Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) для частного дома

Импульсным перенапряжением называется кратковременное резкое возрастание напряжения в электрической сети. Несмотря на то, что длится этот скачок совсем недолго (доли секунды), он чрезвычайно опасен как для линии, так и для подключенных к ней потребителей энергии. Чтобы не допустить повреждения кабеля и электрических приборов, используют устройства защиты от импульсных перенапряжений. В этом материале мы поговорим о том, что представляют собой эти приборы, каких видов они бывают, а также рассмотрим, как подключаются УЗИП для частного дома.

Причины возникновения импульсного перенапряжения

ИП может происходить как по технологическим, так и по природным причинам. В первом случае резкий перепад разности потенциалов происходит, когда на трансформаторной подстанции, откуда идет питание конкретной линии, возникает коммутационная перегрузка. Импульсное перенапряжение, вызванное природными причинами, случается, когда во время грозы мощный разряд бьет в молниезащиту сооружения или линию электрической передачи. Независимо от того, чем вызван скачок напряжения, он может быть очень опасен для домашней электросети, поэтому для эффективной защиты от него требуется подключить УЗИП.

Устройство молниезащиты: есть ли инструкции?

К сожалению, почему-то до сих пор не существует официальных нормативов, оговаривающих рекомендации и требования к устройству молниезащиты частных домов. В каждом конкретном случае проектировщикам и домовладельцам остается полагаться на здравый смысл и опыт электриков. Единственный практический совет, которому нужно следовать неукоснительно: подумайте о молниезащите как можно раньше, еще на этапе проектирования дома и закладки фундамента. В индивидуальных жилых домах молниезащита окончательно устанавливается на стадии разводки электричества по дому.

Для чего нужно подключение УЗИП?

Для того чтобы защитить электрическую сеть и подключаемые к ней приборы от мощных импульсов тока и резких перепадов напряжения, устанавливается устройство для защиты линии и оборудования от импульсных напряжений (сокращенное обозначение – УЗИП). Оно включает в себя один или несколько нелинейных элементов. Подключение внутренних компонентов защитного устройства может производиться как в определенной комбинации, так и различными способами (фаза-фаза, фаза-земля, фаза-ноль, ноль-земля). В соответствии с требованиями ПУЭ установка УЗИП для защиты сети частного дома или другого отдельного здания производится только после вводного автомата.

Наглядно про УЗИП на видео:

Монтаж защитного контура

Молниеприемники разных типов

Защита от молнии в частном доме вполне может быть смонтирована самостоятельно. В этом разделе я расскажу, из каких деталей она состоит, и начну с самой важной – с молниеприемника.

Он представляет собой металлический элемент, который принимает на себя первый удар и обеспечивает улавливание заряда. Таким образом, вместо того, чтобы нанести ущерб, энергия молнии перенаправляется в контур заземления.

Молниеотвод может иметь разную конструкцию. Наиболее распространённые типы я кратко охарактеризую в таблице:

Разновидности УЗИП

Эти аппараты могут иметь один или два ввода. Включение как одновводных, как и двухвводных устройств всегда производится параллельно цепи, защиту которой они обеспечивают. В соответствии с типом нелинейного элемента УЗИП подразделяются на:

• Коммутирующие.
• Ограничивающие (ограничитель сетевого напряжения).
• Комбинированные.

Коммутирующие защитные аппараты

Для коммутирующих устройств, находящихся в обычном рабочем режиме, характерно высокое сопротивление. Когда происходит резкое увеличение напряжения в электрической сети, сопротивление прибора мгновенно падает до минимального значения. Основой коммутирующих аппаратов защиты сети являются разрядники.

