Компромиссная защита дома от импульсных перенапряжений

F15AL250V

 

Уличные терминальные испытания прошли, я бы даже сказал, скучно. Схема показала свою 100% живучесть и полное отсутствие склонности к возгораниям и взрывам.

Сначала ещё раз дважды долбанул импульсом от батареи конденсаторов связку предохранитель-варистор. Ещё дважды громыхнул мощный разряд, ещё больше обуглив клеммы. Результат: предохранитель цел, сопротивление варистора снизилось до 330 Ом.

160 Ампер от сварочника прошли беззвучно. Предохранитель не взорвался. И даже перегорел как-то скромно: нить на своем месте, а сопротивление бесконечно. Толстая нить отгорела где-то в месте сварки с колпачком.

Дальше испытание длительной подачей высокого напряжения на варистор. Не меньше пары минут жарил. Закрутились вентиляторы балластных электронагревателей, следовательно, сопротивление варистора упало до нуля. Из под корпуса пошел легкий дымок от нагретой изоленты. Её я использовал из экономии. В реальных фильтрах я использую слюду, которую купил в Китае из ремкомплекта для СВЧ печей. Там вообще не будет горючих материалов.

Варистор ушел с поля боя победителем: развалился только после демонтажа из клемм. В реальной схеме перегорели бы предохранители, а варистор своим коротким замыканием защищал бы цепь до конца.

Разрядник затрещал, засветился, засверкал хорошо заметно даже на ярком солнце. Закрутились вентиляторы балластных электронагревателей. И всё! После нескольких минут такого издевательства разрядник жив и невредим. Дальнейшие испытания бессмысленны.

Приступаем к реализации практических схем.

 

Из любопытства посмотрел все предохранители в наборе. Маркировка у них однотипная. Например, самый слаботочный предохранитель 0,2А у них промаркирован: F200mAL250V. Токи и напряжения, понятно. Буква F намекает на высокое быстродействие. Что означает буква L перед напряжением, не понял. Вы обычно в своих комментариях указываете маркировку, начинающуюся с первых двух букв. Специально заглянул на сайт Чип-Дипа. Там есть такие же стекляшки того же типа F, только цена там Чип-Диповская. В Китае набором я заказал раз в 10 дешевле, а так – один к одному.

 

L - низкая отключающая способность. max (35 А, 10*In). Интегралы Джоуля I²t [Дж/Ом] не нормированы, ни преддуговой, ни полный. Подробности смотрите ГОСТ Р МЭК 60127-2-2010 (https://clck.ru/H337c) и ГОСТ Р МЭК 60127-1-2005 (https://clck.ru/H339Z), миниатюрные предохранители для аппаратуры.

Соответственно самая простая конструкция, гашение дуги в воздухе, токоограничение практически отсутствует.

Я ссылаюсь на плавкие вставки для электрических сетей по ГОСТ Р МЭК 60269-1-2010 (https://clck.ru/H33HT).

Которые обычно имеют отключающую способность в районе 50...150 кА, эффективно гасят дугу в песке, соответственно для них есть требования на интегралы Джоуля I²t [Дж/Ом], как на преддуговой, так и на полный.

По-моему, достаточно популярный маленький типоразмер - 10х38 (ГОСТ 31196.2.1-2012 (IEC 60269-2-1:1987) https://clck.ru/H33gg). На мой взгляд, для использования совместно с УЗИП он слишком короткий, кроме того они не бывают больше gG 25. Но по крайней мере, если на PEN добрые электрики подадут фазу, он сможет самостоятельно гарантированно отключить, и варистор, и разрядник.

 

А вот и созрело первое практическое применение локального фильтра. Причем, он будет в самом сложном варианте. Предыстория: прошлой осенью я смонтировал и всю зиму успешно эксплуатировал блок управления вентиляцией. Его особенность в том, что успешно соединил несоединимое: настенный котёл с водяным калорифером. Меня активно отговаривали это делать: мол, глазом могрнуть не успеешь, а калорифер разморозится. Поэтому, я перестраховался - сделал максимальный приоритет безопасности. При любом подозрении на неисправность он сначала отключает вентилятор притока и закрывает клапан, а потом разбирается в причине сбоя. И получилась проблема с помехоустойчивостью. Приходишь зимой домой, снимешь свитер, прикасаешься рукой к вводному шкафу в метре от блока управления и … срабатывает RS-триггер защиты. Искорка электростатики, кто не знает, только с виду маленькая и безобидная. При электростатическом разряде перенапряжение достигает 40 кВ при токе до 70А, правда длится этот импульс до 120 нс.

