ИМХО. Классы испытаний УЗИП для низковольтных ЭПУ: манипуляции, заблуждения и ошибки.

8 June

In my humble opinion,

к ошибкам в технических решениях и требованиях в закупках и тендерах приводит набор распространённых заблуждений, а также манипуляция техническими характеристиками со стороны некоторых производителей и поставщиков УЗИП. Попытаюсь изложить аргументированно и, по возможности, кратко. Статья не претендует ни на полноту изложения ни на истину в последней или даже предпоследней инстанции.

Ретроспектива: типы (классы) УЗИП A,B,C,D

Когда современные УЗИП для низковольтных ЭПУ появились в России в середине 90-х, по назначению и характеристикам их разделяли на типы A, B, C, D. Тип УЗИП определяет место установки – на границе зон по зоновой концепции молниезащиты МЭК.

УЗИП класса A подключается к проводнику ЛЭП при воздушном вводе (зона 0); УЗИП класса B устанавливается на вводе в здание – в РЩ или ГРЩ (граница зон 0 и 1); УЗИП класса C устанавливается в распределительном щите (граница зон 1 и 2); маломощный УЗИП класса D может устанавливаться в розетке или, например, быть частью сетевого фильтра (это уже зона 3).

Характеристики УЗИП соответствовали уровню перенапряжений, который можно было ожидать в месте их установки – например УЗИП класса B рассчитывался на возможность протекания через него части тока молнии (при ударе в здание или провод ЛЭП).

Для иллюстрации подобрал первую попавшуюся в поиске подходящую схему размещения УЗИП классов B,C,D из каталога (на немецком, поэтому надписи дублировал на русском). Класс А из схемы и нашего изложения выпадает.

Источник: Schutzklassen B, C und D aus einer Hand Überspannungsschutz Limitor. ABB Schweiz AG, Zürich
Источник: Schutzklassen B, C und D aus einer Hand Überspannungsschutz Limitor. ABB Schweiz AG, Zürich
Источник: Schutzklassen B, C und D aus einer Hand Überspannungsschutz Limitor. ABB Schweiz AG, Zürich

УЗИП типа B установлен в ГРЩ и предназначен для защиты от броска потенциала земли при ударе молнии в здание.

УЗИП типа C установлен в РЩ и предназначен для защиты от остаточных перенапряжений после УЗИП класса B и коммутационных помех

УЗИП типа D – это уже защита от помех малой мощности, устанавливается рядом с оборудованием, потребляющим энергию.

Допустимые уровни перенапряжений нормируются, начиная от ввода и заканчивая местом подключения оборудования к сети питания. Зная электрические и вероятностные характеристики перенапряжений, можно, в зависимости от особенностей оборудования и объекта, выбрать нужные схему защиты и характеристики УЗИП. Например, можно установить УЗИП классов B и С в ГРЩ, разделив их дросселями, или же вовсе обойтись без УЗИП класса B, ограничившись классом C или даже D.

Классы испытаний УЗИП I, II, III по ГОСТ IEC 61643-11—2013

В конце 2000-х произошло принципиальное изменение в подходе к техническим требованиям и методам испытаний УЗИП, отраженное в действующем стандарте ГОСТ IEC 61643-11—2013 Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 11. Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к низковольтным системам распределения электроэнергии. Требования и методы испытаний. В нем акцент с условий применения, из которых вытекают требования к техническим характеристикам, перенесен на типовые технические характеристики, которые определяют условия применения. К такому изменению привели объективные причины, которые связаны как с использованием более эффективных технических решений и технологий при производстве УЗИП, так и с разнообразием возможных применений, которое значительно увеличилось.

Можно сопоставить прежнюю и новую классификацию УЗИП (что иделают большинство производителей в странах ЕС): тип B - класс испытаний I, тип С – класс испытаний II, тип D – класс испытаний III. Но новая классификация значительно гибче дает гораздо больше возможностей – можно отнормировать УЗИП по двум или даже трем классам. Например, указывая класс испытаний I+II, производитель как бы сообщает: УЗИП рассчитано на мощные помехи при ударе молнии в здание, но при этом уровень перенапряжений после УЗИП будет низким. УЗИП класса I+II как бы заменяет УЗИП типов В и С и установленный между ними разделительный дроссель. По той же логике указывается класс II+III.

