Защищаем технику от перепадов напряжения: выбираем реле контроля

Способы защиты от перенапряжений в электрических сетях

Перенапряжение – это ненормальный режим работы в электрических сетях, который заключается в чрезмерном увеличении значения напряжения выше допустимых значений для участка электрической сети, который является опасным для элементов оборудования данного участка электрической сети.

Изоляция оборудования электроустановок рассчитана на нормальную работу при определенных значениях напряжения, в случае наличия перенапряжения, изоляция приходит в негодность, что приводит к повреждению оборудования и представляет опасность для обслуживающего персонала или людей, которые находятся в непосредственной близости к элементам электрических сетей.

Перенапряжения могут быть двух видов – природными (внешними) и коммутационными (внутренними). Природные перенапряжения – это явление атмосферного электричества. Коммутационные перенапряжения возникают непосредственно в электрических сетях, причинами их проявления могут быть большие перепады нагрузки на линиях электропередач, феррорезонансные явления, послеаварийные режимы работы электрических сетей.

Способы защиты от перенапряжений

В электроустановках для защиты оборудования от возможных перенапряжений применяют такое защитное оборудование, как разрядники и ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН) .

Основным конструктивным элементом данного защитного оборудования является элемент с нелинейными характеристиками. Характерная особенность данных элементов заключается в том, что они изменяют свое сопротивление в зависимости от приложенного к ним значения напряжения. Рассмотрим вкратце принцип работы данных защитных элементов.

Разрядник или ограничитель перенапряжения присоединяется к шине рабочего напряжения и к контуру заземления электроустановки. В нормальном режиме, то есть, когда сетевое напряжение находится в пределах допустимых значений, разрядник (ОПН) имеет очень большое сопротивление, и он не проводит напряжение.

В случае возникновения перенапряжения на участке электрической сети сопротивление разрядника (ОПН) резко падает, и данный защитный элемент проводит напряжение, способствуя утечке возникшего скачка напряжения в заземляющий контур. То есть на момент перенапряжения разрядник (ОПН) осуществляет электрическое соединение провода с землей.

Разрядники и ОПН устанавливаются для защиты элементов оборудования на территории распределительных устройств электроустановок, а также в начале и в конце линий электропередач напряжением 6 и 10 кВ, которые не оборудованы грозозащитным тросом.

Для защиты от природных (внешних) перенапряжений на металлических и железобетонных конструкциях открытых распределительных устройств устанавливают стержневые молниеотводы . На высоковольтных линиях напряжением 35 кВ и выше применяют грозозащитный трос (тросовый молниеотвод), который располагается в верхней части опор линий электропередач на всей их протяженности, соединяясь с металлическими элементами линейных порталов открытых распределительных устройств подстанций. Молниеотводы притягивают атмосферные заряды на себя, тем самым предупреждая их попадания на токоведущие части электрооборудования электроустановок.

Для обеспечения надежной защиты оборудования электроустановок от возможных перенапряжений, разрядники и ограничители перенапряжений, как и все элементы оборудования, должны проходить периодические ремонты и испытания. Также необходимо в соответствии с установленной периодичностью проверять сопротивление и техническое состояние заземляющих контуров распределительных устройств.

Перенапряжения в низковольтных сетях

Явление перенапряжений также характерно и для низковольтных сетей напряжением 220/380 В. Перенапряжения в низковольтных сетях приводят к выходу из строя не только оборудования данных электрических сетей, но и электроприборов, которые включены в сеть.

Для защиты от перенапряжений в домашней электропроводке используют реле напряжения или стабилизаторы напряжения, источники бесперебойного питания, в которых предусмотрена соответствующая функция. Также существуют модульные устройства защиты от импульсных перенапряжений, предназначенные для установки в домашний распределительный щиток.

В низковольтных распределительных устройствах предприятий, электроустановок, ЛЭП для защиты от перенапряжений применяют специальные ограничители перенапряжений по принципу работы схожие с высоковольтными ОПН.

Какой тип предпочтительней

Однофазное реле напряжения РН-111М 1Ф НОВАТЕК

Если пользователь обеспокоен сохранностью дорогой модели холодильника, например, а все другие приборы уже защищены стабилизатором, удобнее приобрети образец типа «розетка-вилка».

