Импульсное напряжение что это
Что такое ограничители импульсных перенапряжений
В промышленных и бытовых электрических сетях устанавливается оборудование, которое работает в заданных пределах силы тока и напряжения. Однако на питающих трансформаторных подстанциях, мощных силовых электродвигателях приходится периодически менять режимы работы. Переходной процесс характеризуется резким импульсным повышением электрических параметров сети. Наиболее опасными являются атмосферные разряды в виде молний, где импульсный скачок перенапряжения достигает критической величины способной вывести из строя электрическое оборудование. Для предотвращения таких аварийных ситуаций используется ограничитель импульсных напряжений.
Принцип работы
В импульсных переходных процессах изменение напряжения происходит значительно быстрее, чем силы тока. Поэтому классические всем известные защитные автоматы по току здесь будут неэффективны. Наличие в составе ограничителя с полупроводниковым элементом, имеющим нелинейную вольтамперную характеристику, обеспечивает приборы электрической сети защитой от высокого импульса напряжения.
Как видно из графика, при номинальном значении напряжения сопротивление полупроводника (его называют варистором) достаточно большое и ток, проходящий через него практически нулевой (зона 1). При действии на варистор высоковольтных импульсов (зона 2) сопротивление его резко уменьшается, приближаясь к почти нулевому значению (зона 3). В таком варианте варистор ограничителя будет выступать в качестве шунтирующего соединения воспринимающего на себя всю токовую нагрузку, которая направляется на заземляющий контур.
Конструкция
Кроме основного элемента — варистора с нелинейными характеристиками, ограничитель перенапряжения отличает специальный корпус из фарфора или полимера. Сам варистор изготавливается в большинстве случаев из вилитовых дисков (из особого керамического состава с основой в виде оксидов цинка со специальными добавками). Диски покрываются изолирующей обмазкой и устанавливаются в корпусе.
В зависимости от условий эксплуатации ограничители перенапряжения могут иметь различные исполнения.
На изображении цифрами обозначены следующие конструктивные элементы:
Технические характеристики
Помимо конструктивного исполнения не менее важным фактором при выборе необходимого ограничителя (импульсных) перенапряжений (ОПН) служат его следующие основные технические параметры.
Классификация ограничителей (импульсных) перенапряжений определяется государственными стандартами. В нормативных документах обозначаются основные требования к устройствам защиты в зависимости от характера источника. Различаются следующие группы защиты от перенапряжения:
В зависимости от принадлежности к конкретному виду решаемого вопроса ограничители импульсных перенапряжений могут отличаться друг от друга такими параметрами.
Керамические ОПН обладают хорошей устойчивостью к солнечному свету, имеют достаточную механическую прочность, что расширяет возможности эксплуатации в разных условиях. Ограничивают применение лишь большие весовые характеристики и характер распространения осколков при разрыве с точки зрения безопасности.
Полимерные ОПН успешно конкурируют с фарфоровыми. При многократно меньших весовых характеристиках и практически безопасным в случае разрушения избыточным давлением, они нисколько не уступают по диэлектрическим свойствам. К недостаткам относится способность к покрытию поверхности пылью, что повышает ток утечки и вызывает пробой изоляции. В эксплуатации они больше подвержены влиянию солнечной радиации и колебаниям температур внешней среды, чем фарфоровые ограничители (импульсных) перенапряжений.
Что означает аббревиатура УЗИП
УЗИП расшифровывается, как устройство защиты от импульсных перенапряжений. В перечень входящих в УЗИП приборов кроме ограничителей перенапряжения входят уже устаревающие вентильные и искровые разрядники. Последние применяются в сетях высокого напряжения (ЛЭП).
Применение в качестве материала варисторов полупроводников, позволило сделать габариты УЗИП настолько компактными, что стало возможным применение в качестве защиты от импульса напряжения в частных домах и квартирах.
Как подключить УЗИПы в домашних условиях
Правила устройства энергоустановок регламентируют обязательную установку УЗИП в домах, где электроснабжение производится проводами воздушных линий и с относительно длительным периодом наличия гроз. На рынке присутствует большое количество моделей УЗИП таких, например, как ограничители импульсных напряжений ОИН 1, ОПС 1, ОПН — РВ и много других, габариты которых позволяют разместить их во вводном щитке электроснабжения частного дома.
Электроснабжение дома может быть организовано по однофазной или трехфазной схемах. Различными могут быть и организация системы заземления домашней электросети.
