Защита от мълнии и пренапрежения

Част II. Специфики на аресторните защити

С цел ограничаване на пренапреженията е необходимо да се избягват затворени контури, разположени на големи площи, както и съвпадащи трасета за слаботокови и силнотокови проводници. Добре би било да се избягва и кръстосване на снопове проводници, както и да се предвиждат достатъчно големи разстояния между тях. Необходимо е, също така, да се отчита присъствието на уреди или инсталации, които генерират
пренапрежения. Важно е и да се анализира местоположението им по отношение на чувствителното оборудване.

Защитните мероприятия включват монтиране на надеждна система за мълниезащита. Тя условно се дели на два големи класа - пасивна и активна.
Пасивните мероприятия за защита включват вертикални метални прътове - мълниеприемници, както и мрежа от опънати над защитавания обект проводници.

Активни мероприятия за защита
От голямото многообразие на активни мълниеприемници, най-широко разпространение са получили системите с изпреварваща емисия на стримера, наричани още “искрови”. За работата им не е необходимо външно захранване, те използват енергията на мълнията. При достатъчно добро проектиране и монтаж могат да покажат впечатляващи резултати. Например, активна глава на водеща фирма, издигната на височина от само 5 м, обезпечава защита на зона с диаметър 80 м. Лабораторни изследвания във Франция и Австралия показват изпреварващ пробив при активните мълниеприемници с време DТ = 10 - 60 ms. Въз основа на тях се правят изводи, че активните мълниеприемници са съществено по-добри от обикновените, защитният обем при тях е съществено по-голям, като по този начин броят на мълниеприемниците съществено може да бъде намален. Въпреки всичко, редица специалисти са на мнение, че поради случайния характер на мълнията, активната защита не е достатъчно надеждна.
Също така външната защита от мълнии, приложена самостоятелно, не е в състояние да осигури цялостна защита. Тя може да предпази сградата от пожар и други щети.
Качествени заземители са необходими за всички типове системи за мълниезащита, без изключение. Без тях всички останали защитни мерки не са ефективни. Друго мероприятие включва изравняване на потенциалите на всички проводящи части и елементи на зданието, защото е добре известно, че поражението на хора от електрически ток е възможно само при разлика в потенциалите.

Друго добро мероприятие включва изграждането на комплексна защита от пренапрежение обхващаща аресторни защити, надеждни заземители и заземителен контур.
При проектирането и изработката на система за защита от пренапрежения е налице проблем, свързан с изравняване на потенциалите на проводниците от електропреносната мрежа и мрежата за предаване на данни. Директното свързване на шините за изравняване на потенциалите е неправилно - резултатът би бил късо съединение. Монтажът извън системата за изравняване на потенциалите няма смисъл. За това се монтират специални модули от аресторната защита. Това са вентилни устройства, имащи безкрайно голямо съпротивление при нормални условия на мрежата и безкрайно малко, рязко понижаващо се почти до нула, в случай че разликата в потенциалите превиши даден праг на сработване.
Много често е невъзможно да се защитават линии от пренапрежения по време на предаване на данни, без да се намали скоростта. Отчасти това се дължи на слабите параметри на компонентите, използвани в защитаваните вериги. За да се избегне намаляване на скоростта, много често решението е да не се използва защита от пренапрежение. Линиите за предаване на данни също могат да бъдат вход за разрушителни пренапрежения в IT системите. Освен това, когато се използват аресторни защити от пренапрежения, телекомуникационното и информационното оборудване, което работи, използвайки ADSL2+ стандарта, също е защитено. Специалната структура на веригите осигурява максимална безопасност с минимално намаляване на параметрите на компонентите.
Във веригите на електрозахранването на апаратурата по принцип се проектират тристепенни защити от пренапрежение.

Първа степен на мълниезащита
Реализира се с разрядник и катоден отводител. Използваната апаратура се монтира в главното разпределително табло или в разпределителния трансформаторен пост. Защитното устройство трябва да отвежда пренапрежителни импулси с ток, по-голям от 40 kA, при вълна на импулса 10/350 ms и ниво на защита 4 kV.
Тези защити са предназначени да отведат към земята първите и съответно най-мощните пренапрежителни импулси. Искровата междина прекъсва остатъчния ток в дъгогасителната камера. След като пренапрежението е сведено до някакъв минимум през катодния отводител, продължава да протича ток от електрическата мрежа, който поддържа електрическата дъга (т.нар. остатъчен ток). Дъгогасителната камера изгасява дъгата. Ако тя не успее да я изгаси, то токът достига стойност на установено късо съединение и горестоящият предпазител се стопява.

Втора и трета степен на мълниезащита
При втората степен се използват варисторни арестори, монтирани в локалните вторични електротабла. Базово изискване към варисторните арестори е възможност за отвеждане на импулси с мощност, не по-малка от 20 kA, при вълна на импулса
8/20 ms и ниво на защита 2,5 kV.
Третата степен представлява окончателната защита. Реализира се с разклонители или отделни контакти с вградена защита от импулсни пренапрежения, посредством които индивидуално са захранени отделните електронни и/или електрически устройства. Защитите от трето ниво трябва да отвеждат пренапрежителни импулси с мощност 20 kA, при вълна на импулса 8/20 ms (стандартна вълна, имитираща непряко попадение на мълния) и ниво на защита 1,5 kV. Предназначението им е да поемат и да не допуснат до устройствата по-маломощните пренапрежителни импулси, „промъкнали се” вследствие на непрякото попадение на мълниите от самоиндукция. Тя се наблюдава при сработване на защитите от първо и второ ниво. Защитите от трето ниво се характеризират с най-малкото остатъчно напрежение.

