— Все документы — ГОСТы — ГОСТ Р 55630-2013/IEC/TR 62066:2002 ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫЕ И ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В НИЗКОВОЛЬТНЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ГОСТ Р 55630-2013/IEC/TR 62066:2002 ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫЕ И ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В НИЗКОВОЛЬТНЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Добавил:
Дата: [05.02.2017]
ГОСТ Р 55630-2013/IEC/TR 62066:2002 ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫЕ И ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В НИЗКОВОЛЬТНЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Surge overvoltages and surge protection in low-voltage a.c. power systems. General basic information
Дата введения - 1 января 2015 г.
Введен впервые
Предисловие
1 Подготовлен Московским институтом энергобезопасности и энергосбережения на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного документа, указанного в пункте 4
2 Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 337 "Электрические установки зданий"
3 Утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 6 сентября 2013 г. N 982-ст
4 Настоящий стандарт идентичен международному документу IEC/TR 62066:2002 "Перенапряжения и защита от выбросов напряжения в низковольтных системах переменного тока. Общаяосновнаяинформация" (IEC/TR 62066:2002 "Surge overvoltages and surge protection in low-voltage a.c. power systems - General basic information").
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного документа для приведения его в соответствие с вновь принятым наименованием серии стандартов МЭК 60364.
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации и межгосударственный стандарт, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА
5 Введен впервые
1 Область применения
Настоящий стандарт представляет общий обзор различных видов импульсных перенапряжений, которые могут произойти в низковольтных электроустановках, приводит типовые по величине и продолжительности импульсные перенапряжения, а также частоту их возникновения.
Стандарт содержит информацию о перенапряжениях, связанных с взаимным влиянием между собой систем электроснабжения и коммуникационными системами, приводит общие руководящие указания по выбору средств защиты от перенапряжений и построению системы электроснабжения с учетом обеспечения ее экономичности и надежности, включая вопросы взаимодействия и координации защитных устройств при временных перенапряжениях.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие документы.
МЭК 60364-4-44:2007 Электрические установки низкого напряжения. Часть 4-44. Защита для обеспечения безопасности. Защитаотрезкихотклоненийнапряженияиэлектромагнитныхвозмущений
IEC 60364-4-44:2007 Low-voltage electrical installations - Part 4-44: Protection for safety - Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances
МЭК 60664-1:2007 Координация изоляции для оборудования в низковольтных системах. Часть 1. Принципы, требованияииспытания
IEC 60664-1:2007 Insulation coordination for equipment within low-voltage systems - Part 1: Principles, requirements and tests
МЭК 61000-2-5:1995 Электромагнитная совместимость (EMC) - Часть 2: Окружающая среда - Раздел 5: Классификация электромагнитных сред. ОсновнаяпубликацияЕМС
IEC 61000-2-5:1995 Electromagnetic compatibility of technical equipment. Electromagnetic environment. Classification of electromagnetic disturbances for different locations of technical equipment
МЭК 61000-4-1:2006 Электромагнитнаясовместимость. Часть 4-1. Методики испытаний и измерений. Общийобзорсериистандартов
IEC 61000-4-1:2006 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-1: Testing and measurement techniques - Overview of IEC 61000-4 series
МЭК 61000-4-4:2004 Электромагнитная совместимость. Часть 4-4. Методы испытаний и измерений. Испытаниенаневосприимчивостькбыстрымпереходнымпроцессамивсплескам
IEC 61000-4-4:2004 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-4: Testing and measurement techniques - Electrical fast transient/burst immunity test
МЭК 61000-4-5:2005 Электромагнитная совместимость. Часть 4: Методики испытаний и измерений. Раздел 5: Испытаниенаневосприимчивостьквыбросунапряжения.
IEC 61000-4-5:2005 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-5: Testing and measurement techniques - Surge immunity test
МЭК 62305-1:2010 Защита от молнии. Часть 1. Общиепринципы
IEC 62305-1:2010 Protection against lightning - Part 1: General
МЭК 62305-2(2010) Защита от молнии. Часть 2. Управлениериском
IEC Protection against lightning - Part 2: Risk management
МЭК 62305-3:2010 Защита от молнии. Часть 3. Физические повреждения конструкций и опасность для жизни
IEC 62305-3:2010 Protection against lightning - Part 3: Physical damage to structures and life hazard
МЭК 62305-4:2010 Защита от молнии. Часть 4. Электрические и электронные системы внутри конструкций
IEC 62305-4:2010 Protection against lightning - Part 4: Electrical and electronic systems within structures
МЭК 61643-11:2011 Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 11. Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к низковольтным системам распределения электроэнергии. Требованияиметодыиспытаний
IEC 61643-11:2011 Low-voltage surge protective devices - Part 11: Surge protective devices connected to low-voltage power systems - Requirements and test methods
МЭК 61643-12:2008 Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 12. Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к низковольтным системам распределения электроэнергии. Принципывыбораиприменения
IEC 61643-12:2008 Low-voltage surge protective devices - Part 12: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Selection and application principles МЭК.
ITU-T K 20, Стойкость телекоммуникационного оборудования, установленного в телекоммуникационных центрах к перенапряжениям и сверхтокам
ITU-T K 20 Resistibility of telecommunication equipment installed in a telecommunications centre to overvoltages and overcurrents
ITU-T K 21, Стойкость телекоммуникационного оборудования, установленного в помещении клиентов к перенапряжениям и сверхтокам
ITU-T K 21 Resistibility of telecommunication equipment installed in customer premises to overvoltages and overcurrents
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 комбинированная волна: Волна, вырабатываемая генератором, который дает 1,2/50 импульс напряжения при разомкнутой цепи и 8/20 импульс тока для короткозамкнутой цепи. Напряжение, амплитуда тока и формы волны, которая передается на УЗИП, определяются генератором и импедансом УЗИП, к которому прикладывается импульс. Отношение максимального напряжения для разомкнутой цепи к максимуму тока короткозамкнутой цепи составляет 2 Ома и определяется как фиктивный импеданс Zf. Ток короткого замыкания обозначается как Isc. Напряжение разомкнутой цепи обозначается как Uoc
Примечание - Комбинированная волна, вырабатываемая генератором импульсов в соответствие с определением п. 3.24 МЭК 61643-1, может быть применима и к другому оборудованию помимо УЗИП.
3.2 объединенное многопортовое УЗИП: Интегрированное устройство импульсной защиты в одном блоке для обеспечения импульсной защиты двух или более портов оборудования, соединенного с различными системами, такими как система питания и коммуникационная система
Примечание - В дополнение к обеспечению защиты от перенапряжения для каждого порта, устройство может также обеспечить уравнивание потенциалов между портами оборудования.
3.3 координация УЗИП (последовательное соединение): Выбор характеристик для двух или более УЗИП, которые будут присоединены к одним и тем же проводникам системы, но разделенные некоторым разъединяющимся импедансом так, что параметры данного импеданса и поступающего импульса гарантируют, что при таком выборе энергия, рассеиваемая в каждом из УЗИП, соответствует его параметрам
3.4 прямой удар молнии: Удар, воздействующий непосредственно на рассматриваемую конструкцию
3.5 уравнивание потенциалов: Электрическое соединение проводящих частей, предназначенных для достижения эквипотенциальности
Примечание - В обычных электроустановках уравнивание потенциалов обеспечивает безопасность на промышленной частоте. При скачке тока по длине проводников уравнивания потенциалов неизбежно возникает некоторая разность потенциалов.
3.6 доступный объект: Физический объект (например, больница, фабрика, машина, и т.д.), который построен, сконструирован, смонтирован или установлен для выполнения некоторой определенной функции или служащий или способствующий выполнению некоторых конкретных целей
3.7 удар молнии в землю: Разряд атмосферного электричества между облаком и землей, состоящий из одного или более раздельных искровых разрядов
Примечание - Удар молнии в землю может быть понят не только как удар именно в землю (почву), но также как удар в конструкцию, систему электроснабжения, и т.д., в противоположность разряду от облака к облаку.
3.8 система молниезащиты (СМЗ): Полная система для защиты пространства от воздействия молнии. Она включает внешние и внутренние системы молниезащиты
Примечание - В некоторых случаях система молниезащиты может состоять только из внешней или внутренней СМЗ.
3.9 удар в непосредственной близости: Удар молнии вблизи рассматриваемой конструкции
3.10 точка удара: Точка, где удар молнии попадает в землю, конструкцию или в систему молниезащиты
3.11 ожидаемое перенапряжение: Теоретическое перенапряжение, которое появилось бы на проводниках системы электроснабжения или пользователя установки до пробоя основной изоляции или срабатывания устройств, ограничивающих перенапряжение
3.12 разъединитель УЗИП: Внутреннее или внешнее устройство предназначенное для разъединения УЗИП и системы электроснабжения в случае повреждения УЗИП. Оно предназначается для того, чтобы предотвратить длительное повреждение системы и может обеспечить визуальную индикацию повреждения УЗИП
3.13 крутизна: Отношение наклона передней стороны волны импульса, для интервала между 10% и 90% амплитудного значения, к наклону, определенному для интервала между 10% и 30% амплитудного значения
3.14 разряд (молнии): Единичный электрический разряд молнии, ударяющей в землю
3.15 импульсное перенапряжение: Кратковременное или переходное напряжение, возникающее в системе, от импульса тока, возникающего из-за атмосферного разряда, индукции, коммутации или непосредственного повреждения в системе
3.16 устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): Устройство, которое предназначено для ограничения переходного перенапряжения и отведения импульса тока. Устройство содержит не менее одного нелинейного компонента
3.17 эквалайзер: Устройство, используемое для присоединения оборудования к внешним системам таким образом, чтобы все проводники, подключаемые к защищаемой нагрузке, присоединялись физически и электрически через общую оболочку с общей точкой портов ввода и вывода каждой системы
Примечание - Совместное использование общей точки может быть выполнено в пределах устройства или путем непосредственного соединения или через некоторое устройство, такое как УЗИП, которое обеспечивает отделение в нормальных условиях, но обеспечивает эффективное соединение во время возникновения импульса в одной или обеих системах.
3.18 временное перенапряжение (ВПН): Относительно длительное перенапряжение промышленной частоты в данной установке, которое является незатухающим или слабо затухающим
Примечание - Временные перенапряжения обычно происходят из-за коммутационных операций или повреждений (например, внезапное изменение нагрузки, однофазные замыкания) и/или из-за нелинейности (феррорезонансные явления, гармоники).
3.19 тепловой пробой: Эксплуатационное условие, когда длительные потери мощности в УЗИП превышают допустимое тепловое рассеяние корпуса и соединений, приводя к увеличению температуры внутренних элементов и, в результате, к повреждению.
4 Перенапряжения в низковольтных системах
Перенапряжения в низковольтных системах возникают из-за нескольких типов событий или механизмов взаимодействия и могут быть классифицированы по четырем типам. В настоящем стандарте основное внимание уделено первым двум типам перенапряжений и приведены основные указания для третьего типа. Четвертый тип перенапряжений возникает при взаимодействии системы электроснабжения переменного тока с другими системами, такими как коммуникационные системы.
a) Грозовые перенапряжения.
Грозовые перенапряжения являются результатом прямого удара молнии или удара молнии в непосредственной близости от системы электроснабжения, в здания с системой молниезащиты или без нее или в землю. Удаленный удар молнии также может вызвать перенапряжения в цепях электроустановки. Эти перенапряжения рассмотрены в разделе 5 настоящего стандарта.
b) Коммутационные перенапряжения.
Коммутационные перенапряжения являются результатом намеренных действий в системе электроснабжения, таких как подключение индуктивной или емкостной нагрузки, переключение в системе передачи или в системе распределения электроэнергии или в низковольтной системе в результате операций конечного потребителя. Такие перенапряжения могут также быть результатом неумышленных событий, таких как нарушения в системе электроснабжения и их устранение. Эти перенапряжения рассмотрены в разделе 6 настоящего стандарта.
c) Временные перенапряжения.
Временные перенапряжения происходят в системах электроснабжению, как результат широкого диапазона условий функционирования системы как в условиях нормального функционирования, так и в результате аварий. Обе причины рассмотрены в разделе 7. Их наличие относится к выбору соответствующих УЗИП.
d) Системные перенапряжения взаимодействия.
Перенапряжения могут возникать между различными системами, такими как электроснабжение и связь, во время скачков тока в одной из систем. Они кратко рассмотрены в разделе 8 настоящего стандарта.
5 Грозовые перенапряжения
5.1 Основные положения
Молния - естественное и неизбежное событие, которое влияет на низковольтные системы (системы электроснабжения, системы связи) посредством нескольких механизмов взаимодействия. Очевидное взаимодействие - это удар молнии в систему электроснабжения, но и другие механизмы взаимодействия могут также вызвать перенапряжения (см. рисунок 1). Для лучшего представления разнообразия возможных механизмов взаимодействия в настоящем стандарте приведена сводка основных параметров удара молнии между облаком и объектом на уровне земли. На рисунке 2 приведены примеры воздействия удара молнии на типовую сложную электрическую систему.
К существенным параметрам молнии относятся: форма волны, амплитуда и частота возникновения перенапряжения. Понятие близкого и удаленного удара молнии включает несколько параметров и связанных с ними воздействий, как это показано в таблице 1.
Рассматриваются три типа механизмов взаимодействия, которые могут привести к перенапряжениям в низковольтных системах, полученные как в результате измерений, так и полученные путем вычислений. При рассмотрении вопросов перенапряжения важным аспектом рассмотрения является электрический ток сам по себе или как источник перенапряжения. В случае прямого удара молнии в электрическую систему непосредственный эффект возникает от тока молнии, который вызывает перенапряжение на импедансе заземления. Эффективное значение импеданса для тока разряда молнии составляет несколько тысяч Ом. Соответственно, ток молнии может фактически быть рассмотрен, как идеальный источник тока.
В случае удара молнии в непосредственной близости от объекта эффект перенапряжения вызывает наличие замкнутых контуров в цепях или резистивных связях, возникающих из-за импульсов тока.
В случае удаленного удара молнии скачки перенапряжений ограничиваются наведенными (индуцированными) напряжениями. Реакция электрической системы при ударе молнии является важным аспектом при оценке возникновения возможных импульсов токов и перенапряжений.
Для данного удара молнии уровень перенапряжения, появляющегося в установке конечного потребителя, зависит от характеристик линий связи, таких как расстояние и характеристики системы между точкой удара молнии и оборудованием конечного потребителя, способа заземления и импеданса заземления, наличие УЗИП вдоль линий и в распределительных устройствах. Все эти факторы изменяются в широком диапазоне в соответствии с конфигурацией сетей.
