Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) промышленного класса: принципы, классификация, подбор и монтаж

Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) промышленного класса представляют собой ключевой элемент системы молниезащиты и защиты от перенапряжений (СУМП) на объектах промышленной и коммерческой энергетики. Их основная функция — ограничение импульсных перенапряжений, вызванных прямыми или удаленными ударами молнии, коммутационными процессами в электросети, до уровня, безопасного для электрооборудования. В отличие от бытовых УЗИП, промышленные устройства рассчитаны на значительно большие разрядные токи, имеют повышенную устойчивость к многократным воздействиям, расширенный температурный диапазон и предназначены для интеграции в сложные системы электроснабжения.

Принцип действия и основные компоненты УЗИП

В основе работы УЗИП лежит нелинейный вольт-амперный характеристика (ВАХ) его активных элементов. В нормальном режиме работы при сетевом напряжении устройство имеет высокое сопротивление и практически не влияет на сеть. При возникновении импульса перенапряжения, превышающего порог срабатывания, сопротивление УЗИП резко падает на несколько порядков, создавая путь для отвода импульсного тока на землю или между проводниками. После сброса энергии напряжение на защищаемой линии ограничивается до безопасного уровня (уровня защиты Up), после чего сопротивление вновь возрастает, восстанавливая нормальный режим работы сети.

Основные компоненты промышленных УЗИП:

• Варисторы на основе оксида цинка (ZnO): Наиболее распространенный элемент. Представляет собой керамический диск с нелинейной ВАХ. Обладает высокой энергиопоглощающей способностью, но имеет ограниченный ресурс по количеству срабатываний и постепенно деградирует при перегрузках.
• Разрядники (искровые промежутки): Могут быть газонаполненными (газоразрядники) или воздушными. Срабатывают при пробое промежутка между электродами под действием высокого напряжения. Характеризуются высокой пропускной способностью по току, низким уровнем ограничения после поджига, но имеют большее время срабатывания (до 100 нс) по сравнению с варисторами.
• Комбинированные схемы (например, варистор + разрядник): Позволяют объединить достоинства обоих технологий: быстрое время отклика варистора и высокую стойкость к большим токам разрядника. Такие УЗИП часто используются в качестве устройств класса I (B).
• Терморасцепитель и индикатор состояния Обязательные элементы промышленного УЗИП. При перегреве варистора вследствие деградации или перегрузки терморасцепитель физически отключает модуль от сети, предотвращая возгорание. Визуальный или дистанционный (с помощью дополнительных контактов) индикатор сигнализирует о необходимости замены.

Классификация УЗИП по ГОСТ Р МЭК 61643-1 и МЭК 61643-11

Стандартизация определяет три основных класса испытаний УЗИП, соответствующих их месту установки в системе электроснабжения. Каскадное применение устройств разных классов обеспечивает поэтапное ограничение перенапряжения.

Таблица 1. Классификация и характеристики промышленных УЗИП

Класс УЗИП (Старое/Новое обозначение)	Место установки	Испытательный импульс	Ключевые параметры	Назначение
Класс I / B	Вводно-распределительное устройство (ВРУ) главного распределительного щита (ГРЩ). Установка на границе зоны LPZ 0-1.	Iimp (импульс 10/350 мкс). Характеризует полный ток молнии, включая долгосрочную составляющую.	Iimp (номинал): от 12.5 кА до 100 кА и более. Уровень защиты Up обычно > 2.5 кВ.	Защита от прямых ударов молнии и отвод основной доли энергии импульса. Основа молниезащитной системы.
Класс II / C	Распределительные щиты (РЩ) этажей, цехов, подстанций. Установка на границе зон LPZ 1-2 и далее.	Imax и In (импульс 8/20 мкс). Характеризует токи, прошедшие через УЗИП класса I.	Imax (максимальный ток): от 20 кА до 100 кА; In (номинальный ток): от 5 кА до 40 кА. Up обычно 1.5 — 2.5 кВ.	Дальнейшее ограничение перенапряжения до уровня, безопасного для низковольтного оборудования. Защита от удаленных грозовых разрядов и коммутационных помех.
Класс III / D	Непосредственно рядом с защищаемым оборудованием (розеточные УЗИП, DIN-рейка в щитке управления). Граница зоны LPZ 2-3.	Комбинированная волна (1.2/50 мкс — напряжение, 8/20 мкс — ток).	Uoc (напряжение разомкнутой цепи). Up обычно < 1.5 кВ.	Окончательная «тонкая» защита чувствительной электроники (ПЛК, датчики, измерительные приборы, серверы). Подавление высокочастотных помех.

Критерии выбора промышленных УЗИП

Выбор УЗИП является комплексной инженерной задачей, требующей анализа следующих параметров:

• Сетевое напряжение и система заземления (U_c): Максимальное длительно допустимое рабочее напряжение УЗИП должно превышать максимальное напряжение в сети с учетом возможных перенапряжений (например, в сетях с изолированной нейтралью). Для трехфазных сетей 380/220В УЗИП выбираются на U_c не менее 275В (для режима TN-S) или 440В (для IT-систем).
• Номинальный (I_n) и максимальный (I_max) разрядный ток (8/20 мкс): Определяются на основе оценки уровня грозовой активности, типа здания, наличия внешней молниезащитной системы (МЗС). Для объектов с МЗС на вводе обязательна установка УЗИП класса I с I_imp не менее 12.5 кА (10/350 мкс).
• Уровень защиты (U_p): Напряжение, которое останется на клеммах УЗИП после его срабатывания. Должно быть ниже импульсной устойчивости защищаемого оборудования. Для каскадной схемы должно соблюдаться условие: U_p (класс I) > U_p (класс II) > U_p (класс III).
• Селективность по току и по напряжению: Для предотвращения перегрузки УЗИП класса II/III необходимо обеспечить координацию между ступенями. Селективность по току достигается правильным соотношением I_n (например, I_n класса I в 2-3 раза больше I_n класса II). Селективность по напряжению обеспечивается разницей в U_p не менее 20%.
• Тип присоединения и количество полюсов: Выбирается в соответствии с системой электроснабжения (1P, 1P+N, 3P, 3P+N, 4P). Для защиты от перенапряжений в цепях передачи данных (Ethernet, RS-485, телефонные линии) применяются специализированные УЗИП, устанавливаемые в разрыв линии.

