Что такое импульсные перенапряжения. Каковы основные причины их возникновения. Какие бывают виды перенапряжений. Как защитить электрооборудование от импульсных перенапряжений. Какие устройства используются для защиты от скачков напряжения.
Что такое импульсные перенапряжения и почему они опасны
Импульсные перенапряжения представляют собой кратковременные скачки напряжения в электрической сети, которые могут нанести серьезный ущерб электрооборудованию и электронике. Длительность таких импульсов обычно составляет от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд, но за это короткое время напряжение может многократно превысить номинальное значение.
Чем опасны импульсные перенапряжения для электроприборов и оборудования:
- Могут вызвать пробой изоляции и выход из строя электронных компонентов
- Приводят к ускоренному старению изоляции проводов и кабелей
- Вызывают сбои в работе микропроцессорной техники
- При большой амплитуде способны полностью вывести оборудование из строя
- Создают электромагнитные помехи, нарушающие работу чувствительной электроники
Даже относительно небольшие, но регулярно возникающие импульсные перенапряжения постепенно разрушают электронику и сокращают срок службы оборудования. Поэтому защита от них крайне важна для обеспечения надежной работы электросетей и подключенных устройств.
Основные причины возникновения импульсных перенапряжений
Импульсные перенапряжения могут возникать как внутри электроустановок, так и приходить извне. Рассмотрим основные источники таких перенапряжений:
Внешние причины:
- Удары молнии (прямые и близкие)
- Коммутационные процессы в сетях высокого напряжения
- Аварии на линиях электропередач
- Электростатические разряды
Внутренние причины:
- Коммутация мощных потребителей (двигатели, трансформаторы)
- Короткие замыкания в электропроводке
- Срабатывание автоматических выключателей
- Переходные процессы при включении/выключении оборудования
Наиболее опасны грозовые перенапряжения, возникающие при ударах молнии. Они могут достигать сотен киловольт и распространяться на большие расстояния по проводам. Даже удаленный удар молнии способен вызвать повреждение чувствительной электроники.
Виды импульсных перенапряжений
Импульсные перенапряжения можно классифицировать по нескольким признакам:
По источнику возникновения:
- Грозовые (атмосферные) перенапряжения
- Коммутационные перенапряжения
- Электростатические перенапряжения
По длительности воздействия:
- Кратковременные (микросекунды — миллисекунды)
- Средней длительности (десятки миллисекунд)
- Длительные (секунды и более)
По амплитуде:
- Низковольтные (до 1 кВ)
- Средневольтные (1-35 кВ)
- Высоковольтные (свыше 35 кВ)
Наиболее опасны кратковременные высоковольтные импульсы, способные мгновенно вывести из строя электронику. Однако даже низковольтные перенапряжения при частом воздействии постепенно разрушают изоляцию и сокращают ресурс оборудования.
Как защитить электрооборудование от импульсных перенапряжений
Для эффективной защиты от импульсных перенапряжений применяется комплексный подход:
- Установка внешней молниезащиты зданий и сооружений
- Применение устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)
- Правильное заземление электроустановок
- Экранирование чувствительного оборудования
- Использование разделительных трансформаторов
- Применение сетевых фильтров для защиты отдельных приборов
Ключевым элементом защиты являются УЗИП — специальные устройства, ограничивающие амплитуду импульсных перенапряжений до безопасного уровня. Они устанавливаются на вводе в здание и в распределительных щитах.
Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)
УЗИП — это аппараты, предназначенные для ограничения амплитуды импульсных перенапряжений и отвода импульсных токов. Принцип их работы основан на быстром переключении в проводящее состояние при превышении определенного порогового напряжения.
Основные типы УЗИП:
- Разрядники (газонаполненные, вакуумные)
- Варисторы
- Полупроводниковые ограничители
- Комбинированные УЗИП
УЗИП классифицируются по уровням защиты:
- Класс I — для защиты от прямых ударов молнии
- Класс II — для защиты от наведенных перенапряжений
- Класс III — для защиты конечного оборудования
Правильный выбор и установка УЗИП позволяет создать эффективную многоступенчатую защиту от импульсных перенапряжений.
Нормативные требования по защите от импульсных перенапряжений
В России и странах СНГ основные требования по защите от импульсных перенапряжений регламентируются следующими документами:
- ГОСТ Р 51992-2011 «Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные»
- ГОСТ Р 50571.5.53-2013 «Электроустановки низковольтные. Часть 5-53. Выбор и монтаж электрооборудования. Отделение, коммутация и управление»
- СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций»
Согласно этим нормативам, защита от импульсных перенапряжений обязательна для:
- Систем электроснабжения зданий и сооружений
- Систем автоматизации и диспетчеризации
- Систем пожарной и охранной сигнализации
- Телекоммуникационного оборудования
- Медицинского оборудования
Выполнение этих требований позволяет значительно повысить надежность электроснабжения и защитить дорогостоящее оборудование от повреждений.
