Причины возникновения и опасность скачков напряжения
В момент перепада напряжения в электрических сетях его амплитуда изменяется на короткий промежуток времени. После этого она быстро восстанавливается с параметрами, приближенными к начальному уровню. Подобный импульс электрическим током продолжается буквально в течение нескольких миллисекунд, а его возникновение обусловлено следующими причинами:
- Грозовые разряды. Вызывают скачки напряжения до нескольких киловольт, которые не сможет выдержать ни один прибор. Подобные перепады нередко становятся причиной отключения сети и пожара.
- Перенапряжение, вызываемое процессами коммутации, когда подключаются или отключаются потребители с высокой мощностью.
- Явление электростатической индукции при подключении электросварки, коллекторного электродвигателя и другого аналогичного оборудования.
Опасность последствий от перенапряжений наглядно отражается на рисунке, где грозовой и коммутационный импульсы существенно отличаются от номинального сетевого напряжения. Изоляционный слой в большинстве проводов рассчитан на значительные перепады и пробоев обычно не случается. Часто импульс действует очень недолго и напряжение, проходя через блок питания и стабилизатор, просто не успевает подняться до критического уровня.
Иногда слой изоляции сети 220 В может не выдержать возрастающего напряжения. В результате случается пробой, сопровождающийся появлением электрической дуги. Для потока электронов образуется свободный путь в виде микротрещин, а проводником служат газы, наполняющие микроскопические пустоты. Этот процесс сопровождается выделением большого количества тепла, под действием которого токопроводящий канал расширяется еще больше. Из-за постепенного нарастания тока, срабатывание защитной автоматики немного запаздывает, и этих нескольких мгновений вполне хватает, чтобы вывести из строя в частном доме всю электропроводку.
Особую опасность представляют повышенное и пониженное напряжение, находящееся в таком состоянии долгое время. В основном это происходит по причине аварийных ситуаций, которые требуется устранить, чтобы ток пришел в норму. Других способов нормализации и каких-либо специальных приборов, защищающих от этого явления, не существует.
Длительные перенапряжения и провалы из-за недостатка напряжения
Как правило, причиной длительных перенапряжений в сетях становится обрыв нулевого провода. В этом случае нагрузка на фазные жилы распределяется неравномерно, что приводит к перекосу фаз, когда разность потенциалов смещается к проводнику с максимальной нагрузкой.
Таким образом, неравномерный трехфазный ток, воздействуя на нулевой кабель, находящийся без заземления, способствует концентрации на нем избыточного напряжения. Этот процесс будет продолжаться до полного устранения неисправности или до тех пор, пока линия окончательно не выйдет из строя.
Другим опасным состоянием сети является провал или недостаток напряжения. Подобные ситуации очень часто возникают в сельской местности. Суть явления заключается в падении напряжения ниже допустимой величины. Такие проседания представляют серьезную опасность и реальную угрозу для оборудования. Многие современные приборы оборудованы несколькими блоками питания и недостаточное напряжение приводит к кратковременному выключению одного из них.
В результате, последует незамедлительная реакция электронной аппаратуры в виде ошибки, выведенной на дисплей, и полной остановки рабочего процесса. Если подобная ситуация сложилась с отопительным котлом в зимнее время года, тогда отопление дома будет прекращено. Устранить проблему возможно с помощью стабилизатора, фиксирующего такие проседания и поднимающего напряжение до номинальной величины.
Виды и принцип действия защитных устройств
Защита электрической сети от скачков напряжения может осуществляться разными способами. Наиболее распространенными и эффективными считаются следующие:
- Молниезащитные системы.
- Стабилизаторы напряжения.
- Датчики повышенного напряжения, используемые совместно с УЗО. В случае неполадок они вызывают токовую утечку, под влиянием которой произойдет срабатывание защитного устройства.
- Реле перенапряжения.
Похожие функции выполняют блоки бесперебойного питания, с помощью которых компьютеры подключаются к домашней сети. Данные приборы не защищают от перенапряжений, они действуют как аккумуляторы, позволяя выполнить нормальное выключение компьютера и сохранить нужную информацию в случае внезапного отключения света. Стабилизировать напряжение это устройство не может.