В этом случае установка общего автоматического устройства будет излишней, так как приведет к неоправданным издержкам. Этот вариант больше подходит для жителей городских квартир, не желающих тратиться на установку РКН в распределительном щитке (для этого придется приглашать электрика).

Независимо от условий эксплуатации реле контроля следует понимать, что установка нескольких приборов в розетку обойдется дороже, чем одного – в щиток.

Когда стабилизатора в доме нет, а его владелец желает надежно защитить кухонное и комнатное оборудование, разумнее выбрать монтируемый на DIN-рейку прибор. При установке нескольких реле – по одному на каждую защищаемую линию – возможность поломки дорогостоящего оборудования полностью исключается. Они оптимально подойдут для частного дома, где смогут контролировать и трехфазную сеть.

Условия повреждения РЭУ

Надежность и работоспособность радиоэлектронных устройств (РЭУ) в значительной степени определяются ее чувствительностью к кратковременным электрическим перегрузкам, причиной которых могут быть электромагнитные поля (ЭП) искусственного или естественного происхождения. Источники таких полей — грозовые разряды, разряды статического электричества, коммутационные процессы, мощные радиопередающие средства, РЛС, высоковольтные ЛЭП и любые другие электромагнитные импульсы, в том числе — эмитируемые ядерным взрывом .

Различают грозовые, коммутационные и высокочастотные перенапряжения, а также перенапряжения электростатического разряда. Наиболее опасные из них — грозовые и коммутационные.

Грозовые перенапряжения генерируются при прямом ударе молнии в наружные части электроустановок, а также наводятся электромагнитными полями при близких молниевых разрядах.

Коммутационные импульсы имеют место в сетях электроснабжения при коммутационных процессах, в случаях аварийных ситуаций и при отказе оборудования по тем или иным причинам. Различают также периодические импульсы перенапряжения, присущие колебательным процессам в резонансных контурах коммутируемой цепи.

Высокочастотные перенапряжения образуются в условиях производства вследствие дугообразования или искрения контактов при коммутации электросети механическими выключателями.

Импульсы электростатического разряда (ЭСР) возникают при соприкосновении и последующем разделении разнородных материалов в условиях относительно низкой влажности. В частности, ЭСР человеческого тела может превышать 15 кВ при сухом или морозном воздухе, особенно — в условиях синтетических строительных конструкций и материалов.

Осознание опасностей, обусловленных воздействием импульсных перенапряжений на РЭУ, и владение методами и средствами защиты от них приобретают, по мере развития электронной техники— автоматики, связи, аудио, видео, вычислительной, космической, автомобильной, корабельной, авиационной и др., все большую актуальность и значимость.

Устойчивость РЭУ к воздействию катастрофических электромагнитных импульсов находится в центре внимания разработчиков электронной аппаратуры

Особенно важно это для устройств с применением микромощных интегральных схем. Для обеспечения надежности и, соответственно, конкурентоспособности электронных изделий на мировом рынке внутри Европейского Сообщества (ЕС) разработаны и действуют международный стандарт ITC 801 (МЭК 801) и ряд других базовых документов, регламентирующих требования к устойчивости РЭУ к импульсным перегрузкам

Эти стандарты служат критериями выбора при покупке электронного оборудования у различных изготовителей независимо от их географического положения .

Как правильно защитить бытовую технику

Не стоит недооценивать важность защиты от скачков напряжения. Регулярные перепады в сети приводят в неисправное состояние электронику точного оборудования, выводят из строя реле и двигатели холодильников, морозильных камер

Часто даже способствуют сгоранию техники. Чтобы этого не случалось, нужно оборудовать дом надежными защитными приборами.

Реле контроля напряжения

Реле контроля напряжения трехфазное ZUBR 3F, 5А

Такая защита от повышенного напряжения позволяет мгновенно отключать все приборы от сети. Устройство контролирует параметры Вольт и при их резком повышении блокирует подачу питания к бытовой технике. После того как сеть стабилизирует свою работу, аппарат снова включается в работу и запускает технику.

Различают точечные реле (вилки и переходники), а также устройства по типу автомата для установки на DIN-рейку к распределительному щитку. В первом случае аппараты контролируют и защищают отдельные бытовые приборы. Так сказать, являются индивидуальными. Второй вариант — это надежный автомат защиты от перепадов напряжения в сети для всего дома.

