Приложение F (справочное). Правила и принципы координации

Приложение F
(справочное)

Правила
и принципы координации

F.1 Общие положения

Согласно 6.2.6 координацию между УЗИП проводят для достижения энергетического критерия. Это основано на максимальной энергетической стойкости второго УЗИП. Тем не менее иногда эта энергия, как указано в МЭК 61643-1, зависит от формы волны и испытаний. Как правило, испытания проводят только с одной формой волны, например 8/20 (для испытаний класса II). По этой причине проще всего получить значение непосредственно от изготовителя (часто его указывают в технической документации).

Для определения удовлетворительной энергетической стойкости УЗИП необходимо знать значения двух величин:

- для формы волны тока малой длительности, например 8/20 (для испытаний класса II);

- для формы волны тока большой длительности, например для испытаний класса I.

В некоторых методиках значения и могут быть одинаковы.

УЗИП характеризуют два тока: для коротких волн (при испытаниях класса II) и для длинных волн (при испытаниях класса I) с соответствующими им значениями энергетической стойкости и Отдельные УЗИП могут испытываться по классу I или II.

Необходимо скоординировать УЗИП 1 и УЗИП 2 по их максимальной энергетической стойкости для соответствующих форм волны импульса. Это означает, что необходимо рассмотреть два случая:

- координацию с формами волны большой длительности;

- координацию с формами волны малой длительности.

Как правило, координации легче достигнуть с короткими формами волны.

Примечание - Для УЗИП коммутирующего типа необходимо также рассматривать формы волны большой длительности. Этот вопрос - в стадии рассмотрения.

F.2 Аналитическое исследование: простой случай координации двух устройств защиты от импульсных перенапряжений на основе цинкооксидных варисторов

F.2.1 Общие положения

Следующие рассуждения касаются только одновводных ограничивающих УЗИП, испытуемых по классам I и II, если известна кривая (). Данные кривые получают путем измерений с формой волны 8/20, изготовитель приводит их в технической документации на УЗИП. УЗИП класса III и двухвводные УЗИП нуждаются в особом рассмотрении (вопрос в стадии изучения).

Приведенный ниже пример помогает уяснить вопрос координации. В первую очередь это относится к УЗИП 1 и УЗИП 2 на основе цинкооксидных варисторов, которые поддаются аналитическому исследованию. Следует заметить, что подобное аналитическое исследование основано исключительно на разделении тока. Чтобы убедиться в том, что энергетический критерий соблюдается, необходимо провести сложные дополнительные расчеты.

Случай 1. Когда два варистора одного и того же диаметра (и поэтому с одним и тем же номинальным разрядным током и одинаковой энергостойкостью: одинаковыми и ), но с разными уровнями напряжения защиты и (разной толщины), тогда мы имеем следующие равенства:

- ;

- ;

- .

Возможные кривые приведены на рисунке F.1.

"Рисунок F.1 - Два цинкооксидных варистора с одинаковым номинальным разрядным током"

Если , то кривая а соответствует УЗИП 1, а кривая b - УЗИП 2.

Такая координация в основном приемлема для короткой формы волны, если расстояние между варисторами превышает несколько метров (как правило, от 5 до 10 м).

На длинных волнах эффект разделения понижен, поэтому УЗИП 2 должен быть способен выдерживать полный приходящий импульс i. УЗИП 2 способен выдерживать полную нагрузку, поскольку у него такая же конструкция, как у УЗИП 1.

Если , то кривая а соответствует УЗИП 2, а кривая b - УЗИП 1, таким образом большая часть тока потечет через УЗИП 1. В этом случае ток, идущий через УЗИП 2, будет меньше, чем пришедший ток.

Энергетические критерии будут выполнены в обоих случаях, так как УЗИП 1 и УЗИП 2 имеют одинаковые токопроводящие возможности.

Этот первый случай был рассмотрен для объяснения данного механизма, так как мало что можно получить, имея два УЗИП с одинаковой энергетической стойкостью.

Случай 2. Два варистора имеют различные номинальные разрядные токи.