Рисунок 1 - Примеры механизмов воздействия при ударе молнии
Рисунок 2 - Примеры удара молнии в сложной электрической системе
Таблица 1 - Характеристики и воздействия молнии
|
Характеристики |
Прямой удар |
Удар вблизи |
Удаленный удар |
|
Механическое воздействие |
Конструкция |
|
|
|
Тепловое воздействие |
Конструкция и цепи |
|
|
|
Энергия |
УЗИП на вводе (высокое напряжение) |
УЗИП на вводе (среднее напряжение) |
УЗИП на вводе (низкое напряжение) |
|
Скорость нарастания тока |
Смежные цепи |
Близкорасположенные цепи |
Большие замкнутые цепи |
|
Повышение потенциала на заземлителе |
Смежные цепи |
Близкорасположенные цепи |
|
|
Индуктивная связь |
Смежные цепи |
Близкорасположенные цепи |
Большие замкнутые цепи |
|
Емкостная связь |
Смежные цепи |
Близкорасположенные цепи |
|
|
Резистивная связь |
Присоединенные цепи |
Близкорасположенные цепи |
|
|
Распространение вдоль проводной линии |
УЗИП на вводе (высокое напряжение) |
УЗИП на вводе (среднее напряжение) |
УЗИП на вводе (низкое напряжение) |
В настоящем стандарте рассмотрена первая стадия события при ударе молнии в отсутствие средств снижения воздействия (предполагаемых или имеющихся). Оценка первой стадии события ведет к пониманию ожидаемого перенапряжения. На следующем этапе рассматриваются имеющиеся факторы уменьшения воздействия чтобы получить информацию о том, какое предполагаемое перенапряжение может появиться в оборудовании конечного потребителя. Могут быть использованы различные механизмы уменьшения воздействия, включая естественное затухание, зависящее от конфигурации системы, и преднамеренное уменьшение путем установки различных УЗИП как со стороны питания, так и у конечного потребителя.
В стандарте кратко описываются основные параметры молнии, необходимые для рассмотрения трех типов механизмов воздействия, определенные выше, и оценивается вероятность различных механизмов воздействия.
Разряды молнии от облака к земле происходят в двух режимах, в зависимости от соответствующей полярности облака и земли.
Удар молнии при положительном потенциале земли состоит из следующих компонентов:
- положительный импульсный ток и, возможно,
- положительный ток продолжения.
Удар молнии при отрицательном потенциале земли состоит из следующих компонентов:
- отрицательный импульсный ток начального разряда, и, возможно,
- отрицательные импульсные токи последующих разрядов, и, возможно,
- отрицательный ток продолжения.
Объекты ограниченной высоты поражаются как при положительном, так и отрицательном потенциале земли. На рисунке 3 приведены взаимосвязанные возможные формы тока молнии.
Объекты значительной высоты, такие как башни высотой более 100 м, поражаются как при положительном, так и при отрицательном потенциале земли. В этом случае, разряд молнии может быть с током продолжения, но возможно возникновение только тока продолжения.
Рисунок 3 - Возможные формы волны тока молнии при ударе в наземные объекты
Рисунок 4 - Частотное распределение импульсных токов для трех типов удара молнии
Таблица 2 - Статистические данные основных параметров при ударе молнии
|
Параметр молнии |
Процентное соотношение | |
|
50% |
5% | |
|
Максимальный ток (kА) Отрицательные первые импульсы Отрицательные последующие импульсы Положительно заряженная земля |
20 12 35 |
90 29 250 |
|
Полный заряд (С) Отрицательный потенциал земли Положительно заряженная земля |
8 80 |
40 350 |
|
Переходный заряд (С) Отрицательные первые импульсы Отрицательные последующие импульсы Положительно заряженная земля |
5 1 16 |
20 4 150 |
|
Энергия (килоджоуль/2J) Отрицательные первые импульсы Отрицательные последующие импульсы Положительно заряженная земля |
55 6 650 |
550 52 15 000 |
|
Максимальный наклон переходного тока (kА/| js) Отрицательные первые импульсы Отрицательные последующие импульсы Положительно заряженная земля |
24 40 2 |
65 162 32 |
|
Примечание. Эти значения представляют характеристики тока обратного хода в основном канале (измерения были сделаны для минимального уровня). | ||
Максимальное значение импульсного тока молнии - существенный параметр, который определяет падение напряжения на импедансе заземлителя или объекта и таким образом определяет разность потенциалов между объектом и его окружением. Заряды, передаваемые импульсным током и ток продолжения - существенные параметры, которые вызывают повреждение металлов разрядом молнии. Энергия - существенный параметр, который определяет нагрев проводников током молнии, также как и механические воздействия от электромагнитных сил.
Уровень повышения - существенный параметр для напряжений, вызванных в замкнутых проводных цепях вблизи импульса тока и для последующих токов. Многоимпульсный разряд - основная причина нарушений работы цифровых систем, из-за повторения побочных сигналов для первого импульса и более резкого повышения тока при последующих импульсах.
Карта годовой интенсивности гроз приведена на рисунке 5. Для территорий, где действует система наблюдения за молниями, используется информация в соответствии с новыми картами плотности ударов молнии. Карты плотности ударов молнии обеспечивают более точную информацию, чем традиционные карты грозовых дней.
Примечание - Карты плотности ударов молнии постепенно заменят карты грозовых дней.
Рисунок 5 - Карта интенсивности гроз*
5.2 Грозовые импульсные перенапряжения
Перенапряжения при ударе молнии в электрических системах могут быть классифицированы по их источнику следующим образом:
- перенапряжения из-за прямого удара молнии в электрические сети;
- перенапряжения в электрических сетях, вызванные ударом молнии в землю на некотором расстоянии;
- перенапряжения, вызванные в результате взаимодействием системы через резистивную, индуктивную и емкостную связь с током разряда молнии.
5.2.1 Прямой удар молнии в воздушную линию
Как отмечалось ранее эффективный импеданс канала молнии имеет высокое значение и ток молнии можно фактически рассматривать как идеальный источник тока. Возникающее перенапряжение определяются эффективным импедансом и пропорционально току молнии. При ударе молнии в проводник воздушной линии импеданс в первый момент определяется импедансом (импульсный импеданс) линии. Этот импеданс (Z0) обычно находится в диапазоне 400 до 500 Ом для каждого провода. Как показано на рисунке 6, ток (I) первоначально делится на две части, по одной в каждом направлении.
Рисунок 6 - Прямой удар молнии в воздушную линию
Импульс (U), сгенерированный током в точке удара определяется как (1)
,(1)
где
U - импульс напряжения (кВ);
Z0 - импульсный импеданс (Ом);
I - ток молнии (кА).
Для умеренного значения тока 20 кА и импеданса импульса 400 Ом предполагаемое напряжение импульсного перенапряжения в точке удара молнии составляет 4000 кВ. Таким образом для линий среднего напряжения (СН)* и для линий низкого напряжения (НН), искровой разряд будет возникать между всеми проводниками линии и, в большинстве случаев, также по отношению к заземлителям, расположенным вдоль линии. После искрового разряда эффективный импеданс уменьшается в зависимости от значения сопротивлений заземлителей. Однако для относительно низкого эффективного импеданса в 10 Ом напряжение на линии составит порядка 200 кВ для тока молнии 20 кА, принятого в этом примере, что может привести к возникновению искрового разряда.
Частота ударов молнии в линию зависит от локальной плотности грозовой активности и параметров линии (особенно ее высоты) и возможных эффектов экранирования. Для линий, расположенных на открытом пространстве, число ударов молнии в линию может быть определено как для полосы шириной в три высоты линии (Н). Эффективная площадь (А) может быть определена:
,(2)
где
А - эффективная площадь;
Н - высота;
L - длина линии.
Число ударов молнии в год (N) определяется умножением А на локальную плотность ударов молнии (Ng) следующим образом:
,(3)
где
N - число ударов молнии в год;
А - эффективная площадь (м2);
Ng - локальная плотность ударов молнии на км2 ежегодно.
Для линии высотой 5 м и Ng равной 1, N равняется 0,03 на км линии ежегодно, то есть, три удара на 100 км линии ежегодно.
5.2.2 Грозовые перенапряжения, индуцированные в линии
Из-за изменений электромагнитного поля, вызванных ударом молнии, индуцированные перенапряжения возникают в линиях всех видов, включая расположенные на значительном расстоянии от удара молнии. В первом приближении предполагаемые перенапряжения U (в киловольтах) между проводом линии и землей (самое близкое к точке удара) могут быть оценены по формуле (4):
,(4)
где
I - ток молнии (кА);
Н - высота проводов от земли (м);
d - расстояние до точки удара молнии (м).
Значение перенапряжения одинаково для всех проводников, так как расстояние между фазными проводниками мало по сравнению с расстоянием до точки удара молнии.
Для линии высокого напряжения с высотой расположения проводов 10 м для тока молнии 30 кА индуцированное напряжение будет порядка 100 кВ для удара молнии на расстоянии 100 м.
Для линии НН с высотой 5 м ток 100 кА индуцирует напряжение 1,8 кВ даже на расстоянии 10 км.
5.2.3 Перенапряжения, вызванные влиянием других систем
Удар молнии в землю может привести к появлению наземного потенциала высокого значения в точке удара и вблизи нее. Это явление вызывает перенапряжения в электрических системах за счет заноса потенциала из этой точки на системы заземления.
На рисунке 7 приведен пример такого случая. Повышение потенциала системы заземления определяется током молнии и эффективным импедансом заземления. В начале потенциал заземлителя определяется локальным импедансом, который может быть равным 10 Ом. Это означает, что высокое напряжение, возникающее между системой заземления и электрической установкой в здании может привести к повреждению изоляции или срабатыванию УЗИП. Перенапряжения, возникшие в системе электропитания, передаются в другие системы (телекоммуникационные, информационные, сигнальные системы, и т.п.), а также могут передаваться на другие здания, конструкции и установки, например, на установки, получающие питания от одного и того же трансформатора при ударе молнии.
Рисунок 7 - Пример резистивной связи с системой молниезащиты
Из-за высоких значений электромагнитных полей, вызванных молнией, за счет индуктивной и емкостной связи с электрическими системами, вблизи пути тока молнии могут возникать опасные перенапряжения, особенно в электронных системах, системах передачи и обработки данных, вызывая отказы и/или неправильное функционирование.
5.3 Передача грозовых импульсных перенапряжений со стороны системы среднего уровня напряжения
Поскольку системы среднего уровня напряжения (СН) более протяженны и выше чем другие конструкции, расположенные в их близости, включая деревья, линии среднего напряжения более подвержены ударам молнии, чем линии низкого напряжения (НН). Число ударов молнии, оказывающих влияние на линию, зависит от грозовой интенсивности в данной области. Распространение импульса через систему СН и скорость передачи к системе НН зависит от конструкции системы.
Грозовые перенапряжения в системах СН вызываются прямыми ударами молнии или ударами молнии, произошедшими в непосредственной близости, как приведено в разделе 5.2. Кроме того, обратный искровой разряд может произойти от удара в заземленные провода или сторонние проводящие части конструкций или оборудования, или при нанесении удара молнии в землю вблизи от конструкций линии.
5.3.1 Значение импульсного перенапряжения и его распространение в системах СН
Распространение импульса зависит от конструкции системы СН и от установки защитных устройств от перенапряжения. Высокоуровневые грозовые импульсы быстро ослабляются во время их распространения по линии за счет потерь и искровых разрядов через изоляторы линии. Практически после нескольких пролетов линии значение перенапряжения уменьшается до допустимого уровня по напряжению изоляции линии.
За исключением случаев прямого удара в трансформатор СН/НН или в непосредственной близости в землю, можно предположить, что перенапряжения в системе СН ограничиваются классом изоляции изоляторов линии. В системе 20 кВ это приблизительно 150 - 180 кВ. Для линий в лесных массивах без заземленной арматуры могут произойти намного более высокие импульсные перенапряжения.
Второе ограничение уровня импульсных перенапряжений обеспечивается защитными устройствами от перенапряжения, которые обычно расположены на высокой стороне трансформатора СН/НН или на переходе в подземные линии. Эти защитные устройства могут быть импульсными разрядниками ZnO или SiC или искровыми разрядниками. Остаточное перенапряжение (например, в диапазоне 70 кВ для системы на 20 кВ), зависит от номинального значения и импеданса заземления защитных устройств. Если используются искровые разрядники, то можно ерзать, что грозовое перенапряжение приводит к временному перенапряжению промышленной частоты.
В приложении А приведен пример измерений грозовых перенапряжений для типовой системы электроснабжения 20 кВ.
5.3.2 Передача импульсных перенапряжений в систему НН
Импульсные перенапряжения от удара молнии в системе СН передаются в систему электроснабжения НН двумя различными способами:
- емкостной и индуктивной связью через трансформатор СН/НН;
- связью по земле.
Значение импульсного перенапряжения зависит от многих параметров, таких как:
- система заземления НН (ТТ, TN, IT);
- характеристики и нагрузки линии НН;
- устройства защиты от перенапряжения НН;
- условия соединения СН и НН с заземлителями;
- типа трансформатора.
Анализ распространения грозового перенапряжения и его передачи в системы НН может быть выполнен с использованием высокочастотной модели. Такая модель представляет трансформатор преимущественно с емкостной связью, которая считается его самой важной характеристикой, когда рассматриваются частоты в диапазоне МГц (см. приложение А).
В случае прямого удара молнии в линию СН срабатывание разрядника или перекрытие изолятора отводит ток импульса на систему заземления, что может привести к резистивной связи по земле между системами СН и НН. Перенапряжение передается к системе НН в типовом случае, как приведено на рисунке 8а. В зависимости от значений импеданса заземления, это перенапряжение по наземной связи может быть намного выше, чем за счет емкостной связи через трансформатор. Проблема может быть решена разделением заземлителей как приведен на рисунке 8b. Однако при этой конфигурации будет возникать перенапряжение между трансформатором и его вторичной обмоткой.
Рисунок 8 - Типовые механизмы связи по земле
В системе TN меньшие перенапряжения будут в случае, если нейтраль повторно заземляется в электроустановке потребителя. Следует отметить, что при использовании этого вида резистивной связи можно избежать выполнения отдельной системы заземления для части НН трансформатора.
Типичное значение перенапряжения, переданного за счет емкостной и индуктивной связи на вторичную сторону трансформатора СН/НН, составляет 2% между фазным и нейтральным проводником и 8% между фазным проводником и землей от напряжения фазы к земле на стороне СН. Эти значения типичны для нагруженной цепи НН. Когда сторона НН трансформатора не нагружена или очень незначительно нагружена, значения могут быть значительно выше в зависимости от параметров системы СН.
