ситуация напряжения

устройство защиты от импульсных перенапряжений
УЗИП
Устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсных токов. Это устройство содержит по крайней мере один нелинейный элемент.
[ ГОСТ Р 51992-2011( МЭК 61643-1: 2005)]

устройство защиты от импульсных разрядов напряжения
Устройство, используемое для ослабления действия импульсных разрядов перенапряжений и сверхтоков ограниченной длительности. Оно может состоять из одного элемента или иметь более сложную конструкцию. Наиболее распространенный тип SPD - газонаполненные разрядники.
(МСЭ-Т K.44, МСЭ-Т K.46, МСЭ-Т K.57,, МСЭ-Т K.65, МСЭ-Т K.66)
[ http://www.iks-media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324]

См. также:

• импульсное перенапряжение
• ГОСТ Р 51992-2011( МЭК 61643-1: 2005)
  Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные.
  Часть 1. Устройства защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах.
  Технические требования и методы испытаний

КЛАССИФИКАЦИЯ  (по ГОСТ Р 51992-2011( МЭК 61643-1: 2005)) 
 

• По числу вводов:
  
  • одновводные
  • двухвводные
• По способу выполнения защиты от перенапряжения:
  
  • коммутирующие напряжение
  • ограничивающие напряжение
  • комбинированного типа
• По испытаниям УЗИП
  
  • класс испытания I
  • класс испытания II
  • класс испытания III
• По местоположению:
  
  • внутренней установки
  • наружной установки.
    Примечание - Для УЗИП, изготовленных и классифицируемых исключительно для наружной установки и монтируемых недоступными, вообще не требуется соответствия требованиям относительно защиты от воздействующих факторов внешней среды
• По доступности:
  
  • доступное
  • недоступное
    Примечание - Недоступное означает невозможность доступа без помощи специального инструмента к частям, находящимся под напряжением

• По способу установки
  
  • стационарный
  • переносной
• По местоположению разъединителя УЗИП:
  
  • внутренней установки
  • наружной установки
  • комбинированной (одна часть внутренней установки, другая - наружной установки)
• По защитным функциям:
  
  • с тепловой защитой
  • с защитой от токов утечки
  • с защитой от сверхтока.
• По защите от сверхтока:
  
  • с защитой
  • без защиты
• По степени защиты, обеспечиваемой оболочками согласно кодам IP
• По диапазону температур
  
  • с нормальным диапазоном
  • с расширенным диапазоном
• По системе питания
  
  • переменного тока частотой от 48 до 62 Гц
  • постоянного тока
  • переменного и постоянного тока;

ВОПРОС: ЧТО ТАКОЕ ТИПЫ И КЛАССЫ УЗИП ?

Согласно классификации ГОСТ, МЭК а также немецкого стандарта DIN, Устройства Защиты от Импульсных Перенапряжений УЗИП делятся на разные категории по методу испытаний и месту установки.

Класс 1 испытаний соответствует Типу 1 и Классу Требований B
Класс 2 испытаний соответствует Типу 2 и Классу Требований C
Класс 3 испытаний соответствует Типу 3 и Классу Требований D

ВОПРОС: ЧЕМ УЗИП ТИП 1 ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ УЗИП ТИП 2?

УЗИП тип 1 устанавливаются на вводе в здание при воздушном вводе питания или при наличии системы внешней молниезащиты. УЗИП в схеме включения предназначен для отвода части прямого тока молнии. В соответствии с ГОСТ Р 51992-2002, УЗИП 1-го класса испытаний ( тип 1) испытываются импульсом тока с формой волны 10/350 мкс.
УЗИП тип 2 служат для защиты от наведённых импульсов тока и устанавливаются либо после УЗИП тип 1, либо на вводе в здание при отсутствии вероятности попадания части тока молнии. УЗИП 2 класса испытаний (тип 2) испытываются импульсом тока с формой 8/20 мкс.
ВОПРОС: ГДЕ ПРИМЕНЯЕТСЯ УЗИП ТИПА 3 ?

Устройства для Защиты от Импульсных Перенапряжений Типа 3 предназначены для "тонкой" защиты наиболее ответственного и чувствительного электрооборудования, например медицинской аппаратуры, систем хранения данных и пр. УЗИП Типа 3 необходимо устанавливать не далее 5 метров по кабелю от защищаемого оборудования. Модификации УЗИП Типа 3 могут быть выполнены в виде адаптера сетевой розетки или смонтированы непосредственно в корпусе или на шасси защищаемого прибора. Для бытового применения доступна версия MSB06 скрытого монтажа, за обычной сетевой розеткой.

ВОПРОС: ЗАЧЕМ НУЖЕН СОГЛАСУЮЩИЙ ДРОССЕЛЬ?

Для правильного распределения мощности импульса между ступенями защиты ставят линию задержки в виде дросселя индуктивностью 15 мкГн или отрезок кабеля длиной не менее 15 м, имеющего аналогичную индуктивность. В этом случае сначала сработает УЗИП 1-го класса и возьмёт на себя основную энергию импульса, а затем устройство 2-го класса ограничит напряжение до безопасного уровня.

ВОПРОС: ЗАЧЕМ СТАВИТЬ УЗИП, ЕСЛИ НА ВВОДЕ УЖЕ СТОИТ АВТОМАТ ЗАЩИТЫ И УЗО?