Стабилизатор напряжения

Релейный стабилизатор напряжения

Такая защита по напряжению предполагает изменение параметров по Вольтам до тех пор, пока они не будут приведены к нормальному состоянию. К примеру, стиральная машина или телевизор, подключенные через стабилизатор, работают всегда на одном напряжении. Если аппарат улавливает резкий скачок, то пропускает к бытовой технике лишь нормальный показатель 220-230 В.

Главные технические параметры стабилизаторов — время реакции на скачок, точность стабилизации, диапазоны входного напряжения и уровень издаваемого шума.

Все устройства такого типа делят на несколько видов:

• Релейные. Самые дешевые виды стабилизаторов. Имеют низкий уровень мощности. Если и используются до сих пор, то на отдельные бытовые устройства.
• Электромеханические (их еще называют сервоприводными). Рабочие характеристики подобных аппаратов мало отличаются от стабилизаторов релейных. Единственная разница между первыми и вторыми – чуть более высокая цена.
• Электронные. Подобные устройства собирают на базе симистора или тиристора. Такие стабилизаторы отличаются хорошей мощностью, долговечностью, точностью реакции на скачки напряжения. При максимально быстром своем действии электронные устройства обеспечивают надёжную защиту от перепадов напряжения.
• Электронные двойного преобразования. Подобные стабилизаторы — самые дорогие из всех. При этом они хорошо защищают как отдельные бытовые приборы, так и всю электросеть в доме. Выделяют одно- и трехфазные устройства. Первые применяют в быту. Вторые — на крупных промышленных, коммерческих объектах. Стабилизаторы двойного преобразования способны сглаживать резкие перепады в диапазонах от 90 до 380 Вольт с отменной точностью.

ИБП (источник бесперебойного питания)

Источник бесперебойного питания (ИБП) APC Back-UPS CS 650VA/400W

Главная задача ИБП — не защита от высокого напряжения, а обеспечение автономного резервного электроснабжения при резких и непродолжительных отключениях энергии. Подобные аппараты особенно нужны в частных домах, если в поселке остро стоит проблема частого отключения света.

Есть также разновидность источника бесперебойного питания с функцией стабилизатора. Если случится резкий высокий скачок напряжения, такой ИБП способен мгновенно переключиться на резервное питание и выровнять параметры Вольт в сети до оптимальных.

Датчик перепадов напряжения

Сетевой фильтр MOST EHV 2м (белый)

Это небольшое устройство, так же как и реле, контролирует скачки напряжения в сети. Но его монтируют сразу с УЗО (устройством защитного отключения). Если датчик выявляет нарушение сетевых параметров, он провоцирует утечку тока. В этом случае УЗО обнаруживает её и отключает питание на дом в аварийном режиме.

Пониженное напряжение

Такие скачки менее опасны для техники, но есть нюансы, особенно при напряжении ниже 170 В. Хуже всего это переносят холодильники и кондиционеры. При очень низком напряжении им не хватает мощности для старта компрессора – он просто гудит и перегревается. При исправном и качественном тепловом реле ничего страшного может и не произойти, но в противном случае компрессор сгорит за пару минут.

Большинство других приборов при напряжении ниже 170 В просто не включится или потеряет мощность (например, микроволновка).

Обычные лампы накаливания будут тусклее гореть или моргать, а вот энергосберегающие могут не включиться или вообще выйти из строя.

Длительные перенапряжения

Продолжительные перенапряжения очень часто происходят из-за обрыва нулевого проводника. Неравномерность нагрузки на фазных жилах становится причиной перекоса фаз – смещения разности потенциалов к проводнику с самой большой нагрузкой.

Иначе говоря, под воздействием неравномерного трехфазного электротока на нулевом кабеле, не имеющем заземления, начинает скапливаться напряжение. Ситуация не нормализуется до тех пор, пока повторная авария окончательно не выведет линию из строя или специалист не устранит неисправность.

При обрыве нулевого провода в электророзетке будет происходить изменение напряжения в соответствии с нагрузкой, которую пользователи, не знающие о неполадках, будут подключать на различные фазы. Пользоваться неисправной цепью практически невозможно, даже если в линию питания включен хороший стабилизатор. Дело в том, что сетевые параметры, регулярно выходящие за пределы стабилизации, приведут к тому, что прибор будет постоянно выключаться.

