Работа УЗИП при ступенчатой защите

– Базелян Эдуард Меерович, руководитель лаборатории моделирования электрофизических процессов АО “Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского”, доктор технических наук, профессор

– Федоров Алексей Игоревич, главный специалист ООО “ДЕН РУС” (OOO “DEHN RUS”)

Рассматривая методику ограничения грозовых перенапряжений в низковольтных цепях, традиционно концентрируют внимание на электромагнитных наводках с крутым фронтом, когда приходится беспокоиться об инерционности перехода устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) в проводящее состояние. Как известно, время такого перехода для УЗИП коммутирующего типа на основе искровых разрядников близко к 100 нс, а для УЗИП ограничивающего типа на основе варисторов оно приблизительно в 4 – 5 раз короче. Тем не менее, запаздывание работы УЗИП даже в пределах 10 нс может оказаться опасным для современной электронной аппаратуры, время необратимых повреждений которой может оцениваться единицами наносекунд. Стремление сократить время перехода УЗИП в проводящее состояние  считается одной из традиционных проблем при их разработке.

Импульсные наводки с пологим фронтом представляются несопоставимо менее опасными и не привлекают к себе особого внимания, хотя для этого существуют достаточно весомые основания. Дело в том, что из-за крайне низкой электрической прочности элементов современной микроэлектроники часто приходится организовывать систему УЗИП с уровнем напряжения защиты порядка долей киловольт и ниже, используя для этой цели ступенчатое включение защитных приборов (рис. 1), когда электрическая цепь находится в зоне 0 и непосредственно доступна токам молнии.

Рис. 1 – Типичная схема включения УЗИП различных классов

Ситуация такого рода наиболее типична для воздушных линий 380/220 В и для подземных металлических коммуникаций, например, для экранированных кабелей. К установленным там УЗИП могут поступить полноценные десятки процентов тока молнии. Чтобы пропустить такой ток, приходится использовать энергоемкое УЗИП класса I, которое, как правило, будет иметь достаточно высокий уровень напряжения защиты, часто заметно превышающий напряжение, безопасное для защищаемого оборудования. Тогда параллельно УЗИП класса I следом за ним устанавливается УЗИП класса II, а затем, возможно, и класса III. Каждое из них последовательно снижает уровень напряжения защиты, в итоге опуская его ниже безопасного уровня.

В нормативных документах по электромагнитной совместимости говорится, что места установки УЗИП различных классов должны быть отделены друг от друга отрезками проводников длиной по 5 – 10 м или дросселями с индуктивностью порядка 10 мкГн, чтобы обеспечить селективную работу защитных устройств. Они должны работать строго по очереди, сначала УЗИП класса I, способное рассеять без вреда для себя большую энергию, а затем УЗИП более низких классов.

Режим  перераспределения импульсного тока молнии между установленными УЗИП производится на фронте импульса, часто очень существенно искаженного при распространении по коммуникациям длиной в сотни метров. Можно показать, что воздействие тока положительных молний с “аномально” длительным фронтом, равно как и существенно заваленные импульсы отрицательных молний могут стать серьезным препятствием для селективной работы УЗИП, хотя бы по той причине, что крутизна фронта тока определяет напряжение на согласующих индуктивностях, включенных между УЗИП различных классов.

Для анализа режимов нагрузки УЗИП приходится решать задачу о распределении импульсного тока между нелинейными элементами электрической цепи. Здесь целесообразно выделить два принципиально различных варианта. В первом из них УЗИП класса I и II выполнены на основе варисторов, но с различными вольтамперными характеристиками. Во втором варианте УЗИП класса I представляет собой искровой разрядник, а установленное следом за ним УЗИП класса II выполнено на основе варистора.

Рис. 2 – Идеализированная вольтамперная характеристика варисторов в рабочем диапазоне тока

В методическом отношении при анализе целесообразно сначала не принимать во внимание влияние разделительной индуктивности, положив УЗИП классов I и II включенными параллельно. Оценки, представленные ниже, выполнены для УЗИП на основе варисторов, вольтамперная характеристика которых в рабочем диапазоне токов  упрощенно представлена на рис. 2 и может быть выражена аналитически как

(1)

Пусть сначала оба варистора имеют характеристики с равными значениями угла наклона α и отличаются только начальными значениями U₀, например

U₀₁  > U₀₂

Тогда токи варисторов I₁ и I₂ при суммарном токе молнии I определяются уравнениями

