Установка устройств защиты от импульсных перенапряжений на основе искрового промежутка перед счетчиками электроэнергии

В статье рассматриваются аспекты молниезащиты и защиты от импульсных перенапряжений для систем учета электроэнергии в сетях 0,4 кВ на примере немецкого опыта применения, актуальность проблемы для России и устройства компании DEHN+SОHNE, позволяющие защищать чувствительные приборы, в том числе счетчики электроэнергии.

Зонная концепция молниезащиты

В настоящее время системы молниезащиты в Европе проектируются согласно действующим нормам EN 62 305, описывающим применение зонной концепции молниезащиты. Практика использования этих норм подтвердила их высокую эффективность.

Согласно методике расчета степени риска (стандарт EN 62305, часть 2) устанавливаются категории молниезащиты и определяются конкретные места монтажа защитных устройств различных классов.

В начале 2009 года во всех странах ЕС вступит в силу новая европейская нормативная система по молниезащите. Все действующие национальные стандарты будут отменены.

Нормативная система молниезащиты описывает взаимосвязь классической внешней молниезащиты и внутренней молниезащиты, состоящих из системы уравнивания потенциалов, соблюдения наименьшего допустимого расстояния S, позволяющего исключить опасное искрение, скоординированных устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и комплекса мероприятий по экранированию и прокладке кабелей. Для проектирования молниеприемных устройств внешней молниезащиты предусмотрены три общепризнанных метода: метод защитного угла, метод фиктивной сферы и метод защитной сетки. Так называемая активная молниезащита (ESE) в нормах не упоминается. Известный метод сетки Фарадея позволяет обеспечить оптимальное растекание токов молнии. Возникшее в результате разряда молнии электромагнитное поле будет в этом случае значительно меньше по сравнению с применением системы с одним токоотводящим путем.

Традиционно для защиты от разрядов молнии в качестве первой ступени вблизи счетчика устанавливаются разрядники класса I. Установка разрядника перед счетчиком позволяет обеспечить его надежную работу при разряде молнии. Это наиболее актуально в настоящее время, когда все чаще в промышленности и в быту используются электронные счетчики. Устройство защиты от импульсных перенапряжений класса I, установленное на месте ввода питающего кабеля в здание в соответствии с требованиями норм EN 62305, обеспечивает молниезащиту на границе нулевой и первой зон молниезащиты согласно зонной концепции, легко монтируется до места установки счетчика. Однако поставщики электроэнергии нередко отказываются от устройств защиты, установленных перед счетчиком.

Молниезащита и защита от импульсных перенапряжений

Неконтролируемое и неучитываемое потребление электроэнергии происходит из-за того, что устройства, установленные перед счетчиком, оказывают воздействие на сеть потребителей и поставщиков электроэнергии.

Согласно стандартизированной зонной концепции молниезащиты устройства защиты рекомендуется устанавливать на месте ввода кабеля в объект, то есть устанавливать разрядники класса I перед счетчиком. Поставщики электроэнергии должны быть хорошо осведомлены о допустимых технических параметрах разрядников для их установки перед счетчиками с целью обеспечения безопасности эксплуатации, с одной стороны, и надежности системы, с другой. В связи с этим Союз сетевых предпринимателей Германии (VDN) опубликовал правила и требования в директиве об использовании устройств защиты от импульсных перенапряжений класса I в системах главного электроснабжения (директива VDEW).

В 1998 году в Германии была опубликована первая редакция директивы VDEW.

В связи с изменениями в нормах по электроустановкам молниезащите и в производственных нормах для УЗИП в 2004 году была опубликована новая, технически усовершенствованная редакция директивы VDEW. Существенным пунктом содержания этой директивы является то, что УЗИП класса I исключительно на основе искровых промежутков допущены к установке в системах основного электроснабжения. В комментариях к директиве VDEW указано, что УЗИП класса I нового поколения способны самостоятельно ограничивать сопровождающий ток.

Преимущества для потребителей и поставщиков электроэнергии

Важнейшей задачей для электроэнергетики Германии является обеспечение высокой надежности электрических сетей в условиях усложнения структуры сетей и перехода на децентрализованную систему электроснабжения. На смену схеме питания от одного источника пришла схема получения электроэнергии от нескольких поставщиков.

Поставщики электроэнергии и страховые компании пытаются разрешить проблемы потребителей, связанные с импульсными перенапряжениями, путем предоставления им информации о возможных методах защиты. Кроме того, в большинстве страховых случаев оплачиваются только прямые, а не косвенные убытки.

В России подобная проблема также имеет место, особенно в последнее время в связи с переходом на двухтарифную систему оплаты электроэнергии, для реализации которой требуются специальные двухтарифные счетчики, являющиеся сложными чувствительными электронными приборами. Наибольшее распространение эти счетчики имеют в сетях 0,4 кВ и находятся на балансе потребителя электроэнергии. Поэтому при выходе счетчика из строя потребитель несет прямые убытки.