Под действием молнии возникают электрические импульсы. Защита от их негативного воздействия осуществляется путем установки грозозащитного разрядника, используемого совместно с УЗИП – устройством защиты от импульсных перенапряжений. Он также известен, как автомат для защиты от перенапряжения. Кроме того, необходимо обеспечить дополнительную безопасность от электронного потока с параметрами, отличающимися от рабочих характеристик данной сети. Для этих целей используются специальные датчики, используемые с УЗО, и реле защиты от перенапряжения. Назначение и принцип работы данных устройств не такие, как у стабилизатора.
Основной функцией обоих компонентов является прекращение подачи электрического тока, когда перепад напряжения превысит максимальное значение, определенное паспортными техническими показателями этих устройств. После того как параметры сети нормализуются, реле включается самостоятельно и возобновляет подачу тока.
Способы защиты от скачков напряжения
В зависимости от характеристик скачка напряжения и природы его возникновения используются различные устройства защиты. Рассмотрим основные из них:
Сетевой фильтр
Простое и доступное решение для защиты маломощного оборудования. Обычно представляет собой удлинитель или моноблок с вилкой, розеткой (или розетками) и выключателем с индикацией подачи питания. Следует отличать сетевые фильтры от обычных удлинителей, которые не имеют защиты, но очень похожи по виду. Защищает от скачков до 400 — 500 вольт, а ток нагрузки не может превышает 5 — 15 А.
Справка. С технической стороны сетевой фильтр представляет собой нехитрую систему из нескольких конденсаторов и катушек индуктивности. При этом блоки питания большинства современных электроприборов уже имеют в своем составе схемы, выполняющие аналогичную функцию. То есть на практике сетевые фильтры часто выполняют роль простого удлинителя с дополнительной защитой от скачков в сети.
Реле защиты РКН и УЗМ
Устройство прерывает подачу электроэнергии, если напряжение выходит за пределы допустимых значений. После возвращения напряжения в установленные рамки подача восстанавливается (автоматически или в ручную в зависимости от модели). Устройство подключается после входного автомата.
Основные достоинства РКН и УЗМ:
- Скорость срабатывания в несколько миллисекунд;
- Выдерживает нагрузку от 25 до 60 А;
- Небольшие размеры и удобный монтаж;
- Достаточные диапазоны максимального и минимального напряжения;
- Отображение показателей электрического тока в реальном времени;
Прибор эффективен для защиты от разрыва нулевого провода и умеренных скачков напряжения. Однако реле не могут обеспечить стабильное напряжение и защитить от импульсного скачка, вызванного ударом молнии.
Расцепитель минимального-максимального напряжения (РММ)
Устройство защищает от высокого и низкого напряжения. Эффективен в случае разрыва нулевого провода и перекоса фаз в трехфазной сети, но не защищает от высоковольтных импульсов. Прибор отличается небольшими размерами, простотой установки и доступной ценой.
Обратите внимание. РММ не оснащен функцией автоматического включения, что может привести к порче продуктов в холодильнике, остановке отопления помещений в зимний период и подобным проблемам.
Молниезащита от перенапряжений
Защитные системы против грозовых разрядов могут быть устроены разными способами, в зависимости от технических условий.
Первый вариант предполагает внешнюю молниезащиту, устанавливаемую дома (рис. 1). В этом случае допускается максимальная сила удара молнии непосредственно в элементы самой системы. Расчетная величина такого тока составит примерно 100 кА. Защититься от мощного импульса при перегрузке возможно с помощью комбинированного УЗИП, который устанавливается внутрь вводного электрического щита и действует как выключатель. Одно такое устройство защитит все оборудование, находящееся в доме.
В другом случае внешняя молниезащита отсутствует, а напряжение подается к дому по воздушной линии (рис. 2). Молния ударяет в опору ЛЭП с расчетным током, проходящим через УЗИП, величиной тоже 100 кА. Защитить электрооборудование от мощного импульса помогут специальные устройства с защитой, размещаемые во вводном щите, на стене здания или на самом столбе, в месте ответвления линии. При использовании распределительного щита, защита организуется по такой же схеме, как и в предыдущем варианте.
Если же УЗИП устанавливается на столбе, то нецелесообразно применять дифференциальные устройства 3 в 1, поскольку на участке от столба до здания возможно появление наведенных, то есть, повторных перенапряжений. Поэтому будет вполне достаточно прибора класса 1+2, а при расстоянии до дома свыше 60 метров, внутри дома в главный щит дополнительно устанавливается УЗИП 2-го класса.