Вводной автомат (например на 25, 40, 63 А) защищает систему электроснабжения от перегрузки и коротких замыканий со стороны потребителя. Устройство защитного отключения УЗО (например, с током отсечки 30 или 100 мА) защищает человека от случайного поражения электрическим током.
Но ни одно из этих устройств не может защитить электрическую сеть и оборудование от микросекундных импульсов большой мощности. Такую защиту обеспечивает только Устройство Защиты от Импульсных Перенапряжений УЗИП со временем срабатывания в наносекундном диапазоне.

ВОПРОС: КАКОЕ УСТРОЙСТВО ЛУЧШЕ ЗАЩИТИТ ОТ ГРОЗЫ: УЗИП ИЛИ ОПН ?

УЗИП - это официальное (ГОСТ) наименование всего класса устройств для защиты от последствий токов молний и импульсных перенапряжений в сетях до 1000 В. В литературе, в публикациях в интернете до сих пор встречаются названия - ОПН (Ограничитель перенапряжения), Разрядник, Молниеразрядник, Грозоразрядник - которые применительно к сетям до 1000 Вольт означают по сути одно устройство - это УЗИП. Для организации эффективной молниезащиты необходимо обращать внимание не на название устройства, а на его характеристики.

ВОПРОС: КАК СРАВНИТЬ УЗИП РАЗНЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ?

Все УЗИП, продаваемые на территории России, должны производиться и испытываться в соответствии с ГОСТ Р 51992-2002( аналог международного стандарта МЭК 61643-1-98). ГОСТ Р 51992-2002 предусматривает наличие у каждого устройства ряда характеристик, которые производитель обязан указать в паспорте и на самом изделии.

Класс испытаний (Тип) 1, 2 или 3
Импульсный ток Iimp (10/350 мкс) для УЗИП 1 класса
Номинальный импульсный ток In (8/20 мкс)
Максимальный импульсный ток Imax (8/20 мкс)
Уровень напряжения защиты Up, измеренный при In

По этим характеристикам и происходит сравнение. Замечание: некоторые производители указывают значения импульсных токов на фазу (модуль), а другие - на устройство в целом. Для сравнения их надо приводить к одному виду.

[ http://www.artterm-m.ru/index.php/zashitaseteji1/faquzip]

трехфазный ИБП
-
[Интент]

Глава 7. Трехфазные ИБП

... ИБП большой мощности (начиная примерно с 10 кВА) как правило предназначены для подключения к трехфазной электрической сети. Диапазон мощностей 8-25 кВА – переходный. Для такой мощности делают чисто однофазные ИБП, чисто трехфазные ИБП и ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом. Все ИБП, начиная примерно с 30 кВА имеют трехфазный вход и трехфазный выход. Трехфазные ИБП имеют и другое преимущество перед однофазными ИБП. Они эффективно разгружают нейтральный провод от гармоник тока и способствуют более безопасной и надежной работе больших компьютерных систем. Эти вопросы рассмотрены в разделе "Особенности трехфазных источников бесперебойного питания" главы 8. Трехфазные ИБП строятся обычно по схеме с двойным преобразованием энергии. Поэтому в этой главе мы будем рассматривать только эту схему, несмотря на то, что имеются трехфазные ИБП, построенные по схеме, похожей на ИБП, взаимодействующий с сетью.

Схема трехфазного ИБП с двойным преобразованием энергии приведена на рисунке 18.

Рис.18. Трехфазный ИБП с двойным преобразованием энергии

Как видно, этот ИБП не имеет почти никаких отличий на уровне блок-схемы, за исключением наличия трех фаз. Для того, чтобы увидеть отличия от однофазного ИБП с двойным преобразованием, нам придется (почти впервые в этой книге) несколько подробнее рассмотреть элементы ИБП. Мы будем проводить это рассмотрение, ориентируясь на традиционную технологию. В некоторых случаях будут отмечаться схемные особенности, позволяющие улучшить характеристики.

Выпрямитель

Слева на рис 18. – входная электрическая сеть. Она включает пять проводов: три фазных, нейтраль и землю. Между сетью и ИБП – предохранители (плавкие или автоматические). Они позволяют защитить сеть от аварии ИБП. Выпрямитель в этой схеме – регулируемый тиристорный. Управляющая им схема изменяет время (долю периода синусоиды), в течение которого тиристоры открыты, т.е. выпрямляют сетевое напряжение. Чем большая мощность нужна для работы ИБП, тем дольше открыты тиристоры. Если батарея ИБП заряжена, на выходе выпрямителя поддерживается стабилизированное напряжение постоянного тока, независимо от нвеличины напряжения в сети и мощности нагрузки. Если батарея требует зарядки, то выпрямитель регулирует напряжение так, чтобы в батарею тек ток заданной величины.

Такой выпрямитель называется шести-импульсным, потому, что за полный цикл трехфазной электрической сети он выпрямляет 6 полупериодов сингусоиды (по два в каждой из фаз). Поэтому в цепи постоянного тока возникает 6 импульсов тока (и напряжения) за каждый цикл трехфазной сети. Кроме того, во входной электрической сети также возникают 6 импульсов тока, которые могут вызвать гармонические искажения сетевого напряжения. Конденсатор в цепи постоянного тока служит для уменьшения пульсаций напряжения на аккумуляторах. Это нужно для полной зарядки батареи без протекания через аккумуляторы вредных импульсных токов. Иногда к конденсатору добавляется еще и дроссель, образующий совместно с конденсатором L-C фильтр.

Коммутационный дроссель ДР уменьшает импульсные токи, возникающие при открытии тиристоров и служит для уменьшения искажений, вносимых выпрямителем в электрическую сеть. Для еще большего снижения искажений, вносимых в сеть, особенно для ИБП большой мощности (более 80-150 кВА) часто применяют 12-импульсные выпрямители. Т.е. за каждый цикл трехфазной сети на входе и выходе выпрямителя возникают 12 импульсов тока. За счет удвоения числа импульсов тока, удается примерно вдвое уменьшить их амплитуду. Это полезно и для аккумуляторов и для электрической сети.