Экономический эффект от внедрения защиты от импульсных перенапряжений
Внедрение комплексной защиты от импульсных перенапряжений требует определенных затрат, но в долгосрочной перспективе дает значительный экономический эффект:
- Снижение затрат на ремонт и замену вышедшего из строя оборудования
- Уменьшение простоев производства из-за аварий в системе электроснабжения
- Увеличение срока службы электронного и электротехнического оборудования
- Повышение надежности работы систем автоматизации и управления
- Снижение рисков возникновения пожаров из-за коротких замыканий
По оценкам экспертов, затраты на внедрение защиты от импульсных перенапряжений окупаются в среднем за 2-3 года эксплуатации. При этом существенно повышается общая надежность электроснабжения объекта.
Заключение
Импульсные перенапряжения представляют серьезную угрозу для современного электрооборудования и электроники. Их воздействие может привести к сбоям в работе, повреждениям и полному выходу из строя дорогостоящих устройств. Поэтому комплексная защита от импульсных перенапряжений является необходимым условием для обеспечения надежной и бесперебойной работы электроустановок.
Применение современных устройств защиты от импульсных перенапряжений в сочетании с правильно спроектированной системой молниезащиты и заземления позволяет эффективно решить эту проблему. Затраты на внедрение такой защиты окупаются за счет повышения надежности электроснабжения и снижения расходов на ремонт оборудования.
При проектировании новых и модернизации существующих электроустановок необходимо уделять особое внимание вопросам защиты от импульсных перенапряжений. Это позволит обеспечить высокий уровень безопасности и надежности электроснабжения в современных условиях.
Статьи и полезная информация — Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): теория и практика.
Что такое перенапряжение? Что такое импульсное перенапряжение? Каковы причины их возникновения? Чем они опасны? Какие существуют способы защиты? Как правильно выбрать и установить соответствующие аппараты защиты? На все эти вопросы мы и попытаемся дать ответы.
Часть 1. Импульсные перенапряжения: возникновение и последствия.
В предыдущих статьях на нашем сайте мы рассмотрели конструкцию, принцип действия, а также основы правильного выбора таких аппаратов защиты как автоматические выключатели, устройства защитного отключения, стабилизаторы напряжения. Казалось, было бы логично, если бы темой данной статьи стал вопрос выбора и компоновки вводного распределительного щитка с конкретными решениями, например, для двухкомнатной квартиры или коттеджа. Такая статья непременно появится на сайте в ближайшее время. А сегодня, мы можем с уверенностью сказать, что вышеуказанные аппараты в современных условиях уже не гарантируют обеспечения полноценной, надежной защиты электрической проводки, электрооборудования, компьютерной и бытовой техники.
Что такое перенапряжение? Что такое импульсное перенапряжение? Каковы причины их возникновения? Чем они опасны? Какие существуют способы защиты? Как правильно выбрать и установить соответствующие аппараты защиты? На все эти вопросы мы и попытаемся дать ответы.
Итак, перенапряжение – это любое напряжение, величина которого превышает величину наибольшего рабочего напряжения. На наибольшее рабочее напряжение рассчитана изоляция любой электроустановки, любого электрического аппарата или проводника.
Соответственно, основная опасность воздействия перенапряжений – это нарушение целостности изоляции электроустановки, которая может привести к катастрофическим последствиям.
В зависимости от длительности и величины (амплитуды), перенапряжения можно разделить на два типа: длительные и импульсные.
Длительные перенапряжения характеризуются сравнительно небольшой амплитудой (несколько сотен вольт) и длительным временем воздействия (от нескольких миллисекунд до нескольких часов). Источником длительных перенапряжений являются различные проблемы в системах электропитания: неисправности трансформаторов напряжения, перерегулирование, обрыв рабочего нуля и т.д. В качестве защиты от данного типа перенапряжений используются стабилизаторы напряжения, реле контроля напряжения, источники бесперебойного питания.
Амплитуда импульсных перенапряжений может достигать нескольких десятков, а иногда и сотен киловольт, а длительность намного меньше одного полупериода (0,01с) – десятки и сотни микросекунд.
Существуют также электростатические перенапряжения, с длительностью импульса измеряемого наносекундами и амплитудой в несколько киловольт. Однако, далее рассматривать их не будем, поскольку электростатические разряды обладают небольшой энергией и данная проблема решается в основном организационными мероприятиями: поддержание влажности на определенном уровне, применением токопроводящих напольных покрытий, спецодежды и т.д.
Существует два основных источника импульсных перенапряжений – переходные процессы в электрических сетях при коммутации оборудования и атмосферные грозовые разряды – молнии.
Токи, которые возникают вследствие появления данных перенапряжений, являются импульсными токами высокой частоты – от нескольких десятков до сотен килогерц при коммутационных перенапряжениях и порядка мегагерц при атмосферных. Таким образом, помимо нарушения изоляции электроустановок, импульсные перенапряжения создают высокочастотные электромагнитные помехи, которые могут вызвать сбои и нарушения в информационных и управляющих системах.
