнитное излучение. Более того, продолжительность перенапряжения (Т) вызывает всплеск энергии в электрических цепях, который может повредить оборудование.

Рис. J2: Основные характеристики перенапряжения
1.2 Четыре типа перенапряжений
Существуют четыре типа перенапряжений, которые могут нарушать работу электроустановок и оборудования (потребителей):
атмосферные перенапряжения
рабочие перенапряжения
переходные перенапряжения промышленной частоты
перенапряжения, вызванные электростатическим разрядом
Атмосферные перенапряжения Риск молний - некоторые сведения
От 2000 до 5000 гроз образуется постоянно в атмосфере земли. Грозы сопровождаются разрядами молнии, которые представляют серьезную угрозу для людей и оборудования. Разряды молнии в атмосфере земли происходят с частотой 30-100 разрядов в секунду. Ежегодно земля испытывает около 3 миллиардов ударов молнии.
Каждый год во всем мире тысячи людей подвергаются ударам молнии, при этом погибает огромное число животных.
Кроме того, молния является причиной многочисленных пожаров, большинство из которых возникает на фермах (с уничтожением сооружений или их выходом из строя)
Молния поражает трансформаторы, счетчики электроэнергии, бытовые электроприборы и электрические и электронные системы в жилом секторе и промышленности.
Высотные здания одни из самых поражаемых молнией сооружений
Стоимость устранения ущерба, наносимого молнией, крайне велика
Трудно оценить последствия нарушений работы компьютерных или телекоммуникационных сетей, сбоев циклов PLC и отказов в системах управления.
Более того, потери из-за выхода машин из строя могут иметь финансовые последствия, выходящие за пределы стоимости оборудования, разрушенного молнией. Характеристики разряда молнии
Рис. J3 содержит данные комитета по молниезащите (технический комитет 81 (I.E.C.)). Согласно этим данным 50% разрядов молнии имеют силу свыше 33 кА, а 5% - свыше 85 кА. Энергия разрядов крайне высока.

Рис. J: Значения разряда молнии согласно данным комитета по молниезащите

Молнии происходят от разряда электрических зарядов, накопленных в кучево-дождевых облаках, которые образуют конденсатор с землей. Грозовые явления наносят значительный ущерб. Молния - высокочастотное электрическое явление, вызывающее перенапряжения на всех проводящих элементах, особенно на нагрузках и проводах.
Важно определить вероятность адекватной защиты объекта. Более того, ток молнии является импульсным током высокой частоты (ВЧ) порядка мегагерц. Воздействие молнии
Ток молнии является электрическим током высокой частоты. Кроме значительных наводок и перенапряжения, он оказывает такое же воздействие на проводник, как любой другой ток низкой частоты:
Тепловой эффект: расплавление в точках воздействия молнии и тепловое действие тока приводят к пожарам
Электродинамический эффект: при циркуляции токов молнии в параллельных проводниках они вызывают силы притяжения или отталкивания между проводами, приводя к разрывам или механическим деформациям (раздавливание или сплющивание проводов)
Эффект взрыва: молния может приводить к расширению воздуха и образованию зоны избыточного давления, расширяющейся на расстояние десятки метров. Ударная волна разрушает окна или перегородки и может отбрасывать животных или людей на несколько метров. Вместе с тем, ударная волна преобразуется в звуковую волну: гром.
Перенапряжения в проводниках после воздействия молнии на воздушные электрические или телефонные линии
Перенапряжения, индуцированные электромагнитным излучением канала молнии, который действует как антенна в радиусе нескольких километров при прохождении по каналу сильного импульсного тока
Повышение потенциала земли из-за циркуляции тока молнии в грунте. Это объясняет непрямые разряды молнии из-за образующегося шагового напряжения и связанные с этим повреждения оборудования
Рабочие перенапряжения
Внезапное изменение установившегося режима работы электрической сети приводит к переходным процессам. Как правило, это волны перенапряжения высокой частоты или затухающих колебаний (см. рис. 13, с. J11). Считается, что это волны с малой скоростью нарастания: их частота изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц. Причины рабочих перенапряжений:
Отключения устройствами защиты (плавкий предохранитель, выключатель) и отключения или включения аппаратуры управления (реле, контактор и т.д.)
Перенапряжения от индуктивных цепей из-за пуска или останова двигателей или отключения понижающих трансформаторов подстанций
Перенапряжения от емкостных цепей при подсоединения блоков конденсаторов к сети
Все устройства, имеющие в своем составе катушку, конденсатор или трансформатор на входе питания: реле, контакторы, телевизоры, принтеры, компьютеры, электропечи, фильтры и т.д.

Переходные перенапряжения промышленной частоты (см. рис. J4) Такие перенапряжения имеют такие же частоты, как сеть (50, 60 или 400 Гц):
Перенапряжения из-за повреждения изоляции фаза/каркас или фаза/земля в сети с заземленной непосредственно или через сопротивление нейтралью или из-за разрыва нейтрального проводника. При этом однофазные устройства получают напряжение 400В.
Перенапряжения из-за пробоя кабеля. Например, при падении кабеля среднего напряжения на низковольтную линию.
Образование дуги защитного искрового разрядника высокого или среднего напряжения вызывает повышение потенциала земли во время действия устройств защиты. Такие устройства защиты работают в соответствии с автоматическими циклами коммутации, которые будут воссоздавать повреждение при его устойчивом сохранении.

Рис. J4: Переходное перенапряжение промышленной частоты
Перенапряжения из-за электрического разряда
В сухой среде электрические заряды накапливаются и создают очень сильное электростатическое поле. Например, человек, идущий по ковру в изолирующей обуви, становится электрически заряженным до напряжения нескольких киловольт. Если человек проходит около проводящей конструкции, возникает электрический разряд в несколько ампер с очень коротким временем нарастания (несколько наносекунд). Если конструкция включает чувствительное электронное устройство, например, компьютер, его компоненты или монтажные платы могут быть повреждены.

Необходимо учитывать три фактора:
Прямой или непрямой удар молнии может иметь разрушительные последствия для электросистем в радиусе нескольких километров
Производственные или рабочие перенапряжения наносят значительный ущерб
Подземное размещение оборудования никоим образом не защищает его от поражения, хотя и ограничивает риск прямого поражения
1.3 Основные характеристики перенапряжений
Рис. J5 ниже показывает сводные основные характеристики перенапряжений.

Рис. j : Основные характеристики перенапряжений

1.4 Различные режимы распространения
Обычный режим
Перенапряжения в обычном режиме возникают между деталями под напряжением и землей: фаза/ земля или нейтраль/земля (см. J6).
Рис. Л: Дифференциальный режим
Они особенно опасны для устройств конструкции которые заземлены в силу риска пробоя диэлектрика.

Рис. Л: Обычный режим
Дифференциальный режим
Перенапряжения в дифференциальном режиме циркулируют между проводниками фаза/фаза или фаза/земля под напряжением (рис. J7). Они особенно опасны для электронного оборудования, чувствительного компьютерного оборудования и т.д.