И, наконец, третья ситуация, когда питание дома подается через подземный кабель, в том числе и в сети 380 В, а внешняя молниезащита тоже отсутствует (рис. 3). Максимум, что может случиться – появление наведенных импульсных перенапряжений. Ток молнии не попадет в сеть даже частично. Величина расчетного импульсного тока составляет около 40 кА. Чтобы защитить электрооборудование достаточно УЗИП 2-го класса, установленного во вводный электрический щит.
Стабилизаторы
Приборы используются для «сглаживания» подачи электроэнергии в сетях, склонных к нестабильной работе. Эффективны в случае падения мощности, но могут не справиться с высоким напряжением.
К достоинствам прибора относятся: длительный срок эксплуатации; быстрое срабатывание; поддержание напряжения на стабильном уровне. Главным недостатком стабилизаторов является высокая цена.
Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)
Используются для защиты от быстрых мощных скачков напряжения, как правило вызываемых ударом молнии в линию электропередач. Выделяют два вида подобных устройств:
- Вентильные и искровые разрядники. Устанавливаются в сетях высокого напряжения. В случае импульсного перенапряжения в устройстве происходит пробой воздушного зазора, фаза замыкается на заземление, разряд уходит в землю;
- Ограничители перенапряжения (ОПН). В отличие от разрядников имеют небольшой размер и используются в частных домах. Внутри установлен варистор. При обычном напряжении ток через него не течет, но в случае скачка происходит возрастание тока, что позволяет снизить напряжение до нормальной величины.
Датчик повышенного напряжения (ДПН)
Используется вместе с УЗО (устройство защитного отключения) или дифференциальным автоматом. ДПН определяет превышение установленной нормы напряжения, после чего УЗО размыкает цепь.
Защита от перенапряжения в частном доме
Довольно часто происходят поломки электрической бытовой техники, ведь любой электротехнический агрегат при создании рассчитывается на работу с определенным уровнем электроэнергии, т.е. на конкретные показатели силы и напряжения тока в сетях подключения. Поэтому при превышении этих норм может случиться аварийная ситуация.
Использование дорогостоящей домашней техники, агрессивные природно- атмосферные явления, не слишком высокий уровень прокладки линий электропередач делает жизненно необходимым для собственников квартир и домов принятие мер по защите от перенапряжения электросетей в частном доме и минимизации возможных последствий.
Последствия перенапряжения в условиях частного дома.
Откуда возникает перенапряжение
Планировка и строительство многих многоэтажек еще пару десятков лет назад производилась без прицела на сегодняшнее многообразие бытового электрооборудования: микроволновки, многокамерные холодильники, утюги высокой мощности и другие приборы, имеющие электрическое питание. Поэтому максимумы потребления электричества по утрам и вечерам пагубно влияют на работу всей электросети в любом жилище.
Электричество, текущее по кабелю или проводу, неспособному выдерживать такую нагрузку, способствует их ненормальному нагреву в дневные часы и охлаждению в вечерние. В силу законов физики, проводник ослабевает, поскольку он делается то шире, то уже.
Контакты в щитке на первых этажах или в едином вводно-распределяющем устройстве в доме заметно ослабевают. Также нулевые контакты могут отгореть, что приводит к перепаду напряжения от 110 до 360 вольт на всех этажах, выше этажа с перегоревшими контактами.
Важно: Перенапряжение в электросети может произойти в результате попадания молниевого разряда в линию электропередач, подстанцию или элементы дома, при этом сила тока просто огромная, порядка 200 килоампер. При попадании в молниеприемник и дальнейшем прохождении молнии по контуру заземления в проводниковых материалах возникает электродвижущая сила, измеряемая в киловольтах.
Также вызвать резкий скачок напряжения могут сварочные работы или одновременное включение многими соседями электроприборов или подключение/отключение мощного потребителя. Для защиты дорогостоящей электротехники и всего частного дома необходима защита от перенапряжения в сети.