На представленном ниже изображении — схема подключения УЗИП в однофазную электрическую схему. Система заземления с двумя нулевыми проводами: один выступает в качестве нейтрального проводника соединенного с землей, а второй используется как защитный провод.
На следующем изображении представлена схема подключения УЗИП в трехфазную электрическую схему. Конструкция устройства защиты и счетчика выполнены для трехфазной сети. Заземление оборудовано по тому же принципу, что и в примере с подключением в однофазную цепь.
Рекомендации по монтажу
Если следовать рекомендациям по установке и подключению ограничителя импульсных перенапряжений, устройство будет гарантировать безопасную работу бытового оборудования.
Удары молнии, обрывы линий электропередач или аварии на трансформаторных подстанциях предсказать невозможно. Установка ОПН защитит от непредвиденных неприятностей.
Видео по теме
Пульсирующий ток
Пульсирующие токи, которые имеют неизменное направление, но меняют свое значение, могут быть различными. Иногда значение тока изменяется от наибольшего значения до наименьшего, не равного нулю. В других случаях ток уменьшается до нуля. Если цепь постоянного тока прерывается с некоторой частотой, то в течение некоторых промежутков времени ток в цепи отсутствует.
На рис. 1 показаны графики различных пульсирующих токов. На рис. 1, а, б изменение токов происходит по синусоидальной кривой, но эти токи не следует считать синусоидальными переменными токами, поскольку направление (знак) тока не изменяется. На рис. 1, в представлен ток, состоящий из отдельных импульсов, т. е. кратковременных «толчков» тока, разделенных друг от друга паузами большей или меньшей длительности, и его часто называют импульсным током. Различные импульсные токи отличаются друг от друга формой и длительностью импульсов, а также частотой их следования.
Пульсирующий ток любого вида удобно рассматривать как сумму двух токов — постоянного и переменного, называемых слагающими, или составляющими, токами. Всякий пульсирующий ток имеет постоянную и переменную составляющие. Многим это кажется странным. Действительно, ведь пульсирующий ток является током, идущим все время в одном направлении и изменяющим свое значение.
Рис. 1. Графики различных пульсирующих токов
Сложение постоянного и переменного токов можно показать графически. На рис. 2 изображены графики постоянного тока, равного 15 мА и переменного тока с амплитудой 10 мА. Если сложить значения этих токов для отдельных моментов времени, учитывая направления (знаки) токов, то получится график пульсирующего тока, показанный на рис. 2 жирной линией. Этот ток меняется от наименьшего значения 5 мА до наибольшего значения 25 мА.
Рассмотренное сложение токов подтверждает справедливость представления пульсирующего тока как суммы постоянного и переменного токов. Правильность такого представления подтверждается еще и тем, что с помощью некоторых приборов можно отделить друг от друга составляющие этого тока.
Рис. 2. Получение пульсирующего тока путем сложения постоянного и переменного токов.
Следует подчеркнуть, что любой ток всегда можно представить в виде суммы нескольких токов. Например, ток 5 А можно считать суммой токов 2 и 3 А, протекающих в одном направлении, или суммой токов 8 и 3 А, протекающих в разных направлениях, т. е. иначе говоря, разностью токов 8 и 3 А. Нетрудно подобрать и другие комбинации двух или большего числа токов, дающих в сумме ток 5 А.
Здесь имеется полное сходство с принципом сложения и разложения сил. Если на какой-либо предмет действуют две одинаково направленные силы, то их можно заменить одной суммарной силой. Силы, действующие в противоположных направлениях, можно заменить одной разностной силой. И, наоборот, данную силу всегда можно считать суммой соответствующих одинаково направленных сил, или разностью противоположно направленных сил.
Постоянный или синусоидальный переменный ток нет необходимости разлагать на составные токи. Если же заменить пульсирующий ток суммой постоянного и переменного токов, то, применяя к этим составляющим токам известные законы постоянного и переменного токов, можно решать многие вопросы и делать необходимые расчеты, относящиеся к пульсирующему току.
Понятие о пульсирующем токе как о сумме постоянного и переменного токов является условным. Нельзя, конечно, считать, что в некоторые промежутки времени по проводу действительно протекают навстречу друг другу постоянный и переменный токи. Никаких двух встречных потоков электронов на самом деле нет.
