Руководство по заземлению устройств защиты от перенапряжения: обеспечение эффективного рассеивания энергии перенапряжения

Руководство по заземлению устройств защиты от перенапряжения: обеспечение эффективного рассеивания энергии перенапряжения

 

Устройства защиты от перенапряжений (УЗИП) являются важнейшими компонентами защиты электрических и электронных систем от кратковременных перенапряжений. Однако эффективность УЗИП в значительной степени зависит от грамотно спроектированной и реализованной системы заземления и выравнивания потенциалов. В настоящем руководстве изложены основные принципы, требования и передовые методы заземления, особенно при установке УЗИП, с акцентом на создание низкоомного пути для рассеивания импульсных токов, минимизацию разности напряжений и обеспечение безопасности системы.

Введение

Кратковременные перенапряжения, возникающие в результате ударов молнии (прямых или косвенных) или коммутационных операций в электросети, могут вызывать разрушительные токи в электроустановках. УЗИП выполняют роль защитников, отводя эти импульсные токи от чувствительного оборудования. Ключевым фактором, определяющим эффективность УЗИП, является путь к заземлению. Без низкоомного заземляющего соединения отведенная энергия импульсных перенапряжений не может быть безопасно рассеяна, что может привести к отказу УЗИП, повреждению оборудования или возникновению опасных напряжений прикосновения. В настоящем руководстве подробно описаны требования к заземлению, первостепенные для эффективной работы УЗИП.

 

Роль заземления в работе УЗИП 

УЗИП работает за счет быстрого изменения своего сопротивления в ответ на перенапряжение:

1. Ограничение напряжения: ограничивает напряжение до защитного уровня (Up), приемлемого для оборудования, подключенного ниже по цепи.

2. Отвод тока: обеспечивает низкоомный путь для отвода большого импульсного тока (Iimp, In) от защищаемой цепи.

3. Рассеивание энергии: импульсный ток должен безопасно отводиться в землю через систему заземления.

 

Основными функциями системы заземления для УЗИП являются:

Обеспечьте путь с низким импедансом: сведите к минимуму сопротивление и индуктивность на пути от УЗИП к заземляющему электроду, чтобы обеспечить быстрое протекание импульсного тока с минимальным повышением напряжения.

Установите опорный потенциал: создайте стабильную опорную точку (потенциал земли) для УЗИП, чтобы эффективно фиксировать напряжение.

Предотвращение опасной разницы потенциалов: убедитесь, что все токопроводящие части (корпуса оборудования, корпуса ОПН, металлические конструкции) соединены между собой и заземлены, что сводит к минимуму риск возникновения опасного напряжения прикосновения во время скачков напряжения.

Безопасное рассеивание энергии: дайте энергии перенапряжения безопасно рассеяться в земле.

Основные принципы заземления для УЗИП

1. Низкий импеданс имеет первостепенное значение: суммарное сопротивление и индуктивность (импеданс) заземляющего соединения УЗИП должны быть максимально низкими. Высокий импеданс приводит к значительному падению напряжения (V = I * Z) во время импульса, повышая напряжение на защищаемом оборудовании и потенциально превышая уровень защиты УЗИП (Up).

Short and Direct Paths: Earth conductors connecting the SPD must be as short and straight as possible. Avoid sharp bends and loops, as inductance increases with conductor length and loop area. Inductance is the dominant factor for fast-rising surge currents.

2.Adequate Conductor Size:Conductors must have sufficient cross-sectional area (CSA) to handle the maximum prospective surge current (Iimp or In as per the SPD classification and risk assessment) without fusing or causing excessive heating. Minimum requirements are typically defined in standards (e.g., IEC 62305, IEC 60364-4-44, NFPA 70/NEC) but often start at 6mm² (10 AWG) copper for Type 2 SPDs, increasing significantly for Type 1 SPDs (16mm² / 6 AWG or larger). Always consult SPD manufacturer specifications and relevant standards.

Minimizing Earth Loop Area:Connecting SPDs at different points (e.g., service entrance, sub-distribution) to different earth electrodes or long, separate earth paths can create large earth loops. Magnetic fields induced by surge currents flowing in these loops can couple voltages into sensitive data or control cables. Equipotential Bonding is the solution (see below).

3.Bonding is Integral: Earthing SPDs effectively requires Equipotential Bonding. This means connecting:

The SPD's earth terminal directly to the main earthing terminal (MET) or earthing busbar.

The MET to the earth electrode system.

All extraneous conductive parts entering the building (metal pipes, structural steel, cable sheaths, etc.) to the MET.

All exposed conductive parts of electrical equipment (enclosures) to the Protective Earth (PE) conductor, which is also connected to the MET.

The goal is to keep all metalwork at, or very near, the same potential during a surge event, preventing dangerous sparks or voltages between them.

