УЗИП и их параметры. Два вида – два подхода. Что общего и в чем различия?

В данной статье автор рассказывает о классификации, приоритетных параметрах, методах испытаний УЗИП.

Последние десять лет мы периодически слышим термин "устройства защиты от импульсных перенапряжений" (УЗИП), встречаем его в технических заданиях (ТЗ), тендерной документации. Если поначалу данные устройства назывались разрядниками и применялись в высоковольтных линиях, то потом началось их победное шествие сначала в низковольтные силовые сети, а затем и в широкий спектр слаботочных систем.

Эти перемены привели к появлению нового взгляда на УЗИП и их место в современной радиоэлектронике, и этим объясняется дуализм подхода к классификации, приоритетным параметрам, методам испытаний УЗИП, о чем имеет смысл поговорить. ГОСТ, как любой норматив, является формальным отражением действительности, часто идеализированным, а реальность заставляет создателей российских ГОСТов по УЗИП и их зарубежных прототипов оставлять в них не просто белые пятна, а целые поля неопределенностей и постоянно выпускать обновления.

Мы, как разработчики слаботочных систем и самих УЗИП, всегда понимали, что главная задача УЗИП – не навредить работающей системе, а уже затем попробовать защитить ее, причем сначала от грозы, затем от промышленных наводок и, наконец, от умышленного импульсного воздействия от средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ).

Итак, начинаем с нормативной базы.

ГОСТ IEC 61643-21–2014

ГОСТ IEC 61643-21–2014 (далее – первый ГОСТ) – это российский стандарт, идентичный международному IEC 61643-21:2012, который относится к устройствам защиты от перенапряжений (УЗП) в низковольтных распределительных сетях (до 1 000 В переменного и 1 500 В постоянного тока).

Под данный стандарт попадают УЗИП для защиты питающих линий 380/220 В. Кто не в теме, напомним, что напряжение 380 В имеет место быть в трехфазных силовых сетях, а 220 В – в однофазных.

Хотелось бы спросить: а какое напряжение в двухфазных сетях? Ответ: таких сетей нет.

В ГОСТ IEC 61643-21–2014 красной нитью проходит защита линий питания, от ТП (трансформаторной подстанции) и ГРЩ (главного распределительного щита) до щита питания в помещении, стойке, конечного потребителя напряжения 380/220 В. Как правило, УЗИП выглядят как силовые автоматы, стоят в тех же щитах и шкафах, где силовые автоматы, и подключаются так же, как силовые автоматы, хотя есть нюансы. Поэтому многим кажется, что УЗИП – это и есть автоматы защиты по току. Но это совсем не так. УЗИП не выдержит длительного повышенного напряжения и тока более 5–10 сек. Зато выдержит короткое, до секунды, импульсное воздействие колоссальной амплитуды по току, не какие-то 160 А, а целых 2 500–40 000 А!

Все эти возможности УЗИП описываются в ГОСТ IEC 61643-21–2014.

В этом документе акцент делается на сети, а не на оборудование в них. Создается впечатление, что силовые УЗИП защищают линии питания, что как бы правильно. Однако в дальнейшем станет ясно (или нет), что это не совсем так.

ГОСТ IEC 61643-22–2015

Рассмотрим второй вид УЗИП, для которых есть свой нормативный документ. Мы переходим к широкому спектру систем безопасности, систем информационных, управления, связи, радио- и телевизионных, спутниковых, которые странно называются "слаботочными" системами, хотя точнее их было бы назвать высокоточными или информационными (см рис.).

Примеры слаботочных систем

Для устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), применяемых в слаботочных системах и системах связи, действует стандарт ГОСТ IEC 61643-22–2015 (идентичен международному IEC 61643-22:2015, далее – второй ГОСТ). Он распространяется на УЗИП для линий передачи данных, телекоммуникационных и сигнальных сетей (например, Ethernet, телефонные линии, RS-485, коаксиальные кабели и т.д.). Напряжения до 1 000 В переменного тока и 1 500 В постоянного тока.

Типы защищаемых систем:

• телефонные линии (PSTN, DSL);
• локальные сети (LAN, PoE);
• промышленные интерфейсы (RS-232, RS-485);
• антенные и коаксиальные линии (TV, радио, CCTV).

Чувствуете подвох? Мало того, что в первом ГОСТе силовые цепи 220/380 В названы низковольтными, во втором слаботочные цепи заявлены напряжением до 1 000/1 500 В, хотя ни одна из вышеперечисленных сетей не превышает и 30 В. Лишь в трансляционных линиях звукового оповещения и телефонии напряжения могут достичь 120–180 В, что очень далеко от 1 000 В.

Первая часть номеров ГОСТов при этом полностью совпадает, отличие в окончаниях: 21–2014 – силовой, 22–2015 – слаботочный. Аналогично и в параметрах УЗИП много нюансов.

