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 (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.
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.).
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:
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.
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.
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.
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:
Итак, придуман импульс для испытаний и можно на этом остановиться, но нет! Нужен был еще один!
Наведенные грозовые перенапряжения.
История возникновения:
Параметры импульса:
Итак, обе модели – импульсы тока, это важно! Напряжение при этом может быть любым, в зависимости от сопротивления (импеданса) линии.
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.
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:
Характеристики:
2. Тип 2 (класс II).
Назначение:
Характеристики:
Примеры:
3. Тип 3 (класс III).
Назначение:
Характеристики:
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:
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.
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
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.
Продолжим наш сравнительный анализ слаботочных и силовых УЗИП.
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:
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:
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.
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.
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:
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:
4. Допустимые значения:
5. Волновое сопротивление (Impedance Matching).
Согласование импеданса линии (например, 100 Ом для Ethernet, 75 Ом для коаксиала).
Рассогласование приводит к отражениям сигнала:
Для УЗИП в Ethernet-линиях проверяют также:
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