Большое количество вариантов УЗИП для цепей питания от множества производителей затрудняет понимание пользователя, в чем их отличие. Производители предлагают внешне однотипные решения с очень близкими основными характеристиками.
В таких условиях при выборе УЗИП обычно за скобками остаются такие свойства как надежность, долговечность и безопасность эксплуатации. Лучшим подтверждением этих качеств, безусловно, является реальный опыт эксплуатации УЗИП однако, понимание технологических особенностей
конструкции УЗИП позволяет существенно сузить выбор.
Компонентная база при изготовлении УЗИП
По принципу действия компоненты, используемые при изготовлении УЗИП, можно разделить на два вида: коммутирующего типа – разрядники (искровые и газовые) и ограничивающего типа (полупроводниковые компоненты – варисторы и диоды-супрессоры).
Разрядники обладают свойствами, которые позволяют их расценивать как компонент, который оптимально подходит для защиты от импульсов с большой продолжительностью и высокой амплитудой (грозовые воздействия). Они обладают высокой пропускной способностью к импульсным токам (особенно искровые разрядники), их уровень срабатывания не зависит от амплитуды импульсного тока, а зависит от фронта импульса. Их остаточное напряжение близко к номинальному напряжению питания защищаемой сети. Негативное свойство – возникновение сопровождающего тока при срабатывании. Сопровождающий ток – это, по сути, ток короткого замыкания питающей сети, который протекает через электрическую дугу в разряднике. Он возникает из-за того, что дуга, которая возникает между электродами разрядника при срабатывании, не может быть разорвана мгновенно после отвода импульсного тока.
Компоненты ограничивающего типа (например, варисторы) обладают более низкой устойчивостью к импульсным токам, но в них отсутствует такой недостаток, как сопровождающий ток, а также их уровень срабатывания зависит от величины импульсного тока – чем он ниже, тем ниже уровень срабатывания. Поэтому это отличный вариант защиты при импульсах с небольшой продолжительностью и низкой амплитудой.
Оптимальная защита – это всегда комбинация нескольких компонентов. Кроме того,
УЗИП с точки зрения надежности и безопасности эксплуатации нужно рассматривать как конструкцию в целом, а не только его основные активные компоненты. Эти принципы были изначально заложены при создании УЗИП серии Safe Energy Control.
УЗИП класса 1 – технология искровых разрядников без сопровождающих токов
Использование искровых разрядников в качестве первой ступени защиты от грозовых импульсных перенапряжений логично, учитывая перечисленные выше особенности. При этом УЗИП класса 1 на базе варисторов достаточно распространенное явление на промышленном рынке.
Но чтобы добиться пропускной способности к импульсному току, аналогичной для искровых разрядников, без существенного увеличения габаритов производители используют параллельную сборку нескольких варисторов на каждый полюс. Недостатком такого решения является то, что для стабильной и долговечной работы варисторы в этой сборке должны обладать абсолютно идентичными параметрами, что на практике случается довольно редко. В результате в ходе эксплуатации происходит дисбаланс и один из варисторов в такой сборке начинает постепенно забирать всю нагрузку на себя и деградирует. Это отрицательно сказывается как на характеристиках УЗИП (они начинают существенно отличаться от заявленных в техническом описании), так и на продолжительности жизни такого УЗИП. В связи с этим компания «Феникс Контакт» при изготовлении УЗИП класса 1 с высокой импульсной пропускной способностью (более 12.5 кА (10/350) на полюс) использует именно искровые разрядники.
При срабатывании искрового разрядника имеют место следующие этапы и связанные с ними качественные характеристики:
• Возникновение дуги при перенапряжении. При этом механизм пробоя разрядного промежутка влияет на такой параметр как уровень защиты (UP).
• Отведение разрядных и импульсных токов. Здесь имеет большое значение пропускная способность разрядника (In/Iimp).
• Гашение дуги для подавления/прерывания сопровождающих токов. На этом этапе требуется высокая отключающая способность сопровождающего тока (If i).
• После всех этих процессов УЗИП должен обеспечить электрическую изоляцию, что обеспечит в конечном итоге бесперебойную работу системы.
На пути оптимизации перечисленных параметров искровые разрядники прошли путь от искровых разрядников открытого типа c высоким сопровождающим током и высоким уровнем защиты до герметичных разрядников с триггерной схемой поджига и сниженным сопровождающим током.
Следующая ступень эволюции искровых разрядников – разрядники, у которых отсутствует сопровождающий ток. Такие устройства представлены в серии УЗИП
Safe Energy Control (можно перевести на русский язык, как «безопасный контроль энергии») производства Phoenix Contact.
При испытаниях УЗИП класса 1 и класса 2 в рабочем режиме согласно ГОСТ IЕС 61643-11-2013 (п. часть 8.3.4.3) испытываемый образец подключается к импульсному генератору и источнику напряжения промышленной частоты. На УЗИП воздействуют группами импульсов тока, синхронизированных с напряжением промышленной частоты.
На рисунке 1 представлена схема испытаний
УЗИП серии Safe Energy Control (модель FLT-SEC-P-T1-350/25). Параметры испытаний: разрядный ток генератора In(8/20)=25кА, амплитуда напряжения питающей сети UC=350 В АС, ожидаемый ток короткого замыкания питающей сети IP=50кА, cos(ф)= 0.25.
Выделяемая удельная энергия в момент срабатывания разрядника зависит от угла фазового сдвига напряжения. Максимальное значение зафиксировано при значении 270 °С. Но даже в этом случае значение выделяемой энергии очень низкое, оно не позволяет расплавить плавкую вставку даже с номиналом 16 А. На рисунке 2 приведены диаграммы разрядного тока и сопровождающего тока, протекающего через УЗИП FLT-SEC-P-T1-350/25. По факту после прохождения импульса (250 мкс) сопровождающий ток через разрядник не зафиксирован.