Двенадцати-импульсный выпрямитель фактически состоит из двух 6-импульсных выпрямителей. На вход второго выпрямителя (он изображен ниже на рис. 18) подается трехфазное напряжение, прошедшее через трансформатор, сдвигающий фазу на 30 градусов.

В настоящее время применяются также и другие схемы выпрямителей трехфазных ИБП. Например схема с пассивным (диодным) выпрямителем и преобразователем напряжения постоянного тока, применение которого позволяет приблизить потребляемый ток к синусоидальному.

Наиболее современным считается транзисторный выпрямитель, регулируемый высокочастотной схемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Применение такого выпрямителя позволяет сделать ток потребления ИБП синусоидальным и совершенно отказаться от 12-импульсных выпрямителей с трансформатором.

Батарея

Для формирования батареи трехфазных ИБП (как и в однофазных ИБП) применяются герметичные свинцовые аккумуляторы. Обычно это самые распространенные модели аккумуляторов с расчетным сроком службы 5 лет. Иногда используются и более дорогие аккумуляторы с большими сроками службы. В некоторых трехфазных ИБП пользователю предлагается фиксированный набор батарей или батарейных шкафов, рассчитанных на различное время работы на автономном режиме. Покупая ИБП других фирм, пользователь может более или менее свободно выбирать батарею своего ИБП (включая ее емкость, тип и количество элементов). В некоторых случаях батарея устанавливается в корпус ИБП, но в большинстве случаев, особенно при большой мощности ИБП, она устанавливается в отдельном корпусе, а иногда и в отдельном помещении.

Инвертор

Как и в ИБП малой мощности, в трехфазных ИБП применяются транзисторные инверторы, управляемые схемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Некоторые ИБП с трехфазным выходом имеют два инвертора. Их выходы подключены к трансформаторам, сдвигающим фазу выходных напряжений. Даже в случае применения относительно низкочастоной ШИМ, такая схема совместно с применением фильтра переменного тока, построенного на трансформаторе и конденсаторах, позволяет обеспечить очень малый коэффициент гармонических искажений на выходе ИБП (до 3% на линейной нагрузке). Применение двух инверторов увеличивает надежность ИБП, поскольку даже при выходе из строя силовых транзисторов одного из инверторов, другой инвертор обеспечит работу нагрузки, пусть даже при большем коэффициенте гармонических искажений.

В последнее время, по мере развития технологии силовых полупроводников, начали применяться более высокочастотные транзисторы. Частота ШИМ может составлять 4 и более кГц. Это позволяет уменьшить гармонические искажения выходного напряжения и отказаться от применения второго инвертора. В хороших ИБП существуют несколько уровней защиты инвертора от перегрузки. При небольших перегрузках инвертор может уменьшать выходное напряжение (пытаясь снизить ток, проходящий через силовые полупроводники). Если перегрузка очень велика (например нагрузка составляет более 125% номинальной), ИБП начинает отсчет времени работы в условиях перегрузки и через некоторое время (зависящее от степени перегрузки – от долей секунды до минут) переключается на работу через статический байпас. В случае большой перегрузки или короткого замыкания, переключение на статический байпас происходит сразу.

Некоторые современные высококлассные ИБП (с высокочакстотной ШИМ) имеют две цепи регулирования выходного напряжения. Первая из них осуществляет регулирование среднеквадратичного (действующего) значения напряжения, независимо для каждой из фаз. Вторая цепь измеряет мгновенные значения выходного напряжения и сравнивает их с хранящейся в памяти блока управления ИБП идеальной синусоидой. Если мгновенное значение напряжения отклонилось от соотвествующего "идеального" значения, то вырабатывается корректирующий импульс и форма синусоиды выходного напряжения исправляется. Наличие второй цепи обратной связи позволяет обеспечить малые искажения формы выходного напряжения даже при нелинейных нагрузках.

Статический байпас

Блок статического байпаса состоит из двух трехфазных (при трехфазном выходе) тиристорных переключателей: статического выключателя инвертора (на схеме – СВИ) и статического выключателя байпаса (СВБ). При нормальной работе ИБП (от сети или от батареи) статический выключатель инвертора замкнут, а статический выключатель байпаса разомкнут. Во время значительных перегрузок или выхода из строя инвертора замкнут статический переключатель байпаса, переключатель инвертора разомкнут. В момент переключения оба статических переключателя на очень короткое время замкнуты. Это позволяет обеспечить безразрывное питание нагрузки.

Каждая модель ИБП имеет свою логику управления и, соответственно, свой набор условий срабатывания статических переключателей. При покупке ИБП бывает полезно узнать эту логику и понять, насколько она соответствует вашей технологии работы. В частности хорошие ИБП сконструированы так, чтобы даже если байпас недоступен (т.е. отсутствует синхронизация инвертора и байпаса – см. главу 6) в любом случае постараться обеспечить электроснабжение нагрузки, пусть даже за счет уменьшения напряжения на выходе инвертора.

Статический байпас ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом имеет особенность. Нагрузка, распределенная на входе ИБП по трем фазным проводам, на выходе имеет только два провода: один фазный и нейтральный. Статический байпас тоже конечно однофазный, и синхронизация напряжения инвертора производится относительно одной из фаз трехфазной сети (любой, по выбору пользователя). Вся цепь, подводящая напряжение к входу статического байпаса должна выдерживать втрое больший ток, чем входной кабель выпрямителя ИБП. В ряде случаев это может вызвать трудности с проводкой.