I₁ + I₂  = I;          U₀₁ + αlnI₁ =  U₀₂ + αlnI₂ ,                                (2)

решение которых дает

   (3)

Из (3) следует, что в рассматриваемых условиях распределение суммарного тока не зависит от его величины, причем доля тока, ответвляющегося в варистор № 1 тем меньше, чем больше его начальное напряжение U₀₁  по сравнению с величиной U₀₂  и меньше значение  параметра α, определяющего тангенс угла наклона рабочего участка вольтамперной характеристики. Например, если рабочим является диапазон токов от 1 до 10 000 А,   напряжения U₀₁ = 2000 В, U₀₂ = 1000 В, а параметр α » 200, то ток нагрузки первого варистора составит всего 0,7% полного тока I. Таким образом, практически весь ток будет воспринят варистором с более низким падением напряжения, что гарантировано приведет к его разрушению. Как показывают расчеты, необратимое повреждение варистора в составе УЗИП класса II за счет выделения энергии, превышающей максимально допустимую, происходит уже при токе через него, превышающем 24% от нормированного импульса тока первого компонента молнии 10/350 мкс.

Другая предельная ситуация будет характеризовать параллельное включение варисторов, у которых начальные напряжения U₀₁ и U₀₂ равны, а параметры α₁ и α₂ различны. Тогда распределение тока по варисторам будет определяться системой уравнений

I₁ + I₂ = I;           α₁lnI₁ =  α₂lnI₂ ,                                                 (4)

Откуда следует выражение для тока

 (5)

Рис. 3 – Расчетное распределение суммарного тока по варисторам с различными параметрами α₁ и α₂, определяющими крутизну вольтамперной характеристики

Результаты численного решения уравнения (5) показаны на рис. 3 для различных значений  параметра K_α = α₁/α₂. Легко убедиться, насколько сильно влияние величины K_α на распределение суммарного тока по варисторам. Так, при случайном изменении одного из параметров α, определяющего крутизну вольтамперной характеристики, в пределах 20% (например, за счет деградации) токовая нагрузка может измениться в 2 – 4 раза. По указанной причине стабилизация режимов УЗИП при их параллельном включении является обязательной для  нормальной  работы.

Минимальное значение индуктивности можно оценить, положив, что с ее помощью обеспечивается выравнивание токовой нагрузки двух УЗИП с различными вольтамперными характеристиками. Если для этой цели снова использовать упрощенное представление характеристики, показанное на рис. 2, то при равенстве токов I₁ = I₂ = I/2 требуемое индуктивное падение напряжения определится как

  (6)

При типичных значениях  (U₀₂ – U₀₁) ≈ 1000 В и (α₂ – α₁) = 100 для суммарного тока I = 10000 А оценка по (6) дает U_L ≈ 1850 В. Для индуктивности порядка 10 мкГн требуемое падение напряжения будет обеспечено при средней крутизне фронта протекающего через нее тока A_I ≈ 1,85×10⁸ А/с. Если, как в рассматриваемом примере, рабочий диапазон УЗИП ограничен током 10 кА, то длительность фронта тока должна быть не более 50 мкс. Условие практически всегда выполняется непосредственно для импульсного тока первого компонента отрицательных молний и для последующих компонентов. Однако токи положительных молний уже могут создавать реальную проблему для работы многоступенчатой системы УЗИП, поскольку их фронт может иметь длительность порядка 100 мкс. Примерно такой же длительностью может характеризоваться фронт импульсов тока, поступающих к объекту по различным воздушным линиям и подземным коммуникациям длиной в сотни метров.

Специфическое положение возникает в условиях, когда УЗИП класса I выполнено на основе искрового разрядника. В этом случае до пробоя разрядника весь импульсный ток протекает через УЗИП класса II, основой которого является варистор. Сумма напряжения на варисторе и на разделительной индуктивности должна обязательно превысить пробивное напряжение разрядника. В противном случае он вообще не сработает и не примет на себя ток, что неизбежно приведет к разрушению УЗИП класса II.  Сформулированное условие приводит к соотношению

U_pI < U_L + U_pII ,

где U_pI и U_pII – уровни напряжения защиты соответствующих УЗИП. Отсюда следует оценка сверху для напряжения на разделительной индуктивности

U_L > U_pI – U_pII                                                            (7)