Наглядно про обрыв ноля и что нужно при этом делать – на видео:

Критерии выбора

Несмотря на то, что все семейства TBU преследуют одну и ту же цель – защиту от бросков тока и напряжения, немаловажным является вопрос правильного подбора устройства защиты, так как в современной высокоточной электронике даже незначительное превышение рабочих параметров может привести к разрушительным последствиям.

Алгоритм подбора можно разделить на следующие этапы :

• Определение пикового значения рабочего тока и максимальной рабочей температуры окружающей среды. На этом этапе необходимо обратиться к графику зависимости тока срабатывания от температуры, который имеется в документации на изделие, чтобы определить значение снижения параметров TBU в конкретных условиях эксплуатации.
• Определение уровня рабочего напряжения устройства. Выбор TBU следует делать таким образом, чтобы его заявленное напряжение пробоя было самым маленьким среди доступных в семействе, но при этом превышающим нормальное напряжение системы и его допустимые пульсации. Выбранное устройство также должно удовлетворять требования и по нагрузочным характеристикам.
• Выбор конкретного артикула TBU с максимальным импульсным напряжением (Vimp), большим, чем импульсное напряжение пробоя используемого ограничителя напряжения первой ступени (например газоразрядника). Выбранное TBU-устройство также должно иметь минимальный ток отключения Itrigger выше максимального пикового тока защищаемой системы с учетом компенсации влияния температуры окружающей среды.

В большинстве случаев защищаемые цепи располагают достаточным током для срабатывания TBU. Но если защищаемая цепь имеет высокий импеданс, для гарантированного срабатывания защиты после TBU стоит разместить небольшой лавинный диод, подключенный на землю. Такой подход обеспечивает выполнение устройством TBU своих защитных функций.

Защита от перегрузки и Пускового тока

Применение защиты от перегрузки и пускового тока

Защита LTC4368 отвечает за перегрузки по току и также пускового тока. Компараторы внутри LTC4368 отслеживают падение напряжения на резисторе датчика тока R11. Компаратор максимального тока отключится, когда напряжение SENSE к VOUT превысит 50 мВ. При обратном прохождении потенциала, VOUT к VIN, компаратор максимального тока отключится, когда напряжение SENSE к VOUT превысит –3 мВ. В этом включении используется измерительный резистор 20 мОм, который настраивает пределы тока на +2,5 А и –150 мА.

C4 — это конденсатор, который устанавливает задержку для повторного включения (сброса защиты) после перегрузки по току. Задержка повторной попытки — это время, в течение которого MOSFET остается на низком уровне после обнаружения перегрузки по току. В этом случае задержка повторной попытки составляет 250 мс. Резисторы на 10 Ом — R14 и R15 — добавлены к затворам MOSFET, чтобы предотвратить паразитные колебания схемы.

Настройка режимов

Кнопки настроек реле

Пороговые значения РКН выставляются с помощью нескольких потенциометров по градуированной шкале, вынесенной вместе с ручками на переднюю панель.

В отдельных образцах для установки пределов срабатывания применяются кнопки.

Шаг, с которым задаются нижняя и верхняя граница у большинства образцов РКН составляет один Вольт. Правильность выставления нужного параметра контролируется по индикаторному табло, имеющемуся на лицевой панели прибора.

На некоторых моделях предусмотрен еще один регулятор, задающий время возвращения устройства в исходное состояние, момент повторного подключения нагрузки к силовой цепи. Оно может выставляться в широком диапазоне значений от нескольких секунд до 10 минут.

Как работает стабилизатор напряжения

Коротко опишу принцип работы каждого типа стабилизаторов, чтобы вы лучше понимали сильные и слабые стороны каждого типа приборов.

Инверторные стабилизаторы

Классический инвертор напряжения состоит из двух фильтров, выпрямителя и корректора коэффициента. Они осуществляют два основных процесса: преобразование входного переменного тока в постоянный и наоборот.

Эти задачи решает выпрямитель и корректор коэффициента мощности. Говоря простыми словами, нестабильный ток входит в стабилизатор, где проходит через фильтр, превращается в постоянный и снова фильтруется.