Сервисный байпас

Трехфазные ИБП имеют большую мощность и обычно устанавливаются в местах действительно критичных к электропитанию. Поэтому в случае выхода из строя какого-либо элемента ИБП или необходимости проведения регламентных работ (например замены батареи), в большинстве случае нельзя просто выключить ИБП или поставить на его место другой. Нужно в любой ситуации обеспечить электропитание нагрузки. Для этих ситуаций у всех трехфазных ИБП имеется сервисный байпас. Он представляет собой ручной переключатель (иногда как-то заблокированный, чтобы его нельзя было включить по ошибке), позволяющий переключить нагрузку на питание непосредственно от сети. У большинства ИБП для переключения на сервисный байпас существует специальная процедура (определенная последовательность действий), которая позволяет обеспечит непрерывность питания при переключениях.

Режимы работы трехфазного ИБП с двойным преобразованием

Трехфазный ИБП может работать на четырех режимах работы.

• При нормальной работе нагрузка питается по цепи выпрямитель-инвертор стабилизированным напряжением, отфильтрованным от импульсов и шумов за счет двойного преобразования энергии.
• Работа от батареи. На это режим ИБП переходит в случае, если напряжение на выходе ИБП становится таким маленьким, что выпрямитель оказывается не в состоянии питать инвертор требуемым током, или выпрямитель не может питать инвертор по другой причине, например из-за поломки. Продолжительность работы ИБП от батареи зависит от емкости и заряда батареи, а также от нагрузки ИБП.
• Когда какой-нибудь инвертор выходит из строя или испытывает перегрузку, ИБП безразрывно переходит на режим работы через статический байпас. Нагрузка питается просто от сети через вход статического байпаса, который может совпадать или не совпадать со входом выпрямителя ИБП.
• Если требуется обслуживание ИБП, например для замены батареи, то ИБП переключают на сервисный байпас. Нагрузка питается от сети, а все цепи ИБП, кроме входного выключателя сервисного байпаса и выходных выключателей отделены от сети и от нагрузки. Режим работы на сервисном байпасе не является обязательным для небольших однофазных ИБП с двойным преобразованием. Трехфазный ИБП без сервисного байпаса немыслим.

Надежность

Трехфазные ИБП обычно предназначаются для непрерывной круглосуточной работы. Работа нагрузки должна обеспечиваться практически при любых сбоях питания. Поэтому к надежности трехфазных ИБП предъявляются очень высокие требования. Вот некоторые приемы, с помощью которых производители трехфазных ИБП могут увеличивать надежность своей продукции. Применение разделительных трансформаторов на входе и/или выходе ИБП увеличивает устойчивость ИБП к скачкам напряжения и нагрузки. Входной дроссель не только обеспечивает "мягкий запуск", но и защищает ИБП (и, в конечном счете, нагрузку) от очень быстрых изменений (скачков) напряжения.

Обычно фирма выпускает целый ряд ИБП разной мощности. В двух или трех "соседних по мощности" ИБП этого ряда часто используются одни и те же полупроводники. Если это так, то менее мощный из этих двух или трех ИБП имеет запас по предельному току, и поэтому несколько более надежен. Некоторые трехфазные ИБП имеют повышенную надежность за счет резервирования каких-либо своих цепей. Так, например, могут резервироваться: схема управления (микропроцессор + платы "жесткой логики"), цепи управления силовыми полупроводниками и сами силовые полупроводники. Батарея, как часть ИБП тоже вносит свой вклад в надежность прибора. Если у ИБП имеется возможность гибкого выбора батареи, то можно выбрать более надежный вариант (батарея более известного производителя, с меньшим числом соединений).

Преобразователи частоты

Частота напряжения переменного тока в электрических сетях разных стран не обязательно одинакова. В большинстве стран (в том числе и в России) распространена частота 50 Гц. В некоторых странах (например в США) частота переменного напряжения равна 60 Гц. Если вы купили оборудование, рассчитанное на работу в американской электрической сети (110 В, 60 Гц), то вы должны каким-то образом приспособить к нему нашу электрическую сеть. Преобразование напряжения не является проблемой, для этого есть трансформаторы. Если оборудование оснащено импульсным блоком питания, то оно не чувствительно к частоте и его можно использовать в сети с частотой 50 Гц. Если же в состав оборудования входят синхронные электродвигатели или иное чувствительное к частоте оборудование, вам нужен преобразователь частоты. ИБП с двойным преобразованием энергии представляет собой почти готовый преобразователь частоты.

В самом деле, ведь выпрямитель этого ИБП может в принципе работать на одной частоте, а инвертор выдавать на своем выходе другую. Есть только одно принципиальное ограничение: невозможность синхронизации инвертора с линией статического байпаса из-за разных частот на входе и выходе. Это делает преобразователь частоты несколько менее надежным, чем сам по себе ИБП с двойным преобразованием. Другая особенность: преобразователь частоты должен иметь мощность, соответствующую максимальному возможному току нагрузки, включая все стартовые и аварийные забросы, ведь у преобразователя частоты нет статического байпаса, на который система могла бы переключиться при перегрузке.

Для изготовления преобразователя частоты из трехфазного ИБП нужно разорвать цепь синхронизации, убрать статический байпас (или, вернее, не заказывать его при поставке) и настроить инвертор ИБП на работу на частоте 60 Гц. Для большинства трехфазных ИБП это не представляет проблемы, и преобразователь частоты может быть заказан просто при поставке.

