Преимущества 3PN УЗИП (УЗИП) по сравнению с 4P УЗИП в низковольтных системах

Преимущества 3PN УЗИП (УЗИП) по сравнению с 4P УЗИП в низковольтных системах

 

В низковольтных системах распределения переменного тока устройства защиты от перенапряжений (УЗИП) играют важную роль в защите электрооборудования от переходных перенапряжений. Среди конфигураций УЗИП обычно используются типы 3PN («3+1») и 4P («4+0»). В то время как обе конструкции используют компоненты ограничения напряжения (например, металлооксидные варисторы или MOV) для защиты фазы к нейтрали (LN) и фазы к земле (L-PE), их ключевое отличие заключается в компоненте защиты нейтрали к земле (N-PE). Это различие существенно влияет на их производительность в определенных условиях неисправности, делая УЗИП типа 3PN превосходным в сценариях, связанных с повышением потенциала нейтрали. В этой статье анализируется техническое обоснование этого преимущества.

 

Конструктивные различия между 3PN и 4P SPD

• УЗИП типа 4P: все четыре полюса (L1-N, L2-N, L3-N и N-PE) используют компоненты ограничения напряжения (MOV).  
• УЗИП типа 3PN: на полюсах LN используются MOV, а на полюсе N-PE — компонент переключения напряжения, обычно газоразрядная трубка (GDT).  

Это расхождение в конструкции защиты N-PE напрямую касается критического сценария неисправности: повышения потенциала нейтральной точки во время замыканий на землю трансформаторов среднего напряжения (СН) .

 

Возвышение нейтральной точки и его риски

В энергосистемах трансформаторы обычно заземляются в нейтральной точке. Когда в трансформаторе среднего напряжения происходит замыкание на землю, ток протекает через сопротивление заземления (Rg), повышая потенциал нейтральной точки (V _N ) в соответствии с законом Ома:  

V _N = I _ошибка X Rg

Например, согласно китайскому стандарту GB 50057-2010, Rg≤4Ω. Если ток короткого замыкания достигает 300 А (обычный порог для прерывания цепи), V _N  увеличивается до:  

V _N = 300AX 4Ω= 1200В

Это перенапряжение в 1200 В распространяется по нейтральному проводнику к нижестоящим системам. Стандарт GB/T 18802.11-2020 предписывает, чтобы УЗИП выдерживали испытание напряжением 1200 В на пути N-PE для имитации этого состояния.

 

Механизм отказа MOV в пути N-PE

В УЗИП типа 4P привод N-PE сталкивается с двумя проблемами в этом сценарии:  

1. Превышение напряжения фиксации: Перенапряжение 1200 В значительно превышает максимальное непрерывное рабочее напряжение (Uc) типичных MOV (например, 440-600 В). Это вызывает немедленный пробой.  

2. Тепловой разгон: После пробоя MOV проводит постоянный ток короткого замыкания. До того, как тепловой разъединитель сможет активироваться, рассеивание энергии (\(I^2t\)) часто приводит к перегреву, возгоранию или разрушению SPD.  

 

Преимущества GDT в УЗИП типа 3PN

В УЗИП типа 3PN варистор N-PE заменяется на газоразрядный варистор, который обеспечивает:  

1. Более высокое выдерживаемое напряжение: газоразрядные выключатели имеют более высокое напряжение пробоя (например, 600–1500 В), что позволяет им оставаться неактивными в нормальных условиях, но активироваться при сильных перенапряжениях, таких как короткое замыкание в 1200 В.  

2. Current Interruption Capability: Once triggered, GDTs extinguish the arc after the transient, preventing sustained conduction. This avoids thermal stress and ensures SPD survivability.  

3. Energy Coordination: The GDT’s delayed response aligns with upstream MOVs, enabling staged energy dissipation. MOVs handle fast transients (e.g., lightning surges), while the GDT addresses low-frequency, high-magnitude faults.  

 

Compliance with Standards and Safety

The GB/T 18802.11-2020 test validates that only SPDs with voltage-switching components (GDTs) in the N-PE path can safely endure 1200 V overvoltages. 4P-type SPDs, relying solely on MOVs, risk catastrophic failure in this scenario. The 3PN design thus aligns with regulatory requirements while enhancing fire safety and equipment reliability.

 

Conclusion

The 3PN-type SPD’s hybrid design —combining MOVs for L-N protection and a GDT for N-PE protection— provides a robust defense against neutral-point elevation faults. By mitigating thermal runaway risks and complying with rigorous testing standards, the 3PN configuration outperforms the 4P-type SPD in systems prone to ground faults. Engineers and designers should prioritize this topology in applications where neutral conductor overvoltages are a foreseeable risk, ensuring both compliance and operational resilience.