Координация устройств защиты от перенапряжения

Грозовые импульсы содержат значительное количество энергии, которую необходимо отводить от уязвимого оборудования, которое является системой, которая должна быть защищена от импульсов. Электронное оборудование с маркировкой CE разработано с определенной встроенной устойчивостью к импульсным перенапряжениям в соответствии с IEC 61000-4-5. Этот уровень устойчивости будет достаточным для большинства офисных зданий, где уязвимое оборудование расположено далеко от входа в электрическую сеть. Поэтому оборудование, имеющее маркировку CE, будет хорошо работать без защиты от импульсных перенапряжений во многих средах. Однако, когда уязвимое оборудование установлено близко к входу в электрическую сеть или в наружном корпусе, особенно в районах с плохим физическим грунтом, таким как сухой песок или скала, часто необходимо добавлять внешние устройства защиты от импульсных перенапряжений (SPD). IEC рекомендует (IEC 61024), чтобы зоны молниезащиты (LPZ) были созданы для последовательного поэтапного снижения токов молнии, вплоть до встроенной устойчивости уязвимого оборудования. Количество требуемых зон зависит от конструкции, содержащей установку, и уязвимого оборудования. IEC 61024 требует, чтобы УЗИП устанавливалось на границе каждой зоны, а номинальные значения импульсного тока и напряжения отдельных УЗИП не должны превышаться. В этой статье объясняется цель и концепция координации устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗП) в соответствии со стандартом IEC 61312.

Цель координации

Последовательно снижать угрозу удара молнии поэтапно (УЗИП 1, 2 и 3) до достижения способности уязвимого оборудования выдерживать скачки напряжения, не превышая номинальные значения импульсного тока и напряжения отдельных УЗИП. 

ВариантI

Координационные концепции

ВариантI

Как показано на рисунке 1, номинальное напряжение УЗИП одинаково, а координация достигается путем разделения каждого УЗИП с помощью последовательного импеданса. Вариант I не рекомендуется МЭК, вероятно, потому, что он потребует приблизительно 30' (10 м) провода или отдельных индукторов между каждым УЗИП, что непрактично при установке оборудования вблизи входа в электрическую сеть или в наружных корпусах.

Вариант 2

На рисунке 2 показано, что номинальные напряжения УЗИП ступенчато изменяются. УЗИП в уязвимом оборудовании имеет самое высокое номинальное напряжение, а УЗИП 3, 2 и 1 имеют постепенно снижающиеся номинальные напряжения, гарантируя, что каждое вышестоящее УЗИП будет отводить постепенно более высокие токи. Вариант II трудно реализовать, поскольку большинство источников питания, систем бесперебойного питания и телекоммуникационных выпрямителей, рассчитанных на 230 В, используют входные УЗИП с номиналом 275 В. Поэтому понижение номинального напряжения приведет к разрушению УЗИП 1 и 2 обычными колебаниями напряжения в сети. Опыт показал, что колебания плюс 10%, приводящие к 250 В, не являются чем-то необычным.

 Вариант 2

Вариант 3

Shown in Figure 3, Variant III includes a component with a non-linear current/voltage characteristic, such as a spark gap. The SPD 1 spark gap would divert the majority of the surge current and output a combined wave (similar to ANSI/IEEE C62.41-1991, Category B3, Combination Wave, 3000 A, 6000 V) to downstream SPDs 2 and 3. The voltage ratings of SPD 2 and 3 are identical, but each device will handle considerably less current thanks to the much higher energy handling capability of spark gap SPD 1. Variant III is a better choice than I or II because the spark gap is insensitive to fluctuations in line voltage. However, spark gap follow-on, short-circuit current may be an issue and the Metal Oxide Varistors (MOVs) will still be sensitive to line voltage fluctuations.

  Variant III

Variant III is a better choice than I or II as the spark gap is insensitive to fluctuations in line voltage.

Variant IV

Figure 4 shows a two-port hybrid device that incorporates cascaded stages of SPDs internally coordinated with series impedances. A hybrid device can be designed to maximize performance while reducing the undesirable characteristics of spark gaps and SPDs based on varistor or silicon-avalanche-diode technology. The use of a hybrid device eliminates the need to coordinate surge protective devices, but does not eliminate sensitivity to prolonged line over voltage.

   Variant IV

Summary

Equipment designed to conform to CE requirements has a built-in surge immunity level that is sufficient in most office applications. However, equipment installed close to the electric service entrance or in an outdoor enclosure, particularly in areas with a large number of lightning days, requires additional protection – especially if the physical ground is poor. Surge protective devices require coordination to perform well. The remnant voltage of the SPD closest to the vulnerable equipment, shall not exceed its built-in immunity level. Coordination of surge protective devices is not always easy and the best solution may be a two-port, hybrid device, which will simplify the planning and installation process. Because high line voltage will destroy varistor and silicon-avalanche devices that are rated too close to the line voltage, this must be considered when planning for protection in areas with unstable power lines.