ИБП с горячим резервированием

В некоторых случаях надежности даже самых лучших ИБП недостаточно. Так бывает, когда сбои питания просто недопустимы из-за необратимых последствий или очень больших потерь. Обычно в таких случаях в технике применяют дублирование или многократное резервирование блоков, от которых зависит надежность системы. Есть такая возможность и для трехфазных источников бесперебойного питания. Даже если в конструкцию ИБП стандартно не заложено резервирование узлов, большинство трехфазных ИБП допускают резервирование на более высоком уровне. Резервируется целиком ИБП. Простейшим случаем резервирования ИБП является использование двух обычных серийных ИБП в схеме, в которой один ИБП подключен к входу байпаса другого ИБП.

Рис. 19а. Последовательное соединение двух трехфазных ИБП

На рисунке 19а приведена схема двух последовательно соединенным трехфазных ИБП. Для упрощения на рисунке приведена, так называемая, однолинейная схема, на которой трем проводам трехфазной системы переменного тока соответствует одна линия. Однолинейные схемы часто применяются в случаях, когда особенности трехфазной сети не накладывают отпечаток на свойства рассматриваемого прибора. Оба ИБП постоянно работают. Основной ИБП питает нагрузку, а вспомогательный ИБП работает на холостом ходу. В случае выхода из строя основного ИБП, нагрузка питается не от статического байпаса, как в обычном ИБП, а от вспомогательного ИБП. Только при выходе из строя второго ИБП, нагрузка переключается на работу от статического байпаса.

Система из двух последовательно соединенных ИБП может работать на шести основных режимах.

А. Нормальная работа. Выпрямители 1 и 2 питают инверторы 1 и 2 и, при необходимости заряжают батареи 1 и 2. Инвертор 1 подключен к нагрузке (статический выключатель инвертора 1 замкнут) и питает ее стабилизированным и защищенным от сбоев напряжением. Инвертор 2 работает на холостом ходу и готов "подхватить" нагрузку, если инвертор 1 выйдет из строя. Оба статических выключателя байпаса разомкнуты.

Для обычного ИБП с двойным преобразованием на режиме работы от сети допустим (при сохранении гарантированного питания) только один сбой в системе. Этим сбоем может быть либо выход из строя элемента ИБП (например инвертора) или сбой электрической сети.

Для двух последовательно соединенных ИБП с на этом режиме работы допустимы два сбоя в системе: выход из строя какого-либо элемента основного ИБП и сбой электрической сети. Даже при последовательном или одновременном возникновении двух сбоев питание нагрузки будет продолжаться от источника гарантированного питания.

Б. Работа от батареи 1. Выпрямитель 1 не может питать инвертор и батарею. Чаще всего это происходит из-за отключения напряжения в электрической сети, но причиной может быть и выход из строя выпрямителя. Состояние инвертора 2 в этом случае зависит от работы выпрямителя 2. Если выпрямитель 2 работает (например он подключен к другой электрической сети или он исправен, в отличие от выпрямителя 1), то инвертор 2 также может работать, но работать на холостом ходу, т.к. он "не знает", что с первым ИБП системы что-то случилось. После исчерпания заряда батареи 1, инвертор 1 отключится и система постарается найти другой источник электроснабжения нагрузки. Им, вероятно, окажется инвертор2. Тогда система перейдет к другому режиму работы.

Если в основном ИБП возникает еще одна неисправность, или батарея 1 полностью разряжается, то система переключается на работу от вспомогательного ИБП.

Таким образом даже при двух сбоях: неисправности основного ИБП и сбое сети нагрузка продолжает питаться от источника гарантированного питания.

В. Работа от инвертора 2. В этом случае инвертор 1 не работает (из-за выхода из строя или полного разряда батареи1). СВИ1 разомкнут, СВБ1 замкнут, СВИ2 замкнут и инвертор 2 питает нагрузку. Выпрямитель 2, если в сети есть напряжение, а сам выпрямитель исправен, питает инвертор и батарею.

На этом режиме работы допустим один сбой в системе: сбой электрической сети. При возникновении второго сбоя в системе (выходе из строя какого-либо элемента вспомогательного ИБП) электропитание нагрузки не прерывается, но нагрузка питается уже не от источника гарантированного питания, а через статический байпас, т.е. попросту от сети.

Г. Работа от батареи 2. Наиболее часто такая ситуация может возникнуть после отключения напряжения в сети и полного разряда батареи 1. Можно придумать и более экзотическую последовательность событий. Но в любом случае, инвертор 2 питает нагругку, питаясь, в свою очередь, от батареи. Инвертор 1 в этом случае отключен. Выпрямитель 1, скорее всего, тоже не работает (хотя он может работать, если он исправен и в сети есть напряжение).

После разряда батареи 2 система переключится на работу от статического байпаса (если в сети есть нормальное напряжение) или обесточит нагрузку.

Д. Работа через статический байпас. В случае выхода из строя обоих инверторов, статические переключатели СВИ1 и СВИ2 размыкаются, а статические переключатели СВБ1 и СВБ2 замыкаются. Нагрузка начинает питаться от электрической сети.

Переход системы к работе через статический байпас происходит при перегрузке системы, полном разряде всех батарей или в случае выхода из строя двух инверторов.

На этом режиме работы выпрямители, если они исправны, подзаряжают батареи. Инверторы не работают. Нагрузка питается через статический байпас.

Переключение системы на работу через статический байпас происходит без прерывания питания нагрузки: при необходимости переключения сначала замыкается тиристорный переключатель статического байпаса, и только затем размыкается тиристорный переключатель на выходе того инвертора, от которого нагрузка питалась перед переключением.