Ограничители сетевого перенапряжения (ОПН)

Ограничитель импульсных перенапряжений также характеризуется высоким сопротивлением, плавно снижающимся по ходу возрастания напряжения и повышения силы электротока. Постепенное снижение сопротивления – это отличительная черта ограничивающих УЗИП. Ограничитель сетевого перенапряжения (ОПН) имеет в своей конструкции варистор (так называется резистор, величина сопротивления которого находится в нелинейной зависимости от воздействующего на него напряжения). Когда параметр напряжения становится больше порогового значения, происходит резкое увеличение силы тока, проходящего через варистор. После сглаживания электрического импульса, вызванного коммутационной перегрузкой или ударом молнии, ограничитель сетевого напряжения (ОПН) возвращается в обычное состояние.

Комбинированные УЗИП

Устройства комбинированного типа сочетают в себе возможности коммутационных и ограничивающих аппаратов. Они могут как коммутировать разность потенциалов, так и ограничивать ее возрастание. При необходимости комбинированные приборы могут выполнять одновременно обе этих задачи.

Советы по эксплуатации системы

Чтобы молниезащита находилась в исправном состоянии, рекомендуется придерживаться ряда правил:

1. После окончания зимы проверять все компоненты системы на способность выполнения своих функций.
2. Отслеживать появление следов коррозии на металле. В случае потребности менять детали на новые.
3. Один раз в два-три года прокрашивать элементы молниезащиты, прочищать контакты. При необходимости подтягивать проволоку, чтобы не допускать ее провисания.
4. Каждые пять лет вскрывать заземление с целью проведения профилактического осмотра и обслуживания.

Классы устройств защиты от ИП

Существует 3 класса аппаратов защиты линии от перенапряжения:

Устройства I класса устанавливаются в распределительном щите или вводном шкафу и позволяют обеспечить защиту сети от импульсного перенапряжения, когда электрический разряд во время грозы попадает в ЛЭП или молниезащиту.

Приборы II класса обеспечивают дополнительную защиту электрической линии от повреждений в результате удара молнии. Устанавливают их и в том случае, когда необходимо защитить сеть от импульсных скачков напряжения, вызванных коммутацией. Их монтируют после устройств I класса.

Рассказ про УЗИП от специалистов компании ABB на видео:

Аппараты класса I+II обеспечивают защиту отдельных жилых домов. Монтаж этих приборов производится неподалеку от электрического оборудования. Они играют роль последнего барьера, сглаживающего остаточное перенапряжение, которое, как правило, имеет незначительную величину. Устройства этого класса выпускаются в виде специализированных электророзеток или вилок.

Одновременная установка устройств I, II и III класса гарантирует трехступенчатую защиту электрической линии от импульсных скачков напряжения.

Можно ли обойтись без молниеотвода?

Ни в коем случае! По нескольким причинам.

• Вероятность попадания молнии в дом хоть и мала, но все же существует. Особенно если строение возвышается над всеми остальными, находится на вершине холма или на берегу водоема.
• Прямой удар молнии — не единственная опасность во время грозы. Для электрической цепи дома и подключенной к ней техники опасны и попадания молнии в радиусе 200-500 метров: они вызывают сильнейшие электромагнитные возмущения. Способны повредить технике и грозовые перенапряжения, появляющиеся из-за быстрых изменений электромагнитного поля во время грозы.
• Отсутствие молниеотвода может стать причиной отказа в выплате страхового возмещения в случае пожара.

Как подключить УЗИП в частном доме?

Защитные устройства могут включаться в бытовые электрические сети (с одной фазой и рабочим напряжением 220В) и в токоведущие линии промышленных объектов (три фазы, 380В). Исходя из этого, полная схема подключения УЗИП предусматривает воздействие соответствующего показателя напряжения.

Если роль заземления и нулевого проводника играет общий кабель, то в такой схеме устанавливается простейшее одноблоковое УЗИП. Подключается он следующим образом: фазная жила, подключенная ко входу защитного устройства – выходной кабель, соединенный с общим защитным проводником – защищаемые электроприборы и оборудование.