Отсутствие, неправильный выбор или ошибки установки средств защиты от импульсных перенапряжений приводят к выгоранию электронных элементов и плат, аппаратов и оборудования, установленных в силовых и распределительных щитах. Электродинамические усилия, возникающие при разрядах молнии, вырывают электрическую проводку из стен. Кроме явного влияния импульсных перенапряжений, вызывающего разрушение оборудования, существует также скрытое влияние – электронные схемы, постоянно подвергающиеся действию относительно малых импульсов перенапряжений, в итоге перегружаются и вызывают различные помехи. При этом сокращается срок службы и самих электронных элементов и, соответственно, приборов и оборудования, в котором они установлены.
Импульсные перенапряжения имеют отрицательное воздействие не только на электронную аппаратуру, но и на изоляцию кабелей и проводов систем электроснабжения. Высокоамплитудный импульс может вызвать пробой изоляции между проводами. Такой пробой несет местное повреждение изоляции, не приводящее к короткому замыканию.
Таким образом, линия питания остается в работе, но в месте повреждения начинают протекать токи утечки небольшой величины, на которые не реагирует дифференциальная защита, особенно если повреждение возникло между фазными проводами. При этом в месте повреждения изоляция нагревается и ускоряется процесс ее старения, что опять же приводит к сокращению срока службы электроустановки.
В технической литературе описаны сотни случаев возникновения аварийных ситуаций и проблем в промышленности и коммерческом секторе, вызванных импульсными перенапряжениями. Чаще всего финансовые потери возникают из-за остановки производства. Потерянные данные и информация намного превышает ущерб, нанесенный непосредственно самому оборудованию. Так, например, в одном из европейских банков при удаленном ударе молнии были выведены из строя более 50 персональных компьютеров, работа учреждения была остановлена на несколько дней. В результате, банк понес многомиллионные убытки. В аэропорту Франкфурт-на-Майне, в результате воздействия импульсного перенапряжения, ложно сработала система пожаротушения в башне управления полетами — в результате более 200 самолетов пришлось в аварийном порядке отправлять на другие аэродромы.
Ущерб составил несколько десятков миллионов долларов, при том, что затраты на систему защиты от импульсных перенапряжений составили бы порядка 1,5-2 тыс. долларов.
Почему же проблема импульсных перенапряжений становится с каждым годом все острее и острее? Ведь в принципе гроз и, соответственно, молний больше не становится (хотя исследования американских ученых показали, что при увеличении загрязнения окружающей среды происходит существенное увеличение количества молний, а атмосфера Земли с каждым годом не становится чище). Все дело в том, что применение микропроцессорной и электронной техники, как в промышленности, так и в быту, становится все более массовым. Без компьютера, принтера, музыкального центра, микроволновой печи уже трудно себе представить офис компании или квартиру, а без программируемых логических контроллеров, частотных преобразователей и различных реле контроля и управления невозможно организовать современное производство. А ведь именно электронная, микропроцессорная техника наиболее подвержена влиянию импульсных перенапряжений и высокочастотных помех.
Так что проблема импульсных перенапряжений – это своего рода «дань» техническому прогрессу.
Вопрос защиты оборудования от импульсных перенапряжений стоит в Украине еще более остро, чем в Европе, поскольку наша страна во многом отстает и по уровню технической подготовки, и по совершенству нормативной базы, и по экономическому развитию. Построение эффективной защиты от импульсных перенапряжений требует намного большей грамотности и компетентности технических специалистов, чем выбор и установка автоматических выключателей или устройств защитного отключения. А как показывает практика, уровень знаний и умений многих электриков, не говоря уже об обычных людях, крайне невысок. В ПУЭ (Правила устройства электроустановок), на сегодняшний день, защита от импульсных перенапряжений на стороне низкого напряжения регламентируется только для воздушных линий, а внутренняя защита даже не упоминается. Главным камнем преткновения является не только низкий уровень доходов, но и непонимание проблемы, а также желание сэкономить на том, на чем экономить не стоит.
Люди в основном руководствуются принципом «авось пронесет». Это подтверждает и наша собственная практика – практически после каждого случая прохождения грозы, в технический отдел компании поступают десятки звонков с проблемами, вызванными выходом из строя электротехнического оборудования и бытовой техники при прямом или удаленном попадании молнии.
В Европе применение устройств защиты от импульсных перенапряжений, как устройств защитного отключения, уже достаточно давно стало обязательным. В принципе, никто не заставляет использовать УЗИП, но и ни одна европейская страховая компания не возьмется страховать объект без данного вида защиты. Как показывает европейская статистика, начиная с 2000 года, после начала массового применения УЗИП, количество страховых случаев повреждения и разрушения, вызванных ударами молнии снизилось в десятки раз.
Теперь подробнее рассмотрим два основных вида импульсных перенапряжений, о которых мы уже упоминали выше.