В действительности пульсирующий ток представляет собой единый ток, изменяющий свое значение во времени. Более правильно говорить о том, что пульсирующее напряжение или пульсирующая ЭДС могут быть представлены в виде суммы постоянной и переменной составляющих.
Например, на рис. 2 показано как складываются алгебраически постоянная ЭДС одного генератора с переменной ЭДС другого генератора. В результате имеем пульсирующую ЭДС, вызывающую соответствующий пульсирующий ток. Однако, можно условно считать, что постоянная ЭДС создает в цепи постоянный ток, а переменная ЭДС — переменный ток, которые, складываясь, образуют пульсирующий ток.
Каждый пульсирующий ток можно характеризовать максимальным и минимальным значениями Iтах и Iтin, а также его постоянной и переменной составляющими. Постоянная составляющая обозначается I0. Если переменная составляющая является синусоидальным током, то ее амплитуду обозначают Iт (все эти величины показаны на рис. 2).
Не следует смешивать друг с другом Iт и Iтах. Также не следует называть амплитудой максимальное значение пульсирующего тока Iтах. Понятие амплитуды принято относить только к переменным токам. Применительно к пульсирующему току можно говорить лишь об амплитуде его переменной составляющей.
Постоянная составляющая пульсирующего тока может быть названа его средним значением Iср, т. е. средним арифметическим. Действительно, если рассмотреть изменения за один период пульсирующего тока, показанного на рис. 2, то хорошо видно следующее: за первый полупериод к току 15 мА добавляется ряд значений переменкой составляющей тока, изменяющихся от 0 до 10 мА и опять до 0, а во время второго полупериода точно такие же значения тока вычитаются из тока 15 мА.
Следовательно, ток 15 мА действительно является средним значением. Поскольку ток представляет собой перенос электрических зарядов через поперечное сечение провода, то Iср есть значение такого постоянного тока, который за один период (или за целое число периодов) переносит такое же количество электричества, как и данный пульсирующий ток.
У синусоидального переменного тока значение Iср за период равно нулю, так как количество электричества, прошедшее, через поперечное сечение провода за один полупериод, равно количеству электричества, которое проходит в обратном направлении за другой полупериод. На графиках токов, показывающих зависимость тока i от времени t, количество электричества, переносимое током, выражается площадью фигуры, ограниченной кривой тока, так как количество электричества определяется произведением it.
Для синусоидального тока площади положительной и отрицательной полуволн равны. У пульсирующего тока, показанного на рис.2, в первый полупериод к количеству электричества, переносимому током Iср, добавляется количество электричества, переносимое переменной составляющей тока (заштрихованная площадь на рисунке). А во второй полупериод точно такое же количество электричества вычитается. В результате за целый период переносится такое же количество электричества, как при одном постоянном токе Iср, т. е. площадь прямоугольника Iср Т равна площади, ограниченной кривой пульсирующего тока.
Таким образом, постоянная составляющая, или среднее значение тока, определяется переносом электрических зарядов через поперечное сечение провода.
Уравнение тока, показанного на рис. 2, очевидно должно быть написано в следующем виде:
Мощность пульсирующего тока следует вычислять как сумму мощностей составляющих его токов. Например, если ток, показанный на рис.2, проходит через резистор сопротивлением R, то его мощность
где I = 0,7Im — действующее значение переменной составляющей.
Можно ввести понятие о действующем значении пульсирующего тока Iд. Мощность при этом вычисляется обычным способом:
Приравнивая это выражение к предыдущему и сокращая на R, получим:
Такие же соотношения могут быть получены и для напряжений.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
импульсное перенапряжение
импульсное повышение электропитания
импульсное повышение напряжения
—
[Л.Г.Суменко. Англо-русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.]
spike
Sharp high voltage increase (lasting up to 1mSec).
[http://www.upsonnet.com/UPS-Glossary/]
Параллельные тексты EN-RU
Surges are caused by nearby lightning activity and motor load switching
created by air conditioners, elevators, refrigerators, and so on.
[APC]
ВОПРОС: ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ ИСТОЧНИКОМ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ПОМЕХ?
ВОПРОС: КАК ОПАСНОЕ ИМПУЛЬСНОЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ МОЖЕТ ПОПАСТЬ В МОЮ СЕТЬ И НАРУШИТЬ РАБОТУ ОБОРУДОВАНИЯ?