На выходе ток имеет практически идеальную синусоидальную форму, характеризуется частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Главное преимущество такого типа работы – высокий коэффициент мощности, близкий к единице. Другие преимущества:

1. Тихая работа.
2. Точность нормализации напряжения.
3. Малый вес и габариты.
4. Поддерживает напряжение на входе от 115 до 300 В.

Инверторный стабилизатор является одним из лучших, поэтому его главный недостаток – высокая стоимость. Второй недостаток – снижение диапазона входных частот при увеличении нагрузки:

1. 51-69% – 140-300 В.
2. Больше 70% — 160-300 В.

Автотрансформаторные стабилизаторы

Наиболее популярный стабилизатор, заслуживший признательность народа из-за соотношения цены и качества. Принцип работы: электронные ключи коммутируют отводы автотрансформатора. Ключи – это симисторы или тиристоры, работающие под управлением микропроцессора.

Быстродействие на уровне 10-20 мс, точность поддержания выходного напряжения +/- 0,5% — главные преимущества автотрансформаторных стабилизаторов. По точности они не уступают плавно регулируемым собратьям. Форма сетевой синусоиды практически не искажается.

Более понятные вещи: бюджетный ценовой сегмент, компактность, высокий КПД в районе 98%, ресурс работы порядка 15-20 лет. Но модели этого типа не лишены и недостатков.

Главный из них – ступенчатость регулирования выходного напряжения. К примеру, из-за этого мерцают лампы накаливания и галогеновые лампы. Чем больше ступеней, тем меньшую роль играет этот недостаток. При 36 ступенях становится практически незаметным даже у ламп накаливания.

Релейные стабилизаторы

В основе релейного стабилизатора автоматический вольтодобавочный трансформатор. За работу устройства отвечает электронная схема. Работает в четыре этапа:

1. На электронную схему подается и проверяется ток;
2. На основании разницы входного и выходного напряжения подбирается число обмоток и их витков;
3. Реле последовательно переключает витки;
4. Ток с допустимыми параметрами подается на выход.

Отлично работает в российских климатических условиях благодаря диапазону рабочей температуры -40…+40оС. Работает около десяти лет, не шумит и обладает невысокой чувствительностью к искажениям входного тока. Среди недостатков:

1. Низкая точность стабилизации – ~8%;
2. Ступенчатое выравнивание напряжения;
3. Периодическое обострение скачков выходного напряжения.

Тиристорные стабилизаторы

Состоит из автоматического трансформатора, тиристорных ключей, светодиодных индикаторов и электронных схем. За нормализацию тока отвечает автоматический трансформатор. Включение или выключение тиристорных ключей может искажать синусоидальную форму тока. Это решается встроенным микропроцессором, поэтому не является проблемой. Бывают одно- и двухкаскадными.

Среди преимуществ:

1. Нормализация тока не вызывает шумов;
2. Тиристоры работают более 1 млрд раз;
3. Относительно низкое энергопотребление;
4. Небольшие габариты;
5. Высокая скорость выравнивания напряжения.

Но присутствуют и недостатки: ступенчатая стабилизация тока, электронная схема микроконтроллера может подвисать, а стоят такие стабилизаторы недешево.

Симисторные стабилизаторы

Обязательно присутствуют контроллеры, ключи силового типа и автоматический трансформатор. Напряжение регулируется контроллерами. Работу можно разделить на четыре этапа:

1. Замер напряжения внутри сети;
2. Обработка информации по замерам;
3. Формирование решения о преобразовании сигнала;
4. Снижение или понижение показателей трансформаторной обмоткой.

Такие стабилизаторы подходят для бытовой техники вроде телевизора и холодильника, потому что обладают высокой чувствительностью к помехам и быстрой реакцией. Но недостатки ограничивают его сферу применения:

1. При заниженных входных напряжениях теряется мощность;
2. Высокая цена;
3. Сложный ремонт;
4. Работа с реактивными нагрузками ограничена.

Автоматика

Электроавтоматика, в отличие от РЗ, не только отключает оснащение, но и включает. В первую очередь, это автовключения: повторное (АПВ) и резерва питания (АВР).