Поэтому, хочу сделать такую схему:

Её особенность:

1. Три индуктивности на ферритовых кольцах на фазу, ноль и землю (именно с земли прилетает импульс от нашей электростатики).

2. Один фильтр синфазных помех.

3. Фазу защищаем предохранителем F0,5А, что будут достаточно для 10-ваттного импульсного блока питания нашего блока управления. На фазе же смонтирован и термопредохранитель. А на ноль ставим предохранитель F1А, обеспечивая таким примитивным образом минимальную селективность.

4. Перед фильтром синфазных помех ставим конденсатор класса Х1. После фильтра используем высоковольтные однонанофарадные конденсаторы в качестве У и Х фильтров.

5. Разрядник с варистором и балластным сопротивлением защищает цепь фаза-ноль. Землю защищает один разрядник без варистора.

6. И, наконец, через цепочку С4 – R2 мягко разряжаем на землю низковольтную общую шину.

Кто готов прокомментировать предложенные технические решения?

 

Как бы непонятно, какое влияние могут оказать однофарадные конденсаторы на наносекундные импульсы.
Извините, плохо прочитал, предложения по самодеятельности, но конденсаторы между L/N и PE должны быть нормальными Y конденсаторами, двойная изоляция, все дела.

Селективность есть у плавких вставок к которым предъявляются требования по токоограничению, интегралу Джоуля и отключающей способности, но и там она начинается с 1:1,6. А у малогабаритных стеклянных это ж вряд ли, и уж совсем заведомо не при 1:2.

Смысл установки разрядника последовательно с весьма и весьма маломощным варистором 14D431K - темен и непонятен вообще. И, особенно, в деле импульсов 120 нс.

Ну и номинал балластного сопротивления в деле импульсов 120 нс вызывает сомнения. Симулятор, что рассчитал? Да и при номинальном токе всего 0,5 А, его можно поставить "вдоль", а не "поперёк"

 

@Serge3leo, спасибо за комментарий! Отвечаю по пунктам:

Согласен. Внёс изменение в схему с учётом имеющихся у меня деталей. Тогда она будет выглядеть так:

А какое соотношение лучше? Тут тоже компромисс: при заземлении ТТ основные переняпряжения идут именно по линии земли. Поэтому, не хотелось бы слишком завышать номинал предохранителя на нуле.

Разрядник, какой есть. На испытаниях он вёл себя достойно. А какой варистор к нему лучше в пару? Без варистора между фазой и нулём один разрядник ставить нельзя из-за сопровождающего сетевого напряжения (и, соответственно, тока).

Тут не надо зацикливаться только на маломощных импульсах помех. Этой весной я уже зафиксировал наведённое перенапряжение от отдалённого грозового разряда. От них мы тоже, в меру сил, будем защищаться. Наносекундные импульсы помех – больше в ведении LC-фильтра.

Юмор оценил, но греть мы его просто так всё равно не будем. Даже током до 0,5А.

 

Лично моё мнение, либо поставить плавкие вставки для которых ГОСТ требует селективности, либо слово «селективность» забыть. В последнем случае на L поставить плавкую вставку исходя из минимума возможностей монтажных проводов/дорожек и разрядника P2 L-PE: дорожки - ?A, разрядник - 10А.

Насчёт пары варистор-разрядник, таковые пары используют в мощных УЗИП, испытываемых по классу 1 и устанавливаемых до счётчика, что бы исключить токи утечки мощного варистора. Недостатком таковой пары является большое суммарное напряжение Up, конечно, надо брать калькулятор, считать, но для импульса тока 3 kA вряд ли получится меньше 2000В. В общем, разрядник P1 - вреден, лучше исключить.