 

Earthing System Components & SPD Connections

Earth Electrode System:The interface with the ground mass (earth rods, plates, meshes, foundations). Must have low earth resistance (target values depend on local regulations and risk, but often <10 Ohms is desirable, though lower impedance is more critical than ultra-low resistance alone for fast transients). Regular testing is essential.

Main Earthing Terminal (MET):The central point where the earth electrode conductor, protective conductors (PE), bonding conductors, and SPD earth conductors converge. This is the crucial hub for SPD earthing.

SPD Earth Conductor:

Must be a dedicated, insulated copper conductor (usually green/yellow).

Connected directly from the SPD's designated earth terminal to the MET or a dedicated SPD earthing busbar directly connected to the MET with a very short link.

Avoid: Daisy-chaining SPD earth connections or connecting them only to local equipment earth points that may have a longer, higher impedance path back to the MET.

Connection Method: Use reliable, corrosion-resistant methods (e.g., compression lugs, exothermic welding, approved clamping connectors). Ensure clean, tight connections with good metal-to-metal contact. Paint or corrosion must be removed at connection points.

 

Specific Considerations for Different SPD Types/Locations

Type 1 (Coordinated) SPDs (Service Entrance):Handle the largest surge currents (direct lightning partial currents). Require the most robust earthing:

Largest conductor size (often ≥16mm² / 6 AWG, potentially much larger).

Shortest possible path to MET/earth electrode (<0.5m ideal, <1m strongly recommended).

Direct connection to MET is mandatory. Bonding of incoming metallic services (power, telecom, water, gas) at this point is critical for equipotentiality.

Type 2 (Distributed) SPDs (Sub-distribution Boards): Handle induced surges. Earthing remains critical:

Conductor size typically 6-10mm² (10-8 AWG) minimum.

Connection directly to the local distribution board's earth bar, which must have a low-impedance connection back to the MET via the main PE conductor.

Ensure the PE conductor between boards is adequately sized.

Type 3 (Point of Use) SPDs: Mounted close to equipment. Usually plug-in or socket types. Rely on the fixed wiring's PE conductor. Emphasizes the importance of correct overall installation grounding/bonding.

Data/Communication Line SPDs:Require careful earthing relative to the power system SPDs to avoid creating ground loops. Best practice is to earth them to the same reference point (e.g., MET or local bonded earth bar) as the power SPD protecting the equipment they serve. Use shielded data cables with shields bonded at both ends where possible.

 

Common Earthing Pitfalls & Solutions

1.Long Earth Leads:

Problem:High inductance causes high voltage drop.

Solution: Mount SPD close to MET/earth bar; use shortest possible straight conductor.

2.Daisy-Chaining Earths:

Problem:Shared path increases impedance for downstream SPDs; failure of one connection compromises others.

Solution:Use "star" earthing – individual SPD earth leads to a common point (MET or SPD busbar).

3.Inadequate Conductor Size:

Problem:Conductor can fuse open or act as a fuse itself during large surge, rendering SPD useless.

Solution:Calculate/select based on SPD rating and standards; always err on larger size.

4.Poor Connections (Loose, Corroded):

Problem:High resistance/contact failure.

Solution:Use proper connectors, clean contact surfaces, tighten securely, protect from corrosion.

5.Separate/Isolated Earth Electrodes for SPDs:

Problem:Creates large potential differences between power system earth and SPD earth during a surge.

Solution:All SPDs must connect to the single, common earthing system (MET) of the structure.

6.Ignoring Bonding:

Problem:Dangerous touch voltages between earthed SPD and nearby bonded metalwork during a surge.

Solution:Implement comprehensive equipotential bonding as per standards.

 

Verification and Maintenance

Initial Verification:

Measure earth electrode resistance (Fall-of-Potential method).

Measure continuity of all earth and bonding conductors (low-resistance ohmmeter).

Visually inspect conductor sizes, routing (short/straight), connection quality, and labeling.

Periodic Maintenance:

Regular visual inspection of SPD status indicators and connections.

Retest earth electrode resistance periodically (especially in dry/corrosive soils) and after major modifications.

Check continuity of critical bonding connections.

Follow SPD manufacturer's recommended replacement schedule (SPDs degrade with use).

 

Standards and References  

Compliance with relevant national and international standards is essential. Key standards include:

IEC 62305 (Protection against Lightning - Parts 1-4): Comprehensive lightning protection, including SPD earthing/bonding (LPZ concepts).

IEC 60364 (Electrical Installations of Buildings): Especially Part 4-44 (Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances) and Part 5-54 (Earthing arrangements and protective conductors).

IEC 61643 (Low-voltage surge protective devices): Series covering SPD requirements and application.

IEEE 142 (Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems) - "Green Book".

IEEE 1100 (Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment) - "Emerald Book".

National Electrical Codes (e.g., NFPA 70/NEC Article 250, 285, 800, 810; BS 7671 Section 443, 534).