Коммутационные перенапряжения возникают при отключении аппаратами защиты коротких замыканий, включения или отключения индуктивных нагрузок – пуска или остановки двигателей или отключения понижающих трансформаторов на подстанциях, при присоединении емкостных нагрузок – конденсаторных батарей.
Так, например, короткое замыкание на стороне высокого напряжения может вызвать импульс перенапряжения на низкой стороне амплитудой до 15кВ и более.
В принципе, все приборы и аппараты, имеющие в своем составе катушку индуктивности, конденсатор или трансформатор на входе могут быть источниками коммутационных перенапряжений за счет высвобождения энергии накопленной в реактивных элементах при коммутации. А так как такие элементы есть практически во всем бытовом и промышленном оборудовании, то получается, что коммутационные импульсные перенапряжения регулярно воздействуют на наши сети и оборудование. Однако надо понимать, что элементы небольшой мощности могут быть причиной возникновения незначительных электромагнитных помех и небольших по амплитуде перенапряжений, к которым устойчива изоляция данного оборудования. Это относится только к оборудованию и приборам, соответствующим определенным требованиям. Требований этих всего два и они достаточно просты:
1. Создаваемые оборудованием электромагнитные помехи не должны влиять на нормальное функционирование другого оборудования.
2. Оборудование должно быть устойчивым к электромагнитным помехам, которое создает другое оборудование, работающее в нормальном режиме.
Данные требования прописаны в техническом регламенте по электромагнитной совместимости оборудования, утвержденном постановлением Кабинета Министров Украины от 29.07.2009 г. № 785, и обязательном к применению с 1 января 2010 года.
И все-таки, наиболее опасным и разрушительным видом импульсных перенапряжений являются атмосферные перенапряжения – удары молнии. Величина тока при разряде молнии может достигать значений до 400кА. В условиях Восточной Европы в 90% случаев грозовых разрядов — средняя величина достигает 50-70кА и в 1% – до 100кА.
Удары молнии могут быть прямыми, то есть непосредственно в здание или сооружение. Степень опасности при этом зависит от наличия или отсутствия системы внешней молниезащиты. Если такой системы нет, то вследствие воздействия молнии возможны повреждения строительных конструкций и их воспламенение, поскольку температура канала молнии достигает 25000°С.
Возникающие при этом перенапряжения, вызовут нарушения и разрушения электрических приборов и электропроводки.
При наличии внешней молниезащиты, разряд молнии будет отведен на землю, при этом никаких повреждений строительных конструкций не произойдет. Важно также понимать, что от заноса высокого потенциала в систему электроснабжения и электромагнитных помех, внешняя молниезащита вашу технику не убережет, хотя грамотно построенная система значительно снизит величину импульса и вероятность серьезных последствий.
Удары молнии в линии электропередач высокого и низкого напряжения, линии связи, телекоммуникационные сети также вызывают импульсные перенапряжения большой амплитуды. Поэтому возможно возникновению таких ситуаций, когда грозовой фронт еще далеко, а импульсные перенапряжения уже вывели из строя электронную технику. Распространение таких волн перенапряжений по сети возможно на расстояние до 20 километров от места попадания молнии.
Возможны также повреждения оборудования и техники при непрямых ударах молнии.
Например, при ударе молнии в отдельно стоящее дерево, возможно возникновение импульсных перенапряжений в системе электроснабжения значительной амплитуды в радиусе полутора, а по некоторым данным, двух километров.
Вероятно также наведение импульса перенапряжения на проводах воздушной линии при разрядах молнии между облаками, т.е. без попадания молнии в объект или землю.
Учитывая все вышесказанное, вероятность возникновения и распространения импульсных перенапряжений, со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями, достаточно высока. Какие же существуют методы и способы защиты от импульсных перенапряжений и базовых принципах построения данной защиты мы расскажем во второй части статьи.
Ожидайте продолжение …
Перенапряжения. Большая российская энциклопедия
Термины
- Области знаний:
- Электроэнергетика
Перенапряже́ния в электроэнергетической системе, электрические воздействия, при которых любое протекающее во времени изменение электрического напряжения превышает допустимое значение рабочего напряжения для данной электрической установки.
Различают перенапряжения внутренние, обусловленные перераспределением электрической энергии источника или реактивных элементов внутри системы при резком изменении условий нормального режима (включениях или отключениях тока, коротких замыканиях на землю и т. п.), и внешние, возникающие в результате удара молнии (атмосферные, или грозовые, перенапряжения), перехода потенциала с электроустановки более высокого напряжения, поступления энергии от мощного электромагнитного импульса и т. п. Перенапряжения – всегда переходный процесс; характеризуются амплитудой, формой и длительностью, имеют статистический характер и определяют основные условия работы и требования к изоляции и защитным аппаратам – т. н. ограничителям перенапряжения (разрядники, варисторы, стабилитроны и др.).