С балластным сопротивлением та же фигня, при импульсе тока 3 kA, оно добавит к импульсу напряжения ещё 1500 В. Пример разумного использования балластного сопротивления R1 (https://mysku.ru/blog/russia-stores/73387.html):


P. S.
Вы же вроде начинали осваивать какой-то калькулятор, думаю, надо продолжить.

P. P. S.
ГОСТы требуют, либо прямого соединения PE и металического корпуса, либо при наличии внутренного корпуса с двойной изоляцией, RC цепочки для снятия статики и т. п.

Но в вашем случае я внутренний изолирующий корпус не заметил, так что R2 и C5 выглядят опасными.

Смысл индуктивности PE L3 неясен, думаю, она тоже вредна и опасна.

P. P. P. S.
Насчёт TT. Честное TT по ПУЭ, территориально отделённую, с 20 м зонами нулевых потенциалов, можно сделать только на хуторе. Так что для электроустановки в сельской/городской застройке лучше переходить на TN-C-S, лично моё мнение. Ну, либо всё корректно рассчитать на калькуляторе.

 

@Serge3leo, спасибо!

Согласен, забываю. В моём случае это не особо критично.

Здесь не могу согласиться. Разрядник имеет практически нулевой ток утечки и полностью защищает варистор от деградации в режиме ожидания. Ценное свойство, от которого неразумно отказываться. А суммарное напряжение можно установить выбором соответствующего номинала варистора. Мои измерения мне показали, что падение напряжения на сработавшем разряднике около 60В + квалификационное напряжение варистора 430В, получаем около 500В. Меандр применяет варистор на 680В и ничего. Тот же Меандр на рабочих токах нагрузки до 63А использует варистор 20D681K! Так почему мне на токе 0,5А не хватит варистора 14D431K?

Тему смысла 0,5 оммного балластного сопротивления мы обсуждали выше. Имеет он свои и плюсы и минусы.

А вот за схему и тест УЗМ-51М огромное спасибо! Думаю, что УЗМ-51МД построено на той же базе, с тем же варистором в том же корпусе, не поддерживающем горение. А, значит, у себя на входе я всё же использую устройство защиты от дугового пробоя, поставив перед ним нормальные ножевые предохранители. Скоро займусь разработкой главного щита после счётчика.

В данном случае, мне непонятно, как там смоделировать импульсы перенапряжения. Да и с моделями варисторов и разрядников там туго. А остальное, наоборот, и так понятно.

Здесь Вы не поняли. Сейчас у меня в защищаемом устройстве управления применена не совсем удачная идея: низковольтный ноль схемы тупо заземлён. По уму его надо разделить от земли цепочкой из параллельно соединённых конденсатора и высокооммного резистора. Этот недочёт я и исправляю.

Индуктивность от заземляющего провода мы с Вами можем лицезреть на всех импортных устройствах защиты от дугового пробоя (там её роль выполняет скрученный провод). Встречается она и на ферритовом колечке в некоторых промышленных устройствах. Смысл её в подавлении помех от земли, которые вызывают сбои в работе высокоскоростных дискретных схем. В моей схеме от помех ложно срабатывает RS-триггер защиты, реализованный на TTL логике.

 

Как бы, если открыть документацию на разрядник, то он срабатывает на 600 В при скорости нарастания меньше 100 В/с и на 1300 В при скорости нарастания 1000 В/мкс.

У Вас для импульса 3 кА 8/20 скорость нарастания будет больше, таким образом пиковое напряжение на разряднике будет не менее 1300 В

Хм. Напряжение на варисторе будет равняться квалификационному напряжению при токе помехи 1 мА. А у Вас ток помехи 3 кА, при котором напряжение достигнет 960В.

Итого 2260 В плюс напряжение на вашем балластном сопротивлении.

По документации Меандр: уровень ограничения напряжения при токе помехи 100А, не более - 1,2 кВ.

А для тока помехи (импульса) 3 кА будет примерно 1,5 кВ, однако.

Они применяют варистор на 680В, что б получить Uc = 440В, т. е. что б при "обрыве нуля" или подаче "фазы на нуль", а так же при прочих КЗ, варистор не срабатывал, а срабатывало реле. Как УЗИП УЗМ-51М защищает только сам себя и изоляцию проводки.