В соответствии с требованиями современной электротехнической документации нулевой и заземляющий проводники объединяться не должны. Исходя из этого, в новых домах для защиты цепи от скачков напряжения применяется двухмодульный аппарат, имеющий три отдельных клеммы: фаза, нейтраль и заземление.

В таком случае включение устройства в схему производится по другому принципу: фаза и нулевой кабель идут на соответствующие клеммы УЗИП, а затем шлейфом на подсоединенное к линии оборудование. Заземляющий проводник также подключается к своей клемме защитного прибора.

В каждом из описанных случаев чрезмерный ток, возникающий при перенапряжении, уходит в землю по кабелю заземления или общему защитному проводу, не оказывая воздействия на линию и подсоединенное к ней оборудование.

Ответы на вопросы про УЗИП на видео:

Гроза, молния и средства защиты электросети своими силами

По итогам майских гроз пришлось провести ревизию сгоревшего оборудования и хотя ущерб был не так велик материально, но выход из строя некоторого оборудования нарушил устоявшийся комфорт проживания в собственном доме. Так я решил обратиться к специалистам в своей области, проконсультироваться и расширить систему защиты. Исходные данные: дом, 3 фазы (15 кВт на дом), заземление штырем в 3 м длиной, автономная электросистема на базе солнечных батарей

На фото результат короткого замыкания со стороны линии 10 КВ. Защита не отработала на районной подстанции. Так выглядит вводной щит со стороны 0.4КВ. Автомат IEK на 100А не смог разорвать дугу между губками. Далее по линии стоял МАП HYBRID 9кВт 48В. Отделались легким испугом: в инверторе поменяли варистор, после чего МАП ожил, правда, перестал нормально работать порт RS232. То есть серьезная авария на подстанции, которая сожгла автоматический предохранитель на 100 Ампер, отразилась на инверторе только сгоревшим варистором и ошибками на контроллере, а весь прочий функционал устройства сохранился, как и вся техника, подключенная после него – достойная похвалы работа.

А ниже на фото узел учета со стороны 10 КВ

Эта авария случилась не в моем доме, но мне эти фотографии передали специалисты компании МикроАРТ. В свое время я решил переключиться на оборудование российского производителя для своей гибридной солнечно-сетевой электросистемы и описывал эти устройства тут и тут. У меня же был следующий случай: во время грозы молния ударила в мою подстанцию или рядом, в результате чего отработала защита на вводе в дом. Результатом той грозы явилось сгоревшее зарядное устройство аккумуляторов, подключенное к сети в момент грозы, сгоревшее реле автоматики вентиляции (реле питалось от линии, которую поддерживало то самое ЗУ), а инвертор МАП Hybrid 4.5 кВт начал мигать экраном и перестал генерировать. После грозы перезапуск всех систем вернул дом к электроснабжению, инвертор запустился без проблем, а я задумался о серьезной защите домашней электросети.

Немного теории

Во время грозы в обычной квартире или офисном здании должны отработать защиты, установленные стационарной электросетью. В коттеджном поселке, деревне или на дачах защита, как правило, ограничивается вкопанным заземлением на подстанции и предохранителем, отключающим всю сеть от работы. Причем, по правилам подключения, заземление должно быть смонтировано также на каждом втором столбе и отдельно на конечном, где производится подключение абонентского дома. Пройдя по свой деревне и осмотрев более полусотни столбов, я не нашел ни одного заземления, то есть остается полагаться только на себя.

Вторым «убийственным» фактором является наведенное электричество. Во время молнии происходит довольно мощный всплеск ЭМИ, а проводка дома, по сути, является большой антенной. Чем ближе молния, тем больше вероятность скачка напряжения во внутренней сети. С таким явлением постоянно сталкивались и продолжают сталкиваться монтажники домовых локальных сетей, когда свитчи без заземления, во время грозы, сгорают целыми цепочками.

Итак, нам нужно защититься от внешнего импульса, который может прийти с подстанции и от внутреннего скачка, который может случиться при молнии рядом с домом.