Внутренние перенапряжения разделяют на кратковременные (порядка единиц и десятков миллисекунд) коммутационные перенапряжения и перенапряжения установившегося режима. Кратковременные перенапряжения возникают при включении и отключении коммутационными аппаратами ЛЭП электрических установок, аппаратов, участков сети при пробоях и перекрытиях изоляции, замыканиях на землю.
Перенапряжения установившегося режима (относительно длительной продолжительности) связаны с ёмкостным эффектом в линейных цепях, а также с резонансом на основной частоте либо на частоте высших гармоник; возникают в длинных ЛЭП, при однофазных замыканиях на землю в системах с изолированной нейтралью, при разрыве с заземлением одной из фаз трёхфазной линии переменного тока, при коротких замыканиях и неполнофазных режимах различного вида и т. п. Выбор средств ограничения перенапряжения обусловлен решением задачи координации изоляции – согласования уровня электрической прочности изоляции с допустимым уровнем перенапряжения, воздействующего на изоляцию при эксплуатации. Для изоляции электроустановок с напряжением до 220 кВ внутренние перенапряжения обычно не представляют опасности; определяющими здесь являются грозовые перенапряжения. В электроустановках с напряжением 330 кВ и выше возникает необходимость в ограничении внутренних перенапряжений.
Грозовые (импульсные) перенапряжения характеризуются быстрым нарастанием фронта (в диапазоне 0,1–20 мкс) и длительностью импульса (как правило, униполярной формы) не более 300 мкс; подразделяются на перенапряжения «прямого удара», когда повышение напряжения на изоляции обусловлено непосредственным протеканием тока молнии через объект, и индуктированные, связанные с резкими изменениями электромагнитного поля, сопровождающими молнии.
При прямом ударе весь ток молнии проходит в землю через поражённый объект. Падение напряжения на сопротивлении этого объекта и даёт перенапряжение, которое может достигать нескольких мегавольт. Изоляция электрических установок самого высокого напряжения не может выдержать перенапряжения прямого удара; для надёжной работы установок необходимо осуществление ряда защитных мероприятий. Индуктированные перенапряжения возникают на проводах ЛЭП вследствие резкого изменения электромагнитного поля вблизи земли во время удара молнии. Амплитуда индуктированных перенапряжений обычно не превышает 400–500 кВ, и они представляют опасность только для электрических установок с номинальным напряжением 35 кВ и ниже.
Дата публикации: 15 марта 2023 г. в 10:14 (GMT+3)
Что такое всплески? Объяснение типов и причин возникновения
Что такое скачки напряжения?
Скачки, или переходные процессы, представляют собой кратковременные всплески перенапряжения или возмущения в силовой волне, которые могут повредить, ухудшить или разрушить электронное или электрическое оборудование.
Это внезапное высокое напряжение превышает предел напряжения, на который рассчитана схема. Всплески очень короткие и длятся от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Всплеск — это своего рода перенапряжение, но перенапряжение — это не всегда всплеск.
Перенапряжения случаются очень часто, и в электрической сети наблюдается несколько перенапряжений в день. Низкоуровневые скачки напряжения не приводят к повреждению устройств в электрической системе. Но постоянное воздействие таких перенапряжений может привести к сбоям в работе и постепенному износу электронных компонентов, что со временем приведет к полному отказу оборудования. С другой стороны, большие скачки напряжения могут привести к мгновенному повреждению, например к взрыву устройств.
Скачки напряжения можно разделить на внутренние скачки напряжения и внешние скачки напряжения в зависимости от причины скачка напряжения.
Внутренние перенапряжения:
Внутренние перенапряжения возникают внутри объекта, здания или электрической системы.
60 – 80% скачков напряжения возникают внутри объектов. Обычно они вызваны переключением больших нагрузок. Неисправная проводка также может быть причиной внутренних скачков напряжения. Короткие замыкания и сработавшие автоматические выключатели также создают скачки напряжения в сети. Эти внутренние выбросы могут быть достаточно мощными, чтобы повредить электрическое и электронное оборудование в системе. Распространенные причины внутренних перенапряжений перечислены ниже:
Коммутация электрических нагрузок из:
– Коммутация конденсаторных батарей и нагрузок.
— Разряд индуктивных устройств (двигатели, трансформаторы и т. д.)
— Дуговые замыкания (земля)
— Восстановление энергосистемы после отключений
— Системы хранения аккумуляторов постоянного тока
— Неисправности или неисправность проводки
Магнитная и индуктивная связь от:
– Лифты
– Копировальные машины
– Компьютеры
– Кондиционеры и холодильники
Внешние перенапряжения:
Внешние перенапряжения обычно имеют более высокое напряжение по сравнению с внутренними перенапряжениями.
К основным причинам внешних перенапряжений относятся удары молнии, переключение на стороне электросети, короткие замыкания в основной линии электроснабжения и т. д. Некоторые из распространенных причин внешних перенапряжений приведены ниже:
a) Прямые или непрямые удары молнии
b) Переключение энергосистемы и конденсаторных батарей (на стороне инженерных сетей)
c) Повреждение линий электропередач или трансформаторов
Понимание перенапряжений, вызванных ударами молнии:
к грозовой активности. Существует четыре способа возникновения грозовых перенапряжений во время грозовой активности.1) Когда молния попадает прямо в здание.