Грозовые перенапряжения в системе СН вызывают намного меньшие импульсы тока (обычно меньше 1 кА), чем при прямом ударе молнии и перенапряжения передаются в систему СН практически только через емкостную связь и не превышает нескольких киловольт. В таких случаях перенапряжение, вызванное непосредственно в системе СН (по крайней мере, в части, которая находится недалеко от точки воздействия молнии), вообще выше чем то, которое передано со стороны системы СН. Если срабатывает УЗИП или происходит искровой разряд, ток будет небольшим и соответственно резистивная связь незначительна.
5.4 Импульсные перенапряжения, вызванные прямым ударом молнии в низковольтную линию
5.4.1 Ожидаемые перенапряжения
Как приведено в разделе 5.2 настоящего стандарта и в приложении А, чрезвычайно высокие значения перенапряжений возникают при прямом ударе молнии в линию. Разряды происходят между всеми проводниками линии и в большинстве случаев на заземлитель в месте около точки удара (прежде всего на концах). Искровой разряд может также произойти в незащищенных установках, питающихся от данной линии.
В объединенной системе линия/кабельная система перенапряжения будут несколько уменьшены из-за более низкого импульсного импеданса кабелей по сравнению с воздушными линиями. Количественно уменьшение зависит от продолжительности и от величины полной емкости системы относительно земли. Однако, обычно это уменьшение не достаточно, чтобы избежать перенапряжений, превышающих нормальные уровни изоляции в установках СН. Поэтому прямой удар молнии в линию СН обычно приносит определенный ущерб.
5.4.2 Практические ограничения
Практически перенапряжения ограничиваются защитными устройствам, которые устанавливаются на трансформаторной подстанции и в установке потребителя. Однако такие устройства будут подвергаться серьезным воздействиям с высоким риском повреждения элементов УЗИП при прямом ударе молнии, если они специально не предназначены для этой цели.
5.5 Грозовые импульсные перенапряжения, индуцированные в низковольтную линию
5.5.1 Ожидаемые перенапряжения
Оценки ожидаемых индуцированных перенапряжений в системах НН в результате удара молнии на некотором расстоянии от воздушной линии могут быть получены по формуле (4), приведенной в п. 5.2.2. Согласно этой формуле индуцированные перенапряжения выше номинальных значений допустимого напряжения по изоляции НН могут произойти даже для случая удара молнии на 10-километровом расстоянии от линии.
Данный вид перенапряжений является определяющим для систем электроснабжения НН с использованием воздушных линий. Индуцированные грозовые перенапряжения возникают главным образом между проводами и землей. Разность потенциалов между проводниками является первоначально небольшой, особенно когда используются скрученные проводники. Однако, из-за различия нагрузок на фазных проводниках (в зависимости от системы НН), может произойти пробой защитных устройств и т.п., также могут возникнуть значительные усилия между линиями.
Пример, иллюстрирующий индуцированные перенапряжения в системах НН, приведен на рис. 9. Принимается что проводники (включая нейтральный проводник) скручены. Кроме того, нейтральный проводник заземляется с обоих концов линии. Замечено, что напряжения показывают ослабленные колебания с частотой равной характерной частоте линии.
Рисунок 9 - Типовые перенапряжения, индуцированные в низковольтной линии при ударе молнии
5.5.2 Оценка вероятности возникновения
Оценка числа индуцированных перенапряжений в линии НН в функции амплитуды может быть сделана на основе формулы (4), приведенной в п. 5.2.2 настоящего стандарта. Моделирование перенапряжений было выполнено для линии высотой 5 м и длиной 1 км [3], принимая нормализованную плотность ударов молнии (Hg) 1 удар на км2 в год, и распределение тока молнии, предложенное CIGRE [2]. Результаты измерений, основанные на той же самой модели, были подтвержденные экспериментальными данными по линиям НН в течение восьми лет.
Число индуцированных перенапряжений может быть получено по формуле, проверенной на основании модели, установленной TF CIGRE 01/01/33:
.(5)
В этой формуле Ni число индуцированных перенапряжений, Hg, Н, L, и U определяются как в уравнениях (2), (3) и (4), а с является понижающим коэффициентом, зависящим от заземления нейтрального или защитного проводника (фактор с может колебаться от нуля, в отсутствие такого проводника, до 0,7 или даже 0,9 в случае многократного заземления нейтрального проводника в жгуте).
Большое количество измерений подтвердили важную роль многократно заземляемого нейтрального проводника, что видно из формулы (5) и доказывает, что число индуцированных перенапряжений пропорционально квадрату длины промежутка между двумя заземлителями нейтрали и чем ближе к этому заземлителю делаются измерения, тем меньшими становятся перенапряжения.
На рис. 10 приведено сравнение кривых, полученных из моделирований Иоханнесена с моделированием по СС05 (при с = 0). Другие результаты моделирования, выполненные Electricite de France по программе также представлены на том же рис. А.4. Чтобы сделать сравнение достоверным, все данные были нормализованы для линии длиной 1 км и высотой 10 м, с Hg = 1 (предполагается, что Ni пропорционален Hg, Н и L. Нужно отметить, однако, что при моделировании делаются несколько различные допущения. Например, при моделировании по программе, линия подключалась к трансформатору СН/НН с одной стороны и оставалась разомкнутой на другом конце. По информации [3], линия заканчивалась соответствующим импедансом (нет отражения) и рассматривались воздействия вдоль сторон линии. Поэтому, прямое сравнение кривых затруднительно, но результаты можно рассматривать как общую оценку ожидаемых перенапряжений относительно характеристик молнии.
Эти кривые представляют предполагаемые перенапряжения (не под влиянием любой реакции системы, такой как пробой). В практических случаях присутствуют искажения и ограничения связанные с наличием многократных ответвлений, кабельных вставок, нагрузок, пробоям, защитным устройствам от перенапряжения и т.п. Статистические кривые, приведенные на этом рисунке, будут несколько отличаться в реальных условиях. В частности частота появления перенапряжений с превышением величины нормального уровня изоляции линии меньше.
Рисунок 10 - Пример частоты возникновения индуцированных перенапряжений при ударе молнии в воздушную линию НН
5.6 Примеры индуцированных перенапряжений
На основании предыдущих данных о возникновении перенапряжений можно было бы ожидать большее число отказов оборудования чем то, которое фактически наблюдается. Это несоответствие может быть объяснено несколькими факторами: реальной вероятностью события в данной установке, шунтирующее действие разнообразных путей отекания импульсных токов, реальным поведением линий электропередач, воздействием как линейных, так и нелинейных нагрузок, наличием УЗИП, наличием случайных пробоев на землю при экстремальных перенапряжениях, и т.п.
5.6.1 Моделирование
Как пример моделирования ожидаемых перенапряжений, приведем применение метода Монте-Карло для модели системы электроснабжения НН, показанной на рис. 11. Плотность ударов молнии 2,2 на км2 в год, все нагрузки были смоделированы резисторами, независимыми от частоты. Таблица 3 показывает результаты этого анализа. Последний столбец показывает высокие уровни перенапряжений, но они происходят только в случае прямого удара молнии в систему НН. Вероятность возникновения таких импульсов в этом примере составляет один раз в 22 года.
Рисунок 11 - Модель системы электроснабжения
Таблица 3 - Среднегодовые уровни перенапряжений в низковольтных установках (кабели проложены в земле)
|
|
> 1,5 кВ |
> 2,5 кВ |
> 4 кВ |
> 6 кВ |
> 20 кВ |
|
Не нагруженная система ТТ |
6 |
3 |
1,8 |
1 |
0,045 |
|
Нагруженная система ТТ |
4 |
1,7 |
1 |
0,5 |
0,045 |
|
Нагруженная система TN |
1 |
0,6 |
0,35 |
0,25 |
0,045 |
Примечание 1 - Значения, приведенные в таблице, были получены для скрученной кабельной системы электроснабжения. Для системы электроснабжения, выполненной с использованием воздушной линии с отдельными проводниками, уровни напряжения могут быть в два раза выше при той же самой вероятности события.
Примечание 2 - В этом примере для модели применительно к системе TN, было определено, что значение импеданса заземления не оказывает существенного влияния, потому что нейтральный провод лини НН соединяется непосредственно с землей.
Приведенный анализ демонстрирует это для типовой линии НН, представленной на рис. 11, и для плотности ударов молнии 2,2 на км2 в год, предполагаемое число перенапряжений, превышающих уровень изоляции, определенный МЭК 60664-1, 4 кВ для системы TN с напряжением 230 В, составляет порядка одного события в год.
В п. 5.5.2 ссылка делается на измерения, выполненные в областях с подобной плотностью ударов молнии в землю (2 - 3 удара на км2/год). Измерения были выполнены на линиях НН между рабочими проводниками и локальным заземлителем на объекте измерения. Поэтому, эти данные (перенапряжения сверх 4 кВ приблизительно 10 раз в год), непосредственно не сопоставимы с результатами моделирования, представленными в таблице 3. Однако, принимая во внимание конкретные параметры, использованные для схемы модели, и того факта, что в этом случае исследуются напряжения линии относительно земли в пределах установки, можно считать, что данные измерения и моделирования находятся в разумном согласии.
Примечание - Этот анализ был дополнен дальнейшими вычислениями с учетом установки УЗИП с уровнем защиты 2,5 кВ на вводе установки. Также было вычислено значение тока протекающего через УЗИП. Эти результаты моделирования подтверждают, что импульсные токи, индуцирующие перенапряжения, обычно меньше 1 кА. Например, максимальный ток УЗИП составил только 60 А при ударе молнии в землю стоком 100 кА на расстоянии 200 м от линии НН. Ток в УЗИП был также вычислен для случая прямого удара молнии в линию с током 100 кА в 250 м от трансформатора СН/НН, ток в УЗИП составил приблизительно 200 А. Эти два результата были получены для принятого сопротивления заземления 50 Ом на вводе. Снижение сопротивления заземления ведет к увеличению токов УЗИП.
5.6.2 Измерения
Измерения, проведенные во Франции, показали, что вероятностные значения таблицы 3 очень часто не достигаются потому, что практически линия НН обычно соединена со многими установками и в любой части системы НН может произойти срабатывание разрядника или возникнуть искровой разряд, уменьшающие перенапряжение в системе.
Данные по систематическому контролю перенапряжений с нескольких сайтов, недавно созданных в Германии, приводятся в таблице В.3. Причина перенапряжения, - коммутация или молния - не идентифицируется в этом обзоре. Возможно, что несколько событий на верхнем уровне (четыре события выше 2 кВ и два события выше 6 кВ) в общей сложности 151 события выше 1 кВ (среди 3 000 событий выше 500 В), были связаны с ударами молнии.
5.7 Перенапряжения, при ударе молнии в здание или в непосредственной близости
5.7.1 Распределение тока разряда молнии среди параллельных установок
Когда молния ударяет в здание, которое является одним из нескольких параллельно запитанных приемников от системы электроснабжения НН, ток молнии в землю** делится среди нескольких возможных путей. Они включают локальную землю (заземлитель здания), так же как и внешние заземлители и все металлические связи, прежде всего кабель электропитания.
Чтобы определить количественно это распределение дисперсии, были смоделированы два примера с использованием программ, приведенных в приложении А, а результаты представлены на рисунке 12, где изображены два здания, запитанные от подстанции, здание 1 поражается молнией как определено в МЭК 62305-4.
Для здания 1 на рисунке 12 ток разряда молнии iimp от молниеприемника стекает вниз по токоотводу к системе заземления.
В этой точке ток молнии делится на две составляющих: ток ie - стекает на локальный заземлитель здания, ток im - течет по кабелю электропитания к удаленной земле. Эти два тока делятся обратно пропорционально отношению импедансов.
В начальной фазе импульсного тока, текущее разделение определяется отношением индуктивностей. В хвосте, где уровень изменения тока незначителен, разделение определяется отношением сопротивлений как в (6):
,
(6)
Для нескольких электрически соединенных зданий эффективное значение сопротивления Rm уменьшается согласно (6) за счет того, что часть тока молнии, который стекает с пораженного здания в систему НН, увеличится за счет того, что большое число зданий соединено параллельно.
Для примера на рисунке 12 в таблице 4 приведены амплитуды токов для возможных путей на заземлитель (после прохождения основной индуктивности), определенных путем цифрового моделирования, подробно рассмотренного в приложении А. Для этих вычислений не было найдено никаких доказательств наличия колебаний, вызванных отражениями, из-за значений импедансов заземления ниже 10 Ом и отсутствия емкости, приведенной в модели. Другие примеры распределения токов даются в приложении А.
Рисунок 12 - Модель для вычисления распределения тока молнии между параллельных зданий на примере системы TN-C
В разных странах используются различные способы заземления нейтрали, так что возможны некоторые отличия в распределении тока разряда молнии по возможным путям, но общий принцип, проиллюстрированный примером, остается применимым. Поскольку в системе TN-C-S никакое УЗИП не включается в нейтраль, а нейтраль заземляется у каждого здания, обеспечивается некоторое облегчение для других УЗИПов связанных с линейными проводниками. Разработчики системы должны принять эти различия во внимание.
В качестве общего заключения можно констатировать, что чем выше плотность зданий в зоне, тем большая часть тока разряда молнии, стекает на заземлитель через питающий кабель системы НН. Это заключение относится и к поражаемому зданию и к смежным зданиям.
Таблица 4 - Распределение токов по возможным путям растекания для примера рис. 12 (10/350 мкс, 100 кА)
|
Путь тока к земле |
Приблизительное амплитудное значение тока, (не начальное) кА |
Приблизительная величина заряда Кул |
|
Заземляющий электрод(ы) здание 1 (iEarthing) |
33 |
16,5 |
|
Выход от здания 1 к зданию 2 Общий ток (Im) в кабеле электропитания Ток в нейтрали Ток через SPD1 Ток через SPD2 Ток через SPD3 |
66 17 16 16 16 |
33 9 8 8 8 |
|
На заземляющий электрод здания 2 Общее значение Ток в нейтрали Ток через SPD1 Ток через SPD2 Ток через SPD3 |
34 9 8 8 8 |
16,5 4,7 4 4 4 |
|
Выход от здания 2 к трансформаторной подстанции по кабелю электропитания Общее значение Ток в нейтрали Ток в фазе 1 Ток в фазе 2 Ток в фазе 3 |
33 9 8 8 8 |
16 4,5 4 4 4 |
5.7.2 Перенапряжения, связанные с распределением токов
Распределение токов по возможным путям вызывает перенапряжения, прежде всего между проводниками и локальной землей. В зависимости от конфигурации установки НН и наличия или отсутствия УЗИПов, эти перенапряжения могут быть большими или умеренными. Некоторые примеры, полученные при моделировании и описанные выше, более подробно рассмотрены в приложении А.5, где описываются два примера перенапряжений, являющихся следствием импульсных токов на вводе установки. В этих примерах, импульсный ток был введен на ввод конкретных зданий и были измерены перенапряжения, возникающие в выбранных точках в здании.