Для данного использования УЗИП практическим является случай, когда и . Кроме того, УЗИП 1 и УЗИП 2 могут иметь такие характеристики, что . В этом случае кривые показаны на рисунке F.2. На рисунке F.2 не показано сопротивление, так как его трудно учесть в аналитическом исследовании. Из рисунка F.2 следует, что при короткой форме волны согласование будет хорошим, так как большая часть тока пройдет через УЗИП 1, но при длинной форме волны будет трудно определить координацию. Координация при длинной форме волны и значении входящего тока ниже, чем ток в точке пересечения этих двух кривых (см. рисунок F.2), может быть не достигнута. Большая часть входящего тока течет через УЗИП 2, так как кривая ниже кривой при данном уровне тока. Поэтому имеется необходимость в установке между УЗИП 1 и УЗИП 2 индуктивного сопротивления.

Следовательно, необходимо сравнивать эти кривые с , равным от 0,1 до , чтобы проверить, не пересекают ли они друг друга, вместо того, чтобы только сравнить и ( и соответственно), которые даны в технической документации изготовителя. Значение тока в точке пересечения (если она существует) должно быть как можно ниже.

В этом случае энергетический критерий выполняется с большой степенью вероятности: чем ниже ,тем больше вероятность успеха. Если имеются сомнения, необходим расчет энергии, проходящей через УЗИП 2, с учетом сопротивления между этими УЗИП и длинной формы волны. Такой расчет выполнить аналитически непросто.

Если невозможно получить такие кривые из-за недостатка информации или из-за того, что требуется простой и быстрый результат, то необходимо сравнить кривые и на одном и том же уровне. В таком случае условием простой и хорошей координации является . Заниженные кривые, приведенные на рисунке F.2, соответствуют этому случаю, но с таким варистором, возможно, будет необоснованный запас. Кроме того, у этого варистора могут быть проблемы в части стойкости к нагрузкам, идущим от сети в виде временных перенапряжений.

В этом случае, даже если через УЗИП 2 проходит небольшой ток, энергетический критерий может не выполняться для импульсов большой длительности. Может возникнуть необходимость в дополнительном расчете энергии через УЗИП 2. Кроме того, необходимо проверить, что защита оборудования все еще обеспечивается (так как малый ток в УЗИП 2 может привести к высокому напряжению вследствие нелинейности варистора).

"Рисунок F.2 - Два цинкооксидных варистора с разными номинальными разрядными токами"

F.2.2 Заключение

В каждом случае, когда требуется координация двух цинкооксидных варисторов, следует провести пять этапов действий:

a) определить перенапряжения, ожидаемые при отсутствии в цепи УЗИП при воздействии длинными и короткими волнами;

b) выбрать УЗИП 1, способное выдержать такую нагрузку. Если не представляется возможным получить информацию на этапе, указанном в перечислении а), тогда нужно использовать максимально выверенный УЗИП (см. анализ риска) и получить значения и у изготовителя, а затем сопоставить эти значения с данными, приведенными в перечислении а);

c) выбрать УЗИП 2 согласно требуемым защитным характеристикам;

d) сравнить кривые (I) при I в диапазоне 0,1 .Затем найти точку пересечения . Если ток достаточно мал (как правило, 0,1 ), то нет необходимости вычислять энергию для УЗИП 2. Энергетический критерий будет выполнен независимо от расстояния между двумя УЗИП. Если есть какое-то сомнение, то нужно рассчитать энергию, проходящую через УЗИП 2, учитывая сопротивление между двумя УЗИП, и проверить соблюдение энергетического критерия. Если подобных кривых нет, выбрать УЗИП 2 по упрощенным требованиям.

Если УЗИП 2 имеет такой же номинальный разрядный ток, то .

Если УЗИП 2 имеет меньший номинальный разрядный ток, то . Было бы разумно вычислить энергию в УЗИП 2 для проверки соблюдения энергетического критерия и проверить, что защита все еще обеспечивается;

e) повторять подбор до тех пор, пока действие по перечислению с) не даст положительный результат.

Примечание 1 - Значения напряжения при очень малых токах (обычно называемого эталонным напряжением) не используют для координации.

Примечание 2 - В любом случае (с цинкооксидными варисторами или без них) принцип ЭМС (электромагнитной совместимости) требует, чтобы ток, протекающий через УЗИП 2, был как можно меньше.