ВОПРОС: ПОЧЕМУ ПРОБЛЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ОСТРО ВСТАЛА ИМЕННО В ПОСЛЕДНЕЕ ВРЕМЯ?
Эта проблема приобрела актуальность в связи с интенсивным внедрением чувствительной электроники во все сферы жизни. Учитывая возросшее количество информационных линий (связь, телевидение, интернет, ЛВС и т.д.) как в промышленности, так и в быту, становится понятно, почему защита от импульсных перенапряжений и приобрела сейчас такую актуальность.
Перенапряжением называется любое превышение напряжения относительно максимально допустимого для данной сети. К этому виду сетевых помех относятся как перенапряжения связанные с перекосом фаз достаточно большой длительности, так и перенапряжения вызванные грозовыми разрядами с длительностью от десятков до сотен микросекунд. Методы и средства борьбы зависят от длительности и амплитуды перенапряжений. В этом отношении импульсные перенапряжения можно выделить в отдельную группу.
Под импульсным перенапряжением понимается кратковременное, чрезвычайно высокое напряжение между фазами или фазой и землей с длительностью, как правило, до 1 мс.
При наличии системы громоотвода импульс разряда распределяется между громоотводом, сетью питания, линиями связи и бытовыми коммуникациями. Характер распределения во многом зависит от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций.
Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности, сопровождающуюся радиочастотными помехами широкого спектра. Природа возникновения помех приведена на примере ниже.
Например при отключении разделительного трансформатора мощностью 1кВА 220\220 В от сети вся запасенная трансформатором энергия «выбрасывается» в нагрузку в виде высоковольтного импульса напряжением до 2 кВ.
Мощности трансформаторов в энергосети значительно больше, мощнее и выбросы. Кроме того переключения сопровождаются возникновением дуги, являющейся источником радиочастотных помех.
Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования интересен тем, что хоть и имеет небольшую энергию, но разряжается в непредсказуемом месте.
Форма и амплитуда импульсного перенапряжения зависят не только от источника помехи, но и от параметров самой сети. Не существует два одинаковых случая импульсного перенапряжения, но для производства и испытания устройств защиты введена стандартизация ряда характеристик тока, напряжения и формы перенапряжения для различных случаев применения.
Так для имитации тока разряда молнии применяется импульс тока 10/350 мкс, а для имитации косвенного воздействия молнии и различных коммутационных перенапряжений импульс тока с временными характеристиками 8/20 мкс.
Таким образом, если сравнить два устройства с максимальным импульсным током разряда 20 кА при 10/ 350 мкс и 20 кА при импульсе 8/20 мкс у второго, то реальная «мощность» первого примерно в 20 раз больше.
Существует четыре основных типа устройств защиты от импульсного перенапряжения:
1. Разрядник
Представляет собой ограничитель перенапряжения из двух токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При существенном повышении напряжения между пластинами возникает дуговой разряд, обеспечивающий сброс высоковольтного импульса на землю. По исполнению разрядники делятся на воздушные, воздушные многоэлектродные и газовые. В газовом разряднике дуговая камера заполнена инертным газом низкого давления. Благодаря этому их параметры мало зависят от внешних условий (влажность, температура, запыленность и т.д.) кроме этого газовые разрядники имеют экстремально высокое сопротивление (около 10 ГОм), что позволяет их применять для защиты от перенапряжения высокочастотных устройств до нескольких ГГц.
При установке воздушных разрядников следует учитывать выброс горячего ионизированного газа из дуговой камеры, что особенно важно при установке в пластиковые щитовые конструкции. В общем эти правила сводятся к схеме установки представленной ниже.
Время срабатывания менее 25 нс. Максимальный импульсный ток от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс.
Однако при прямом попадании молнии в электросеть может нарушиться целостность изоляции первичной обмотки и трансформатор выходит из строя.
4. Защитный диод
Защита от перенапряжения для аппаратуры связи. Обладает высокой скоростью срабатывания (менее 1 нс) и разрядным током 1 кА при токовом импульсе 8/20 мкс.
Все четыре выше описанные ограничителя перенапряжения имеют свои достоинства и недостатки. Если сравнить разрядник и варистор с одинаковым максимальным импульсным током и обратить внимание на длительность тестового импульса, то становится ясно, что разрядник способен поглотить энергию на два порядка больше, чем варистор. Зато варистор срабатывает быстрее, напряжение срабатывания существенно ниже и гораздо меньше помех при работе.