Четири класа на издръжливост
Издръжливостта на защитаваното оборудване на импулсно напрежение (Uw) се дефинира за:
n Силови линии и оборудване, според IEC 60664-1;
n Телекомуникационни линии и оборудване, според ITU-T K.20 и K.21;
n Други линии и оборудване, според информацията, дадена от производителя.
Съгласно IEC 60364-4-44, IEC 60664-1 и IEC 60730-1, допустимите нива на издръжливост от пренапрежение (Uw) на оборудването се класифицират  в четири класа (категории) - таблица 1.

Избор и  инсталиране на аресторни защити
При инсталирането на аресторни защити - SPD (surge protective device), трябва да се обърне внимание на каскадирането помежду им, на разполагането на защитните им прекъсвачи, мястото им спрямо дефектнотоковите защити и на системата на заземяване.
Системата на заземяване се избира в съответствие с действащите стандарти и изискванията на електроразпределителните дружества.
При избора на аресторна защита се вземат предвид изискванията на потребителя по отношение на непрекъсваемостта на работа и работните условия, например дали поддръжката ще се осъществява от квалифициран електротехник или от външна фирма.
SPDs трябва да издържат на разрядния ток, изчислен в точката им на инсталиране.

Видове мълниезащитни зони (LPZ)
Аресторите се избират в зависимост от мястото на монтаж.
На входните линии в сградите (на границите на зона 1, например в главното разпределително табло) се монтират:
n Арестори, тествани с Iimp (Class I test ). Изисквания импулсен ток Iimp на арестора трябва да обезпечи преминаването на частичен ток на мълнията, очакван в точката на инсталиране.
n Арестори, тествани с In (Class II test). Този тип арестори могат да се използват, когато входните линии са напълно в зона 0B или вероятността от повреда на арестора е пренебрежителна. Препоръчаният номинален ток In на арестора трябва да е достатъчен, за да издържи очаквания в точката му на инсталиране. Това е основа за избора на мълниезащитно ниво.
В близост до защитаваната апаратура (на границата на зона 2 и по-висока) се монтират:
n Арестори, тествани с In. Препоръчаният номинален ток In на арестора трябва да е достатъчен, за да издържи очаквания в точката на инсталиране.
n Арестори, тествани с комбинирана вълна.

Инсталиране на координирана (каскадирана) аресторна защита
Ефективността на координираната аресторна защита зависи не само от самия избор на арестори, но и от коректното им инсталиране. Трябва да се обърне внимание на местоположението на SPD, свързващите проводници, защитното разстояние срещу осцилации, защитното разстояние срещу индукция.
Местоположението на арестора се влияе от конкретния източник на повреда, например удар на мълния върху сграда (S1), върху линия (S3), върху земята в близост до сградата (S2) или върху земя в близост до линията (S4).
Първият критерий, който трябва да се вземе предвид е по-голяма близост на арестора до входната точка на входната линия, както и възможността с него да се защитава по-голям брой оборудване. Вторият критерий е по-голяма близост на арестора до защитаваното оборудване и по-висока ефективност на неговата защита (техническо предимство).

Защитно разстояние lpo срещу осцилации
(възникване на високочестотни генерации). При нормална работа на един арестор напрежението между клемите му е ограничено до Up/f в мястото, в което се намира аресторът. Ако дължината на електрическата верига между арестора и оборудването е много дълга, разпространяването на тези преходни пренапрежения може да причини осцилация (в този случай електропроводът е вълновод). В случай на отворена верига в изводите на уредите, напрежението би могло да се увеличи до 2Up/f и да възникне повреда в уреда. Възможно е да се случи, дори ако Up/f = Uw, защото се появяват отражения в края на линията, които се сумират с постъпващите вълни. Защитното разстояние lpo представлява максималната дължина на електрическата верига между арестора и уреда, при която аресторът гарантира ефикасна защита (б.ред. вземайки предвид осцилацията и натоварването на консуматора). Тя зависи от технологията на арестора, правилно ли е извършен монтажът и какъв е капацитетът на консуматора. Ако дължината на електрическата верига е по-малка от 10 м или
UP/f < Uw/2, защитното разстояние lpo може да бъде пренебрегнато. Когато максималната дължина на електрическата верига между арестора и уреда и по-голяма от 10 м или
UP/f > Uw/2, защитното разстояние срещу осцилации може да се изчисли по формулата: lpo = [Uw - UP/f]/ k (m), където k = 25 V/m.

Каскадирането на арестори трябва да бъде реализирано в съответствие с изискванията на IEC 61643-12 или IEC 61643-22. Производителят е задължен да предостави достатъчна информация за постигането на енергийна координация между предлаганите от него арестори.

Каскадирана система за защита от пренапрежения трябва да се инсталира като следва:
n Във входната линия на сградата.
n Определя се нивото на издръжливост от пренапрежение Uw на вътрешните системи, които ще бъдат защитавани.
n Избира се защитно ниво Up1 на SPD клас 1, така че да се осигури ефективно ниво на защита Up/f1 Ј Uw.
n Проверяват се изискванията за защитното разстояние.
n Близо до оборудването (на границата на зона 2, например в разпределителното табло трябва да се инсталира един SPD клас 2, като той следва да се каскадира с предходния SPD клас 1.
n Избира се нивото на защита Up2 на арестор клас 2, така че да се осигури ефективно ниво на защита Up/f2 Ј Uw.
n Проверяват се изискванията за защитното разстояние.

Статията продължава в следващ брой на сп. ТД Инсталации, оборудване, инструменти.