Следует отметить, что наземное повышение потенциала, при прямом ударе молнии в здание или конструкцию обычно превышает допустимый уровень изоляции низковольтной установки и следовательно приводит к пробою и перенапряжениям, которые распространяются к смежным зданиям (установкам), соединенных с той же самой низковольтной распределительной сетью.
Следовательно, даже при прокладке кабелей в земле, в здании, не пораженном ударом молнии, может возникнуть перенапряжение. Число зданий (установок), которые включаются в этот процесс распространения, увеличивается с увеличением удельного сопротивления грунта. Кроме того, для данной плотности ударов молнии, присутствие высокого здания, хотя и уменьшает вероятность прямых ударов в меньшие здания находящиеся вблизи, увеличивает вероятность индуцированных перенапряжений.
Пернапряжения# между проводниками и локальной землей повреждают изоляцию соединенного оборудования, которое обычно имеет достаточный, уровень согласно указаниям МЭК 60664-1, в то время как рабочие компоненты энергетического оборудования повреждаются перенапряжениями, возникающими между проводниками. На первый взгляд может показаться, что наиболее опасная ситуация связана с перенапряжениями на энергетическом оборудовании. Однако перенапряжения на заземлителе могут стать проблемой не столько для изоляции энергетического оборудования, а как результат перехода потенциала на нижний уровень между системой питания и коммуникационной системой, которая может быть соединена с оборудованием. Эта потенциальная проблема обсуждается более подробно в разделе 8 и в приложении D.
Как рассматривалось выше, различия, существующие в способах заземления нейтрали и установке УЗИПов, если таковые вообще имеются, мешают давать числовые результаты широкого применения, и должны быть приняты меры предосторожности от ошибочного обобщения рассмотренных примеров.
5.7.3 Частота возникновения
Ежегодная частота прямых ударов молнии в сооружение Nd, может быть определена по плотности ударов молнии в землю Ng (количество ударов на 1 км2 в год) и эффективной площадью сооружения Ae (км2) следующим образом:
.(7)
Эффективная площадь сооружения определяется как площадь земной поверхности, имеющей ту же самую частоту прямых ударов молнии, как и рассматриваемое сооружение. Она является функцией размеров сооружения и зависит от топологии фундамента и окружающих объектов (см. МЭК 2305-3).
Для прямоугольного сооружения на плоской поверхности Ae определяется следующим образом:
.(8)
где
А - горизонтальная площадь сооружения в м2;
h - высота сооружения в м;
р - периметр крыши в м.
Величина Ng, без учета мелких зданий порядка 10-2 - 10-3 в год. Однако вероятность возникновения перенапряжений в низковольтной сети из-за ударов молнии в соседние здания будет намного выше, но с более низкими уровнями напряжения. Например, моделирования, проведенные для типовой воздушной линии, показывают, что уровень возникновения последующих перенапряжений (распространением) находится в пределах 0,1 - 0,3 события в год.
Уровень напряжения зависит от характеристики грунта, типа линии (воздушная линия, в земле) и от параметров заземления нейтрали. Если нет точных данных по частоте возникновения на разных уровнях напряжения, то МЭК 62305-2 обеспечивает некоторое руководство по применению.
5.8 Выводы относительно грозовых перенапряжений
Источник грозовых перенапряжений находится вне человеческого управления и их значимость для объектов, использующих электроэнергию, зависит от многих параметров, определенных местом воздействия удара молнии и структурой системы электроснабжения. В то время как структура системы электроснабжения находится под человеческим контролем, его параметры обычно определяются другими соображениями помимо молниезащиты.
Эти перенапряжения могут быть классифицированы по точке попадания: прямой удар, удар в непосредственной близости, удаленный удар. При прямом ударе молнии, перенапряжения возникают из-за прохождения тока молнии по конструкции и связанной системе заземления. Удар в непосредственной близости вызывает индуцированные перенапряжения в замкнутых цепях и до некоторой степени повышает потенциал на заземлителе. Удаленные удары молнии приводят к перенапряжениям ограниченным замкнутыми цепями.
При ударе в непосредственной близости могут возникать существенные динамические силы, но вероятность таких значительных сил ниже, чем сил более низкой величины связанных с более удаленными ударами молнии. В любом случае, статистические данные, по анализу рисков, должны быть учтены при выполнении защиты от этих грозовых перенапряжений.
Причина возникновения молнии и ее характеристики имеют статистическую природу и содержат неопределенность. Например, результаты непосредственных измерений тока, выполненных для высоких башен, вообще не укладываются в имеющиеся представления. Географический район, включая климатические условия, также может оказаться существенным фактором.
Отметьте, что любое предложение по применению теоретических соображений или результатов ограниченных измерений по определению отношения между частотой возникновения и величиной грозовых перенапряжений должны всегда согласовываться с проверками в реальных условиях, как это рассмотрено в разделе 9.
6 Коммутационные перенапряжения
6.1 Основные положения
Обычно, любое срабатывание выключателя, повреждение, прерывание, и т.п. в электрической установке сопровождается переходным процессом, при котором могут произойти перенапряжения. Внезапное изменение в системе может инициировать затухающие колебания с высокими частотами (резонансные частоты сети), пока система снова не стабилизируется в новом устойчивом состоянии. Величина коммутационных перенапряжений зависит от многих параметров, таких как тип цепи, вид коммутации (включение, отключение, повторное включение), характера нагрузки, и типа выключателя или предохранителя. В этом пункте явление описывается в принципе, с использованием элементарных примеров, чтобы представить общую картину.
На рисунке 13 приведена элементарная цепь RLC при подключении нагрузки и на рисунке 14 приведен типичный переходной процесс, связанный с этим подключением. Напряжение, наложенное на напряжение промышленной частоты системы электроснабжения, приведено в этом примере в пределах приблизительно одного периода. Максимальное напряжение главным образом определяется моментом включения контакта относительно напряжения питания. Самый высокий уровень перенапряжения возникает, когда контакт закрывается при максимуме напряжения (не путать с переходным током, который будет самым большим при включении при 0 В.).
В большинстве случаев, максимальное перенапряжение находится в пределах двойного амплитудного значения напряжения питания, но более высокие значения могут быть, особенно при коммутации индуктивных нагрузок (двигатели, преобразователи) или емкостных нагрузок. Кроме того, отключение токов короткого замыкания, может вызвать значительные перенапряжения. Если отключение происходит, при относительно высоком значении энергии накопленной в индуктивности, то колебания могут произойти на стороне нагрузки вводного выключателя или предохранителя.
Рисунок 13 - Генерация перенапряжения при коммутации цепи RLC
Частота колебаний во время коммутационных операций определяется характеристиками системы, и иногда могут возникнуть резонансные явления. В таких случаях, могут произойти очень большие перенапряжения. Вероятность резонанса системы на частоте сети обычно низка. Однако если характерная частота коммутируемой части системы близка к одной или более резонансным частотам остальной части системы, то может возникнуть состояние переходного резонанса.
Грозовые перенапряжения, описанные в разделе 5, главным образом основаны на теоретических вычислениях и понятии вероятностных перенапряжений (без учета естественного ограничения напряжения) что и было представлено в предыдущем разделе. Вместо этого данные получаются на основании проведенных измерений и регистрации переходных процессов, происходящих в существующих системах или в лабораторных экспериментах.
Следующие положения относительно коммутационных перенапряжений в большой степени основаны на измерениях в реальных низковольтных системах. Поэтому, напряжения, о которых сообщают, ограничиваются взаимодействием системы и присоединенного аппарата. Кроме того, устройства защиты от перенапряжений (УЗИП) в системе (и встроенные УЗИП) ограничивают измеренные напряжения. Этот факт должен быть учтен при рассмотрении числовых значений, приведенных в этом разделе и в приложении В.
Типичная форма коммутационных импульсов определяется реакцией низковольтной установки. Эта ситуация приводит в большинстве случаев к затухающей волне, как показано на рисунке 14. На рисунке 15 приведен пример измеренного коммутационного перенапряжения, записанного в реальной системе, который демонстрирует подобные характеристики, но с более высокой частотой, чем показано на рисунке 14.
Рисунок 14 - Типовые коммутационные перенапряжения
Рисунок 15 - Пример высокочастотного импульса коммутационного перенапряжения
Частота колебания обычно находится в пределах нескольких сотен килогерц. Время достижения максимума обычно находится в диапазоне 0,1 - 0,5 мкс, а максимальная производная обычно находится в пределах нескольких кВ/мкс. Типичное распределение максимальных уровней перенапряжений (которое не включает очень короткие импульсы), приведено на рисунке 16.
Рисунок 16 - Распределение импульсных коммутационных перенапряжений в различных случаях по уровню
Поскольку максимальные амплитуды коммутационных импульсов не превышают нескольких кВ, время достижения максимума будет находиться в диапазоне 0,5 - 2 мкс. Распределение времен достижения максимума приведены на рисунке 17. Поэтому максимальный уровень типовых коммутационных импульсов более или менее соответствует времени достижения максимума для стандартного волнового импульса 1,2/50 мкс или 0,5 мкс к периоду 100 кГц волны. Соотношения для 1,2/50 мкс импульса приведены на рисунке 18 для относительно небольшой амплитуды.
Рисунок 17 - Распределение импульсных коммутационных перенапряжений по времени
Рисунок 18 - Уровень импульсных коммутационных перенапряжений и их амплитудные значения
Длительность импульсов распределяется по намного более широкому диапазону времени. Если исключить коммутационные перенапряжения, вызванные работой предохранителей с высоким номинальным током в случае отключения тока короткого замыкания, то типичная продолжительность (время, достижения половинного значения) от 1 до 50 мкс приведена на рисунке 19.
Рисунок 19 - Распределение импульсных коммутационных перенапряжений по продолжительности
6.2 Срабатывание выключателей и переключателей
Выключатели и переключатели широко используются в каждой установке для целей защиты электрооборудования, выключая перегрузки и короткие замыкания, или для того, чтобы управлять работой оборудования, - включение и отключение. Частота коммутаций зависит от области применения и имеет более высокий уровень в промышленных установках и относительно более низкий уровень при бытовом применении.
Коммутируемые токи в случае большинства активных нагрузок находятся в диапазоне номинального тока оборудования. Однако лампы накаливания дают пусковой ток приблизительно в 10 раз превышающий их номинальный ток, поскольку у нити низкое сопротивление в холодном состоянии, что приводит к повышению коммутируемых токов. Для неактивных нагрузок, характерных для промышленных потребителей, коммутируемые токи намного выше номинального тока.
Одна из причин повышения пусковых токов это наличие в сети конденсатора. Например, при подключении телевизора мощностью 100 Вт и номинальным током - 0,4 А, пусковой ток составит приблизительно 20 А, который в 50 раз выше номинального. Другая причина - это отношение максимального значения несинусоидального тока к его действующему значению, когда максимальные токи выше, чем ожидаемое действующее значение.
Размыкание механической коммутационной аппаратуры вручную или с помощью электромеханического привода вызывает электрическую дугу во время каждого процесса коммутации. Высокочастотное колебание сгенерированное внезапным появлением напряжения зависят от величины индуктивности и емкости в цепи выключателя. Это колебание накладывается на напряжение между проводниками цепи и между проводником цепи и землей и дает полное напряжение, приложенное к изоляции электрооборудования относительно сторонних проводящих частей и других цепей. В отличие от переходных перенапряжений, переданных через распределительную сеть в установку потребителя, коммутационные переходные процессы, сгенерированные в пределах установки потребителя выключателями и переключателями, воздействуют на электрооборудование без существенного затухания, причем амплитуда этих переходных процессов относительно высока.
Величина коммутационных перенапряжений может быть оценена подробными измерениями в электрических установках и их статистической оценкой. Такими измерениями можно охарактеризовать частоту возникновения переходных перенапряжений в зависимости от периода времени года или в будние дни или в определенное время дня. Если такая характеристика от времени существует, то возникновение переходных процессов может произойти из-за события в пределах электрической установки, например, при коммутациях или при оперативном управлении устройствами, которые могут создать возмущения из-за их конструкции.
Измерения в промышленных и других установках показали, что частота возникновения перенапряжений уменьшается с их величиной. В низковольтных системах ожидаемые коммутационные перенапряжения не должны быть выше, чем 4 кВ, потому что при этом уровне величины зазоров в электрооборудовании вероятно будут недостаточны, чтобы предотвратить пробой, и таким образом должно ограничиваться пиковое значение. Как пример, статистическое распределение коммутационных перенапряжений, полученных путем измерений в промышленных системах, приведен на рисунке 20.
Рисунок 20 - Пример распределения по амплитуде импульсных коммутационных перенапряжений, измеренных в промышленных сетях электроснабжения напряжением 230/400 В
Статистическая оценка расширенных измерений заставила прийти к заключению, что только 1 - 2 из 1000 записанных коммутационных перенапряжений имеют амплитуду выше 2,5 кВ. Другие длительные измерения, которые выполнялись в установках различного вида и в различных расположениях (см. приложение В), показали подобные результаты. Большинство записанных переходных перенапряжений были даже ниже 1 кВ и только одно значение составляло приблизительно 6 кВ.
Нельзя делать вывод, что влияние выключателей и коммутационных операций незначительно в общей проблеме генерации коммутационных переходных процессов. Данные, полученные в результате измерений, не являются комплексными, и коммутационные импульсы могут возникать чаще, чем эти данные указывают. Поэтому, оценивая необходимость установки УЗИП, это должно быть рассмотрено. В промышленных установках энергия, рассеиваемая на УЗИП, может оказаться относительно высокой.
Примечание - Вышеупомянутые измерения были выполнены в реальных установках с подключенным оборудованием. Поэтому даже если УЗИП, внешнее по отношению к оборудованию, в рассматриваемой установке было разъединено, полученные результаты зависят от характеристик подключенного оборудования (например, зазоров, расстояний утечки, уровня защиты от импульсных напряжений, фильтра и/или УЗИП-компонентов в оборудовании), не дадут реальные значения перенапряжений, происходящих в рассматриваемой установке. Единственный способ учесть их влияние - это выполнение объединенных измерений импульсных напряжений и соответствующих импульсов токов, происходящих в установке, и таким образом получить информацию об энергетическом воздействии на оборудование при отсутствии внешних УЗИП.