Есть также разновидности с контролем персоналом оснащения релейной защиты, это автоматика:

• регулировка задействования генераторов, синхронных моторов (АРВ);
• для выключателей (АУВ), для резервирования их отказов (УРОВ);
• контроль позиций переключателей ТТ (АРНТ);
• настраивание дугогасящих обмоток (АРК), статконденсаторов;
• трансформаторное охлаждение;
• наладка (синхрон) генераторов;
• частотный старт гидрогенераторов (АЧП);
• выявление мест неполадок цепей (ОМП).

Противоаварийная:

• режимная:
  • частотн. разгрузка (АЧР)
  • задействование деактивированных АЧР систем (ЧАПВ);
  • авторегулирование частоты и действующей мощности (АРЧМ);
  • авторазгрузка по напряжению (ДАРН); по току (ДАРТ);
• системная (на особо мощных ЭУ, электростанциях):
  • разгрузка;
  • исключение ассинхрона, повышения напряжения;
  • балансировочная.

Как бороться со скачками напряжения

Системные меры оставим на попечение энергетикам. В их прямую обязанность входит содержание генерирующих и линейных сетей в надлежащем состоянии. Задача потребителей фиксировать аномалии напряжения и незамедлительно сообщать в компанию, которой вы оплачиваете счета за электроэнергию. Если это не помогает, необходимо жаловаться в органы контроля и добиваться предоставления качественной услуги.

От нас (потребителей) зависит правильность эксплуатации электроприборов. Разумеется, в первую очередь необходимо следить за состоянием внутренних сетей с «нашей» стороны прибора учета. Защитные автоматы (пробки) должны быть исправны, внутренняя проводка соответствовать нагрузке. Если у вас розеточная сеть выполнена на проводе сечением 1.5 мм², нельзя использовать на этой линии мощные электроприборы.

Откуда возникает перенапряжение

Планировка и строительство многих многоэтажек еще пару десятков лет назад производилась без прицела на сегодняшнее многообразие бытового электрооборудования: микроволновки, многокамерные холодильники, утюги высокой мощности и другие приборы, имеющие электрическое питание. Поэтому максимумы потребления электричества по утрам и вечерам пагубно влияют на работу всей электросети в любом жилище.

Электричество, текущее по кабелю или проводу, неспособному выдерживать такую нагрузку, способствует их ненормальному нагреву в дневные часы и охлаждению в вечерние. В силу законов физики, проводник ослабевает, поскольку он делается то шире, то уже. Контакты в щитке на первых этажах или в едином вводно-распределяющем устройстве в доме заметно ослабевают. Также нулевые контакты могут отгореть, что приводит к перепаду напряжения от 110 до 360 вольт на всех этажах, выше этажа с перегоревшими контактами.

Перенапряжение в электросети может произойти в результате попадания молниевого разряда в линию электропередач, подстанцию или элементы дома, при этом сила тока просто огромная, порядка 200 килоампер. При попадании в молниеприемник и дальнейшем прохождении молнии по контуру заземления в проводниковых материалах возникает электродвижущая сила, измеряемая в киловольтах.

Также вызвать резкий скачок напряжения могут сварочные работы или одновременное включение многими соседями электроприборов или подключение/отключение мощного потребителя. Для защиты дорогостоящей электротехники и всего частного дома необходима защита от перенапряжения в сети.

Умные розетки

По сути их нельзя называть защитой от перепадов напряжения, поскольку они сами ничего для защиты не делают. Но у нее есть очень полезная функция. Вот она может и спасти ценный прибор в критической ситуации.

Такая розетка программируется хозяином на включение и выключение прибора в заданное время

Розетка снабжена Wi-Fi передатчиком. Она синхронизируется с мобильным телефоном и передает на него информацию. То есть, отчитывается о выполнении программ, предоставляя данные о расходе электроэнергии. Благодаря Wi-Fi хозяин может самостоятельно включать или отключать подачу электричества на нее со своего мобильного телефона.

Это может спасти технику во время разыгравшегося природного катаклизма. Будучи вне дома: на работе, в деловой поездке, на прогулке – хозяин может отключить ценный прибор от сети, если приближается ураган или идет гроза.

Применение таких розеток никак не является панацеей, но может уменьшить риск вывода ценной бытовой техники из строя при природном катаклизме или внезапном вмешательстве человеческого фактора. Примером может выступить звонок соседей, с предупреждением о сварочных работах в доме.