Разделительный трансформатор, при определенных условиях, имеет безграничный ресурс по защите нагрузки от импульсного перенапряжения (у варисторов и разрядников при срабатывании происходит постепенное разрушение материала элемента), но для сети 100 кВА требуется трансформатор 100кВА (тяжелый, габаритный и довольно дорогой).
Следует помнить, что при отключении первичной сети трансформатор сам по себе генерирует высоковольтный выброс, что требует установки варисторов на выходе трансформатора.
Одной из серьезных проблем в процессе организации защиты оборудования от грозового и коммутационного перенапряжения является то, что нормативная база в этой области до настоящего времени разработана недостаточно. Существующие нормативные документы либо содержат в себе устаревшие, не соответствующие современным условиям требования, либо рассматривают их частично, в то время как решение данного вопроса требует комплексного подхода. Некоторые документы в данный момент находятся в стадии разработки и есть надежда, что они вскоре выйдут в свет. В их основу положены основные стандарты и рекомендации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК).
Чем опасно импульсное перенапряжение для бытовых электроприборов?
Изоляция любого электроприбора рассчитана на определенный уровень напряжения. Как правило электроприборы напряжением 220 – 380 В рассчитаны на импульс перенапряжения около 1000 В. А если в сети возникают перенапряжения с импульсом 3000 В? В этом случае происходит пробои изоляции. Возникает искра – ионизированный промежуток воздуха, по которому протекает электрический ток. В следствии этого – электрическая дуга, короткое замыкание и пожар.
Заметьте, что прибой изоляции может возникнуть, даже если у вас все приборы отключены от розеток. Под напряжением в доме все равно останутся электропроводка, распределительные коробки, те же розетки. Эти элементы сети также не защищены от импульсного перенапряжения.
Причины возникновения импульсного перенапряжения.
Одна из причин возникновения импульсных перенапряжений это грозовые разряды (удары молнии). Коммутационные перенапряжения которые возникают в результате включения/отключения мощной нагрузки. При перекосе фаз в результате короткого замыкания в сети.
Защита дома от импульсных перенапряжений
Существует частичная и полная защита устройствами УЗИП.
Частичная защита подразумевает защиту непосредственно от пробоя изоляции (возникновения пожара), в этом случае достаточно установить один прибор УЗИП на вводе электрощитка (защита грубого уровня).
При полной защите УЗИП устанавливается не только на вводе, но и возле каждого потребителя домашней электросети (телевизора, компьютера, холодильника и т.д.) Такой способ установки УЗИП дает более надежную защиту электрооборудованию.
Импульсное напряжение
Обычно импульсное напряжение возникает в результате резкого скакнувшего напряжения в какой-либо точке электросети. Вслед за скачком происходит восстановление напряжения. Его параметры за несколько миллисекунд достигают либо первоначальных, либо близких к ним значений.
Причины возникновения импульсного напряжения
Возникает импульсное напряжение по двум причинам:
· Его провоцируют грозовые явления;
· Оно создается из-за переходных процессов, характерных для коммутаций в системах электроснабжения.
Характеристики грозового и коммутационного импульса существенно отличаются. При грозовых явлениях импульсное напряжение возвращается к норме за 10-15 мкс, а при коммутационных сбоях восстановительный период занимает 10-15 мс.
Различаются эти импульсы и амплитудой: у грозового она в разы больше, чем у коммутационного. Предельные показатели тока, возникающего при разрядах молнии, находятся в диапазоне 200 до 300 кА. Впрочем, такие величины фиксируются нечасто. В большинстве случаев параметры тока укладываются в отрезок 30-35 кА.
Молния, прошедшаяся по воздушным линиям, гонит волну перенапряжения к сборным шинам электроподстанции. Сдержать ее способна сверхпрочная изоляция или защищающие разрядники. Остаточные параметры перенапряжения приравниваются к десяткам киловольт.
Коммутационное импульсное напряжение обусловлено индуктивными (те, что характерны для трансформаторов и двигателей) и емкостными (теми, что появляются в конденсаторных батареях и кабелях) перегрузками. Их образование провоцирует КЗ и его выключение.
Параметры коммутационного перенапряжения обусловлены видом сети (воздушная/кабельная), коммутации, коммутационных устройств, особенностями перегрузки. Для таких импульсов характерно колебательные затухающие повторяющиеся проявления, определяемые горением дуги.