Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): принцип действия, классификация, применение и монтаж

Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) – это компонент электрической цепи, предназначенный для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсных токов. Его основная функция – защита электрооборудования от повреждений, вызванных коммутационными и грозовыми перенапряжениями. УЗИП не является устройством постоянной защиты от повышенного напряжения в сети (это функция реле напряжения), а работает в импульсном, кратковременном режиме, шунтируя опасную энергию на землю или между проводниками.

Физическая природа импульсных перенапряжений

Импульсные перенапряжения – это кратковременные (от микросекунд до миллисекунд) всплески напряжения, значительно превышающие номинальное значение сети. Их делят на два основных типа:

• Грозовые (атмосферные) перенапряжения. Возникают при прямом ударе молнии в линию электропередачи (ЛЭП) или вблизи нее, а также при ударе в молниеприемник и последующем растекании тока через систему заземления. Характеризуются высокой амплитудой тока (до 200 кА) и энергией. Также могут наводиться электромагнитным полем молнии в контурах здания.
• Коммутационные (внутренние) перенапряжения. Генерируются внутри электрических сетей при переключениях мощных индуктивных или емкостных нагрузок (трансформаторы, двигатели, конденсаторные батареи), работе сварочного оборудования, отключении автоматических выключателей, срабатывании устройств защиты, а также в результате静电ческих разрядов. Амплитуда обычно ниже, но частота возникновения значительно выше.

Принцип действия и основные компоненты УЗИП

В основе работы УЗИП лежит нелинейный элемент, резко изменяющий свое сопротивление при превышении порогового значения напряжения. В состоянии ожидания (при нормальном напряжении сети) сопротивление элемента велико, ток через него ничтожен. При возникновении импульса перенапряжения сопротивление элемента практически мгновенно падает до очень низкого значения, создавая путь для стока импульсного тока в землю или между фазами. После снятия импульса сопротивление вновь возрастает, и УЗИП возвращается в дежурный режим.

Основные нелинейные элементы, используемые в УЗИП:

• Варисторы на основе оксида цинка (ZnO). Наиболее распространенный элемент. Представляет собой керамический диск с добавками, обладающий выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Обладает высокой энергиопоглощающей способностью. После срабатывания под воздействием множества импульсов или одного сверхмощного его характеристики могут деградировать.
• Разрядники (искровые промежутки). Два или более электрода, разделенных воздушным или газонаполненным промежутком. При достижении определенного напряжения происходит пробой промежутка и зажигание дуги, шунтирующей импульс. Обладают высокой пропускной способностью по току, но большее время срабатывания (до сотен наносекунд) и могут требовать гашения дуги. Часто комбинируются с варисторами в гибридных схемах.
• Полупроводниковые ограничители (супрессоры, TVS-диоды). Обеспечивают самое быстрое время срабатывания (пикосекунды), но имеют ограниченную энергиопоглощающую способность. Применяются для защиты чувствительной электроники на конечном этапе.

Классификация УЗИП по типам (классам защиты) согласно ГОСТ Р МЭК 61643-1 и МЭК 61643-11

Классификация основана на месте установки УЗИП в системе электроснабжения и его испытательных параметрах. Применяется концепция каскадной (координационной) защиты.

Класс (Тип)	Место установки	Номинальный разрядный ток In (импульс 8/20 мкс)	Максимальный разрядный ток Imax (импульс 8/20 мкс)	Уровень защиты (при In)	Основное назначение
Тип 1 (Класс I)	Вводно-распределительное устройство (ВРУ) здания, главный распределительный щит (ГРЩ). Устанавливается на границе зоны LPZ 0-1.	25, 50 кА	50, 100 кА и выше	≤ 4 кВ	Защита от прямых ударов молнии и связанных с ними полных токов молнии (импульс 10/350 мкс). Обязательна при наличии внешней молниезащитной системы (МЗС) или воздушного ввода.
Тип 2 (Класс II)	Распределительные щиты этажные, щиты управления, вводные щиты квартир/офисов. Устанавливается в зоне LPZ 1-2 и далее.	5, 10, 15, 20 кА	10, 20, 40, 60 кА	≤ 2.5 кВ	Защита от остаточных перенапряжений, прошедших через УЗИП 1-го типа, и от коммутационных помех. Основной класс защиты для большинства распределительных сетей внутри здания.
Тип 3 (Класс III)	Непосредственно у защищаемого оборудования: розетки, удлинители, устройства встроенные в аппаратуру.	1.5, 3, 5 кА (комбинированная волна 8/20 мкс)	—	≤ 1.5 кВ	Окончательная, тонкая защита особо чувствительного электронного оборудования (ПК, медицинская техника, системы связи). Работает только в координированной связке с УЗИП Типа 2.
Комбинированный Тип 1+2	ВРУ/ГРЩ, особенно при ограниченном пространстве.	Сочетает параметры	Сочетает параметры	≤ 2.5 кВ	Выполняет функции обоих классов в одном модуле. Упрощает расчет и монтаж.