Примечание 3 - Кривые даютмаксимальныезначения.Необходимо учитывать отклонения характеристик вследствие допусков изготовителя.

Примечание 4 - Предыдущие исследования могут быть обобщены для более чем двух УЗИП.

F.3 Аналитическое исследование: пример координации между устройствами защиты от импульсных перенапряжений на основе разрядника и устройствами защиты от импульсных перенапряжений на основе цинкооксидного варистора

F.3.1 Общие положения

Еще один общий пример - применение разрядника в качестве УЗИП 1 и цинкооксидного варистора в качестве УЗИП 2 (см. рисунок F.3). В этом случае координация достигается, когда пробой происходит до того как УЗИП 2 будет испытывать перенапряжение.

До пробоя имеем: .

Поскольку значение вообще неизвестно, применяют следующую формулу, которая дает заниженный результат:

- классификационное напряжение цинкового варистора 2). Классификационное напряжение - параметр, характеризующий варистор, который расположен рядом с точкой излома характеристики .

Так как превышает динамическое разрядное напряжение разрядника (), координация достигается, и лишь малая часть тока протекает через УЗИП 2. Она зависит от характеристик цинкооксидного варистора (УЗИП 2), динамического разрядного напряжения разрядника (УЗИП 1), скорости возрастания и значения приходящего импульса i и разделяющего расстояния d между УЗИП 1 и УЗИП 2 (используется индуктивность L как часть полного сопротивления Z, поскольку считается, что в этом случае активным сопротивлением R можно пренебречь).

F.3.2 Пример расчета приблизительных значений, требующихся для разделительной индуктивности между разрядником и варистором

Ограниченность физического пространства, например, внутри современной сотовой базовой радиостанции такова, что УЗИП на основе металл-оксидных варисторов, установленное ниже, может ограничить переходный режим до уровня напряжения значительно ниже напряжения срабатывания, установленного выше УЗИП, на основе разрядника. Это будет предупреждать срабатывание разрядника и позволит энергии импульса полностью воздействовать на УЗИП на основе окиси металла. При большем пространстве длина кабелей между УЗИП будет больше и по этой причине может обеспечивать достаточную индуктивность для работы искрового разрядника.

Всегда сохраняется возможность того, что случайный импульс разойдется параллельными путями и уменьшится до уровня, при котором напряжение будет недостаточным для срабатывания разрядника. В этом случае установленный ниже УЗИП должен иметь достаточную мощность для самостоятельного поглощения всей энергии.

На более высоких энергетических уровнях несрабатывание искровых разрядников позволяет избыточной энергии достигать нижестоящих УЗИП и вызывать их разрушение. Координация достигается гарантией последовательного разделяющего сопротивления, достаточного для обеспечения срабатывания разрядника на всех энергетических уровнях выше предела нижестоящего УЗИП.

Значение индуктивности, требующейся для координации, можно легко подсчитать. Прежде всего должны быть известны параметры разрядника. Искровые разрядники обычно срабатывают до 4 кВ в течение 200 нс.

Далее следует знать параметры нижестоящего УЗИП. Типичное устройство на номинальное напряжение 275 В переменного тока начнет ограничение приблизительно при 430 В. УЗИП может иметь значение = 5кА на основе испытаний класса II при воздействии импульса в течение от 8 до 20 мкс.

Однако следует помнить, что разрядник классифицируется для испытаний класса I, для времени воздействия от 10 до 350 мкс или эквивалентного длинного импульса. Пиковый ток нижестоящего УЗИП должен быть понижен до уровня, соответствующего классу применяемого УЗИП. Коэффициент снижения должен быть приблизительно 4:1. Поэтому значение номинального пикового тока понижается от 5 до 1,25 кА. Значение времени 10 мкс дает приращение исходя из 125 А/мкс.

Теперь требуемую индуктивность для обеспечения надежной работы разрядника можно формуле

,

где U - напряжение срабатывания искрового разрядника;

- скорость роста случайного импульса;

- падение напряжения на нижестоящем УЗИП (причем R является нелинейной величиной).

В этом случае:

.

Предположив, что разрядник сработает в пределах 200 нс, ток, протекающий через нижестоящий УЗИП, будет равен

.