Е. Ручной (сервисный) байпас. Если ИБП вышел из строя, а ответственную нагрузку нельзя обесточить, то оба ИБП системы с соблюдением специальной процедуры (которая обеспечивает безразрыное переключение) переключают на ручной байпас. после этого можно производить ремонт ИБП.

Преимуществом рассмотренной системы с последовательным соединением двух ИБП является простота. Не нужны никакие дополнительные элементы, каждый из ИБП работает в своем штатном режиме. С точки зрения надежности, эта схема совсем не плоха:- в ней нет никакой лишней, (связанной с резервированием) электроники, соответственно и меньше узлов, которые могут выйти из строя.

Однако у такого соединения ИБП есть и недостатки. Вот некоторые из них.
 

1. Покупая такую систему, вы покупаете второй байпас (на нашей схеме – он первый – СВБ1), который, вообще говоря, не нужен – ведь все необходимые переключения могут быть произведены и без него.
2. Весь второй ИБП выполняет только одну функцию – резервирование. Он потребляет электроэнергию, работая на холостом ходу и вообще не делает ничего полезного (разумеется за исключением того времени, когда первый ИБП отказывается питать нагрузку). Некоторые производители предлагают "готовые" системы ИБП с горячим резервированием. Это значит, что вы покупаете систему, специально (еще на заводе) испытанную в режиме с горячим резервированием. Схема такой системы приведена на рис. 19б.

Рис.19б. Трехфазный ИБП с горячим резервированием

Принципиальных отличий от схемы с последовательным соединением ИБП немного.

1. У второго ИБП отсутствует байпас.
2. Для синхронизации между инвертором 2 и байпасом появляется специальный информационный кабель между ИБП (на рисунке не показан). Поэтому такой ИБП с горячим резервированием может работать на тех же шести режимах работы, что и система с последовательным подключением двух ИБП. Преимущество "готового" ИБП с резервированием, пожалуй только одно – он испытан на заводе-производителе в той же комплектации, в которой будет эксплуатироваться.

Для расмотренных схем с резервированием иногда применяют одно важное упрощение системы. Ведь можно отказаться от резервирования аккумуляторной батареи, сохранив резервирование всей силовой электроники. В этом случае оба ИБП будут работать от одной батареи (оба выпрямителя будут ее заряжать, а оба инвертора питаться от нее в случае сбоя электрической сети). Применение схемы с общей бетареей позволяет сэкономить значительную сумму – стоимость батареи.

Недостатков у схемы с общей батареей много:

1. Не все ИБП могут работать с общей батареей.
2. Батарея, как и другие элементы ИБП обладает конечной надежностью. Выход из строя одного аккумулятора или потеря контакта в одном соединении могут сделать всю системы ИБП с горячим резервирование бесполезной.
3. В случае выхода из строя одного выпрямителя, общая батарея может быть выведена из строя. Этот последний недостаток, на мой взгляд, является решающим для общей рекомендации – не применять схемы с общей батареей.

Параллельная работа нескольких ИБП

Как вы могли заметить, в случае горячего резервирования, ИБП резервируется не целиком. Байпас остается общим для обоих ИБП. Существует другая возможность резервирования на уровне ИБП – параллельная работа нескольких ИБП. Входы и выходы нескольких ИБП подключаются к общим входным и выходным шинам. Каждый ИБП сохраняет все свои элементы (иногда кроме сервисного байпаса). Поэтому выход из строя статического байпаса для такой системы просто мелкая неприятность.

На рисунке 20 приведена схема параллельной работы нескольких ИБП.

Рис.20. Параллельная работа ИБП

На рисунке приведена схема параллельной системы с раздельными сервисными байпасами. Схема система с общим байпасом вполне ясна и без чертежа. Ее особенностью является то, что для переключения системы в целом на сервисный байпас нужно управлять одним переключателем вместо нескольких. На рисунке предполагается, что между ИБП 1 и ИБП N Могут располагаться другие ИБП. Разные производителю (и для разных моделей) устанавливают свои максимальные количества параллеьно работающих ИБП. Насколько мне известно, эта величина изменяется от 2 до 8. Все ИБП параллельной системы работают на общую нагрузку. Суммарная мощность параллельной системы равна произведению мощности одного ИБП на количество ИБП в системе. Таким образом параллельная работа нескольких ИБП может применяться (и в основном применяется) не столько для увеличения надежности системы бесперебойного питания, но для увеличения ее мощности.

Рассмотрим режимы работы параллельной системы

Нормальная работа (работа от сети). Надежность

Когда в сети есть напряжение, достаточное для нормальной работы, выпрямители всех ИБП преобразуют переменное напряжение сети в постоянное, заряжая батареи и питая инверторы.

Инверторы, в свою очередь, преобразуют постоянное напряжение в переменное и питают нагрузку. Специальная управляющая электроника параллельной системы следит за равномерным распределением нагрузки между ИБП. В некоторых ИБП распределение нагрузки между ИБП производится без использования специальной параллельной электроники. Такие приборы выпускаются "готовыми к параллельной работе", и для использования их в параллельной системе достаточно установить плату синхронизации. Есть и ИБП, работающие параллельго без специальной электроники. В таком случае количество параллельно работающих ИБП – не более двух. В рассматриваемом режиме работы в системе допустимо несколько сбоев. Их количество зависит от числа ИБП в системе и действующей нагрузки.

Пусть в системе 3 ИБП мощностью по 100 кВА, а нагрузка равна 90 кВА. При таком соотношении числа ИБП и их мощностей в системе допустимы следующие сбои.