6.3 Срабатывание предохранителей
По сравнению с другими импульсами, вызванными оперативными переключениями, возникновение импульсов из-за срабатывания предохранителей возникают менее часто. Однако, в случае отключения короткого замыкания, могут быть сгенерированы весьма существенные коммутационные импульсы. Это явление главным образом связано с влиянием на величину тока короткого замыкания характеристик предохранителя, его номинала и индуктивности цепи.
В электрооборудовании часто используются миниатюрные предохранители с номинальным током от 0,0032 до 10 А.
Коммутационный импульс в случае отключения короткого замыкания миниатюрным предохранителем с номинальным током 1 А приведен на рисунке 21. В этом случае амплитуда коммутацинного# импульса довольно высока, но продолжительность довольно коротка. В серии испытаний, выполненных в диапазоне номинальных токов от 1 до 10 А, были определены амплитуды коммутационных импульсов, величина их оказалась довольно постоянна на уровне 2,6 кВ.
Однако из-за увеличенной продолжительности времени (таблица 5) воздействия импульсов, энергия существенно увеличивается с увеличением номинального тока предохранителя. Величина импульса может достигнуть 2,6 кВ/мкс. Для некоторых номиналов предохранителей коммутационный импульс зависит от характеристики предохранителя. Быстродействующий предохранитель вызывает более кратковременные импульсы, чем предохранители медленного действия.
Рисунок 21 - Импульсные коммутационные перенапряжения при срабатывании миниатюрного предохранителя
Таблица 5 - Время достижения половины номинального значения импульсного коммутационного тока при срабатывании миниатюрных предохранителей
|
Характеристика предохранителя А |
Время достижения половинного значения МКС |
|
1 |
8 |
|
1 |
24 |
|
1,6 |
36 |
|
10 |
64 |
При отключении короткого замыкания на вводе системы питания предохранителем, установленным вблизи распределительной шины, возникает соответствующая проблема, связанная с тем, что перенапряжение, сгенерированное при срабатывании предохранителя, оказывает влияние на все электрооборудование, соединенное с этой шиной. Опыт, основанный на статистике, показал, что такой отказ в низковольтной сети электроснабжения происходит очень редко. Однако этот тип отказа важен для промышленных систем распределения, где короткое замыкание не является очень редким случаем. В приложение В приведено два примера измерений, один для короткого замыкания, происходящего около предохранителя на вводе, другой для короткого замыкания, происходящего в конец кабеля.
6.4 Частота возникновения
Как относительные значения вероятности возникновения коммутационных импульсов, так и их абсолютные значения могут быть оценены. Первый метод относительных значений является более применимым, если различные измерения и/или помещения должны быть сравнены.
Эмпирическое правило устанавливает, что вероятность возникновения коммутационного импульса обратно пропорционально тройной амплитуде его мощности. Это явление, которое известно как закон тройной мощности, иллюстрируется на рисунке 22 для различных типов помещений. Однако при увеличении амплитуды коммутационного импульса наблюдается тенденция для некоторых отклонений от закона тройной мощности. Эти отклонения являются более явными для некоторых типов помещений, например, для торговых помещений.
На рисунке 22 относительная вероятность возникновения коммутационного импульса амплитудой 2 500 В приблизительно в пять - десять раз больше, чем экстраполяция линии "тройной мощности" в области более низких амплитуд.
6.5 Взаимодействия с устройствами защиты от перенапряжений
Поскольку коммутационные импульсы вызывают ответное воздействие установки на напряжение, ток, и энергию в цепях питания, их энергетическое влияние может оказаться существенным. Однако, как упомянуто выше, их амплитуда часто ограничивается, давая возможность избежать рисков при установке УЗИП. Разработчики системы и разработчики оборудования должны применить УЗИП с должным рассмотрением возможности возникновения коммутационных импульсов с высокой энергией, как рассмотрено в пункте 12.
6.6 Выводы относительно коммутационных перенапряжений
В большинстве случаев максимальные коммутационные перенапряжения находятся в пределах двойной амплитуды напряжения системы, но могут возникать и более высокие значения, особенно при коммутации индуктивных (двигатели, преобразователи) или емкостных нагрузок. Кроме того, отключение токов короткого замыкания может вызывать существенные перенапряжения. При оперативном отключении относительно высокая энергия может быть сохранена в индуктивных нагрузках и колебания могут произойти на стороне нагрузки вводного выключателя или предохранителя.
Величина коммутационных перенапряжений может быть оценена подробными измерениями в электрических установках и их статистической оценкой. Такими измерениями можно охарактеризовать частоту возникновения переходных перенапряжений, в зависимости от периода времени года или в будние дни или определенное время дня. Надо опасаться, однако, ограничивающего эффекта неопределенного УЗИП, который может присутствовать в установке. Если такая характеристика от времени существует, то возникновение переходных процессов может произойти из-за события в пределах электрической установки, например, при коммутациях или при оперативном управлении устройствами, которые могут создать возмущения из-за их конструкции.
Рисунок 22 - Распределение импульсных коммутационных перенапряжений по частоте возникновения в различных установках
Эти соображения заставляют оценивать вероятность того, что УЗИП, предназначенное для уменьшения коммутационных импульсов, может эффективно ограничить напряжение. Затем должно быть определено, что УЗИП обладает необходимыми характеристиками относительно величины и продолжительности коммутационных импульсов, которые будут ожидаться в данном помещении.
7 Временные перенапряжения
7.1 Основные положения
Широкий диапазон явлений, возникающих при нормальной работе системы или в аварийных режимах, могут вызвать перенапряжения, которые следует отличать от коммутационных перенапряжений, рассмотренных в предыдущем разделе. Эти перенапряжения возникают в сетях промышленной частоты и обычно связаны с работой защитного оборудования от сверхтока, отключающего поврежденные цепи. Электрооборудование обычно разрабатывается так, чтобы противостоять воздействию временных перенапряжений. Импульсные защитные устройства для защиты от ударов молнии и коммутационных импульсов не могут длительно рассеивать энергию для того, чтобы ограничить эти временные перенапряжения. Поэтому, при выборе максимума рабочего напряжения для защитных устройств от импульсных перенапряжений (УЗИП) для конкретной установки, должны быть учтены ожидаемые значения и вероятность возникновения временных перенапряжений.
7.2 Величина временных перенапряжений при повреждениях в линиях среднего и низкого напряжения
Временные перенапряжения определяются как повышенные напряжения переменного тока с существенной продолжительностью по амплитуде, которые могут появиться в системе после повреждения. Обычно они возникают из-за повреждения изоляции или обрыва питающих линий в системах СН и НН электроустановок. Стандарты на электротехнические изделия учитывают эти явления путем предъявления соответствующих требований к оборудованию и испытаниям. В МЭК 60364-4-44 приведена информация и данные, приведенные в приложении С.
Примечание - В линиях СН и НН, смонтированных на одних и тех же опорах, или в линиях с двумя различными уровнями СН, смонтированных на одних и тех же опорах, случайное перехлестывание проводов может вызвать существенное перенапряжение в системе НН. Применительно к УЗИП для низковольтных систем перехлестывание обычно не рассматривается. Однако если такие исключительные явления воззникают#, то должен быть применен специальный УЗИП, чтобы выдержать этот режим или, по крайней мере, не быть поврежденным.
В зависимости от конфигурации систем заземления сетей СН и НН, токи короткого замыкания в сетях СН через общий заземлитель генерируют перенапряжения в сетях НН.
Основные параметры, которые влияют на значение и продолжительность перенапряжений приведены ниже.
Все они определяются разработчиками системы электроснабжения:
a) конфигурация заземлителей сетей СН и НН:
- один, два или три независимых заземлителя;
- общие или разделенные заземлители для сетей СН и НН;
- параметры и число заземлителей в распределительной сети НН;
b) тип заземления нейтрали в сети СН:
- изолированная;
- резонансно заземленная;
- заземленная через импеданс;
- непосредственно заземленная;
c) способ отключения повреждения в сети СН:
- длительное время для резонансного и импедансного типов заземления;
- короткое время (<5 с) для низкоимпедансного типа заземления;
- более короткое время для непосредственного заземления.
Временные перенапряжения появляются в различных местах и проявляются по-разному.
- В подстанции СН/НН повышенное напряжение прикладывается к изоляции оборудования НН между токоведущими частями и сторонними проводящими частями, если нет общего заземлителя СН/НН.
- В низковольтной электрической установке повышенное напряжение прикладывается к изоляции низковольтного оборудования между токоведущими частями и сторонними проводящими частями, если нейтраль не соединена с заземлителем.
- Повышенное напряжение появляется между заземлителем низковольтной установки и локальной землей, которое может быть приложено, например, к двойной изоляции оборудования класса II вне здания или ввода, который не соединен с ГЗШ.
В таблице 6 приведена информация о максимальных значениях и продолжительности перенапряжений, которые могли бы произойти в зависимости от конфигурации заземлителя на подстанции СН/НН и конфигурации системы заземления НН. Значения 250 В и 1200 В приведенные в таблице-это максимально допустимые значения согласно МЭК 60364 при использовании объединенного заземлителя систем СН и НН. Практически принимаются нижние значения.
Таблица 6 - Максимальные значения перенапряжений, возникающих при замыкании на землю на стороне напряжения среднего уровня
|
Тип и система заземления СН при единичном замыкании на землю |
Система заземления согласно МЭК 60364-4-44 |
Максимальное действующее значение напряжения на оборудовании установок НН |
Продолжительность повреждения |
Максимальная продолжительность | ||
|
L-PE |
N-PE |
L-N |
с |
час | ||
|
3х проводная, изолированная нейтраль |
TN, ТТ, IT |
Uo |
0 |
Uo |
>>5 |
Десятки |
|
3х проводная, резонансное заземление или |
TN, TTb) ITa), с), d) |
Uo |
0 |
Uo |
>>5 |
Сотни |
|
3х проводная, импедансное заземление |
ТТа), ITb), e) |
<250 В + Uo |
<250 В |
Uo |
>>5 | |
|
Низко импедансное заземление (Франция) |
TN, TTb) ITa), c), d) |
|
0 |
Uo |
<5 |
Сотни |
|
TTa), ITb), e) |
<1 200 В + Uo |
<1 200 В |
Uo |
<5 | ||
|
3х проводная, непосредственное заземление |
TN, TTb) ITa), c), d) |
|
0 |
Uo |
<5 |
Тысячи |
|
TTa), ITb), e) |
<1 200 В + Uo |
<1 200 BV |
Uo |
<5 | ||
|
4х проводная, непосредственное заземление (Практика США) |
TN |
<2,45 Uo |
0 |
<2,45 Uo |
<5 |
Тысячи |
|
Примечание 1. Отсутствие различий, для подклассификаций ТТа) и ТТb), установленных для системы ТТ, не влиянияет на максимальное действующее значение напряжения, приведенное в таблице.
Примечание 2. Uo - номинальное напряжение линии относительно земли в низковольтной системе.
Примечание 3. При повышеннии напряжения более чем в 1,5 - 2 раза к Uo, может привести к отказу УЗИП или даже его разрушению. Поэтому, стандарты на УЗИПы требуют, чтобы при выходе устройств из строя не возникало опасности для людей или пожара. Это условие может быть обеспечено посредством устройства автоматического разъединения, действующего кратковременно или постоянно, в качестве такого защитного устройства используют разъединитель УЗИП.
Примечание 4. Для случаев двойного повреждения требуется специальное рассмотрение.
Примечание 5. Информация, приведенная в таблице 6, представляет максимальные значения, допустимые в соответствии с указаниями МЭК 60364; если при продолжительности повреждения менее 5 с в системах заземления с изолированной нейтралью или в резонансных системах заземления. | ||||||
Временные перенапряжения могут произойти от эффекта феррорезонанса в питающем трансформаторе, когда у одной из фаз питания СН снижается емкость относительно земли.
7.3 Временные перенапряжения из-за повреждений в низковольтных электрических установках
7.3.1 Временные перенапряжения из-за короткого замыкания между линейным и нейтральным проводником
После переходного процесса значение тока короткого замыкания ограничивается только источником питания и импедансом электропроводки. Эти токи могут быть очень высокими, в диапазоне от сотен до десятков тысяч ампер. Защитное устройство работает на отключение повреждения. В течение этого периода длительностью от нескольких миллисекунд до нескольких сот миллисекунд, но не более 5 с, возникает состояние временного перенапряжения. Значение перенапряжения может быть определено в зависимости от импеденса# источника. Значение 1,45 Uo считается верхним пределом (см. МЭК 60364-4-44). Подобные условия приводят к пробою изоляции на землю в TN-системе.
7.3.2 Временные перенапряжения из-за пробоя изоляции на землю в НН системах
В системе TN замыкания на землю могут вызвать перенапряжения, сопоставимые с теми, которые происходят в цепях при замыканиях между фазой и нейтралью. Действительно, поперечное сечение обратной цепи к нейтрали источника, сопоставимо с сечением фазного проводника.
В системе ТТ ток короткого замыкания протекает через проводники РЕ и два заземлителя. Эти заземлители разделяются, или, по крайней мере, не соединяются преднамеренно. В этом случае ток короткого замыкания остается относительно низким. Повреждение обычно отключается защитными устройствами дифференциального тока. Соответствующее перенапряжение, как полагают, остается ниже, чем √3 Uo.
В IT-системе ток короткого замыкания в случае первого повреждения очень низок: это емкостный ток утечки изолированных проводников распределительной сети, включая установку и фильтры в электрооборудовании. Первое замыкание фазы на землю обычно не приводит к отключению защитного устройства, но вызывает переходные процессы, приводящие к величине перенапряжения близкого к линейному напряжению источника питания.
Примечание - Резонансные явления могут произойти при замыканиях в IT-системах с потребителями, у которых в сети имеются высокие реактивные сопротивления (люминесцентные лампы, реакторы, двигатели, и т.д.), когда частота колебаний (для последовательного соединения реактанса цепи с емкостью системы) близко к номинальной частоте питания. Это явление может вызвать временные перенапряжения в два - три раза выше номинального напряжения линии относительно земли или еще выше. Этот тип перенапряжения возникает во всех установках, получающих питание от трансформатора СН/НН. Также из-за этого явления происходят повреждения УЗИП в некоторых IT-системах.