Класс I+II+iII формально тоже правильно, но для одновводных УЗИП (ИМХО) маркетингового смысла тут уже больше, чем технического. Про УЗИП с классом испытаний I + III мне ничего не известно, хотя действующие нормативы этому не препятствуют.

Программа испытаний УЗИП очень обширна, в частности:

Испытания класса I (class I tests) проводятся при максимальным импульсным током, при импульсе тока 8/20 и импульсе напряжения 1,2/50.

Испытания класса II (class II tests): Испытания, проводимые с номинальным разрядным током 8/20 и импульсным напряжением 1,2/50.

Испытания класса III (class III tests) проводят с комбинированной волной (выходное напряжение 1,2/50 при разомкнутой цепи и выходным током 8/20 при коротком замыкании).

Как видите испытание импульсом тока формы 8/20 мкс производится для всех классов УЗИП, поэтому это параметр приводят все производители. В названиях УЗИП часто указывается значение разрядного тока – но исторически сложилась традиция указывать не номинальный, а максимальный разрядный ток , как например в наших устройствах серии Commen OVP AC

Испытания УЗИП класса I и класса II импульсами тока

Для того, чтобы перейти к дальнейшему обсуждению, достаточно обратить внимание на два испытательных импульса и на такой параметр, как уровень защиты. Стандартом рекомендуются предпочтительные значения этих параметров (наиболее часто встречающиеся на практике), однако могут использоваться и другие значения, выше или ниже.

Максимальный импульсный ток

Это пиковое значение разрядного тока, протекающего через УЗИП, определяемое заданными параметрами: зарядом, удельной энергией W/R (энергия, выделяемая импульсным током на единицу сопротивления 1 Ом) и временем. Испытание импульсным током используется для УЗИП класса 1. Ниже приведена таблица параметров из ГОСТ IEC 61643-11—2013

Очень важное примечание мы видим внизу таблицы – импульс формы 10/350 мкс является одним из возможных, но могут использоваться и импульсы другой формы. Считается, что импульс 10/350 мкс наилучшим образом отражает форму и частотный спектр импульса тока молнии.

Номинальный разрядный ток 8/20

Простыми словами, это ток помехи, на защиту с которой рассчитан УЗИП, поэтому должен выдерживать может воздействие этого токо определенное количество раз. Производитель устанавливает также максимальный разрядный ток, протекание которого не должно приводить к выходу УЗИП из строя и существенному изменению его параметров.

Стандартом установлены предпочтительные значения номинального разрядного тока 0,05; 0,10; 0,50; 1,00; 2,00; 2,50; 3,00; 5,00; 10,00; 15,00 и 20,00 кА.

Выше и далее упоминаются импульсы, в обозначениях которых указаны через дробь две цифры (например, 8/20): первая – длительность фронта импульса (8 мкс), вторая - время спада волны до 50% от амплитуды. Для иллюстрации ниже показаны импульсы 8/20 и 10/350.

Слева:  Импульсы (1) 10/350 мкс и (2) 8/20 мкс. Справа:  импульс 8/20 можно рассмотреть лучше.
Слева: Импульсы (1) 10/350 мкс и (2) 8/20 мкс. Справа: импульс 8/20 можно рассмотреть лучше.
Слева: Импульсы (1) 10/350 мкс и (2) 8/20 мкс. Справа: импульс 8/20 можно рассмотреть лучше.

Уровень защиты

Измеренное напряжение на УЗИП при воздействии импульсов тока и напряжения не должно превышать установленное производителем напряжение уровня защиты. Предпочтительные значения уровня напряжения защиты начинаются 80 Вольт (эти уровни для цепей низкого напряжения), нас интересуют уровни защиты более 500 Вольт, которые подходят для низковольтных ЭПУ 220/380 Вольт: от 500 до 1000 с дельтой 100 В и далее 1 кВ, 1,2; 1,5; 1,8 и 2 кВ. Далее следуют уровни от 2 до 10 кВ. Напоминаю, стандарт относится к УЗИП для низковольтных электроустановок (до 1000 В).