Особенности защиты домашней электропроводки
Организация защиты от возникающего высокого напряжения – один из ключевых вопросов при прокладке электросети в жилом доме. Осуществляется она с помощью особых трансформаторов и фильтров сети. Во многих домах на этажных щитках устанавливаются автоматические выключатели, которые защищают от электротоков при коротком замыкании и временных перегрузок.
Когда возможна высокая нагрузка, все устройства, защищающие сети от повышенного напряжения, должны иметь приспособления для автоотключения и выключатели, реагирующие на изменения показателей тока. Как правило, самая надежная защита от подобных скачков ставится на входном силовом проводе, поскольку именно он испытывает наибольшее воздействие во время пиков нагрузки.
Схема защиты от перенапряжения домашней электросети бывает простой и многоуровневой.
Простая – представлена в основном реле перенапряжения в этажных щитках, а многоступенчатая (комбинированная, защищающая как от бытовых скачков напряжения, так и от импульсных, при грозах) – УЗИП, т.е. устройства защиты от импульсных перенапряжений. Такие устройства наиболее часто встречаются в частных домах.
Обратите внимание! Электронные приборы выходят из строя как из-за повышенного, так и из-за пониженного напряжения в сети (например, холодильники тяжело запускаются, что негативно сказывается на их дальнейшей работе).
Изоляционные слои домашних электросетей рассчитаны, как правило, на стандартные 220в, поэтому, если напряжение возрастает многократно, в диэлектрическом слое проскакивает искра, которая может спровоцировать электродугу и дальнейшее возгорание.
Чтобы не допустить негативных последствий, применяют следующие защиты, функционирующие по таким принципам:
- при резком внеплановом повышении напряжения происходит отключение электросхемы в доме или в квартире;
- вывода полученного сверхнормативного электрического потенциала от электроприборов путем перевода его в земляной контур.
Если напряжение поднимается незначительно (например, до 380 вольт), на помощь приходят различные стабилизаторы. Однако их защитные возможности довольно ограничены – они больше рассчитаны на поддержание заданных рабочих значений в электросетях.
Стабилизаторы напряжения применяются для поддержания рабочих параметров электросети. При проектировании защиты для частного дома рассматривают различные конструкционные решения и их технические характеристики.
Необходимо учитывать принципы формирования базы ограничителей перенапряжения (опн). Например, газонаполненные разрядники после того, как импульс прошел, пропускают через себя т.н. сопровождающий ток, напряжение которого сопоставимо с коротким замыканием. По этой причине они сами могут быть источником возгорания, и их нельзя применять для защиты от электрического пробоя.
Совет: Для домашних сетей чаще всего применяют варисторное устройство защиты (полупроводниковые резисторы) – реостаты, скомпанованные из варисторных «таблеток» из смеси оксидов цинка, висмута, кобальта и других.
При штатном функционировании электросети такой автомат защиты допускает микроскопические утечки, а при проходе импульса повышенной вольтажности – способен мгновенно перестроиться на режим «туннеля» и «спустить» больше тысячи ампер за очень короткий промежуток времени, поскольку сопротивление на этом приспособлении снижается с возрастанием силы тока, после чего происходит быстрое возвращение к штатной «боевой готовности».
Классы стойкости электропроводки
Все электроприборы в бытовых зданиях разделяется по четырем основным категориям, в зависимости от максимально выдерживаемого перенапряжения:
- IV категория – до 6 киловольт;
- III категория – до 4 киловольт;
- II категория – до 2,5 киловольт;
- I категория – до 1,5 киловольт.
Защита от взрыва электрического оборудования. В соответствии с этими категориями выстраивается система защиты, которая сокращенно называется узо (устройство защитного отключения) с защитой от перенапряжения, в целях маркетинга их чаще всего называют ограничителями, используют и другие наименования. Ограничители монтируются по ходу движения возможного импульса.
Так, на участке от вводного щитка идет 6-киловольтный импульс, в первой зоне он снижается ограничителем перенапряжения до 4 киловольт, в следующей зоне он падает до 2,5 киловольт, а в жилой зоне с помощью УЗИП III категории потенциал импульса снижают до 1,5 киловольт.
Устройства защиты всех классов функционируют в комплексе, последовательно понижая потенциал до нормальных значений, с которыми легко справляется изоляция домашней электропроводки.