7.3.3 Временные перенапряжения из-за обрыва рабочего проводника
В трехфазных системах обрыв любого проводника может привести к различным условиям, таким как дисбаланс, повреждения и временные перенапряжения, которые могут косвенно привести к переходным процессам. Например, обрыв нейтрального проводника в несбалансированной, соединенной в звезду системе электроснабжения, может привести к временному перенапряжению, когда в двух фазах напряжение относительно нейтрали достигнет значения линейного напряжения. Это может вызвать повреждения и переходные процессы, связанные с возникновением или отключением повреждения. В этом случае обычно рассматривается воздействие линейного напряжения.
7.4 Вероятность возникновения и оценка ущерба
7.4.1 Временные перенапряжения из-за отказов между системой СН и землей
Пробой изоляции на землю на линиях СН происходят в основном во время гроз или по другим причинам. Отказы из-за временных перенапряжений должны учитываться, когда какие либо факторы риска возникают достаточно часто. Эти факторы перечисляются ниже, вместе с наиболее неблагоприятными условиями, которые могут возникать:
- замыкание на землю в системе СН непосредственно в подстанции;
- ток замыкания на землю при неблагоприятных условиях;
- сопротивление заземления подстанции находится на верхнем уровне от допустимого;
- конфигурация системы СН: тип заземления ТТ-а (общий заземлитель для систем НН и СН);
- условие воздействия: включенный или нет.
При ударе молнии в линию СН УЗИП, расположенный на стороне СН, принимает ток на заземлитель. Во многих существующих сетях в качестве УЗИП используются искровые разрядники, у которых импульсный ток инициирует ток на частоте питания, который не прерывается при первом переходе через ноль.
Эксплуатирующие службы стремятся минимизировать число замыканий на землю в линиях СН, связанных с неблагоприятными погодными условиями, такими как грозы, гололед и ветер. Если подстанция расположена в помещении, эти меры могут быть самыми эффективными и замыкания на землю могут рассматриваться как событие с очень низкой вероятностью.
Конфигурации систем среднего уровня напряжения четко определены так, чтобы их токи замыкания на землю могли быть определены вычислением даже в том случае, если они сильно изменяются в зависимости от места расположения точки замыкания на землю. Ток, вычисленный для замыкания на землю в определенной подстанции, будет основанием для определения сопротивления заземления в соответствии с требованиями МЭК 60364-4-44. Это исключает точку расположения замыкания на землю как фактор риска. Прочие параметры, такие как число одновременно отключаемых фидеров, следует рассматривать только в случае, если они приводят к более высоким значениям токов замыкания на землю при замыкании на стороне СН в подстанции.
Вышеупомянутые соображения относительно возникновения неблагоприятных условий являются основанием для оценки вероятности опасного события в системе СН вследствие замыкания на землю на стороне СН в подстанции. Эта вероятность ущерба является одним из факторов риска, который подлежит рассмотрению.
Если искровые разрядники устанавливаются на стороне СН близко к подстанции СН/НН, они обычно сокращают число замыканий на землю. Электрический ток через УЗИП на землю ограничивается коротким импульсом, если искровой разрядник имеет металло-окисный тип. В случае применения искровых разрядников возникает переменный ток короткой продолжительности. В случае применения одних только искровых разрядников возникающий переменный ток, отключается защитным устройством СН за время, зависящее от типа используемого устройства.
Среди систем СН конфигурация ТТ-а (общий заземлитель для систем НН и СН) самая критичная. Правила эксплуатации предписывают использование системы ТТ-b (раздельное заземление систем СН и НН), конфигурация ТТ-а применяется редко по причине недостатка места или трудных условий заземления. На городских территориях и в промышленных зонах землитель у потребителя и заземлитель подстанции обычно имеют близкий электрический потенциал из-за наличия сторонних металлических элементов, таких, как трубы между заземлителем подстанции и заземлителем низковольтной установки. Следовательно, падение напряжения на заземлителе подстанции фактически передается на установку потребителя.
Характеристики защищенности элемента, который, вероятно, будет подвержен воздействию временного перенапряжения, зависят от его режима применения. Например, УЗИП, постоянно подключенный на более низком уровне напряжения, соединяется с системой СН только для очень небольшого отрезка его функционирования; в последнем случае, вероятность совпадения с замыканием на землю на стороне СН чрезвычайно низка и характеристики защищенности, вероятно, будут соответственно низкими.
7.4.2 Временные перенапряжения из-за повреждений в установке НН
Вероятностью повреждения изоляции в обычных низковольтных установках нельзя пренебречь. Эта вероятность увеличивается для старых установок и для оборудования, которое постоянно не включается или устанавливается во влажных или загрязненных помещениях. Обычно, повреждения изоляции с большей вероятностью происходят между активными проводниками и заземленными проводящими частями, чем между активными проводниками рассмотренными ниже. Эффекты от этих замыканий (падения напряжения и в особенности перенапряжения), влияют на УЗИП. Эти эффекты зависят от точки замыкания, а в случае замыкания на землю в системах ТТ - от импеданса заземлителя относительно земли.
Если УЗИП был выбран с максимальным длительным рабочим напряжением (МДРН, Uc) ниже, чем перенапряжение, сгенерированное при повреждении изоляции НН или при обрыве питающего проводника, то ток, текущий через УЗИП, увеличивается очень быстро и происходит тепловое разрушение УЗИП. Эффекты от этого повреждения ограничиваются применением УЗИП, объединенным с тепловой защитой. Такое повреждение УЗИП может оставить установку или оборудование без защиты от перенапряжения.
Если максимальное длительное рабочее напряжение (МДРН) УЗИП, Uc, выбрано равным или выше чем 1,45 Uo для систем TN и выше чем √3 Uo, для системы ТТ, риск повреждения УЗИП и возникающая потеря защиты от перенапряжений происходит в большинстве случаев. Кроме того, этот риск может возникать и для более низкого значения Uc при некоторых конфигурациях системы или из-за выбора УЗИП. Как отмечено в пункте 7.3.2, исключение может быть для IT-системы, где высокие значения МДРН могут возникать из-за резонансных явлений.
Для остальных случаев, когда возможность потери защиты считают приемлемой, другие риски должны перекрываться; в частности соответствующая защита от короткого замыкания цепи должна быть определена изготовителем и требованиями потребителя.
При обрыве нейтрального проводника перенапряжение между линейным и нейтральным проводником независимо от системы заземления может достигнуть значений, близких к √3 Uo в трехфазной системе. Перенапряжение может достигнуть 2 Uo в однофазной трехпроводной системе, когда нагрузка полюсов не сбалансирована; это повышенное напряжение прикладывается к УЗИП, предназначенному для защиты от перенапряжения нагрузок и подключенному между линией и нейтралью. В случай обрыва нейтрального проводника повреждение УЗИП может быть игнорировано по сравнению с ущербом, понесенным другим оборудованием в установке, пока повреждение УЗИП происходит в приемлемом режиме.
В IT-системах из-за возникновения напряжения близкого к линейному напряжению после первого отказа, полная защита УЗИП может быть достигнута, но только если Uc выбирается равным или выше чем, √3 Uo. Как отмечено в п. 7.3.2, резонансные явления могут произойти при замыканиях на землю в IT-системах, имеющих существенные реактивные сопротивления.
7.5 Выводы относительно временных перенапряжений
Временные перенапряжения - это тип аварийного события, которое чрезвычайно трудно предотвратить в нормальном режиме работы системы электроснабжения. Вероятность его возникновения и уровни перенапряжений, которые могут быть достигнуты, зависят от конфигурации системы электроснабжения, которая определяется, исходя из системных ограничений без учета последствий воздействия перенапряжения на УЗИП.
При применении УЗИП возможны различные варианты, в пределах от применения УЗИП с высоким МДРН, что сделает его защищенным при большинстве временных перенапряжений (но за счет снижения уровня защиты от перенапряжения), до снижения уровня МДРН, из-за желания обеспечить низкое ограничивающее напряжение, необходимое для нагрузок, что ведет к возрастанию риска разрушения УЗИП при временных перенапряжениях.
Эта задача не может быть решена путем задания обязательных требований одной из сторон, участвующей в проектировании, эксплуатации, защите систем электроснабжения и нагрузок потребителей. Ситуация требует сотрудничества между сторонами, определения ограничений технологии и взвешивание условий и последствий в зависимости от специфических особенностей установки и ее назначения.
8 Системные перенапряжения
8.1 Основные положения
В настоящем разделе стандарта рассматриваются причины возникновения перенапряжений в системах электроснабжения переменного тока, а также перенапряжений, связанных с взаимодействием между системами электроснабжения переменного тока и коммуникационными системами, в особенности во время возникновения импульсных токов в одной из систем.
Суть вопроса заключается в том, что наведенное напряжение на оборудовании, в котором произошел отказ (нарушение может также произойти на более низких уровнях напряжения), является результатом возникновения импульса тока в одной из системы или является побочным эффектом от действия УЗИП.
Системное взаимодействие перенапряжений может произойти, даже если порты оборудования со стороны питания и связи защищены УЗИП, по одному в каждом порту или на вводе, с целью обеспечения защиты от перенапряжения. Если отказы или повреждения оборудования все же продолжают происходить, тогда возникают вопросы относительно примененных УЗИП. В этом случае корректирующие мероприятия должны заключаться не в улучшении характеристик УЗИП, установленных отдельно на каждом из портов, а в понимании процесса взаимодействия относительно наведенного напряжения.
8.2 Взаимодействие между системой электроснабжения и коммуникационной системой
Поскольку электронное оборудование входит в бытовую и деловую среду все больше, то включение коммуникационного порта становится таким же частым, как подключение обычного шнура питания к сети питания. Типичным примером соединения системы электроснабжения с телефонной сетью является персональный компьютер (ПК) с модемным соединением или факс. Хотя каждая система электроснабжения и коммуникационные системы могли бы включать схему защиты от импульсов тока, импульсный ток в одной системе вызывает сдвиг в потенциале его контрольной точки, в то время как потенциал контрольной точки другой системы остается неизменным. Различие потенциала между этими двумя контрольными точками появляется через два порта ПК/модема. В зависимости от типа ПК/модема и его защищенности это различие потенциалов может вызывать определенное нарушение или повреждение.
Рисунок 23 иллюстрирует пример ПК, оборудованного модемом, запитанный ответвлением от цепи, которая включает защитный заземляющий проводник, с трехпроводным кабелем, который связывает шасси сточкой заземления распределительного щита. Модем соединяется с телефонным выходом в комнате, проводником присоединенным к защитному устройству, установленному телефонной компанией на вводе телефонной связи. В худшем варианте сетевая и телефонная компания осуществляют ввод в дом в противоположных концах дома. В этом случае соединение заземления осуществляется в самой близкой точке к системе заземления, обычно это труба холодного водоснабжения, специальный заземляющий проводник, или шина уравнивания потенциалов. В ряде случаев длина этого соединения заземления может быть существенной. Результатом может быть большая разность наведенного потенциала во время импульса тока.
Аналогичный пример применим и к другому оборудованию, соединенному с системой питания и с телефонной сетью, такому как факс или автоответчик. Различия могут быть в том, что ПК/модем часто собирается пользователем или ретейлером с использованием нескоординированных элементов, полученных от различных производителей, в то время как факс или автоответчик разрабатывается как один модуль. В случае собранного ПК/модема из этих нескоординированных компонентов нет уверенности в защищенности от наведенного разностного потенциала. В случае факса или автоответчика можно ожидать, что в устройстве, разработанном в одной организацией, учтены все условия. Этот случай рассмотрен в деталях В приложении D.
Рисунок 23 - соединения ПК/модема с системой питания и с коммуникационной системой
8.3 Другие взаимодействия
Подобный сценарий может быть применен для телевизионного ресивера или видеомагнитофона с питанием ответвлением от сети и видеосигналом, полученным от системы CATV или спутниковой антенны, расположенной вне дома. Различие заключается в том, что вместо симметричной и сбалансированной конфигурации телефонной пары, видеосигнал переносит коаксиальный кабель, для которого экран является главным источником воздействий от любых импульсов тока. Те же самые соображения применимы к телевизору или видеомагнитофону, как интегрированному продукту в отличие от нескоординированных блоков из отдельных компонентов. Однако с быстро изменяющимся развитием спутниковых систем телевидения в антеннах для применения потребителями трудная цель координации методов заземления кажется достигнутой.
Другой сценарий может развернуться для таких устройств, как промышленная установка, где процесс управления и сигналы отдатчиков передаются по отдельным системам, отличным от системы питания.
Возможности уменьшения воздействий включают подбор подходящего гибридного многопортового УЗИП, как рассмотрено в приложении D, и в хорошем заземлении и использовании способов кабельных соединений.
8.4 Выводы относительно системных взаимодействий
Системные взаимодействия происходят в интерфейсе двух различных систем, таких как система электроснабжения оборудования и коммуникационной системы, и касаются сигналов, которые будут обработаны в оборудовании. В этом многопортовом оборудовании могут возникать перенапряжения не только в каждом отдельном порте, но также из-за взаимного влияния терминалов этих двух портов.
Для правильного функционирования и сохранности оборудования необходимо учесть эффекты от этого явления, часто неидентифицированного или неправильно приписанного к одной из систем, что приводит к неудачным попыткам снижения влияния, примененного к одному или к обоим портам.
9 Импульсные перенапряжения и интенсивность отказов
9.1 Основные положения
В ранее приведенных примерах перенапряжений представлены количественные данные об этих явлениях, базируемые частично на теории, которая основывается на наиболее вероятных ситуациях и частично на измерениях. Эксплуатационные измерения могут отразить только локальные условия во время измерений, а лабораторные измерения могут обеспечить только заключения, основанные на предположениях, заложенных в базовую экспериментальную установку.
Вводы и установленные настоящим стандартом положения по перенапряжениям говорят о том, что широкие обобщения при наличии ограниченных данных должны быть сделаны с некоторой предосторожностью. Такая предосторожность это больше качественный, чем количественный процесс, предназначенный для согласования между прогнозами на частоте возникновения больших импульсов и экспериментальными данными измерений, полученными для конкретного оборудования, которое подвергается импульсному воздействию.
Другое качественное предостережение заключается в согласовании между выводами, сделанными из иногда упрощенных предположений для вычислений и основных законов физики. Любые заключения, которые базировались на этих упрощениях, обобщениях или предположениях, которые не соответствуют действительности, должны приниматься с осторожностью относительно законности этих упрощений, обобщений, или предположений.