2) При ударе молнии рядом со зданием.
3) При попадании молнии в конструкцию ЛЭП.
4) При попадании молнии рядом с ЛЭП.
Прямой удар молнии в объект случается редко, но причиняемый им ущерб чрезвычайно велик. Это может повредить конструкцию и все оборудование внутри. Переходные процессы индуцируются в проводниках из-за ударов молнии.
Грозовые перенапряжения и перенапряжения при переключении:
Грозовые перенапряжения не поддаются контролю и могут распространяться на большие расстояния через электрические или коммуникационные сети. Несмотря на то, что в конструкции предусмотрена система молниезащиты, перенапряжения, вызванные вышеуказанными условиями, могут повлиять на оборудование внутри нее. Согласно стандартам, импульс молнии обычно имеет форму волны 10/350 мкс.
Перенапряжения при переключении — это перенапряжения, возникающие в сети при включении и выключении больших нагрузок. Эти типы перенапряжения возникают в здании, в котором находится тяжелонагруженное оборудование, или из-за большой нагрузки в любом месте сети (чаще всего на концах инженерных коммуникаций). В соответствии со стандартами импульсы переключения имеют форму волны 8/20 мкс.
Графическое представление этих всплесков показано выше в виде сигналов. Форма волны грозового импульса 10/350 мкс означает, что когда произойдет этот всплеск, он достигнет максимального значения 10 мкс и уменьшится до 50 процентов от своего максимального значения за 350 мкс.
Аналогично, для импульса переключения импульсов форма сигнала 8/20 мкс означает, что он достигнет своего максимального значения за 8 мкс и снизится до 50% за 20 мкс.
Как защитить свои устройства?
Неисправности или повреждение электрических устройств могут произойти, когда импульсное напряжение превышает диэлектрическую прочность устройства. Эти виды импульсных перенапряжений с очень высокими амплитудами в диапазоне киловольт обычно являются переходными, что означает, что они варьируются от нескольких микросекунд до нескольких сотен микросекунд. Эти кратковременные выбросы с большой амплитудой вызывают внезапные скачки напряжения в устройствах, последствия которых могут быть защищены только устройствами защиты от перенапряжения.
Устройство защиты от перенапряжений (SPD) — это устройство, предназначенное для ограничения переходных напряжений и отвода импульсных токов от проникновения в электрическую сеть. УЗИП предназначены для ограничения перенапряжения, чтобы не превышалась диэлектрическая прочность устройства.
Таким образом, они защищены от повреждений. SPD переходят между состояниями высокого и низкого импеданса. При нормальном рабочем напряжении УЗИП остаются в состоянии высокого импеданса и не влияют на систему. Когда возникает переходное напряжение или скачок напряжения, УЗИП переходит в состояние проводимости, что означает состояние с низким импедансом, и направляет этот переходный ток на землю. Это ограничивает напряжение в сети до безопасного уровня, тем самым защищая оборудование в системе. После того, как перенапряжение отведено, УЗИП автоматически возвращается в состояние высокого импеданса.
Чтобы узнать больше о работе и типах УЗИП, прочитайте наш блог – Устройства защиты от перенапряжения – Полный обзор
Заключение:
Возникновение и ущерб от переходных перенапряжений непредсказуемы. Единственный способ защитить электрическую сеть или устройства от таких повреждений — установить устройства защиты от перенапряжения и поддерживать более безопасную электрическую среду.
Увеличение количества оборудования и устройств в нашем доме, коммерческих помещениях и других объектах увеличивает нагрузку на электросеть и тем самым увеличивает вероятность скачков напряжения. Чтобы избежать нарушений электроснабжения, перебоев и отказов оборудования из-за внутренних и внешних перенапряжений, первым шагом является обеспечение исправной электрической сети с помощью систем безопасности и защиты.
Благодарим вас за чтение блога. Компания Axis является ведущим производителем и поставщиком электрических компонентов более чем в 80 странах. Поговорите с нашим отраслевым экспертом, посетив наш раздел контактов. Вы также можете посмотреть наши видео от наших экспертов – нажмите здесь.
Подпишитесь на нас в LinkedIn, чтобы получать регулярные обновления о наших Продуктах!
Электрические явления «Всплеск» и «Всплеск»
Сердечная недостаточность – одно из самых тяжелых явлений в медицине. Если сердце отказывает, все терпит неудачу.
