УЗИП: что такое, принцип работы, классы и виды

Импульсные перенапряжения — частая причина выхода из строя чувствительной электроаппаратуры. Они возникают внезапно, продолжаются доли микросекунды и могут вывести из строя дорогостоящее оборудование, нарушить работу автоматики, вызвать возгорание и стать причиной отключения целых производственных участков.

Причины перенапряжений — разные. Это может быть прямой или близкий удар молнии, аварийное переключение в сети, запуск мощного двигателя или отключение трансформатора. Во всех подобных случаях в сети появляется короткий, но очень мощный скачок напряжения, который «пробивает» изоляцию и сжигает чувствительные компоненты.

Автоматические выключатели, ВДТ, АВДТ не реагируют на такие импульсы: они рассчитаны на другие типы токов. Для защиты от перенапряжений применяют УЗИП (расшифровка: устройство защиты от импульсных перенапряжений). Задача такого устройства — быстро «поймать» импульс, отвести его в заземление и тем самым защитить оборудование.

В статье мы подробно разберем, что такое УЗИП, как они работают и каких типов бывают.

Что такое УЗИП в электрике

Это устройство, основная функция которого — отвод в землю опасных высокоэнергетических импульсов, возникающих в электрических сетях. УЗИП не предотвращает появление перенапряжения, а ограничивает его уровень до безопасных значений.

Сферы применения:

• Жилые дома и квартиры. Особенно актуально при питании от воздушных линий (ВЛ), уязвимых к ударам молнии.
• Промышленные предприятия. Там работают дорогостоящие частотные приводы, системы управления, КИПиА — любое повреждение может привести к остановке процесса.
• Объекты с IT-инфраструктурой — серверные, ЦОДы, сетевое оборудование.
• Общественные здания и учреждения — школы, больницы, ТРЦ.
• Сельская местность — здесь нередко отсутствует молниезащита, а электросети проходят по открытому воздуху.

Если не установить УЗИП, импульс может пройти по проводке до конечного оборудования. Последствия бывают разные: выход из строя техники, повреждение изоляции и возгорание проводки, пробой компонентов в системах автоматики и сбои в контроллерах, угроза жизни и здоровью людей при пробое на корпус.

При этом автоматические выключатели и ВДТ не среагируют: импульс слишком короткий по времени и не вызывает длительной перегрузки, на которую они настроены.

Принцип действия

Импульсные перенапряжения бывают двух основных типов:

• Атмосферные — при прямом или близком ударе молнии.
• Коммутационные — при включении/отключении трансформаторов, двигателей, переключении в сетях.

В первом случае возникает волна 10/350 мкс, во втором — 8/20 мкс. Оба импульса несут в себе высокую энергию и опасны для электроустановок. Задача УЗИП — ограничить амплитуду импульса и быстро отвести ток в заземление, не допустив повреждения оборудования.

УЗИП включается в сеть параллельно нагрузке. При штатных условиях устройство находится в режиме ожидания, не влияя на работу сети. При скачке напряжения его сопротивление резко падает, что позволяет отвести ток импульса в сторону заземления. Как только напряжение стабилизируется, устройство автоматически возвращается в исходное состояние с высоким сопротивлением.

Конструкция

Основу большинства УЗИП составляют элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой — при превышении порогового напряжения они переходят в проводящее состояние. К таких элементам относятся:

• Варисторы — чувствительны к напряжению, работают быстро и компактно. Применяются в большинстве УЗИП класса II.
• Газоразрядники — выдерживают большие токи, но срабатывают чуть медленнее. Используются на первой ступени защиты и в условиях высокоэнергетических импульсов.

В комбинированных устройствах эти элементы могут работать совместно, обеспечивая как скорость отклика, так и высокую пропускную способность.

Типы (классы) УЗИП

Классы УЗИП определяются по тем нагрузкам и испытаниям, которым устройство должно соответствовать в зависимости от зоны установки и характера опасных импульсов в сети.

Класс I (тип 1)

Оптимален для защиты от последствий прямого удара молнии, когда разряд может попасть во внешнюю молниезащиту объекта или воздушную ЛЭП. Устанавливается на границе здания (зоны 0A и 0B), в главном вводном щите.

Испытывается импульсом тока с формой волны 10/350 мкс, а также разрядным током In (8/20 мкс) и напряжением 1,2/50 мкс. Устройства этого класса рассчитаны на максимально возможные токи и должны выдерживать сильные импульсы без разрушения.

Класс II (тип 2)

Используется для защиты внутренних электрических сетей от коммутационных и индуктированных перенапряжений, а также от остаточного импульса после срабатывания УЗИП класса I.
Устанавливается в распределительных и этажных щитах (зона 1). Испытывается токами с формой волны 8/20 мкс (In и Imax) и напряжением 1,2/50 мкс. Это самый распространенный класс для жилых и офисных объектов без внешней молниезащиты.