Классификация УЗИП

Самое популярное деление УЗИП, как ни странно, не по назначению, где есть логика, а по классам. Критерием деления здесь выступает тип имитационного или испытательного импульса и ток, который протекает через УЗИП на землю, так называемый разрядный. Это деление возникло вначале среди силовых УЗИП на 220/380 В, где действительно есть возможность принять разряд молнии после молниеотвода, где потом половина энергии уходит в заземление, а половина, по некой модели, идет прямиком в ГРЩ. Читатель скажет, что это бред, все с молниеотвода должно идти в заземляющий контур, но нет!

Предположим, разряд молнии ударил в молниеотвод и породил ток максимум 200 кА.
Половина от 200 кА уйдет в заземление, а половина (100 кА!!) полетит в силовую сеть.
Предполагается, что удар происходит в трансформаторной подстанции или в помещении главного распределительного щита, что уже имеет много натяжек. Молния может ударить и в жилое помещение с громоотводом на крыше здания.

Когда я все это прочел в каталоге известной фирмы, я понял, что дело крайне серьезное и придется разбираться дальше.

Классификация УЗИП по ГОСТ IEC 61643-21–2014

И вот, исходя из всего этого, в первом ГОСТе вводится классификация по стойкости УЗИП к первичным и вторичным импульсам от удара молнии.

Введены формы импульсов 8/20 мкс и 10/350 мкс в стандартах испытаний УЗИП.

Формы импульсов 8/20 мкс и 10/350 мкс были разработаны для моделирования реальных грозовых и коммутационных перенапряжений в лабораторных условиях. Их параметры основаны на многолетних исследованиях разрядов молнии и переходных процессов в электрических сетях.

Импульс 10/350 мкс

Имитирует ток от прямого удара молнии. Придуман на основе исследований прямых ударов молнии в молниеотводы и линии электропередач в 1970-е гг.

Форма 10/350 мкс моделирует первичный ток молнии, который несет огромную энергию и опасен для оборудования.

Параметры импульса:

• 10 мкс – время нарастания до максимума;
• 350 мкс – время спада до 50% амплитуды.

Итак, придуман импульс для испытаний и можно на этом остановиться, но нет! Нужен был еще один!

Импульс 8/20 мкс

Наведенные грозовые перенапряжения.

История возникновения:

• Впервые стандартизирован МЭК (IEC) в 1960-х гг. на основе измерений реальных импульсов в линиях электропередач.
• Форма 8/20 мкс имитирует индуктивные наводки тока от удаленных грозовых разрядов или коммутационных процессов (например, включение/отключение трансформаторов).

Параметры импульса:

• 8 мкс – время нарастания тока до максимума (фронт):
• 20 мкс – время спада до половины амплитуды (хвост);
• энергия: относительно низкая (по сравнению с 10/350 мкс), но высокая скорость нарастания.

Итак, обе модели – импульсы тока, это важно! Напряжение при этом может быть любым, в зависимости от сопротивления (импеданса) линии.

Почему выбраны именно эти формы?

Большинство грозовых помех в сетях – это индуктивные наводки с крутым фронтом (8 мкс) и относительно коротким хвостом (20 мкс).

Импульс прямого удара, наоборот, имеет длинный хвост (350 мкс) из-за высокой энергии разряда.

Классификация УЗП по типу защиты

Типы 1, 2, 3 УЗП (устройств защиты от перенапряжений) определены в ГОСТ IEC 61643-21– 2014 (для низковольтных силовых сетей) и связаны с их местом установки и уровнем стойкости к наведенным импульсным токам.

1. Тип 1 (класс I).
Назначение:

• защита от прямых грозовых ударов в молниеприемники или вводные линии;
• устанавливаются на границе зоны LPZ 0/1 (ввод в здание).

Характеристики:

• испытываются импульсом 10/350 мкс (имитация прямого удара молнии);
• номинальный ток разряда (Iimp) от 2,5 кА до 25 кА;
• устанавливаются во вводных щитах после внешней молниезащиты.

2. Тип 2 (класс II).
Назначение:

• основная защита распределительных сетей от наведенных перенапряжений (косвенные грозовые воздействия, коммутационные помехи);
• устанавливаются в распределительных щитах (LPZ 1/2).

Характеристики:

• испытываются импульсом 8/20 мкс;
• номинальный ток (In): от 5 до 40 кА;
• максимальный ток (Imax): до 100 кА.

Примеры:

• варисторные модули (быстрое срабатывание, до 25 нс);
• комбинированные УЗП (газовые + варисторы).

3. Тип 3 (класс III).
Назначение:

• дополнительная защита чувствительного оборудования (электроники, медицинских приборов, серверов);
• устанавливаются непосредственно возле потребителей (LPZ 2/3).