Предположим, производитель указал следующие характеристики УЗИП класса испытаний I+II: максимальный импульсный ток 5 кА, номинальный разрядный ток 60 кА, амплитуда импульса напряжения 1,2/50 - 8 кВ, уровень защиты – 1,3 кВ. Это значит что при воздействии любого из этих испытательных импульсов напряжение, измеренной на УЗИП, не должно превышать 1,3 кВ.

Введение несколько затянулось (сам не ожидал, что столько придется писать). Заметили, сколько свободы в определении параметров УЗИП дает стандарт ? Давайте посмотрим, как этим можно воспользоваться, чтобы, не нарушая формальных требований, выдать УЗИП за то, чем он фактически (ИМХО) не является.

Манипуляция: формально класс испытаний I или I+II, фактически соответствует УЗИП типа С по прежней классификации.

Посмотрим еще раз в таблицу с параметрами импульсного тока. Заряд Q импульса это фактически площадь под его графиком. Сравним два импульса 10/350 - максимальный ток 5кА и 1кА.

УЗИП, испытанные импульсным током 1кА, считаются УЗИП I класса испытаний, т.е. если их сопоставлять с типом В, вроде бы как должны быть рассчитаны на то, чтобы через них проходил ток молнии.

На самом деле, даже 5 кА – это, по большому счету, где-то ближе к нижней е границе параметров УЗИП, которые должны стоять на границе зоны 0 и 1.

Соотношение максимального разрядного 8/20 и максимального импульсного 10/350 , находится где-то в пределах 5-12. Мы для своих УЗИП класса I+II скромно (но зато уверенно) указываем 12-13. Смотри например Commeng OVP-1L AC 280/120. (120 и 9 кА)

Таким образом, УЗИП класса испытаний I с максимальным импульсным током 10/350, равным 1 кА, на самом деле должен находиться в нижней части класса II (типа С), ближе к классу III (классу D), как я их понимаю (ИМХО).

Первое следствие – можно классифицировать УЗИП по классу I+II, хотя на самом деле это класс II, тогда, если в тендерной или закупочной документации нет технических характеристик, а указан класс I+II, такое устройство будет иметь ценовое преимущество перед УЗИП с реальными характеристиками класса I+II. С другой стороны, УЗИП с точно такими же характеристиками, но честно отнесённое к классу II не имеет даже шанса на рассмотрение, из-за формального несоответствия техтребованиям.

Второе следствие – можно применять такой удачный маркетинговый ход – начиная от классификации новых УЗИП, и заканчивая превращением уже выпускаемых устройств в более "крутые" (например УЗИП класса II в в УЗИП класса I+II+III.

.От «меня терзают смутные сомнения» до «не верю …»

Мое понимание физики заканчивается где-то в области квантово-волнового дуализма. Но те процессы, которые описываются механикой, электростатикой и электродинамикой я себе могу представить – потому, наверное, что окружающий мир дает достаточно примеров.

Например, существует взаимосвязь между возможностью рассеивания и отведения энергии без повреждения элемента зашиты и его физическим объемом – будь то варистор или разрядник. Об этом я написал свой первый пост в этом блоге. Доверие и доверчивость в технике

В одном из технических задний ТЦМС-3 Ростелекома (середина 90-х годов) моток кабеля при ударе молнии в мачту снес стену в пол-кирпича. Кабелем был подключен глубинный насос (отчет о событии был службой главного энергетика составлен). А как части УЗИП летали по лаборатории после подачи испытательного импульса я сам видел.

Поэтому если я вижу УЗИП L,N-PE размером 1TE, со сменным модулем, а в его характеристиках указан максимальный импульсный ток 5 кА и максимальный разрядный 40 кА на полюс – меня, говоря словами И.В. Бунши, «терзают смутные сомнения».