Особенности монтажа и эксплуатации в промышленных сетях

Эффективность УЗИП на 90% определяется правильностью его установки. Ключевые требования:

• Минимизация длины соединительных проводников: Провода от вводной шины к УЗИП и от УЗИП к шине заземления должны быть максимально короткими (предпочтительно не более 0.5 м каждый) и образовывать компактную петлю минимальной площади для снижения индуктивного сопротивления. Рекомендуется использовать плоские проводники или размещать проводники «спиной к спине».
• Сечение проводников: Должно соответствовать номиналу УЗИП и требованиям ПУЭ. Для УЗИП класса I минимальное сечение медного проводника обычно составляет 16 мм² (для главной заземляющей шины — не менее 50 мм²).
• Организация системы заземления: УЗИП эффективно работает только в составе системы уравнивания потенциалов (СУП). Все заземляющие проводники (от молниеприемника, от УЗИП, от металлоконструкций) должны соединяться на главной заземляющей шине (ГЗШ) по радиальной схеме.
• Защита от короткого замыкания: Каждое УЗИП должно быть защищено со стороны питания автоматическим выключателем или предохранителом соответствующего номинала (как правило, от 32А до 125А gG/gL). Это необходимо для отключения УЗИП в случае его пробоя и возникновения сквозного тока КЗ по сети.
• Мониторинг и техническое обслуживание: Промышленные УЗИП требуют регулярной проверки визуального индикатора состояния. Современные модели оснащаются дистанционными сигнальными контактами (нормально-замкнутыми/нормально-разомкнутыми) для интеграции в систему АСКУЭ или SCADA. После значительных грозовых событий рекомендуется проводить диагностику.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Обязательна ли установка УЗИП класса I, если на здании нет внешней молниезащитной системы (МЗС)?

Да, может быть обязательна. Согласно нормативным документам (СО 153-34.21.122-2003, РД 34.21.122-87), необходимость защиты определяется категорией объекта и расчетным риском. Даже при отсутствии прямой МЗС, ввод в здание является границей зоны LPZ 0A, где возможно воздействие полного тока молнии при ударе в линии электропередачи. Поэтому на вводе часто устанавливают УЗИП класса I с I_imp не менее 12.5 кА.

2. Можно ли использовать только УЗИП класса II, сэкономив на классе I?

Категорически не рекомендуется. УЗИП класса II не рассчитаны на воздействие импульса 10/350 мкс, характерного для прямого или близкого удара молнии. При таком воздействии они гарантированно выйдут из строя, возможно, с разрушением и возгоранием, не выполнив при этом защитную функцию. Каскадная схема (I+II+III) является единственно корректной для промышленных объектов.

3. Как правильно подобрать номинал автоматического выключателя для защиты УЗИП?

Номинал АВ выбирается исходя из рекомендаций производителя УЗИП, указанных в технической документации. Общее правило: ток отсечки АВ должен быть меньше или равен максимальному току, который могут выдержать внутренние соединения УЗИП при КЗ. Типичные значения для УЗИП класса II — 32А, 63А, 100А (характеристика срабатывания C или D). Предохранители часто являются более предпочтительным средством защиты, так как имеют лучшее быстродействие при больших токах КЗ.

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

УЗИП на основе варисторов — устройство с ограниченным ресурсом. Каждое значительное срабатывание приводит к частичной деградации варистора. После отвода импульса, близкого к номинальному, УЗИП остается в работе, но его характеристики могут ухудшиться. При срабатывании индикатора «требует замены» (обычно красный флажок или изменение цвета) модуль должен быть немедленно заменен, так как его защитные свойства утрачены, и существует риск перегрева и пожара.

5. Как защитить низковольтные цепи управления (24В DC) и сигнальные линии?

Для защиты цепей постоянного тока и слаботочных линий применяются специализированные УЗИП, устанавливаемые последовательно в линию. Они имеют соответствующие интерфейсы (например, клеммные колодки, разъемы RJ45, RJ11) и рассчитаны на низкие рабочие напряжения. Их уровень защиты U_p должен быть ниже импульсной прочности входных цепей ПЛК, датчика или измерительного прибора. Монтаж таких УЗИП также требует организации точки заземления в шкафу управления.

Заключение

Применение промышленных УЗИП является неотъемлемой частью современных систем электроснабжения, обеспечивающей бесперебойность технологических процессов и сохранность дорогостоящего оборудования. Грамотный выбор, основанный на анализе параметров сети и оценке рисков, и корректный монтаж в соответствии с принципами каскадной защиты и минимизации длины соединений — обязательные условия для создания надежной системы защиты от импульсных перенапряжений. Регулярный мониторинг состояния устройств и их своевременная замена завершают цикл эксплуатационных мероприятий, гарантирующих долгосрочную электротехническую безопасность промышленного объекта.