Сбой питания (исчезновение напряжения в сети)

Выход из строя любого из инверторов, скажем для определенности, инвертора 1. Нагрузка распределяется между двумя другими ИБП. Если в сети есть напряжение, все выпрямители системы работают.

Выход из строя инвертора 2. Нагрузка питается от инвертора 3, поскольку мощность, потребляемая нагрузкой меньше мощности одного ИБП. Если в сети есть напряжение, все выпрямители системы продолжают работать.

Выход из строя инвертора 3. Система переключается на работу через статический байпас. Нагрузка питается напрямую от сети. При наличии в сети нормального напряжения, все выпрямители работают и продолжают заряжать батареи. При любом последующем сбое (поломке статического байпаса или сбое сети) питание нагрузки прекращается. Для того, чтобы параллельная система допускала большое число сбоев, система должна быть сильно недогружена и должна включать большое число ИБП. Например, если нагрузка в приведенном выше примере будет составлять 250 кВА, то система допускает только один сбой: сбой сети или поломку инвертора. В отношении количества допустимых сбоев такая система эквивалентна одиночному ИБП. Это, кстати, не значит, что надежность такой параллельной системы будет такая же, как у одиночного ИБП. Она будет ниже, поскольку параллельная система намного сложнее одиночного ИБП и (при почти предельной нагрузке) не имеет дополнительного резервирования, компенсирующего эту сложность.

Вопрос надежности параллельной системы ИБП не может быть решен однозначно. Надежность зависит от большого числа параметров: количества ИБП в системе (причем увеличение количества ИБП до бесконечности снижает надежность – система становится слишком сложной и сложно управляемой – впрочем максимальное количество параллельно работающих модулей для известных мне ИБП не превышает 8), нагрузки системы (т.е. соотношения номинальной суммарной мощности системы и действующей нагрузки), примененной схемы параллельной работы (т.е. есть ли в системе специальная электроника для обеспечения распределения нагрузки по ИБП), технологии работы предприятия. Таким образом, если единственной целью является увеличение надежности системы, то следует серьезно рассмотреть возможность использование ИБП с горячим резервированием – его надежность не зависит от обстоятельств и в силу относительной простоты схемы практически всегда выше надежности параллельной системы.

Недогруженная система из нескольких параллельно работающих ИБП, которая способна реализвать описанную выше логику управления, часто также называется параллельной системой с резервированием.

Работа с частичной нагрузкой

Если нагрузка параллельной системы такова, что с ней может справиться меньшее, чем есть в системе количество ИБП, то инверторы "лишних" ИБП могут быть отключены. В некоторых ИБП такая логика управления подразумевается по умолчанию, а другие модели вообще лишены возможности работы в таком режиме. Инверторы, оставшиеся включенными, питают нагрузку. Коэффициент полезного действия системы при этом несколько возрастает. Обычно в этом режиме работы предусматривается некоторая избыточность, т.е. количестов работающих инверторов больше, чем необходимо для питания нагрузки. Тем самым обеспечивается резервирование. Все выпрямители системы продолжают работать, включая выпрямители тех ИБП, инверторы которых отключены.

Работа от батареи

В случае исчезновения напряжения в электрической сети, параллельная система переходит на работу от батареи. Все выпрямители системы не работают, инверторы питают нагрузку, получая энергию от батареи. В этом режиме работы (естественно) отсутствует напряжение в электрической сети, которое при нормальной работе было для ИБП не только источником энергии, но и источником сигнала синхронизации выходного напряжения. Поэтому функцию синхронизации берет на себя специальная параллельная электроника или выходная цепь ИБП, специально ориентированная на поддержание выходной частоты и фазы в соответствии с частотой и фазой выходного напряжения параллельно работающего ИБП.

Выход из строя выпрямителя

Это режим, при котором вышли из строя один или несколько выпрямителей. ИБП, выпрямители которых вышли из строя, продолжают питать нагрузку, расходуя заряд своей батареи. Они выдает сигнал "неисправность выпрямителя". Остальные ИБП продолжают работать нормально. После того, как заряд разряжающихся батарей будет полностью исчерпан, все зависит от соотношения мощности нагрузки и суммарной мощности ИБП с исправными выпрямителями. Если нагрузка не превышает перегрузочной способности этих ИБП, то питание нагрузки продолжится (если у системы остался значительный запас мощности, то в этом режиме работы допустимо еще несколько сбоев системы). В случае, если нагрузка ИБП превышает перегрузочную способность оставшихся ИБП, то система переходит к режиму работы через статический байпас.

Выход из строя инвертора

Если оставшиеся в работоспособном состоянии инверторы могут питать нагрузку, то нагрузка продолжает работать, питаясь от них. Если мощности работоспособных инверторов недостаточно, система переходит в режим работы от статического байпаса. Выпрямители всех ИБП могут заряжать батареи, или ИБП с неисправными инверторами могут быть полностью отключены для выполнения ремонта.

Работа от статического байпаса

Если суммарной мощности всех исправных инверторов параллельной системы не достаточно для поддержания работы нагрузки, система переходит к работе через статический байпас. Статические переключатели всех инверторов разомкнуты (исправные инверторы могут продолжать работать). Если нагрузка уменьшается, например в результате отключения части оборудования, параллельная система автоматически переключается на нормальный режим работы.