Тогда напряжение будет порядка 600 В.

Поэтому:

или L = 27,2 мкГн.

Эта индуктивность может быть единой общей величиной, обусловленной длиной силового кабеля 27,2 м, полагая, что его индуктивность составляет 1 мкГн на метр длины или это может быть комбинация длины и индуктивности кабеля меньшего значения.

"Рисунок F.3 - Пример координации УЗИП на основе искрового разрядника и УЗИП на основе цинкооксидного варистора"

На этом примере могут быть получены общие условия для расчета данного типа координации.

F.3.3 Заключение

При выборе УЗИП 1 на основе разрядника необходимо выбрать УЗИП 2, выполнив следующие требования:

- для приходящего импульса, соответствующего испытательной волне класса I

;

- для приходящего импульса, соответствующего испытательной волне класса II:

.

Эти нормы дают заниженный результат. Если меньшее значение L является неизбежным, то необходимо компьютерное моделирование для проверки достижения координации.

Примечание - В других случаях можно получить более точные результаты, особенно при использовании длинных форм волны.

F.4 Аналитическое исследование: общая координация УЗИП 1 и УЗИП 2

Исследование случая применения двух варисторов либо схемы разрядник-варистор ясно показывает сложность проблемы координации. Учитывая тот факт, что кривые зависимости U/I известны редко и что в действительности приходится иметь дело с широким диапазоном допусков, становится ясно, что аналитические исследования подходят только для простых случаев. Коль скоро требуется рассчитать энергию, проходящую через УЗИП 2, проще сделать моделирование.

Главный интерес такого аналитического метода состоит в том, что он позволяет пользователю лучше понять суть явления.

Общие правила, приведенные выше, и особенно энергетический критерий, данный в 6.2.6, применяются независимо от технологии УЗИП.

Для достижения приемлемой координации обычно проводят моделирование или испытания, выполняемые изготовителем или потребителем, либо используют упрощенную методику, представленную ниже. Бывает, что УЗИП с неизвестными характеристиками размещены внутри оборудования. Поскольку оборудование может заменяться в ходе эксплуатации установки, необходимо следить за тем, чтобы оборудование УЗИП не испытывало перенапряжения из-за недостатка координации.

F.5 Метод сквозной энергии

F.5.1 Общие положения

Координация по стандартным параметрам импульса, как это описано в МЭК 61312-4, - процедура для выбора и координации УЗИП. Главным преимуществом этого метода является возможность рассмотрения любого УЗИП в качестве черного ящика (см. рисунок F.4). Здесь для данного импульса на вводных зажимах определяют не только напряжение разомкнутой цепи, но и выходной ток (например, в короткозамкнутую цепь) (принцип "сквозной энергии"). Эти выходные характеристики превращаются в эквивалентное напряжение - "комбинированная волна в 2 Ом" (напряжение разомкнутой цепи 1,2/50, ток короткого замыкания - 8/20). Преимуществом этого является отсутствие необходимости в специальных знаниях внутренней конструкции УЗИП.

"Рисунок F.4 - Сквозная энергия - метод координации по стандартным параметрам импульса"

Цель данного метода координации - сделать входными значениями УЗИП 2 (например, разрядный ток) сравнимыми с выходными значениями УЗИП 1 (например, уровень напряжения защиты).

При ступенчатой защите следует считать, что эквивалентный входной смешанный импульс, который может быть уменьшен последующим УЗИП (без повреждения) не менее чем эквивалентный выходной смешанный импульс предшествующего УЗИП. Для надежной координации должен быть определен эквивалентный смешанный импульс для наихудшего случая перенапряжения (, , сквозная энергия).

Наихудший случай для конструкции представляет короткое замыкание. Но для целей координации это слишком трудоемко. Более практично задействовать "напряжение нагрузки" (далее - "противодействующее напряжение").

УЗИП, установленное после искрового разрядника, как правило, содержит цинковый варистор. Остаточное напряжение такого УЗИП в любом случае выше пикового значения номинального напряжения промышленной частоты (например, в системе переменного тока с номинальным напряжением 240 В пиковое значение напряжения будет В = 340 В, которое ниже классификационного напряжения, установленного УЗИП).