В практически значимых условиях значение разности в правой части неравенства (7) вполне может быть на уровне 2000 – 3000 В. Адресуясь к рабочему диапазону тока варистора до 10 000 А, легко убедиться, что ввод разделительной индуктивности порядка 10 мкГн далеко не всегда обеспечивает нужную последовательность работы УЗИП. Ситуация оказывается малоблагоприятной не только для положительных молний с “аномально” пологим фронтом, но и для отрицательных молний, когда их ток достигает УЗИП, распространяясь по ВЛ с низким сопротивлением заземления, либо по подземной коммуникации. В качестве примера на рис. 4 представлен расчетный импульс тока, который транспортировался к ПС по ВЛ длиной 300 м от точки удара молнии в сооружение с сопротивлением заземления 8 Ом; сопротивление заземления ПС принято равным 0,5 Ом. Расчет выполнялся для нормированного импульса тока первого компонента молнии 10/350 мкс. Можно видеть, что в конечном счете до ПС доходит почти 70% тока молнии. Однако, длительность фронта импульса возрастает на порядок величины. Численное дифференцирование показало, что максимальная крутизна деформированного фронта импульса снизилась здесь приблизительно до A_I = 2×10⁴I [А/с].

Рис. 4 – Расчетный импульс тока молнии, набегающий на ПС по ВЛ длиной 300 м.

При амплитудном значении тока в 10 кА и индуктивности 10 мкГн напряжение на УЗИП класса I поднимется всего до 2000 В и может не обеспечить пробоя

Рис.  5 – Расчетный импульс тока молнии, занесенный к заземлителю объекта по подземной коммуникации длиной 300 м в грунте с r = 100 Ом м.

искрового промежутка. Нужно отметить, что разобранный пример вовсе не воспроизводит экстремальную ситуацию. В реальных условиях деформация фронта импульса тока может быть в несколько раз сильнее.

Приблизительно столь же сильный завал фронта типичен для распространения тока то подземным коммуникациям, непосредственно контактирующим с грунтом своей металлической поверхностью. Характерно, что при этом заваливается не только фронт импульса, но и очень заметно снижается его амплитуда, от чего крутизна фронта уменьшается в еще большей степени. Сказанное демонстрируется результатами расчета диффузии в подземную коммуникацию импульса тока с прямоугольным фронтом длительностью 200 мкс (по уровню 0,5). Коммуникация длиной 300 м и радиусом 1 см располагалась на глубине 0,5 м в грунте с удельным сопротивлением 100 Ом м. Дальний конец коммуникации был заземлен через сопротивление 1 Ом. Расчет показывает, что амплитуда тока снизилась почти в 5 раз. При этом импульсное воздействие безусловно осталось опасным, поскольку даже средняя по силе молния с током 30 кА создаст на сопротивлении заземления в 1 Ом напряжение 6 кВ, способное повредить изоляцию сети 380/220 В.

Динамика изменения крутизны импульса, представленная на том же рисунке, показывает, что ее максимальное значение близко к 0,0016I₀ кА/мкс и, следовательно, ток молнии амплитудой I₀ = 30 кА создаст на разделительной индуктивности в 10 мкГн напряжение около 500 В, вряд ли достаточное для срабатывания УЗИП.

Выводы

-Оснащение УЗИП типовой индуктивностью, например, встроенным в его корпус дросселем без сердечника, далеко не всегда обеспечивает селективную работу защитных средств. Задача требует конкретных решений. Приходится сожалеть, что алгоритм их исполнения все еще не предусмотрен в существующих нормативных документах.

-С рассматриваемых позиций предпочтительным является применение комбинированных УЗИП класса I+II или I+II+III, сочетающих в себе высокую пропускную способность с низким уровнем напряжения защиты.

-Если применение комбинированных УЗИП по каким-либо причинам невозможно и используется ступенчатая схема защиты, следует отдавать предпочтение УЗИП класса I как можно с более низким уровнем напряжения защиты. В этом случае его своевременное срабатывание будет обеспечиваться в максимально большом числе практически значимых ситуаций с малым временем запаздывания даже при воздействии импульсов тока молнии с длительностью фронта порядка 100 мкс, а риск повреждения УЗИП последующих классов окажется минимальным. Следует отметить, что серийно выпускаются и доступны на мировом рынке УЗИП класса I на основе искровых разрядников с уровнем напряжения защиты U_p ≤ 1,5 кВ.