Ключевые технические характеристики и параметры УЗИП

• Номинальное напряжение U_c: Максимальное действующее значение переменного или постоянного напряжения, которое может быть приложено к УЗИП длительно без нарушения его работоспособности. Должно превышать максимальное сетевое напряжение с запасом.
• Уровень защиты U_p: Максимальное значение напряжения, которое будет присутствовать на клеммах УЗИП при протекании через него импульсного тока заданной формы и амплитуды (обычно I_n). Именно это напряжение прикладывается к защищаемому оборудованию. Чем ниже U_p, тем выше защита.
• Номинальный разрядный ток I_n: Пиковое значение тока импульса формы 8/20 мкс, который УЗИП может пропустить многократно (15-20 раз) без изменения параметров. Основной параметр для выбора.
• Максимальный разрядный ток I_max: Пиковое значение тока импульса формы 8/20 мкс, который УЗИП может пропустить один раз без разрушения. I_max > I_n.
• Импульс тока при прямом ударе молнии I_imp: Параметр для УЗИП Типа 1. Характеризует способность пропускать импульс формы 10/350 мкс (более длительный и энергоемкий). Определяется амплитудой тока I_peak и зарядом Q.
• Время срабатывания: Теоретический параметр, зависящий от технологии. На практике важна скоординированная работа каскада УЗИП.

Схемы подключения УЗИП в сетях различного типа

Выбор схемы подключения определяется конфигурацией сети (системой заземления) и необходимостью защиты соответствующих проводников.

Основные схемы для трехфазных сетей:

• Схема 1+0 (L-PE, N-PE): Защита между каждым фазным проводником (L) и землей (PE), а также между нейтралью (N) и землей (PE). Применяется в системах заземления TN-S, TT.
• Схема 3+0 (L-PE): Защита только между фазами и землей. Нейтраль не защищается. Может использоваться в системах TT, IT.
• Схема 4+0 (L-PE, N-PE): Аналогична 1+0, но для четырехпроводной сети (3L+N).
• Схема 3+1 (L-N, N-PE): Три защиты между фазами и нейтралью (L-N) и одна между нейтралью и землей (N-PE). Критически важна для систем TN-C-S, где на вводе PEN разделяется на PE и N, так как на нейтрали могут присутствовать опасные потенциалы.
• Схема L-L: Защита между фазами. Применяется как дополнение к другим схемам или в специфичных случаях.

Важнейшее правило: Сечение соединительных проводников УЗИП должно соответствовать стандартам (не менее 4-6 мм² по меди для силовых цепей, но точнее – по расчету). Длина этих проводников должна быть минимально возможной (предпочтительно < 0.5 м), чтобы избежать роста индуктивного сопротивления, которое увеличивает U_p. Для этого УЗИП монтируют максимально близко к вводной шине PE и автоматическим выключателям.

Организация каскадной (координационной) защиты

Эффективная защита объекта достигается последовательной установкой УЗИП разных классов, образующих каскад. Принцип основан на согласовании их вольт-амперных характеристик и использовании индуктивности соединительных линий (или специальных дросселей) в качестве дополнительного импеданса.

• 1-я ступень (Тип 1): На вводе. Отводит основную часть энергии импульса. U_p после нее снижается до 2.5-4 кВ.
• 2-я ступень (Тип 2): В распределительных щитах. Дальнейшее снижение U_p до 1.5-2.5 кВ. Расстояние от 1-й ступени по кабелю – не менее 10-15 метров (для обеспечения индуктивной развязки) или с применением согласующего дросселя.
• 3-я ступень (Тип 3): У потребителя. Снижает U_p до безопасного для оборудования уровня ≤ 1.5 кВ.