9.2 Использование статистических данных о повреждениях
На практике нет достаточных статистических данных о повреждениях низковольтного оборудования при перенапряжениях, что затрудняет объективную оценку интенсивности отказов. Отказы низковольтного оборудования (видеооборудование, холодильники, и т.д.) происходят относительно часто во время грозы, особенно в областях, где электроснабжение осуществляется по воздушным линиям НН. Незначительный ущерб, нанесенный токами повреждения, происходят без срабатывания выключателя или предохранителя и возникает после нескольких часов или дней после начального события: воздействия импульсного напряжения. Причины отказов оборудования включают
- недостаточную защищенность порта питания оборудования относительно импульсного воздействия;
- недостаточный класс изоляции;
- старение оборудования;
- системное взаимодействие, в особенности для видеооборудования.
Если для конкретного оборудования известны уровни неповреждающих импульсов или уровни отказов, то можно сделать выводы о частоте возникновения импульсов, превышающих уровень неповреждаемости. Значительное число отказов указывает на соответствующий уровень возникновения импульсов выше этого уровня. Если испытания показывают низкую интенсивность отказов, то это может свидетельствовать об одинаково низком проценте импульсов выше уровня отказа оборудования.
Применение УЗИП и оборудования с блоком питания выпрямитель-конденсатор значительно уменьшают воздействие импульсных перенапряжений.
Исследования отказов ламп накаливания показали что типовой порог выше которого происходит повреждение ламп накаливания лежит между 800 В и 2 000 В для ламп на 120 В, и между 1 800 В и 2 200 В для ламп на 230 В, в зависимости от энергии, воздействующего импульса.
Уровень возникновения импульсов выше этих порогов в режиме линия-нейтраль (обычное соединение ламп, в противоположность режиму линия-земля, который вызывает опасения с точки зрения класса изоляции), не так высок с точки зрения приемлемого срока службы для ламп в НН системе. Импульсные перенапряжения с высокой энергией (такие как импульсные перенапряжения, при прямом ударе молнии) происходят значительно реже, чем импульсные перенапряжения с низкой энергией (такие как наведенные (индуцированные) импульсные перенапряжения). Этот вывод допустим до массового применения УЗИП и должен остаться допустимым, так как механизм возникновения импульсных перенапряжений со стороны питания не изменился, несмотря на быстрое увеличение количества УЗИП. Подавляющее большинство металло-окисных варисторов в системах НН работают нормально, если применяются в соответствии с заявленными характеристиками.
В системах электроснабжения высокие перенапряжения вызывают пробой изоляции электрооборудования потребителей, в связи с чем следует устанавливать защитные устройства для ограничения перенапряжений.
10 Рассмотрение системы простой/оборудование повреждение/возгорание
10.1 Основные положения
УЗИП устанавливаются в системах электроснабжения, чтобы обеспечить защиту оборудования, ограничивая перенапряжения и таким образом улучшая надежность системы.
Надежность системы электроснабжения конечного пользователя включает два различных соображения:
- уход от помех (нарушений) в работе системы;
- предотвращение непоправимого урона системному оборудованию и компонентам.
Для многих ситуаций влияние перенапряжения на оборудование не может быть уменьшено с помощью УЗИП, потому что помехи характеризуются определенным частотным спектром и реакцией оборудования на этот частотный спектр, а не амплитудой перенапряжения. Обычно УЗИП воздействуют на амплитуду перенапряжения, а не на его частотный спектр и широко используется для защиты от непоправимого ущерба, улучшая надежность системы.
10.2 Воздействие помех на работу системы
Воздействие помех, в том числе перенапряжений, на работу системы конечного потребителя зависит от типа электрооборудования у конечного потребителя. Предотвращение воздействия таких помех на работу электрооборудования следует осуществлять при проектировании системы электроснабжения с учетом возможных изменений электромагнитной среды и соблюдения требований стандартов по электромагнитной совместимости (ЭМС), при этом к помехам не относятся нарушения, связанные с неправильным функционированием электрооборудования.
Соблюдение требований по ЭМС должно гарантировать достаточное пространство между уровнем электромагнитных возмущений в среде, в которой оборудование работает с одной стороны, и с другой стороны уровень невосприимчивости оборудования к этим возмущениям. Само оборудование не должно вызывать возмущений выше установленного уровня.
Явления, вызывающие электромагнитные возмущения, могут быть смягчены разными подходами, включая снижение возмущений в их источнике, и уменьшением тех, которыми невозможно управлять, например ударом молнии, увеличение невосприимчивости оборудования путем повышения его собственного уровня невосприимчивости (помехозащищенности) или обеспечение защищенности посредством использования УЗИП.
Раздел 5 настоящего стандарта содержит информацию о том, как возмущения в среде, связанные с ударом молнии, в конечном счете воздействуют прямым вводом тока в систему питания - кондуктивная связь по терминологии ЭМС- или индуцируя перенапряжения в цепях систем электроснабжения - радиационная связь по терминологии ЭМС.
В приложении F представлены примеры предотвращения перенапряжений и возникающие проблемы использования сигнальных методов ЭМС, которые не включают использование УЗИП.
10.3 Предотвращение непоправимого ущерба
Применение УЗИП направлено на предотвращение двух причин повреждений, вызванных амплитудой и энергией воздействующего импульса (включая продолжительность импульса), в то время как помеха обычно определяется передним фронтом импульса. Когда перенапряжение вызывается индуктивными эффектами, связанными стоком импульса, крутизна переднего фронта импульса является определяющим фактором возникновения перенапряжения.
Предотвращение непоправимого ущерба может быть достигнуто повышением помехозащищенности оборудования. В МЭК 60664-1 определено несколько категорий оборудования по допустимым уровням напряжения.
Следует учесть то, что изоляция противостоит обычно повышенным напряжениям в режиме линия-земля (обычный режим), в то время как чувствительные электронные компоненты обычно присоединяются к системе линия-нейтраль (рассматривается как дифференциальный режим). Способы заземления нейтрали играют соответствующую роль в относительных уровнях воздействия импульсных перенапряжений в обычном режиме в противоположность дифференциальному режиму. Например, в системах TN, соединение защитного заземления нейтрали и зезмления# на вводе предотвращают дальнейшее распространение импульсных перенапряжений, воздействующих на установку в обычных режимах. В ряде стандартов МЭК, касающиеся импульсных воздействий, например МЭК 61000-4-5, устанавливают для испытаний на помехозащищенность условие, что уровень импульсного перенапряжения в обычном режиме должен быть выше, чем для дифференциального режима. Эта ситуация не возникает в системе TN, где перенапряжения обычно ниже по сравнению с системой ТТ из-за многократного заземления нейтрального проводника.
В МЭК 60664-1 устанавливается прямое отношение между допустимым импульсным напряжением оборудования и категорией по перенапряжению, присвоенной оборудованию. Это отношение не зависит от географического расположения оборудования в рассматриваемой установке.
Установление категорий оборудования по уровню защиты от перенапряжения позволяет осуществлять выбор оборудования в соответствии с определенным сроком службы и приемлемым возможным ущербом. Выбор оборудования с достаточно высоким значением защиты от импульсного напряжения позволяют обеспечить необходимый уровень изоляции всей установки, снижая вероятность отказов до приемлемого уровня, обеспечивая защиту от основного перенапряжения.
Более высокий уровень категории защиты от перенапряжения указывает, что оборудование лучше противостоит и обеспечивает более широкий выбор методов защиты от перенапряжения. Если нагрузки на ответвлениях имеют относительно высокий импеданс, то после прохождения переднего фронта, при преобладании характерных импедансов, грозовые перенапряжения существенно не затухают до точки ввода.
Защитные меры могут быть приняты в самом оборудовании. В этом случае информация должна быть предоставлена изготовителем, чтобы оценить потребности в дальнейшем уменьшении импульсного перенапряжения. Неправильно воспринятая информация о характере импульсного перенапряжения может привести к неправильному выбору УЗИП и снижению системной надежности. Некоторые электронные устройства, в особенности с импульсным источником питания, который включает входной конденсатор большой емкости, являются примером того, когда уровень собственной помехозащищенности возрастает незначительно, а потери из-за неправильно выбранного УЗИП могут быть существенными.
10.4 Ущерб, связанный с прерыванием питания и повреждениями
В случае импульсных воздействий на установки и оборудование, не защищенном УЗИП, существует более высокая вероятность повреждения оборудования или перерывом в электроснабжении при срабатывании защитных устройств (например, выключателей дифференциального тока (ВДТ) установки). Четыре типа событий могут быть связаны с материальным ущербом:
a) ухудшение условий обслуживания или прерывание обслуживания: Нарушение условий ведения бизнеса. Ухудшение обслуживания может содержать качественный элемент, который приводит к финансовым убыткам. Например, где работа автоматизирована или компьютеризирована возврат к работе в ручном режиме может быть фактически невозможным;
b) потеря операций: Эта стоимость расходов из-за реального времени невозможности использования оборудования: компьютеров, устройств связи и информационных технологий, включая связанные потери операционных доходов и/или производительности труда. Критические системы, такие как аварийные службы, центральные информационные системы, и т.д. могут иметь очень большие прямые и косвенные издержки, связанные с потерей функционирования. Коммерческие предприятия теряют прямой доход в течение времени простоя. Ожидаемое время для ремонта и восстановления функционирования зависит от доступности ремонтного персонала, запчастей, процедур и информации;
c) восстановление или замена оборудования или средств: Эта стоимость складывается из расходов на физическое устранение повреждений, включая замену оборудования и прямые и косвенные издержки, связанные с восстановительными монтажными работами. Постепенное ухудшение состояния компонентов оборудования может также произойти при повторяющихся небольших импульсных воздействиях, которые вызывают на вид случайные отказы. Такие события не могут быть сразу связаны непосредственно с ударом молнии или коммутационным событием во время отказа. При таких совокупных эффектах могут увеличиться расходы на регламентное или профилактическое обслуживание;
d) повреждение оборудования или травмирование людей может потребовать использования аварийных служб, таких как пожарные, скорая помощи, полиция, и других, которые являются дополнительным расходом для фирмы, человека или общества. Отказ систем пожарной сигнализации и аварийных телекоммуникационных служб уменьшают эффективность и вероятность использования таких служб.
Материальный ущерб, вызванный прерыванием электроснабжения и отказами в работе оборудования, зависит от условий функционирования электроустановки, учитывающих сезон, в который это происходит, день недели (будний день или выходные), время начала и продолжительность нарушения, полное или частичное прерывание обслуживания.
Оценка ущерба состоит из затрат, которые были бы понесены в пределах различных категорий потерь (например, стоимость потерянного производства или продаж, стоимость неактивного труда, затраты перепланирования, затраты от повреждений, и т.д.).
Оценка ущерба может быть выражена посредством определения полной стоимости потерь от отключения электричества, равным значению производственных потерь с учетом затрат, связанных с отключением электричества, за минусом стоимости электричества за период отключения.
Значение производственных потерь равно ожидаемому доходу без отключения электричества.
Затраты, связанные с отключением электричества - затраты на оплату труда при остановленном производстве, затраты труда на перезапуск производства, материальные затраты на перезапуск производства, затраты на поврежденные материалы, затраты на поврежденные детали, стоимость повторной обработки материалов и стоимость, использования резервных источников питания).
Экономия, связанная с отключением электричества - затраты, которые отсутствуют из-за отключения электричества (заработная плата, неоплаченная рабочим, стоимость неиспользованного сырья, стоимость неиспользованного топлива и частичная стоимость поврежденного материала).
Интенсивность отказов УЗИП может быть сведена к минимуму, если они соответствуют МЭК 61643-1 и выбраны для применения в соответствии с МЭК 61643-12 согласно характеристикам сети и ожидаемых возмущающих воздействий, таких как короткие замыкания, временные перенапряжения (ВПН), и т.д.
При оценке последствий при отказах УЗИП следует рассмотреть несколько вариантов использования разъединителя УЗИП:
a) разъединитель УЗИП включен последовательно с УЗИП и размыкание разъединителя УЗИП отключает отказавший УЗИП из системы и поддерживает непрерывность питания нагрузки, хотя и без защиты;
b) разъединитель УЗИП включен последовательно между портами ввода и вывода УЗИП. Размыкание разъединителя УЗИП отключает отказавший УЗИП и нагрузку от схемы электропитания;
c) возможно использование двух УЗИП, включенных параллельно, каждый со своим отдельным разъединителем УЗИП: один из УЗИП перестанет работать и будет отключен, но второй будет поддерживать защиту, на время, позволяющее сделать замену. (Эта опция может быть использована при импульсных воздействиях, но не работает при ВПН).
Выбранный вариант зависит от назначения устройства, стоимости оборудования, оставленного незащищенным, и всеми связанными нематериальными активами. Следует учитывать условия координации защиты от сверхтока между характеристиками разъединителя УЗИП и отсечкой защиты от сверхтока, существующей в электроустановке.
Разъединитель УЗИП, встроенный или связанный с УЗИП в соответствии с этим, может сработать прежде, чем сработают защитные устройства от сверхтока установки. В этом случае, при отказе УЗИП рассматриваются варианты а), b) или с), описанные выше
- Разъединители УЗИП, установленные в соответствии с перечислениями а) и b), не обладают быстродействием, чтобы сработать раньше защитного устройства электроустановки. В этом случае, электропитание прерывается, когда УЗИП перестал работать. Дополнительные устройства, такие как автоматический выключатель с самовозвратом, могут быть использованы для решения этой проблемы, но в некоторых случаях разъединитель УЗИП, возможно, еще не разомкнутый, приводит к повторному разъединению защитного устройства установки.
Функционирование УЗИП в условиях различных режимах повреждений приведено в МЭК 61643-12.
11 Использование защиты от импульсных перенапряжений
11.1 Основные положения
Выбор способа обеспечения защиты от импульсных перенапряжений в конкретной электроустановке является либо решением владельца установки, либо в соответствии с установленными обязательными требованиями. При принятии решения выделяют два существенных момента.
Оценка потребности в защите в зависимости от типа установки, типа оборудования, его назначения с учетом оценки рисков от повреждений.
Компромисс в оценке между выбором защиты от существенного, но редкого прямого воздействия и защиты от менее существенного, но более частого косвенного воздействия. Последнее может вызывать наводку перенапряжений в цепях установки, при ударе молнии в установку СН или на некотором расстоянии от установки НН. Подобный выбор применим и к коммутационным перенапряжениям.
11.2 Построение системы электроснабжения
Прямым и индуцированным импульсным воздействиям от удара молнии на линиях электропередачи более подвержены воздушные линии, нежели подземные кабели. Однако нельзя считать, что подземные линии экранированны# от воздействий. Кроме того, последствия прямого удара молнии в подземную линию, вероятно, приведут к непоправимому ущербу, а не к перекрытию изолятора воздушной линии, которое может быть отключено выключателями.