Класс III (тип 3)

Обеспечивает финальную ступень защиты — от остаточных перенапряжений и высокочастотных наводок. Предназначен для подключения непосредственно перед чувствительным оборудованием: компьютерами, приборами автоматики, бытовой электроникой и т.п.

Монтируется рядом с нагрузкой (зоны 2 и выше), в розетках, удлинителях, корпусах оборудования. Испытывается комбинированной волной: 1,2/50 мкс по напряжению и 8/20 мкс по току.
Также возможны комбинированные варианты (I+II, II+III, I+II+III), когда устройства успешно проходят испытания сразу по двум или трем классам. Они совмещают функции разных ступеней защиты и позволяют сократить количество модулей в щите, не снижая эффективность. Такие УЗИП часто применяют на ответственных объектах с ограниченным местом под монтаж.

Виды УЗИП

Чтобы правильно выбрать устройство защиты, важно понимать, чем различаются УЗИП не только по классу испытаний, но и по принципу действия и конструкции. Существует несколько классификаций.

По принципу действия

По принципу работы УЗИП делятся на три типа:

• Коммутирующие. Эти устройства в нормальном состоянии не пропускают ток и обеспечивают гальваническую развязку. При скачке напряжения резко переходят в проводящее состояние. Примеры: газоразрядники, искровые промежутки, тиристоры. Подходят для грубой защиты от высокоэнергетических импульсов. Ток утечки отсутствует.
• Ограничивающие УЗИП. Постепенно снижают сопротивление, пока оно не достигнет определенного уровня при росте напряжения и ограничивают амплитуду импульса. Чаще всего используют варисторы и супрессоры (TVS-диоды). В нормальном режиме через такие устройства проходит небольшой ток утечки. Обеспечивают высокую скорость реакции и точную защиту.
• Комбинированные УЗИП. Содержат оба элемента: коммутирующий и ограничивающий. На практике это, например, разрядник, включенный последовательно с варистором. Такая схема исключает ток утечки в покое и ограничивает напряжение при импульсе. Применяются в цепях, где нужна и энергоустойчивость, и точная фильтрация.

По назначению

Большинство УЗИП рассчитаны на защиту силовых цепей переменного тока, то есть фазных и нулевых проводников в однофазных и трехфазных сетях.

Также существуют УЗИП для информационных и телекоммуникационных линий: Ethernet, RS-485, телефонных каналов, видеонаблюдения и т. п.

Отдельную группу составляют УЗИП для солнечных электростанций (PV-систем).

По способу установки

Наиболее привычный вариант — это модульные УЗИП на DIN-рейку. Они устанавливаются в щитах рядом с автоматами и другими устройствами, имеют сменные модули и индикацию состояния. Это основной формат для УЗИП всех классов.

Для локальной защиты техники применяются встраиваемые УЗИП, размещенные внутри розеток, удлинителей или электронных блоков. Это устройства класса III, рассчитанные на небольшие токи, но способные «поймать» остаточное перенапряжение, прошедшее через предыдущие ступени защиты.

Также встречаются моноблочные и встраиваемые УЗИП, которые интегрируются в корпуса шкафов управления, промышленные контроллеры или нестандартные устройства.

Как выбрать УЗИП

Выбор УЗИП начинается с анализа условий эксплуатации и параметров электрической сети. Устройство должно соответствовать классу защиты, характеристикам сети и требованиям к установке. Ошибки на этом этапе могут привести к выходу из строя как самого УЗИП, так и защищаемого оборудования.

Что учитывать при выборе

УЗИП с любым рабочим элементом (варистором, разрядником) подбирается с учетом трех факторов:

• параметров сети — номинального напряжения, типа системы заземления.
• защитного эффекта — способности устройства пропускать нужный ток и ограничивать напряжение до безопасного уровня;
• монтажных условий — конструкции щита, способа подключения, места установки.

Основные параметры

• Un — номинальное напряжение сети, для которой предназначено устройство.
• Uc — максимально допустимое длительное рабочее напряжение, при котором УЗИП сохраняет работоспособность.
• Iimp — импульсный ток (форма волны 10/350 мкс), пропускаемый устройством без разрушения (для класса I).
• In — номинальный ток (форма волны 8/20 мкс), который устройство выдерживает многократно (для класса II).
• Imax — максимальный ток (8/20 мкс), который может быть пропущен однократно без повреждения (также для класса II).
• Up — уровень напряжения защиты на выводах УЗИП при заданном токе. Этот параметр должен быть ниже допустимого для оборудования.
• If — допустимый сопровождающий ток (актуально для моделей на основе разрядников).
• ta — время срабатывания УЗИП, чем оно меньше, тем быстрее устройство реагирует на импульс.