За счет чего это было достигнуто?
Вкратце можно сказать, что в искровых разрядниках серии Safe Energy Control оптимизированы по геометрии и материалам канал, по которому проходит дуга, и охлаждающая демпферная система. Отсутствие сопровождающих токов в искровом разряднике позволяет исключить стресс электрической системы в момент срабатывания УЗИП, что обеспечивает высокую эксплуатационную готовность разрядного тока и сопровождающего тока, протекающего через УЗИП защищаемой установки. Не менее важным является то, что отсутствие сопровождающих токов позволяет свести к минимуму абразивное воздействие на внутренние части разрядника в результате очень низкого уровня выделяемой удельной энергии, что ведет в свою очередь к значительному увеличению срока жизни УЗИП.
УЗИП класса 2 – конструкция теплового расцепителя УЗИП класса 2 традиционно изготавливаются на базе варисторов. Особенности варисторов, перечисленные выше, делают данный компонент идеальным вариантом защиты от коммутационных импульсных воздействий. Однако варистор как полупроводниковый компонент обладает таким свойством, как ток утечки. По мере эксплуатации ток утечки неизбежно увеличивается и рано или поздно достигает критических значений, при которых происходит опасный нагрев варистора и возникновение пожароопасной ситуации. Поэтому обязательным элементом конструкции УЗИП должен быть встроенный тепловой расцепитель. С точки зрения обеспечения безопасности при аварийной ситуации (пробой варистора) конструкция УЗИП, включая тепловой расцепитель, должна надежно выдерживать динамическую силу тока короткого замыкания до срабатывания основного устройства защиты по максимальному току (автомат или предохранитель).
У производителя УЗИП есть два пути для обеспечения такой безопасности. Первый – указывать более низкие номиналы автоматических выключателей (предохранителей), которые должны быть установлены в цепи перед УЗИП. Второй – модифицировать конструкцию встроенного теплового расцепителя. В первом случае неизбежно использование отдельных дополнительных предохранителей для защиты самого УЗИП от возгорания при выходе из строя.
Компания «ОРТИС» в серии Safe Energy Control предлагает УЗИП класса 2 с усовершенствованной конструкцией теплового расцепителя. Во-первых, сведены к минимуму пути нагрева в конструкции расцепителя. Во-вторых, при размыкании проводящие элементы конструкции расцепителя надежно изолируются специальной шторкой. Это дает возможность обеспечить безопасную эксплуатацию УЗИП класса 2 серии Safe Energy Control без внешних дополнительных предохранителей при номинале основного автоматического выключателя до 315 А.
УЗИП класса 1+2 – что означает данная маркировка?
С точки зрения основного стандарта для силовых УЗИП МЭК 61643 (часть 11 – «Требования и методы испытаний») такая маркировка УЗИП, как класс 1+2 и тем более класс 1+2+3, не имеет смысла. Существует три класса испытаний УЗИП для цепей питания – класс 1, класс 2, класс 3.
УЗИП класса 1 априори сможет пройти испытания по классу 2. Указывать эти сведения в маркировке УЗИП или нет стандартом не предусмотрено.
В настоящее время в основном все предлагаемые УЗИП с маркировкой класса 1+2 представляют собой устройства, для которых проводят испытания по двум классам: 1 и 2. В данных устройствах функцию двух ступеней защиты на каждом полюсе (УЗИП класса 1 и УЗИП класса 2) выполняет один компонент. Чаще всего – это варистор с достаточно высокой устойчивостью к импульсному току Iimp, чтобы пройти испытания по классу 1. Иногда это искровой разрядник, у которого присутствует дополнительная электроника в схеме, для того чтобы обеспечить уровень защиты Up (импульсное перенапряжение, при котором гарантированно сработает УЗИП) достаточно низким, чтобы использовать его в качестве второй ступени защиты.
Первой компанией, предложившей на промышленном рынке обозначение «класс 1+2» для силовых УЗИП, была компания «Феникс Контакт». Это было в 2004 году, когда была выпущена серия
УЗИП FLASHTRAB Compact. Однако под этой маркировкой подразумевалась следующее – в одном устройстве на каждом полюсе параллельно установлены две независимые и скоординированные между собой ступени защиты: 1-я ступень – искровой разрядник, 2-я ступень – варистор. В начальный момент возникновения внешнего импульсного воздействия первым в работу включается варистор, если фронт импульса продолжает нарастать, то в определенный момент в работу включается искровой разрядник и забирает на себя всю мощность. Это не допускает перегрузку варистора, обеспечивает большую скорость срабатывания. Если воздействие было небольшой амплитуды по току, то сработает только варистор, причем на более низком уровне защиты UP. Такая конструкция позволяет еще более эффективно использовать ресурс защитных компонентов УЗИП, а также обеспечить наилучший режим работы для защищаемого оборудования.
В серии Safe Energy Control заказчик имеет возможность выбрать: УЗИП класса 1+2 в общепринятом смысле, когда используется один компонент (в нашем случае это искровой разрядник) в качестве двух ступеней защиты; или УЗИП класса 1+2 специального исполнения, в котором присутствуют две независимые ступени защиты.
Заключение
Перечисленные особенности позволяют компании «Феникс Контакт» позиционировать УЗИП разных классов, входящих в серию Safe Energy Control, как изделия, оптимально сбалансированные с точки зрения безопасности эксплуатации, надежности, долговечности и высоких заявленных характеристик.
.png){kind=small}