Характеристики:

• испытываются комбинированной волной 1,2/50 мкс (напряжение!) + 8/20 мкс (ток);
• уровень защиты (Up): ≤ 0,5 кВ;
• ток разряда: до 5–10 кА.

Это классификация силовых УЗИП для сети 220/380 В.

Формы импульсов 8/20 мкс и 10/350 мкс были выбраны на основе реальных данных о молниях и помехах в сетях:

• 8/20 мкс – для проверки защиты от наводок (УЗП, тип 2);
• 10/350 мкс – для испытаний на прямой удар (УЗП, тип 1).

Но и этого мало, придумали еще и комбинированную волну 1,2/50 мкс (напряжение) + 8/20 мкс (ток), чтобы никому скучно не было. И ей испытывают третий класс УЗП.

Эти стандарты позволяют гарантировать, что УЗИП выдержат реальные условия эксплуатации.
Итак, мы с вами коснулись классификации УЗИП по первому ГОСТу для силовых цепей питания 220/380 В. Эти УЗИП, по замыслу, при каскадном включении выдерживают даже прямые удары молнии высокой энергии при наличии молниеотвода и хорошего заземляющего контура.

В этой теме все продумано, смоделировано и защищено, чего не скажешь про второй вид УЗИП для слаботочных систем.

И начинается путаница в определениях и классификации. 

Классификация по ГОСТ IEC 61643-22–2015

Для сигнальных (слаботочных) УЗИП по второму ГОСТу классификация отличается, вместо классов по разрядным токам вводятся категории А, В, С. Зачем?

Уровень защиты (Up) – максимальное остаточное напряжение после срабатывания УЗИП. Чем ниже Up, тем лучше защита (см. табл. 1).

Таблица 1. Применение УЗИП различных классов в слаботочных системах

Таблица 2. Различия слаботочных и силовых УЗИП по области применения и типовым нагрузкам

Трудности классификации и подбора УЗИП

Опыт работы последних лет в области защиты слаботочных систем от импульсных воздействий позволяет сделать вывод, что на практике эта тема вызывает много вопросов, в частности по типам и видам интерфейсов и выбора УЗИП для защиты слаботочного оборудования.

К нам ежедневно обращаются проектировщики и менеджеры с просьбой подобрать УЗИП для проекта, с вопросами о подключении УЗИП к оборудованию, его заземлению в связке с УЗИП.

Особенно сложным  является многообразие современных интерфейсов, их определение в системах автоматики, диспетчеризации, безопасности и связи.

Помимо этого, у менеджеров по закупкам возникает путаница между силовыми автоматами, УЗО (устройствами защитного отключения), дифавтоматами и УЗИП (устройствами защиты от импульсных перенапряжений).

Многие менеджеры и проектировщики не различают защиту от превышения тока с защитой от импульсных разрядов и повышенного напряжения, вызванного, например, грозой.

Путаница и неполнота ГОСТов и международных стандартов вносят еще большую сумятицу в данные вопросы.

Продавцы, особенно китайские, вообще не ссылаются на какие-либо   стандарты, не указывают параметры за исключением одного – трех.

Но нам отступать некуда, поэтому мы продолжим разбираться в параметрах УЗИП с целью их правильного применения по назначению.

Основные испытательные импульсы: 10/350 мкс – красный, 8/20 мкс – зеленый

Сравнительный анализ слаботочных и силовых УЗИП

Продолжим наш сравнительный анализ слаботочных и силовых УЗИП.

Максимальный ток разряда

Рассмотрим теперь базовую разрядную характеристику УЗИП – Imax (максимальный ток разряда).

В ГОСТ IEC 61643-22—2015 (для слаботочных систем) и ГОСТ IEC 61643-21—2014 (для низковольтных сетей) параметр Imax (максимальный ток) имеет разное значение из-за различий в условиях работы и требованиях к устройствам. Вот ключевые различия:

1. В ГОСТ IEC 61643-21–2014 (силовые сети) Imax – максимальный ток, который УЗИП может однократно пропустить при импульсе 8/20 мкс, но с более жесткими требованиями.

Типовые значения: 20–100 кА (для вводных УЗИП, тип 1). Например, для распределительных щитов – 40 кА.

Особенности:

• рассчитан на высокоэнергетические импульсы (близкие к прямому удару молнии);
• важна физическая сохранность устройства (необязательно полная функциональность после срабатывания).

2. В ГОСТ IEC 61643-22–2015 (слаботочные системы) Imax – максимальный ток, который УЗИП может однократно пропустить без разрушения (импульс 8/20 мкс).

Типовые значения: 1–20 кА (для Ethernet, телефонии). Например, для антенных УЗИП – 5 кА, для промышленных интерфейсов – 10 кА.

Особенности:

• акцент на сохранение работоспособности линии (минимальные искажения сигнала);
• не требует устойчивости к сверхвысоким токам (как в силовых сетях).