Года два назад заказчик заменил наши УЗИП класса I+II на импортные, примерно с такими же характеристиками, но размер (ширина в TE) меньше в 3, а цена меньше в 2 раза. Описание вызывало большие сомнения, «Не верю» - так сказал бы Станиславский, если бы был инженером. А я просто зашёл на сайт производителя, и такого устройства не обнаружил. На свой основной рынок – страны тихоокеанского региона производитель это УЗИП не поставляет – это был эксклюзив для Российского рынка.

УЗИП 1 класса испытаний в шкафу с оборудованием

И так получилось слишком длинно, поэтому ограничимся только одной ошибкой, но непосредственно связанной с выбором класса УЗИП.

Установленный отдельно шкаф с оборудованием – в здании, на стене, на различных конструкциях – их многие тысячи, для самых различных применений – сети доступа, видеонаблюдение, промавтоматика, управление дорожным движением и т.д..

Шкаф запитывается обычно от сети переменного тока, и установка в него УЗИП по входу питания уже обычное дело. Нередко в проектной документации или в техтребованиях заказчика предусмотрена установка УЗИП класса I или I+II, даже в тех случаях, когда шкаф установлен в зданиях.

Давайте рассмотрим случай целесообразности установки одновводного УЗИП класса испытаний I или I+II в шкафу с оборудованием в том случае, если ожидаемый уровень помех действительно высок – например существует вероятность прямого удара молнии в провода ЛЭП, к которой подключен шкаф или же в сооружение, на котором установлен шкаф (например в металлические конструкции мостового перехода).

Представим себе последствия такого удара молнии в ЛЭП (рисунок слева) или броска потенциала при ударе в сооружение (рисунок справа), при которых через УЗИП будет протекать импульс тока с амплитудным значением 10 кА (10/350) или 80 кА (8/20) – это параметры испытательных импульсов для класса испытаний I+II. Уровень защиты 1,2 кВ.

Оборудование плотно скомпоновано. УЗИП, автоматические выключатели, шина заземления, климатика (если есть), полезная нагрузка (коммутаторы, промышленные контроллеры и т.п.). Стойкость оборудования к воздействию импульсных помех по цепи питания соответствует действующим стандартам.

На рисунке слева показано распространение импульса перенапряжения перенапряжения при ударе молнии в провод ЛЭП. При таких параметров импульсной помехи напряжение на УЗИП ( т.е. между проводом L или N и шиной заземления) может превысить импульсную стойкость оборудования по входу питания. Ток, стекающий в заземление, приведет к появлению разности потенциалов между корпусами шкафа и оборудования и проводами линий связи (поэтому УЗИП в цепях передачи информации тоже можно устанавливать). Прохождение импульсного тока создаст индуктивные наводки во всех цепях, что может привести к выходу оборудования из строя.

На рисунке справа показано, как будет распространяться энергия импульсной помехи при «броске потенциала земли» (т.е. той условной точки, куда подключено заземление шкафа).

Какой же вывод можно сделать? При воздействии помехи, на которую рассчитан УЗИП класса испытаний I / I+II - т.е. с максимальными значениями импульсного тока 7-8 кА на полюс и выше, и максимального разрядного 60-80 кА на полюс, и выше, сложное электронное оборудование в описанном выше шкафу, с довольно высокой степенью вероятности выйдет из строя.

Идем дальше. На самом, деле такие уровни помехи крайне редки и крайне маловероятны даже для шкафов, установленных вне помещений. Типовым решением, я уверен, должна быть установка УЗИП класса II+III.

Например, мы рекомендуем нашим заказчикам устанавливать УЗИП типа Commeng OVP-2LN AC 280/15 - для подключения к проводам L,N, максимальный разрядный ток 15 кА на полюс, с дополнительной защитой от дифференциальных помех. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

Буду рад, коллеги, если в комментариях выскажете свое мнение, на вопросы охотно отвечу.