Для получения максимальной эффективности, согласно зонной концепции, устройство защиты должно быть правильно выбрано в соответствии с типом защищаемого оборудования и смонтировано в требуемом месте. Технология скоординированных УЗИП на основе искровых промежутков позволяет наилучшим образом согласовать эффективность защиты потребителей с требованиями поставщиков электроэнергии. С одной стороны, обеспечивается надежная защита оборудования потребителей, с другой стороны, отсутствует обратное влияние на сеть поставщика электроэнергии за счет отсутствия токов утечки и дополнительно обеспечивается защита измерительного устройства (счетчика электроэнергии).

Технические аспекты

Применение мощных УЗИП, установленных перед счетчиком электроэнергии, особенно экономически выгодно в системах с несколькими счетчиками, так как в этом случае для защиты всей разветвленной системы необходимо только одно устройство. Особенности структуры системы главного энергоснабжения в Германии определяют установку УЗИП в главном распределительном щите здания или реже в распределительном (вторичном) щите, где установлен счетчик электроэнергии. Согласно действующим нормам по молниезащите для надежного отвода токов молнии рекомендуется использовать медные проводники с минимальным поперечным сечением 16 мм². При этом длина соединительных кабелей должна быть как можно меньшей, и прокладка проводников должна осуществляться по возможности по прямой линии.

Из­за воздействия высоких электродинамических сил в результате импульсных токов молнии при монтаже устройств защиты следует избегать образования петель соединительных проводов. Из-за паразитной индуктивности этих проводов напряжение на защищаемом оборудовании при воздействии импульсных перенапряжений может быть существенно выше уровня защиты УЗИП, в результате чего снижается защитный эффект и даже возможно повреждение защищаемого оборудования. Избежать этого можно с помощью правильно выбранного места установки и схемы подключения УЗИП. Для реализации различных способов подключения современные разрядники имеют двойные клеммы.

Наличие двойных клемм позволяет применить техническое решение, при котором устройство защиты включается последовательно с защищаемой установкой, при этом реализуется так называемая V-образная схема подключения. В этом случае уровень дополнительного напряжения при разряде молний за счет паразитной индуктивности соединительных проводов будет существенно ниже, чем при обычном (параллельном) включении. Применение V-образной схемы особенно актуально в тех случаях, когда не удается обеспечить минимальную длину соединительных проводов. Таким образом, негативные последствия, возникающие в результате воздействия импульсных перенапряжений, будут снижены до безопасного уровня.

Устройства защиты DEHN + SОHNE для установки до счетчиков электроэнергии

Немецкая компания DEHN+SОHNE предлагает инновационную концепцию устройства защиты от импульсных перенапряжений класса I DEHNventil® на основе трехэлектродного искрового разрядника, работающего по принципу RADAX-Flow (рис. 1). Этот разрядник отличается высоким максимальным импульсным током I_max = 100 кА (10/350 мкс) и низким остаточным напряжением U_p = 1,5 кВ, что позволяет включать конечное чувствительное оборудование непосредственно после разрядника без необходимости дополнительных ступеней защиты. В основе принципа RADAX-Flow лежит радиальное и осевое воздействие на электрическую дугу, возникающую при пробое разрядника. При этом происходит ограничение сопровождающего тока за время, существенно меньшее, чем время срабатывания предохранителей во входной цепи (рис. 2). Таким образом, можно эффективно ограничивать токи до 50 кА, при этом не будет происходить перегорания предохранителей номиналом от 20 А. Следовательно, при использовании разрядника DEHNventil® помимо надежной защиты оборудования от импульсных перенапряжений обеспечивается высокая стабильность электроснабжения потребителей.

УЗИП DEHNventil® полностью удовлетворяют требованиям директивы VDEW. За счет конструктивного исполнения на основе искровых промежутков (без варисторов) не происходит неконтролируемой утечки тока. При этом, соответственно, отсутствует обратное влияние на сеть и не происходит искажения показаний счетчика, что было бы невозможно в случае использования УЗИП на основе варисторов.

Рис. 2. Временные диаграммы сопровождающего тока,

протекающего через разрядник с технологией RADAX-Flow

Выводы

Только скоординированные УЗИП на основе искровых промежутков (класс I) позволяют реализовать на практике зонную концепцию молниезащиты и выполнить требования поставщиков электроэнергии по обеспечению безопасности эксплуатации сети и надежности электроустановок потребителей.

В Европе в результате перехода от обычных счетчиков электроэнергии на электронные, а также в связи с увеличением использования чувствительной бытовой техники повышаются требования к системе молниезащиты и защите от импульсных перенапряжений. В России в связи с введением двухтарифной системы оплаты электроэнергии актуальность этой проблемы также возрастает.

УЗИП серии DEHNventil® компании DEHN + SОHNE обеспечивают оптимальные защитные характеристики в сочетании с высшей надежностью электроснабжения. В силу конструктивных решений (отсутствие варисторов в разрядной цепи) они могут использоваться как для защиты конечного оборудования, так и счетчиков электроэнергии.

Источник: «Рынок Электротехники», № 1, 2009 г.