Почему такая разница?

В силовых сетях импульсы от грозы/коммутации имеют большую энергию (например, 10/350 мкс с зарядом до 100 А·с).

В слаботочных системах угроза – наведенные помехи (8/20 мкс, энергия в разы ниже).

Для Ethernet/телефонии критично не повредить оборудование и не исказить сигнал. Для электросетей – предотвратить пожар и разрушение проводки.

И вот здесь мы снова сталкиваемся с большой проблемой. Мы можем покаскадно обезопасить от молнии силовую сеть 380/220 В, где есть любые УЗИП 1–3 классов. А вот информационные цепи мы не можем защитить ни от прямого удара молнией, ни от вторичной наводки даже в 40 кА.

Проблема защиты информационных портов в их большей уязвимости, поэтому там ограничение напряжения за счет УЗИП должно быть максимально близким к рабочим напряжениям в линии, а они обычно составляют от 5 до 30 В.

Как правило, в слаботочных УЗИП Up-напряжение (уровень) защиты не более чем в два-три раза превышает амплитудные значения в линии, и идет постоянная борьба за его снижение. Поэтому в составе слаботочных УЗИП кроме варисторов и газоразрядников используется третья полупроводниковая ступень защиты на основе микросборок и TVS-диодов/тресилов (особых типов диодов).

Понятно, что столь нежные полупроводники не выдерживают токов более 30 кА и первичных импульсов 10/350 мкс.

Скорость срабатывания

Вторым критически важным параметром слаботочных УЗИП является скорость срабатывания (для газовых разрядников время реакции ~100 нс, для TVS-диодов – менее 1 нс). Поэтому, несмотря на высокие разрядные токи газоразрядников и варисторов, невозможно только с их помощью сделать быстродействующий УЗИП без TVS-диодов.

Методы испытаний УЗИП

Продолжим столь полезное сравнение двух видов УЗИП.

Далее мы увидим, насколько сложнее проходят испытания параметров слаботочных УЗИП, а все потому, что этих параметров больше. Разница между двумя видами – как между молотком и штангенциркулем.

1. Проверка вносимых потерь (для систем передачи данных).

Цель – убедиться, что УЗИП не ухудшает качество сигнала:

• измеряются затухание сигнала и волновое сопротивление до/после установки УЗИП;
• для Ethernet (Cat.5e/6) проверяется пропускная способность (должна соответствовать стандарту, например, 100 Мбит/с или 1 Гбит/с).

2. Вносимые потери (Insertion Loss, IL).

Ослабление сигнала (в децибелах, дБ), вызванное установкой УЗИП в линию. Для сравнения замеряется уровень сигнала без УЗИП и с УЗИП.

3. Частотный диапазон:

• для Ethernet (Cat.5e/6/6a): 1–250 МГц;
• для телефонных линий (DSL): 0,1–30 МГц;
• для коаксиальных линий (TV, CCTV): 5–3 000 МГц.

4. Допустимые значения:

• Ethernet: потери не должны превышать 0,5 дБ (для Cat.6 на частоте 100 МГц);
• телефония (POTS/DSL): ≤ 0,2 дБ в полосе пропускания;
• если потери превышают норму, возможны ошибки передачи или снижение скорости.

5. Волновое сопротивление (Impedance Matching).

Согласование импеданса линии (например, 100 Ом для Ethernet, 75 Ом для коаксиала).
Рассогласование приводит к отражениям сигнала:

• для Ethernet: 100 Ом ±15%;
• для RS-485: 120 Ом ±10%;
• для коаксиала:  
  – для приемников, тюнеров, телевизионныхприставок DVB 75 Ом;  
  – для передатчиков, трансиверов, роутерови модемов 50 Ом.

Для УЗИП в Ethernet-линиях проверяют также:

• пропускную способность (должна соответствовать категории кабеля, например, 1 Гбит/с для Cat.5e);
• перекрестные наводки (NEXT/FEXT) – УЗИП не должен вносить помехи между парами.

Выводы

УЗИП при всем их многообразии разделяются на два вида: силовые – защищающие цепи питания 220/380 В и слаботочные – защищающие информационные порты устройств связи, контроллеров, абонентов локальных сетей и другие входы/выходы радиоэлектронных устройств с передачей как информации, так и вторичного питания (PoE, последовательные промышленные интерфейсы), одновременно и по отдельности.

Поэтому это абсолютно разные устройства, их развитие идет по своим законам, их функционал существенно различается.

И пожалуй, это главный вывод из нашего повествования и преамбула к подробному рассмотрению различных материалов про УЗИП в части их применения, разработки, испытаний, запросов рынка и других нюансов.

Иллюстрации предоставлены автором.

Иллюстрация к статье сгенерирована нейросетью Kandinsky