Для варистора не вижу связи между током нагрузки и энергией поглощения.

Однако заметим, что при включении балластного сопротивления 1 кОм "по вдоль", они считают, что второй варистор 07D621K и вся остальная схема полностью защищены

Источником тока или источником напряжения заданной формы.

Ну, как бы существуют модели. Для варистора - формулы ВАХ, для разрядников имитационные.

Это, возможно, и "по уму", но только в том случае, если в "устройстве управления" КЗ на корпус исключено. Что в ГОСТах и написано.

Но если "низковольтный ноль схемы тупо заземлён", значит проектировщики допускают возможность такового КЗ.

Здесь некая путаница, однако, к УЗДП PE не подключается.

Если L3 - это скрученный нормальный провод PE адекватного сечения, хотя смысл и остаётся неясным, но не очень вредно.

 

600-вольтовый разрядник я ставлю между землёй и нулём. Там варистор вроде как не нужен. А в пару с варистором между фазой и нулём я ставлю 350-вольтовый разрядник.

У Меандра что, особый варистор? Судя по схеме и фото тот же 20D681K. А уж как они пишут свою документацию, вопрос к ним. Не может варистор 431 серии иметь при одинаковом токе больше падение напряжения, чем варистор 681 серии.

По поводу балластного сопротивления: его можно из этой схемы и убрать. При предохранителе 0,5А его изначальный смысл теряется.

Если он стоит на вводе (а там они и рекомендуют его ставить), то это вполне полноценный УЗИП, который первым и примет на себя удар входящего импульса перенапряжения. А уж какой класс УЗИП даст нам встроенный в УЗМ варистор 20D– навряд ли что-то лучше 3-го.

Понял Вашу мысль. Конечно, в ней есть рациональное зерно. Тем более, что на резисторе 0,5 Ом при токе 0,5А будет выделяться мощность всего 0,125 Вт. Но всё же, схема с этим тепловыделяющим резистором будет запихнута в маленькую замкнутую коробочку с чувствительным 85-градустным термопредохранителем. Можно попробовать провести эксперимент, насколько нагреется корпус резистора внутри коробочка при длительной подаче на него тока 0,5А.

Я был тем проектировщиком. Просто, после запуска системы зимой в реальную эксплуатацию надо было быстро как-то повысить помехоустойчивость, когда обнаружилась эта проблема. Вот я его временно и заземлил. А нет ничего постояннее временного.

 

Тогда пиковое напряжение не менее 900В

При пиковом токе 3 кА, примерно, у 14D431K - 960 В, у 20D681K - 1500 В.

 

@Serge3leo, так УЗМ-51 ставить в дом столь же опасно, как и чисто УЗИП или все-таки нет?

 

9 из 10 УЗИП имеют максимально допустимое длительное напряжение Uc меньше 300 В. Таким образом при "обрыве нуля" (старые неизолированые ВЛ) или при "подаче фазы на PEN" (ВЛИ СИПом, на которые залазят все, кому не лень), а так же при некоторых КЗ, они раскалятся и у них должна будет сработать термическая защита, причём без возгорания окружения (если повезёт).

И вероятность таких событий несколько выше, чем вероятность ПУМ в линию или дом. Например, у нас, в СССР, ГОСТ 32144-2013 констатирует положение дел, как: «...В среднем за год в точке присоединения возможны около 30 перенапряжений...» (>10% >253В), что как бы намекает на то, что раз в пять лет возможны перенапряжение >30% (>299В).

А для УЗМ-51М/УЗМ-50МД максимально допустимое длительное напряжение Uc = 440 В, так что в этой, более вероятной, части, проблем у них не ожидается. Но, заметим, их как УЗИП не тестировали. да они и функций УЗИП практически не выполняют.

P. S.
Большая часть сгоревших УЗИП это ранние УЗИП до выхода ГОСТ Р 51992-2011 (МЭК 61643-1:2005).

Например, ABB OVR315 с Uc = 250 В (!), рано или поздно, с высокой вероятностью должон привести возгоранию.

 

Скажем так, при ПУМ в линию или молниезащиту УЗМ взорвется с той же разрушительной силой, что и более мощный, но всеже неадекватный импульсу УЗИП?