Практика

Молниеотвод

Если Ваш дом находится на возвышении, далеко от любых строений и является высшей точкой на местности, то лучше озаботиться молниеотводом. Устройство это надежное, но необходимо четко высчитать площадь покрытия. На эту тему есть масса материалов в сети. Скажу только, что действие молниеотвода распространяется конусом от высшей точки к земле. Для «прикрытия» всего дома надо ставить либо два молниеотвода с металлическим тросом между ними, либо один, но довольно высоко. Если заземление молниеотвода выполнено отдельно от общего заземления, то необходимо применить систему уравнивания потенциалов.

Выдержки из ИНСТРУКЦИИ ПО УСТРОЙСТВУ МОЛНИЕЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ РД 34.21.122-87: «В качестве заземлителей молниезащиты допускается использовать все рекомендуемые ПУЭ заземлители электроустановок, за исключением нулевых проводов воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ. „
“2.5. Для исключения заноса высокого потенциала в защищаемое здание или сооружение но подземным металлическим коммуникациям (в том числе по электрическим кабелям любого назначения) заземлители защиты от прямых ударов молнии должны быть по возможности удалены от этих коммуникаций на максимальные расстояния, допустимые по технологическим требованиям. „

Ввод сети в дом

Опасность ввода высокого напряжения страшна не только в грозу, но и при перехлестывании проводов на столбах или большом перекосе фаз. Обычное дело для деревенских электросетей, когда напряжение по фазам может составлять 180, 200 и 240 В. ГОСТ допускает подачу питания с отклонением напряжения до 10% (если точно, то +10% и -15%) от нормы в 220 в, то есть от 187 до 242 В. Но не вся поставляемая аппаратура может выдержать такие перепады напряжения. Для обычной защиты лучше всего применять стабилизаторы напряжения. Причем есть трехфазные и однофазные стабилизаторы. Чаще всего три однофазных стабилизатора будут работать лучше одного трехфазного, хотя бы потому, что у простейших устройств отслеживается напряжение по одной фазе и изменение (увеличение или снижение) напряжения происходит по всем трем. Упрощенно: при подъеме напряжения со 180 до 220 В, произойдет рост напряжения на другой фазе с 210 до 250 В, что чревато для оборудования. Поэтому отслеживание каждой из фаз будет надежнее. Кроме того, можно выделить несколько типов стабилизаторов:

• ЛАТР
• Релейный
• Симисторный

Первый

обладает высокой точностью установки напряжения, поскольку моторчик скользит водилом по обмоткам и задает нужное напряжение. Плюсы: низкая цена, высокая точность выдаваемого напряжения. Минусы: низкая скорость реакции на скачки напряжения, физический износ механики
Второй
обладает повышенной скоростью переключения обмоток трансформатора, но так как мощности могут достигать десятка и более кВт, то контакторы реле изнашиваются и рано или поздно могут залипнуть, что приведет к печальным последствиям. Плюсы: доступная цена, достаточная скорость переключения. Минусы: недостаточная надежность ввиду использования механических реле.
Третий
тип наиболее интересный, но и наиболее дорогой. Использование мощных ключей позволяет мгновенно реагировать на изменение входного напряжения и переключать обмотки трансформатора. Физического износа, как и залипания контактов попросту нет. Кроме того, переключение происходит при переходе синуса через ноль, поэтому и скачки также исключены. Плюсы: высокая скорость срабатывания, отсутствие физического износа. Минусы: высокая цена.

Для себя я выбрал более дорогой, но и более надежный вариант, стабилизатор с симисторным управлением СН-LCD “Энергия» на 6 кВт. Так как у меня уже стоит инвертор на 4.5 кВт, который в пике может выдавать до 7 кВт, то решено было выбрать стабилизатор с номинальной мощностью 6 кВт и возможностью выдавать в пике до 7.4 кВт.