Воздушные линии, расположенные на возвышенностях, холмах или в горах более подвержены прямым ударам молнии, чем подобные линии, расположенные в долинах и низинах. Кроме того, невысокие воздушные линии экранируются от прямого удара молнии смежными более высокими объектами. Для примера, измеренные значения в сетях СН показывают, что число прямых ударов молнии в линию может быть существенно уменьшено, при условии, что эта линия окружена высокими деревьями.
Коэффициент в анализе рисков зависит от обоих факторов (топография: коэффициент может быть выше или ниже, чем 1; среда: коэффициент ниже, чем 1).
В случае применении системы электроснабжения, где питание подается потребителю по подземным кабелям, следует рассматривать два различных случая.
a) прямой удар молнии в здание. В этом случае только часть полного электрического тока молнии стекает на заземлитель здания. Остальная часть тока молнии выходит из здания через питающие кабели к другим зданиям той же самой системы питания НН (см. 5.7 настоящего стандарта).
b) прямой удар молнии в грунт близко к зданию. В этом случае кабели, идущие к другому зданию, могут быть проложены там,, где прямой удар попадает в грунт. Следовательно частично электрические токи молнии пойдут вдоль внутренних проводников и/или экрана кабеля. Этот электрический ток будет вызывать разность потенциалов между рабочими проводниками и локальной землей.
Подземные кабели могут оказаться под воздействием прямо, удара молнии в землю особенно через их оболочку, которая создает путь для тока с более низким удельным сопротивлением по сравнению с грунтом, что приведет это импульсное воздействие к установке. Индуцированные импульсные воздействия на подземных кабелях существуют, но они имеют более низкою вероятность, чем для воздушных линий и они вообще незначительны по сравнению с воздействием от близко расположенного прямого удара молнии в землю. В этом случае подземные кабели должны учитываться при оценке степени риска.
Вероятность прямого удара молнии в фазные проводники или индуцированные перенапряжения в фазных проводниках не зависит от типа системы заземления, но величина перенапряжения зависит. Для той же самой плотности ударов молнии система ТТ подвергается перенапряжениям с амплитудой приблизительно в три раза больше чем в системе TN.
11.3 Типы электроустановок
Следует рассмотреть четыре типа установок. В первых трех типах:
- жилые здания;
- малые и средние коммерческие или промышленные предприятия;
- большие коммерческие или промышленные предприятия
финансовые затраты от отказа или от прерывания питания (см. 10.2) отличаются для каждого.
Четвертый тип это критические (опасные) установки, для которых возникают не только финансовые убытки, но также возможен ущерб здоровью и жизни людей и затраты на охрану окружающей среды.
Жилые здания: должно быть рассмотрено оборудование, такое как персональные компьютеры, аудио и видео системы, устройства электронного управления, и т.д. которое особенно чувствительно к перенапряжениям. Внимание должно быть также обращено на последствия, в дополнение к вопросам, касающимся воздействия на оборудование.
Малые и средние коммерческие или промышленные предприятия: в дополнение к отказу оборудования должны рассматриваться вопросы затрат при отключении электричества. Домашний бизнес рассматривается, как малое коммерческое предприятие.
Большие коммерческие или промышленные предприятия: рассматриваются те же самые параметры, как и в предыдущем перечислении, но количество и стоимость оборудования здесь намного больше. Кроме того, последствия более существенны и вес этого параметра тоже более важен.
Критические (опасные) установки: в дополнение к финансовым последствиям перенапряжение может представлять непосредственно опасность для жизни (больницы), косвенно представлять опасность для жизни (нефтехимический завод) и/или представлять экологические опасности (ядерная установка или нефтехимический завод).
11.4 Возникновение импульсных перенапряжений
Общая информация о возникновении грозовых и коммутационных перенапряжений была приведена в разделах 5 и 6 соответственно, дополнительные сведения приведены в приложении А.
Вероятность прямых ударов в здание, определяется умножением площади здания на плотность ударов молнии для данной местности. Эти параметры и вытекающие вычисления подробно рассмотрены в МЭК 623005-1. Вероятность прямых ударов молнии в воздушные линии определяется таким же образом. Площадь определяется как произведение тройной высоты опоры на длину линии. Вероятность индуцированных перенапряжений в линиях см. на рисунке 10.
Возникновение коммутационных перенапряжений рассмотрено в разделе 6, где подчеркнуто, что локальные условия могут изменяться в широком диапазоне. Приложение В дает более подробную информацию. Эти условия неточны, так как в них не учтены вопросы применения УЗИП в конкретных условиях.
Возникновение и значимость временных перенапряжений (ВПН) рассмотрена в разделе 7. УЗИП обычно не способно уменьшить ВПН, учитывая энергию рассеяния от источника питания. Поэтому, выбор УЗИП должен быть компромиссом между предполагаемым (и возможно ненужным) преимуществом низкого защитного уровня, но с риска повреждения от ВПН и защищенностью от ВПН, но на более высоком защитном уровне.
11.5 Разъединитель УЗИП
Поскольку нереально по экономическим и практическим причинам создать УЗИП, способный противостоять всем возможным сценариям перенапряжений, условие выбора должно быть сделано для редкого, но не невозможного отказа компонентов УЗИП. В качестве меры защиты против недопустимых последствий обычно используется разъединитель УЗИП, который выбирается в соответствии с характеристиками установки, как это рассмотрено в 10.4.
Есть три основных функции УЗИП, которые необходимо выполнить согласно МЭК 61643-12, чтобы разъединить УЗИП с системой питания НН в случае отказа УЗИП:
- тепловая защита;
- защита от короткого замыкания;
- защита от косвенного прикосновения.
Эти три функции связываются с различными режимами повреждения УЗИП и отражены в различных видах защиты цепей УЗИП. Единственный разъединитель УЗИП мог бы быть способным к выполнению этих трех функций или может потребоваться установка до трех разъединителей УЗИП, чтобы покрыть три функции. Некоторые другие функции разъединения могут быть необходимы, например, в ситуациях, где очень высокие временные перенапряжения, вероятно, произойдут.
Отключающие устройства могут быть встроены в УЗИП непосредственно или связаны с ним (последовательно в цепи питания или на ответвлении к УЗИП). Некоторые функции могут быть выполнены защитой на отключение системы, расположенной на определенном расстоянии от УЗИП. Выбор места установки УЗИП на ответвлении или в распределительной сети зависит от координации с другими защитными устройствами от сверхтока и от требований по обеспечению непрерывности питания независимо от срабатывания защиты от перенапряжения. Разъединитель УЗИП может быть обычным предохранителем, выключателем или ВДТ, или устройством, специально разработанным для данного применения. УЗИП должны соответствовать техническим требованиям и быть испытаны на соответствие стандарта МЭК 61643-1.
11.6 Оценка степени риска
Цель оценки степени риска состоит в том, чтобы оценить обеспечивает ли защита требуемую степень риска, если это так, то выбрать надлежащие меры защиты, чтобы обеспечить степень риска ниже данного значения, определенного как допустимый уровень риска. Следующие подпункты относятся к вопросам защиты от переходных перенапряжений из-за ударов молнии, непосредственно в здание или в землю вблизи здания или в подводящие линии электроснабжения (см. рисунки 1 и 2), а также коммутационные перенапряжения, происходящие в сетях электроснабжения или в установках потребителей.
11.6.1 Риск, связанный с ударом молнии
В зависимости от местных условий, типа и протяженности низковольтной системы электроснабжения, удар молнии в другие, рядом расположенные здания или сооружения, могут также вызывать перенапряжения подобной величины. Эти виды перенапряжений рассмотрены в подразделе 5.7, совместно с вероятностью их возникновения.
а) ток от прямых ударов молнии в здание, может влиять на электрические установки и оборудование, расположенное внутри здания. Этот эффект возникает за счет резистивной связи (например, из-за соответствующего импеданса повторного заземлителя или сопротивления оболочки кабеля), или через индуктивную связь по замкнутым контурам, сформированных в установках или системам уравнивания потенциалов. Перенапряжения, возникающие за счет этих связей, могут вызвать:
- разряд между внутренними установками и металлическими частями с возникновением пожара в здании и/или его составляющих;
- отказ установок и оборудования, расположенного внутри здания.
b) ток разряда молнии на землю вблизи здания, может влиять на электрические установки и специальное оборудование через резистивную связь и через магнитное поле. Перенапряжения, возникающие за счет этих связей, могут вызвать отказ электронных систем, расположенных внутри здания.
c) удар молнии в, или около линии электроснабжения здания, может вызвать перенапряжения, которые проникают во внутренние установки и оборудование.
Прямой удар молнии в провода линии, может вызвать перенапряжения, которые могут инициировать разряд между внутренними установками и металлическими частями (в особенности в щите ввода в здание, при большой крутизне переднего фронта) с возникновением пожара в здании и/или его составляющих.
Кроме того, перенапряжения при прямом ударе молнии в провода линии, могут вызвать отказ внутренних установок и оборудования.
Удар молнии рядом с линией, может вызвать перенапряжения, которые могут быть переданы на внутренние установки и могут вызвать отказ электрооборудования и электронного оборудования.
Оценка риска из-за удара молнии представлена в МЭК 62305-2 Согласно МЭК 62305-2 риск определяется как вероятностные годовые потери (людские и материальные) в здании из-за удара молнии. Воздействия рассматривают и для молнии, ударяющей непосредственно в здание и для ударов молнии рядом со зданием. Воздействия молнии, ударяющей непосредственно в линию, питающую здание или в землю в непосредственной близости от линии вызывают грозовые перенапряжения (наведенные перенапряжения), также рассматриваются в этом техническом отчете.
11.6.2 Риски, связанные с коммутационными перенапряжениями
Коммутационные перенапряжения могут произойти вне внутренних установок и быть переданы по линии электроснабжения, или они могут быть созданы в здании, когда установка включает оборудование, генерирующее эти перенапряжения.
Как рассмотрено в разделе 6, существует два типа коммутационных перенапряжений:
a) вторичные перенапряжения (намеренная работа выключателей, переключение конденсаторов). Они происходят довольно часто, инициируемые ручным или автоматическим вмешательством. Их частота возникновения колеблется от нескольких секунд (сварка) до нескольких в день (переключение конденсаторов). Параметры этих перенапряжений, так же как их потенциал воздействия на оборудование вообще известен или предсказуем на основании опыта. Обеспечение защиты в этом случае основано на детерминированном анализе и в этом случае нет необходимости в анализе рисков;
b) случайные перенапряжения (отключение повреждения и восстановление питания системы). Их частота возникновения, довольна низка и неизвестна, но статистические результаты, рассмотренные в разделе и в приложении В, дают некоторую информацию для анализа оценки степени риска. Их величина и воздействие на оборудование не определяется для конкретных установок. Поэтому, решение об обеспечении защиты, вероятно, будет нуждаться в анализе рисков.
11.6.3 Типы повреждений
Удар молнии может нанести ущерб в зависимости от характеристик здания, из которых самые важные:
- тип конструкции;
- состав и назначение;
- коммуникации и линии, подводимые к зданию;
- меры, принятые для того, чтобы ограничить риск.
Кроме того, повреждение может быть ограничено частью здания или может распространяться на все здание, и может даже включать окружающие здание или среду (например, химические или радиоактивные выбросы). Для практического применения оценки степени риска полезно различать типы повреждения, которые могут появиться, как последствие удара молнии. Следует различать четыре типа повреждений, а именно:
- потеря человеческой жизни;
- потеря коммунального обслуживания;
- потеря культурного наследия;
- экономические потери: здание, внутреннее оборудование и потеря функционирования.
Если один из первых трех типов риска присутствует, решение о принятии мер защиты не должно быть сделано по усмотрению разработчика. Это решение должно быть принято на основании сравнения для каждого типа риска из-за удара молнии с максимальным допустимым значением.
Если риск является исключительно экономическим, решение о принятии мер защиты может быть принято разработчиком на основе просто экономической целесообразности, путем сравнения ежегодной стоимости любой меры защиты с ежегодной стоимостью вероятного ущерба из-за удара молнии, принимая во внимание не только ущерб нанесенный зданию и его внутреннему оборудованию, но также и последствия (например, потерю функционирования).
11.6.4 Критерии для оценки степени риска
Для оценки риска требуются следующие данные:
- плотность ударов молнии в данной области, где расположены линии и здания;
- тип, характеристики и длина линии (воздушная или, проложенная в земле; СН или НН);
- характеристики системы электроснабжения; тип и характеристики составляющих элементов;
- тип внутренних установок;
- характеристики оборудования (уровень защиты от импульсных перенапряжений);
- меры защиты, принятые против перенапряжений;
- противопожарные мероприятия;
- стоимость повреждения оборудования;
- количество последующих потерь, социальные последствия и воздействие на окружающую среду в результате повреждения;
- меры, по ограничению последствий повреждения оборудования (например, резервирование мощности системы электроснабжения, резервная линия электроснабжения, и т.д.).
11.7 Выводы о необходимости защиты от перенапряжений
Потребность в защите от перенапряжений определяется как объективными, так и субъективными факторами. Объективные факторы могут быть выражены посредством оценки степени риска, но, в конечном счете, выбирается то, что соответствует субъективной оценке допустимого риска. Во многих случаях, фактическое решение по обеспечению защиты от перенапряжений может оказаться не лучшим из-за нормативных требований, установленных конечным потребителем.
В большинстве случаев, коммутационные перенапряжения менее разрушительны, чем грозовые перенапряжения и средства защиты (а именно, УЗИП) эффективные при защите от импульсных воздействий молнии также эффективны от коммутационных импульсных воздействий. Поэтому, защита от коммутационных импульсных воздействий, которая требуется в большинстве случаев, рассматривается только при отсутствии защиты от импульсных воздействий молнии.
12 Применение защиты от импульсных перенапряжений
(Нет голосов) |
-
12.04.2024
Названы города России с самым доступным жильем
Городом с самыми дешевыми квартирами в новостройках оказался Воронеж
-
12.04.2024
Россиянам назвали лучшее время для продажи дачи
Аналитик Гутман: период с мая по июль является лучшим периодом для продажи дачи
-
12.04.2024
Предсказано будущее рынка жилья в России
«МК»: в России не отменят льготную ипотеку
-
12.04.2024
В Москве подешевела аренда квартир
Аренда квартир в Москве подешевела на 10 %
-
22.03.2024
Хуснуллин назвал необходимый размер ставки по ипотеке
Вице-премьер Хуснуллин: ставка по ипотеке должна быть пять процентов