Важно! При неисправности хотя бы одного из звеньев этой защитной цепочки может возникнуть электропробой в изоляции, что приведет к выходу конечного электроприбора из строя. Поэтому необходимо периодически проверять исправность каждого элемента устройств защитного отключения.
Основные устройства системы защиты
Статическое электричество и защита от него. Один из лучших способов спасти электросеть от скачков напряжения – монтаж стабилизатора, подходящего по техническим характеристикам. Это недешевые устройства, и не всегда они используются, поскольку напряжение в сетях и так бывает достаточно стабильным.
Также устранить нестабильность в работе сети помогают реле контроля напряжения. При обрыве нулевой жилы и замыкании в провисших кабелях такое реле способно включить защитные функции даже быстрее стабилизатора, нужно лишь 2-3 миллисекунды.
Реле контроля напряжения помогает справиться с импульсами в сети. Такие реле очень компактны – для монтажа они требуют меньше места, чем стабилизаторы, легко ставятся на простейшую din-рейку, кабеля подключаются элементарно (в отличие от монтажа стабилизаторов, когда вынужденно вклиниваются в электросеть или устанавливают особый короб для него).
Стабилизаторы заметно гудят, поэтому в жилых помещениях их устанавливать нежелательно, а вот реле работают практически бесшумно. Кроме того, аппараты, контролирующие разность электрических потенциалов, потребляют очень мало электричества. Цена на такие реле в несколько раз ниже тех, что сложились на стабилизаторы.
Принцип работы реле контроля состоит в том, что при постоянном поступлении электротока устройство определяет разность потенциалов и сравнивает ее с допустимыми значениями. Если показатели в норме, ключи остаются открытыми, и ток продолжает течь по сети. Если же проходит мощный импульс, происходит моментальное закрытие ключей и отключение подачи электроэнергии потребителям.
Такая быстрая и однозначная реакция помогает обезопасить все подключенные бытовые агрегаты.
Дополнительная информация. Возвращение в штатный режим происходит с некоторой задержкой, регулируемой таймером. Это необходимо для того, чтобы крупные электроприборы, такие как холодильники, кондиционеры и другие, включились с соблюдением правил и технической настройкой. Подключение реле производится по фазному кабелю, при этом нуль-кабель включается во внутреннюю схему для питания энергией.
Имеется два способа: сквозное подключение (по прямой) или с использованием прибора – контрактора для коммуникации. Оптимально подключать релейный механизм до подключения счетчика, чем обеспечится и его защита от перенапряжения. Однако, при наличии на приборе учета пломбы придется монтировать реле за ним.
Импульсные перенапряжения в электросети частных домов возникают из-за грозы с молниями или коммутационных скачков. Для безопасности электропроводки применяются специальные устройства УЗИП.
Схема подключения реле контроля потенциалов. Как правило, это ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), стабилизаторы и реле контроля потенциалов. Конечно, обустройство такой системы – мероприятие затратное, однако его стоимость гораздо ниже дорогих электробытовых приборов.
Рейтинг лучших устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)
ДКС NX-1012
Недорогие конструкции, используемые на небольших производственных линиях или в бытовых условиях. Для изготовления используются только качественные материалы, которые являются гарантией безотказности и продолжительности работы используемого оборудования. Отличительной особенностью новинки является то, что изделие производится исключительно под заказ.
Благодаря этому не стоит переживать по поводу качества предлагаемого товара. Обозначение номинального сброса импульсного тока составляет 50 кА. Таким образом, модель относится к конструкциям первого класса.
Перед тем, как выбрать эту модель, следует отметить, что она имеет компактный размер, поэтому в щитке понадобится минимум свободного пространства для ее установки.
ДКС NX-1012
Достоинства:
- производится исключительно под заказ;
- превосходная сборка;
- возможность установки в доме;
- эффективность;
- приемлемая стоимость.
Недостатки:
- отметка «до 50 кА».
Schneider Electric PRD1 Master C1 ОПН-3
Прекрасное предложение от одного из лучших мировых производителей. Такое приспособление гарантированно защитит не только производственное помещение, но и жилой дом. Среди многочисленных достоинств, следует отметить возможность работы устройства с системой заземления типа TN-C. Обозначение рабочего давления (номинального) – 230 В. Такое приспособление прекрасно справится с молниями.