Об особенностях работы этих стабилизаторов и какие вообще бывают стабилизаторы можно подробно прочитать здесь. Ну а мне было интересно его разобрать и посмотреть, что там внутри.
Вскрытие стабилизатора показало

Как видно из фото, стабилизатор использует тороидальный трансформатор, который при тех же размерах, что Ш-образный, имеет больший КПД и меньший вес. Сам трансформатор изготовлен в Туле, а стабилизатор разработан и собран в Москве. Таким образом можно смело заявлять о полностью российском производстве, которое сумели организовать и сохранить в компании МикроАРТ.

Итак, я подстраховался от проседания и роста напряжения в диапазоне 125-275 Вольт, но что делать, если будет резкий скачок напряжения, сильно выходящий за эти пределы? Инвертор как-то показал мне по фазе 287 В, после чего ушел в защиту. Но подай на него 380 В и он попросту сгорит, как и стабилизатор. Хотелось защитить дорогое оборудования. Требовался какой-то расцепитель, который при пороговых значениях напряжения отключал бы внешнюю сеть. Лучше уж остаться без сети, чем потом чинить или менять сгоревшее оборудование. Выход был найден — реле контроля сетевого напряжения УЗМ-51M1.

Этот девайс создан для обеспечения работы одной фазы, при этом можно вручную задавать верхний и нижний пороги напряжения, при которых реле будет срабатывать. Время отключения составляет около 20 мс, что является очень неплохим показателем. При этом, небольшие просадки или некоторое превышение напряжения не вызовут моментального отключения, а запустится таймер отключения. При возврате параметров к норме реле самостоятельно подключит нагрузку к сети. Итак, домашние устройства защищены от перепадов и скачков внешней электросети при помощи реле контроля напряжения и стабилизатора. В случае исчезновения сети начинает работать инвертор. А что делать, если внешняя сеть уже отключена, молния бьет рядом и проводка дома работает, как антенна?

Защита внутренней сети

Будем исходить из того, что все розетки имеют правильную разводку, заземление выполнено должным образом и лишний заряд стекает в землю. Но скачок напряжения во внутренней сети легко губит всю технику, поскольку все защиты стоят для обороны от внешних скачков. А вот от внутренних наводок ничего нет. С этой мыслью я обратился к инженерам МикроАРТ, когда забирал стабилизатор и мне порекомендовали «Устройство защиты от молний и наводок» — УЗИП.

Это своеобразный разрядник, который при появлении критического напряжения между фазой и землей пропускает через себя импульс, отправляя его на заземление. То есть во время грозы, когда молния ударит рядом и напряжение в домашней сети поднимется до нескольких киловольт по фазному проводу относительно земли и превысит определенное значение, этот УЗИП просто пустит весь заряд в землю. Поэтому он ставится перед инвертором, одним концом подключаясь к фазе, а другим к заземлению. Стоит учесть, что разряд может быть существенным, поэтому на сечении заземляющего провода экономить не стоит, иначе сопротивление провода может оказаться критичным и не успеть передать импульс в землю.

Так выполнено подключение к внешней сети и генератору:

Я уже упоминал, что у меня есть автономная система на солнечных батареях. По проводам, идущим от солнечных батарей, также может прийти серьезный импульс, выводя из строя солнечный контроллер, а за ним и инвертор. Поэтому на каждый из проводов от солнечных батарей я также повесил УЗИП.

Защита от генератора

На самый аварийный случай, когда внешней сети нет, солнца не видно, а аккумуляторы уже сели, у всех автономщиков есть резервный вариант — бензо\дизель генератор. Он позволит домашней сети функционировать, самому поработать мощным инструментом, да еще и аккумуляторы подзарядить. Подобную топологию резервирования я описывал в своем материале тут. Проблема такого подключения заключается в том, что большинство генераторов выдают крайне нестабильное и «шумное» питание. Иной раз инверторы или зарядники просто не могут работать с таким питанием. Для подавления помех есть специальный сетевой фильтр. Можно обойтись стандартным «пилотом», но он рассчитан, как правило, на мощность до 2-3 кВт, а от генератора зачастую потребляется больше. Итак, я нашел еще и ЭМИ (электромагнитный импульс) фильтр: Сетевой фильтр подавления ЭМП.