Это максимальное значение напряжения питания соответствует наименьшему возможному остаточному напряжению УЗИП. Поэтому это максимальное напряжение может быть взято в качестве минимально возможного противодействующего напряжения.

Использование тока короткого замыкания вместо предполагаемого противодействующего напряжения привело бы к увеличению габаритов разделительного элемента.

Примечание 1 - Метод дает хорошие результаты, когда характеристики УЗИП 1 настолько отличаются от характеристик УЗИП 2, что условия импульса УЗИП 2 как бы оказывают воздействие на ток. В случае координации между искровым разрядником и варистором на основе окиси металла это условие выполняется.

Примечание 2 - Существуют ограничения в применении этого метода:

- для получения заниженного результата разделительный элемент должен быть включен в методику как часть УЗИП 2;

- для получения заниженного результата, противодействующее напряжение берется равным нулю, где УЗИП 2 содержит коммутирующий элемент;

- если УЗИП 2 содержит коммутирующий элемент, имеется вероятность, что результат будет заниженным вследствие того, что этот метод недостаточно точно моделирует коммутирующий элемент. В таком случае нужно проявить осторожность при использовании этого метода;

- форма волны импульса, пришедшего на вход электроустановки, должна рассматриваться как имеющая идентичные формы тока и напряжения (10/350 или 8/20). Значение импульсного тока i, в основном, известно. Значение импульсного напряжения U зависит от полного сопротивления импульса системы;

- при исследовании следует тщательно учитывать допуски на характеристики УЗИП.

F.5.2 Методика

Описанный ниже метод обычно дает заниженный результат для разделительного элемента (сопротивления) между УЗИП 1 и УЗИП 2. Это означает, что если между УЗИП 1 и УЗИП 2 установить такое сопротивление, то координация в основном выполняется лучше, чем прогнозируемая расчетом.

Данный метод заключается в том, чтобы представить выход каждого УЗИП в качестве эквивалентного генератора комбинированной волны (ГКВ), определяемого напряжением холостого хода 1,2/50 и током короткого замыкания 8/20, при полном сопротивлении генератора 2 Ом ().

УЗИП, испытуемые по классу III, уже испытаны таким ГКВ, для УЗИП, испытуемых по классу II, необходимо допустить, что = .

УЗИП, установленное ближе к вводу, может быть испытано по классу I для случая прямого удара молнии в здание или по классу II.

Напряжение на выходе каждого УЗИП должно иметь в основном форму волны, которая прямо не связана с формами волны 1,2/50 и 8/20. В таком случае необходимо нормализовать фактические формы волны для преобразования их в формы 1,2/50 и 8/20.

Это выполняется путем следующих расчетов:

- амплитудное значение , и ;

- амплитудное значение , и .

Примечание - Элементы формул и данные в таблицах должны быть согласованы.

Эти данные затем приводят в таблице F.1.

Таблица F.1

Напряжение
Ток

Та же таблица для ГКВ с амплитудой 1В (таблица F.2).

Таблица F.2

Напряжение	1
Ток	0,5

Разделив значения каждой графы таблицы F.1 на значения соответствующих граф таблицы F.2, получим новую таблицу F.3.

Таблица F.3

Напряжение
Ток

Максимальное значение в таблице F.3 дает значение эквивалентное значению , что соответствует значению на выходе УЗИП. После того как далее установленный УЗИП был испытан по классу III генератором комбинированной волны (ГКВ), имеющим напряжение холостого хода (или эквивалентным ГКВ в случае испытаний по классу II), можно сразу сказать, является ли координация удовлетворительной. Достаточно проверить, что .

Значение на выходе УЗИП для данной нагрузки на входе должно быть рассчитано с использованием программного обеспечения моделирования. Нет необходимости проводить расчеты каждый раз, так как такие расчеты может сделать изготовитель. Для каждого изделия изготовитель может подсчитать выходной эквивалентный импульс ГКВ для данной нагрузки ( для испытаний класса I или для класса II, или ГКВ для испытаний класса III) с учетом допусков на характеристики УЗИП и любых критических зон (иногда самое главное перенапряжение на выходе УЗИП является результатом не максимальных значений , и , а более низких значений).