Между ступенями должны быть установлены устройства защиты от сверхтоков (автоматические выключатели или предохранители), подобранные в соответствии с рекомендациями производителя УЗИП.

Контроль состояния и индикация

Большинство модульных УЗИП оснащены механической или электронной индикацией состояния:

• Зеленый индикатор: Устройство исправно и находится в дежурном режиме.
• Красный (или комбинированный) индикатор: Сработала тепловая защита, варистор деградировал и требует замены. Часто сопровождается отключением модуля (выталкиванием).
• Дистанционные контакты (1НО/1ЗК): Выход для подключения к системе мониторинга или сигнализации (например, к БМРЗ или щитовой лампе) для дистанционного оповещения о необходимости замены.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Обязательна ли установка УЗИП Типа 1, если на здании нет молниезащиты?

Если ввод в здание выполнен воздушной линией (ВЛ), то согласно ПУЭ (п. 7.1.22) и ГОСТ Р МЭК 62305, установка УЗИП Типа 1 на вводе обязательна, так как ВЛ подвержена прямым ударам молнии. При подземном кабельном вводе и отсутствии МЗС установка УЗИП Типа 1 может не требоваться, но УЗИП Типа 2 на распределительном щите обязательно.

Можно ли установить только УЗИП Типа 2, без Типа 1?

Да, если на объекте нет риска прямого удара молнии в линии питания (например, подземный кабельный ввод в здание без МЗС). В этом случае УЗИП Типа 2 будет защищать от удаленных грозовых разрядов и коммутационных перенапряжений. Однако при наличии воздушного ввода или МЗС установка только УЗИП Типа 2 недопустима, так как он не рассчитан на полный ток молнии и выйдет из строя, не обеспечив защиту.

Как правильно подобрать номинал автоматического выключателя для защиты цепи УЗИП?

Автоматический выключатель (АВ) защищает не УЗИП, а питающий кабель от короткого замыкания при тепловом разрушении варистора. Номинал АВ выбирается исходя из:

1. Рекомендаций производителя УЗИП (указывается в каталоге).
2. Обеспечения селективности с вышестоящими АВ.
3. Как правило, для УЗИП Типа 2 применяются АВ на номиналы 16А, 20А, 25А (характеристика C). Для УЗИП Типа 1 – часто используются предохранители gG/gL на 63А, 125А. Никогда не устанавливайте УЗИП без защиты от сверхтоков.

Что происходит с УЗИП после срабатывания? Требует ли оно замены?

УЗИП на основе варистора – устройство с ограниченным ресурсом. Каждый мощный импульс вызывает необратимые микроизменения в материале. После отвода импульса, в пределах своих характеристик (I_n), УЗИП возвращается в дежурный режим. Однако при превышении энергии или после множества срабатываний варистор деградирует: его ток утечки возрастает, что приводит к нагреву. Современные УЗИП оснащены тепловой защитой, которая в таком случае отключает модуль от сети и сигнализирует о необходимости замены. Таким образом, исправное УЗИП не требует замены после каждого срабатывания, но его состояние необходимо визуально контролировать.

В чем разница между УЗИП и ограничителем перенапряжения (ОПН)?

ОПН (разрядник) – это устройство, исторически применявшееся в высоковольтных сетях (6 кВ и выше) для защиты изоляции оборудования подстанций. Конструктивно это нелинейный резистор (варистор) без дополнительных элементов индикации или отключения. Термин УЗИП – более современный и общий, применяемый для низковольтных сетей (до 1000 В). УЗИП – это законченное устройство, включающее в себя нелинейный элемент(ы), корпус, индикацию, клеммы для подключения, а часто и тепловой расцепитель. Таким образом, ОПН можно считать упрощенным предшественником УЗИП для ВН, а УЗИП – комплексным решением для НН.

Как проверить работоспособность УЗИП?

Самостоятельная проверка мультиметром невозможна и опасна. Измерение сопротивления постоянному току не дает информации о состоянии варистора. Основной метод контроля – визуальная проверка индикаторного окна. Некоторые производители предлагают специальные тестеры, которые измеряют ток утечки под рабочим напряжением. Полноценную проверку параметров (U_p, I_leakage) проводят в лабораторных условиях с использованием генераторов импульсов. На практике проще и надежнее заменить модуль при срабатывании индикации неисправности или после известного мощного грозового воздействия.