Он выдерживает потребляемую мощность до 11 кВт, чего вполне достаточно для питания целого дома, если имеется мощный генератор. Он имеет сквозное подключение и отдельный контакт для заземления.

Итоги проведенных работ

Результатом одной грозы и малых потерь явилось переосмысление способов защиты, как от внешних энергетических коллизий, так и от внутренних. Кроме того, увеличилась защищенность всех электроприборов в доме, как от перепадов напряжения, так и от резких скачков и импульсов. Дополнительно повысилась автономность за счет подключения генератора через фильтр, что гарантирует стабильный заряд батарей и нормальную работу инвертора. В итоге, электросистема поменялась. До:

Так стало ПОСЛЕ установки защиты:

Схема подключения генератора довольно проста. Любой из проводов объединяется с имеющейся землей и нулем, заведенным в дом. Второй провод после этого становится фазой. Важно выбрать такой переключатель, который будет исключать одновременное замыкание фазы генератора и фазы с подстанции.

Первый запуск всей системы выглядел так:

Альтернативные устройства молниезащиты

Модицифицированная и более надежная система молниезащиты по сравнению со штырями — тросовая. На коньках крыши устанавливают два небольших штыря, между которыми проходит неизолированный провод. Вся конструкция служит токоприемником.

На городских зданиях используется еще один вариант — молниезащитная сеть. Это металлическая сетка с крупными ячейками, проложенная по всей площади крыши. Провода обычно бывают убраны в бетонную стяжку крыши. Эта технология подходит и для небольших частных домов, но с поправкой: провода рекомендуется прокладывать поверх материала кровли, иначе после удара молнии крышу придется ремонтировать.

Важно: молниезащитная сеть используется только на неметаллической кровле! За пределами сети не должно быть никаких металлических частей, в том числе сливов.

Понятие и основные функции защиты

Что такое громоотвод подсознательно понятно любому человеку. По сути, он является устройством по защите различного типа зданий от ударов разрядов молний. Наиболее часто представлено оно в виде заострённого металлического штыря, устанавливаемого вертикально на крыше строения либо на рядом стоящей мачте, которая возвышается над зданием. Нижнее окончание этого штыря соединено заземлением (контуром в земле) при помощи проводника.

Принцип работы громоотвода заключается в переводе основного электрического заряда молнии при помощи проводника в грунт с последующим его рассеиванием там, предотвращая повреждение или возгорание здания.

Установка устройств в ГРЩ

Большинство УЗИП имеют модульное исполнение и могут быть установлены на DIN-рейку 35 мм. Единственное требование — щит для установки УЗИП должен иметь металлический корпус с обязательным подключением к защитному проводнику.

При выборе УЗИП, помимо основных рабочих характеристик, следует учитывать также номинальный рабочий ток в режиме байпаса, он должен соответствовать нагрузке в вашей электросети. Другой параметр — максимальное напряжение ограничения, оно не должно быть ниже самого высокого значения в рамках суточных колебаний.

УЗИП подключаются последовательно к питающей однофазной или трехфазной сети, соответственно через двухполюсный и четырехполюсный автоматический выключатель. Его установка необходима на случай спаивания электродов разрядника или пробоя варистора, что вызывает постоянное короткое замыкание. На верхние клеммы УЗИП подключают фазы и защитный проводник, на нижние — нулевой.

При установке нескольких защитных устройств с разными классами защиты требуется их согласование с помощью специальных дросселей, подключенных последовательно с УЗИП. Защитные устройства встраиваются в цепь по возрастанию класса. Без согласования более чувствительные УЗИП будут принимать основную нагрузку на себя и раньше выйдут из строя.