Для изготовления внешнего слоя устройства используется РВТ. Состав контактов сигнального типа 1 SD. Благодаря конструктивным особенностям, прибор легко фиксировать и снимать. К тому же риск того, что он отсоединится случайно – минимальный. Специалисты рекомендуют устанавливать в частных домах именно такой тип защитного оборудования Schneider.
Electric PRD1 Master C1 ОПН-3
Достоинства:
- долговечность;
- практичность;
- надежность;
- эффективность;
- высокое качество сборки.
Недостатки:
- высокая стоимость;
- невозможность самостоятельного устранения неполадок.
ABB OVR T2 4L 80-440s P TS QS
Достаточно популярная модель на рынке. Помогает снизить негативное воздействие разряда тока. Особенностью является IT конфигурация системы. Для повышения показателя безопасности прибор оснастили дополнительными предохранителями, которые не позволят выйти системе из строя посредством перегрузок. Используется оптический сигнал. Устанавливается на DIN рейку, что крайне удобно. Модулей в устройстве – четыре, что существенно облегчает монтаж и помогает сохранить свободное пространство в щитке. Номинальный показатель сброса – 20 кА.
ABB OVR T2 4L 80-440s P TS QS
Достоинства:
- качественная сборка;
- удобная конфигурация;
- высокий уровень защиты;
- наличие резервного предохранителя.
Недостатки:
- стоимость.
РИФ-Э-I+II 275/12.5 c (3+1)
Конструкция комбинированного типа, которую предпочтительнее устанавливать на территории частного дома. В основе изделия лежит сменный варисторный модуль. Прибор может выдержать нагрузки, которые рассчитаны на конструкции II и I класса. Именно поэтому используемые электротехнические приборы будут находиться в полной безопасности на протяжении всего эксплуатационного срока изделия.
Применяется в комплексе с системами TT и TN-S. Показатель номинального разрядного тока – 50 кА. Установленный класс защиты – ip20 (универсальный показатель для большинства систем). Монтируется непосредственно на рейку. Работает при температуре от -40°С до +80°С.
РИФ-Э-I+II 275/12.5 c (3+1)
Достоинства:
- высокий эксплуатационный срок;
- простота монтажа;
- понятная конструкция;
- высокий класс защиты;
- наличие светового индикатора;
- наличие терморасцепителя.
Недостатки:
- отсутствуют.
OptiDin OM-I-3+Nu-280/12.5/R
Тип питающей сети – трехфазная. Используемые полюса – 3P+N. Устройство защиты от перенапряжения всех классов. Габариты: 97/70/70,5 мм. Показатель номинального напряжения 230 В. Импульсный ток 10/350 кА. Допустимый разряд тока (максимальный и номинальный) — 8/20 кА.
OptiDin OM-I-3+Nu-280/12.5/R
Достоинства:
- рабочий диапазон от -40°С до +70°С;
- внешние проводники имеют передний тип подключения;
- класс испытаний I, II и III;
- эффективность;
- присутствует сигнализация удаленного типа;
- долговечность.
Недостатки:
- функция остаточного гашения тока отсутствует;
- индикатор состояния износа также отсутствует.
OBO Bettermann V10 Compact 385
Качественное оборудование от немецкого концерна, монтаж которого осуществляется непосредственно на рейку (DIN). Это способствует сохранению дополнительного пространства. Конструкция имеет класс II+III. Внутри размещен варистор высокой мощности. Также установлена динамическая и термическая защита – предохранитель. Имеет уровень защищенности – ip20.
OBO Bettermann V10 Compact 385
Достоинства:
- защитное напряжение 1500 В;
- приемлемая стоимость;
- компактность;
- качественность.
Недостатки:
- распространены подделки.
Заключение
УЗИП или устройство защиты от импульсных перенапряжений и помех, является оборудованием защитного типа. Подобные неполадки часто возникают на электрических проводах. Монтаж осуществляется непосредственно в щиты или электрические шкафы. Способно отводить перенапряжение на установленное заземление. Встречаются модели на основе варисторов и газоразрядников. На рынке можно найти и модели комбинированного типа, в которых используются как разрядники, так и варисторы. В быту применяются конструкции для защиты электрических приборов:
- работающих от 220/380 В;
- индивидуального пользования до 1000 В;
- сети передачи данных 5-110 В.