То же самое относится к источнику питания приложения: если его работа ненадежна, вся система парализована, что может иметь самые худшие мыслимые последствия для медицинской техники. Примеры варьируются от неисправных инструментов и аппаратов во время сложной операции до возможного наихудшего сценария, такого как непреднамеренное прекращение мер жизнеобеспечения,
Поэтому важно, особенно для медицинских источников питания, стремиться к максимально возможную надежность и защиту от любых инцидентов. Двумя возможными факторами помех являются явления «всплеск» и «всплеск», для которых соответствующая помехоустойчивость регламентируется стандартами IEC 61000-4. В этой статье в основном описываются упомянутые явления, а также помехоустойчивость, которую необходимо соблюдать в соответствии с применимым стандартом, и даются некоторые советы по практической реализации в технике, а также по выбору подходящего источника питания.
Перенапряжение и его последствия
Термин «перенапряжение» описывает электрическое напряжение, которое превышает допустимый диапазон номинального напряжения электрической системы.
Для электрического устройства это явление иногда имеет разрушительный эффект ключевого значения: избыточная энергия может разрушить компоненты электрической цепи и вызвать ошибки и отказы оборудования. Поэтому крайне важно учитывать устойчивость к возможному перенапряжению при проектировании источника питания.
Но когда на самом деле происходит так называемое перенапряжение? В европейской сети переменного тока номинальное напряжение согласно EN 60038 составляет 230 В с допуском +/- 10 % в однофазных системах. Таким образом, напряжение более 253 В в нашей электросети считается перенапряжением по определению. Такое перенапряжение может возникать как постоянно, например, из-за неисправности электроустановки, так и кратковременно, из-за ударов молнии или коммутационных операций.
В то время как защита устройства от постоянного перенапряжения возможна только с экстремальными усилиями, а также не требуется из-за редкого возникновения в типичной сети переменного тока, кратковременное перенапряжение встречается гораздо чаще, чем ожидалось, и требует соответствующих мер безопасности.
Перенапряжение может возникать как симметрично между электрическими проводниками, так и асимметрично между электрическими проводниками и землей.
В целом различают два явления кратковременного перенапряжения, которые в соответствии с соответствующими стандартами следует исследовать более внимательно:
1. Скачок
2. Взрыв
Скачок согласно IEC 61000 -4-5
Явление перенапряжения регулируется в IEC 61000-4-5. Этот стандарт описывает «Испытание на устойчивость электрического и электронного оборудования, устройств и установок к ударным волнам (импульсным напряжениям и токам)» и был принят в марте 2015 года в действующей редакции.
В энергосистеме кратковременные скачки напряжения вызываются самыми разнообразными событиями. Существует принципиальное различие между перенапряжением, вызванным операциями переключения или системными ошибками, и перенапряжением, вызванным молнией. Последнее относится не только к прямому удару молнии в энергосистему, но и к непрямому удару молнии и индуцированному току в землю или систему заземления близлежащего комплекса.
Скачки происходят чаще, чем ожидалось
Даже простое количество ежегодных ударов молнии показывает, как часто мы сталкиваемся с кратковременными скачками напряжения в энергосистеме: в прошлом году в Германии произошло более 450 000 вспышек молнии, что – в на месте – оказали соответствующее влияние на нашу энергосистему. Это число кажется относительно низким по сравнению с предыдущими годами: в 2015 году, например, было отмечено 550 000 вспышек, в бурном 2007 году был зафиксирован рекордный уровень — около 1,1 миллиона вспышек. К этому добавляются бесчисленные операции переключения, которые в настоящее время увеличиваются из-за перехода от централизованной к децентрализованной электросети (умная сеть), а также другие влияющие факторы, которые также могут привести к высокой нагрузке на электроснабжение на короткое время.
Моделирование перенапряжения в соответствии со стандартами
В общем, перенапряжение представляет собой мгновенный импульс очень высокой энергии, который устройство должно выдержать невредимым.
Для имитации такого всплеска используется генератор, моделирующий форму импульса явления. Стандартная основная форма импульса для всплесков имеет длительность фронта волны 1,2 мкс с длительностью импульса 50 мкс (1,2/50 мкс) для напряжения холостого хода и длительность фронта волны 8 мкс с длительностью импульса 20 мкс (8/20 мкс) для тока короткого замыкания.
Специально для телекоммуникаций вне помещений стандарт требует более высоких импульсов: 1,2/50 мкс для напряжения и 5/320 мкс для тока. Эти формы импульсов представляют специфические характеристики телекоммуникационной сети. Другие стандарты также содержат дополнительные формы импульсов, такие как 10/1000 мкс.
Медицинские приборы и устройства обычно располагаются в зданиях и поэтому тестируются с определением импульса 1,2/50 мкс и 8/20 мкс для источника питания.
Форма импульса для напряжения холостого хода в системах электропитания: 1,2/50 мкс (IEC61000-4-5)
Ток короткого замыкания 20 мкс (IEC61000-4-5)
Различные уровни серьезности испытаний теперь устанавливаются по пиковому значению напряжения разомкнутой цепи.