Уровни защиты по классам

В соответствии с ГОСТ Р МЭК 60664.1, уровень защиты УЗИП должен быть ниже, чем устойчивость оборудования к микросекундным импульсным помехам. Рекомендуемые значения:

• Класс I: ≤ 2,5 кВ;
• Класс II: ≤ 1,5 кВ;
• Класс III: ≤ 1,25 кВ.

Этапы выбора

1. Определите класс оборудования и допустимый уровень перенапряжения.
2. Оцените риски: зона молниезащиты, тип ЛЭП, наличие внешней молниезащиты.
3. Подберите нужный класс УЗИП в соответствии с условиями.
4. Выберите параметры Uc, Iimp, In, Up в зависимости от сети и требований к защите.
5. Убедитесь в совместимости УЗИП с монтажной схемой, местом установки и возможностью подключения заземления.

Монтаж и обслуживание

Даже правильно выбранное УЗИП может оказаться бесполезным, если нарушены правила установки. Ошибки при подключении, недостаточная защита самого устройства, плохое заземление — всё это может привести к выходу из строя не только УЗИП, но и защищаемого оборудования.

Место установки

Расположение УЗИП зависит от его класса:

• Класс I (тип 1) монтируется на вводе здания, до счетчика — особенно при наличии внешней молниезащиты или воздушной линии питания.
• Класс II (тип 2) устанавливается в распределительном щите внутри помещения.
• Класс III (тип 3) — ближе всего к нагрузке: в розетках, удлинителях, терминалах.

Важно соблюдать каскад: каждый следующий УЗИП устанавливается после предыдущего по схеме и на достаточном расстоянии.

Длина соединений и координация ступеней

При монтаже УЗИП необходимо свести к минимуму длину соединительных проводов между устройством и точками подключения:

• Общая длина провода (L+PE+заземление) не должна превышать 50 см, чтобы избежать увеличения остаточного напряжения.
• Между ступенями (I и II, II и III) должно быть расстояние не менее 10–15 метров кабеля. Если это невозможно — устанавливают координационный дроссель.

Нарушение этого правила может привести к тому, что слабый УЗИП примет на себя весь импульс и разрушится.

Подключение в зависимости от системы заземления

Схема подключения УЗИП зависит от типа заземляющей системы объекта:

• TN-C
  • Однофазная: варистор между L и PEN
  • Трехфазная: варисторы между L1…L3 и PEN
• TN-S
  • Однофазная: варистор между L и PE, и отдельно между N и PE
  • Трехфазная: варисторы между L1…L3 и PE, + N-PE
• TT
  • Варистор между фазой и нейтралью,
  • Разрядник между N и PE (важно при наличии УЗО, чтобы исключить ток утечки).

При монтаже в TT-сетях применение УЗИП без правильного заземления и без учета особенностей УЗО может привести к ложным срабатываниям или к опасному напряжению на корпусах оборудования.

Защита УЗИП от перегрузки

Если номинал автоматического выключателя выше, чем допустимый ток защиты УЗИП, перед ним устанавливают предохранитель:

• Класс I и I+II: не менее 125 А;
• Класс II и II+III: не менее 63 А;
• Класс III: не менее 16 А.

Встроенная термозащита

Для варисторных УЗИП критически важна термозащита: при многократных срабатываниях варистор деградирует, начинает пропускать ток в нормальном режиме и может перегреться. Чтобы избежать этого, конструкция устройства должна включать тепловой расцепитель, отключающий модуль при достижении критической температуры.

Проверка и обслуживание

Большинство современных моделей оснащаются:

• визуальными индикаторами состояния (например, зеленый — исправен, красный — отказ);
• контактами дистанционной сигнализации — для подключения к АСУ ТП или щитовой сигнализации;
• сменными модулями, которые можно заменить без демонтажа основания.

Проверка УЗИП должна входить в график планового обслуживания электроустановки. Особенно важно контролировать устройства в зонах с повышенной грозовой активностью, нестабильным напряжением или на объектах с непрерывным циклом работы.

Заключение

Теперь вы знаете, зачем нужно УЗИП. Импульсные перенапряжения могут возникнуть в любой сети: из-за грозовой активности, коммутационных процессов, переходных режимов. Один короткий импульс — и выходит из строя автоматика, блок питания, дорогостоящее оборудование. УЗИП позволяют свести риск к минимуму.

Если вы ищете проверенное решение, обратите внимание на УЗИП OptiDin OM от КЭАЗ. Это оборудование подходит для использования при создании системы электроснабжения коттеджей и частных домов, промышленных предприятий, базовых станций сотовых операторов и центров обработки данных.

Исправление орфографических ошибок

Если Вы заметили на сайте опечатку или неточность, мы будем признательны, если Вы сообщите об этом.

Выделите текст, который по Вашему мнению содержит ошибку, и нажмите на клавиатуре комбинацию клавиш: Ctrl + Enter