IEC 61000-4-5 определяет значения для четырех различных серьезностей. Степень жесткости, требуемая для устройства, зависит от различных факторов и указывается в соответствующем стандарте на электрические устройства. В медицинской технике это означает стандарт безопасности ЭМС IEC 60601-1-2 в 4-м издании. Электроприборы класса защиты II, предназначенные для использования в зданиях, должны иметь помехозащищенность от перенапряжений 3-го уровня жесткости. Это также относится к медицинским электроприборам, как в условиях больниц, так и в так называемых условиях домашнего здравоохранения.
Поскольку перенапряжение может возникать между линиями питания, а также между линиями питания и землей, помимо различных пиков напряжения существуют различные типы входной связи: можно предположить, также называемый «дифференциальным режимом». Полное сопротивление связи соответствует внутреннему сопротивлению генератора и составляет 2 Ом. Энергия передается через разделительный конденсатор емкостью 18 мкФ.
| Жесткость испытания | Напряжение холостого хода кВ | |
| свинец – свинец | провод – земля | |
| 1 | – | 0,5 |
| 2 | 0,5 | 1 |
| 3 | 1 | 2 |
| 4 | 2 | 4 |
| Х | Специальное определение | Специальное определение |
Серьезность испытаний на перенапряжение (IEC 61000-4-5)
Защита от перенапряжения
Существуют различные методы защиты устройств от разрушения при перенапряжении.
Самый простой способ — согласовать затронутые компоненты, такие как диоды и конденсаторы, с соответствующим напряжением. Однако при более высоких испытательных напряжениях это уже невозможно, поэтому требуются компоненты, ограничивающие напряжение внутри устройства. Это делается с помощью варисторов (VDR) или газоразрядных трубок, которые при определенном напряжении становятся проводящими и преобразуют избыточную энергию в тепло. Газоразрядные трубки разрешены не для каждого применения. Поскольку эти компоненты не только ограничивают напряжение, но и замыкают цепь при достижении напряжения пробоя, их можно использовать только в цепях постоянного тока. Их не следует использовать в линиях питания переменного тока, так как короткое замыкание в линии питания приводит к длительному протеканию высокого тока, который также может привести к срабатыванию главного предохранителя дома и постоянному отключению питания всех устройств. Следовательно, VDR используются для линий питания переменного тока.
Взрыв в соответствии с IEC 61000-4-4
Переходные помехи вызваны кратковременными переключениями, такими как разрыв индуктивных нагрузок или дребезг контактов реле в сети электропитания, а также в линиях управления и сигнализации . Эти переменные возмущения представляют собой пики напряжения, которые соединяются в линии так называемыми «всплесками». Характерными являются высокая амплитуда, короткое время нарастания, высокая частота повторения и низкая энергия переходных процессов.
Схема: взрыв (IEC61000-4-4)
Иммунитет Иммунитет Вершины
. против быстрых переходных электрических помех/всплесков». В своей текущей версии от апреля 2013 года стандарт определяет частоту повторения, которая должна быть проверена для переходных процессов на частоте 5 и/или 100 кГц, при этом фактическое значение явления всплеска ближе к 100 кГц. Спецификация теста 5 кГц все еще восходит к тому времени, когда тестовое оборудование не могло воспроизводить переходные процессы с такой высокой частотой повторения.
Соединение быстрых переходных процессов осуществляется во время испытаний либо с помощью разделительного конденсатора, непосредственно подключенного к линиям питания, либо опосредованно через емкостные соединительные клещи к линиям управления и сигнальным линиям. Степень жесткости, которую необходимо поддерживать при взрыве, в конечном итоге определяется в соответствующем стандарте на изделие, для медицинских изделий применяется степень 3.
| Жесткость теста | Напряжение холостого хода кВ | |
| Разъемы питания, разъемы заземления (PE) | Разъемы сигналов и управления | |
| 1 | 0,5 | 0,25 |
| 2 | 1 | 0,5 |
| 3 | 2 | 1 |
| 4 | 4 | 2 |
| Х | Специальное определение | Специальное определение |
Серьезность испытаний для всплесков: (IEC 61000-4-4)
В целом, всплески импульсов не так разрушительны, как импульсы перенапряжения.
Однако они часто приводят к нежелательному поведению устройств, которое может проявиться, например, в виде мерцания дисплея или некорректных измерений схемы. При очень высоких амплитудах устройство в конечном итоге может быть разрушено. Общая проблема пакетных импульсов заключается в том, что их можно отфильтровать лишь в очень ограниченной степени. В этом случае VDR имеет ограниченную защитную пригодность, поскольку время срабатывания этих варисторов слишком велико. Напротив, возможным решением может служить использование быстродействующих ограничительных диодов.
Выбор подходящего источника питания
Покупатели и инженеры должны сосредоточиться на соблюдении стандартов IEC 61000-4-4 и IEC 61000-4-5 при выборе соответствующего источника питания для своего приложения, чтобы защитить свое приложение от разрушительного воздействия явлений «всплеск и взрыв». Эти стандарты должны соблюдаться всеми стандартными источниками питания, одобренными для медицинских целей, в соответствии с IEC 60601-1-2, поэтому пользователи изначально считают себя в безопасности.