В случае одиночного ИБП с двойным преобразованием работа через статический байпас является практически последней возможностью поддержания работы нагрузки. В самом деле, ведь достаточно выхода из строя статического переключателя, и нагрузка будет обесточена. При работе параллельной системы через статический байпас допустимо некоторое количество сбоев системы. Статический байпас способен выдерживать намного больший ток, чем инвертор. Поэтому даже в случае выхода из строя одного или нескольких статических переключателей, нагрузка возможно не будет обесточена, если суммарный допустимый ток оставшихся работоспособными статических переключателей окажется достаточен для работы. Конкретное количество допустимых сбоев системы в этом режиме работы зависит от числа ИБП в системе, допустимого тока статического переключателя и величины нагрузки.

Сервисный байпас

Если нужно провести с параллельной системой ремонтные или регламентные работы, то система может быть отключена от нагрузки с помощью ручного переключателя сервисного байпаса. Нагрузка питается от сети, все элементы параллельной системы ИБП, кроме батарей, обесточены. Как и в случае системы с горячим резервированием, возможен вариант одного общего внешнего сервисного байпаса или нескольких сервисных байпасов, встроенных в отдельные ИБП. В последнем случае при использовании сервисного байпаса нужно иметь в виду соотношение номинального тока сервисного байпаса и действующей мощности нагрузки. Другими словами, нужно включить столько сервисных байпасов, чтобы нагрузка не превышала их суммарный номинальных ток.
[ http://www.ask-r.ru/info/library/ups_without_secret_7.htm]

Тематики

• источники и системы электропитания

EN

• three-phase UPS

интерфейс RS-485
Промышленный стандарт для полудуплексной передачи данных. Позволяет объединять в сеть протяженностью 1200 м до 32 абонентов.
[ http://www.morepc.ru/dict/]

Интерфейс RS-485 - широко распространенный высокоскоростной и помехоустойчивый промышленный последовательный интерфейс передачи данных. Практически все современные компьютеры в промышленном исполнении, большинство интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, программируемые логические контроллеры наряду с традиционным интерфейсом RS-232 содержат в своем составе ту или иную реализацию интерфейса RS-485.
Интерфейс RS-485 основан на стандарте EIA RS-422/RS-485.

К сожалению, полноценного эквивалентного российского стандарта не существует, поэтому в данном разделе предлагаются некоторые рекомендации по применению интерфейса RS-485.

Традиционный интерфейс RS-232 в промышленной автоматизации применяется достаточно редко. Сигналы этого интерфейса передаются перепадами напряжения величиной (3...15) В, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров из-за низкой помехоустойчивости. Интерфейс RS-232 имеется в каждом PC–совместимом компьютере, где используется в основном для подключения манипулятора типа “мышь”, модема, и реже – для передачи данных на небольшое расстояние из одного компьютера в другой. Передача производится последовательно, пословно, каждое слово длиной (5...8) бит предваряют стартовым битом
и заканчивают необязательным битом четности и стоп-битами.
Интерфейс RS-232 принципиально не позволяет создавать сети, так как соединяет только 2 устройства (так называемое соединение “точка - точка”).

Сигналы интерфейса RS-485 передаются дифференциальными перепадами напряжения величиной (0,2...8) В, что обеспечивает высокую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км (и более с использованием специальных устройств – повторителей). Кроме того, интерфейс RS-485 позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии (так называемая “мультиплексная шина”).
В обычном PC-совместимом персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому необходим специальный адаптер - преобразователь интерфейса RS-485/232.


Наша компания рекомендует использовать полностью автоматические преобразователи интерфейса, не требующие сигнала управления передатчиком. Такие преобразователи, как правило, бывают двух видов:

• преобразователи, требующие жесткого указания скорости обмена и длины передаваемого слова (с учетом стартовых, стоповых бит и бита четности) для расчета времени окончания передачи: например, преобразователь ADAM-4520 производства компании Advantech. Все параметры задаются переключателями в самом преобразователе, причем для задания этих параметров корпус преобразователя необходимо разобрать;
• преобразователи на основе технологий “Self Tuner” и им подобных, не требующие никаких указаний вообще, и, соответственно, не имеющие никаких органов управления: например, преобразователь I-7520 производства компании ICP DAS. Данный преобразователь предпочтительнее для использования в сетях с приборами МЕТАКОН.

В автоматических преобразователях выходы интерфейса RS-485 обычно имеют маркировку “DATA+” и “DATA-“. В I-7520 и ADAM-4520 вывод “DATA+” функционально эквивалентен выводу “A” регулятора МЕТАКОН, вывод “DATA-“ - выводу “B”.

Устройства, подключаемые к интерфейсу RS-485, характеризуются важным параметром по входу приемопередатчика: “единица нагрузки” (“Unit Load” - UL). По стандарту в сети допускается использование до 32 единиц нагрузки, т.е. до 32 устройств, каждое из которых нагружает линию в 1 UL. В настоящее время существуют микросхемы приемопередатчиков с характеристикой менее 1 UL, например - 0,25 UL. В этом случае количество физи
чески подключенных к линии устройств можно увеличить, но суммарное количество UL в одной линии не должно превышать 32.

В качестве линии связи используется экранированная витая пара с волновым сопротивлением ≈120 Ом. Для защиты от помех экран (оплетка) витой пары заземляется в любой точке, но только один раз: это исключает протекание больших токов по экрану из-за неравенства потенциалов “земли”. Выбор точки, в которой следует заземлять кабель, не регламентируется стандартом, но, как правило, экран линии связи заземляют на одном из ее концов.


Устройства к сети RS-485 подключаются последовательно, с соблюдением полярности контактов A и B:


Как видно из рисунка, длинные ответвления (шлейфы) от магистрали до периферийных устройств не допускаются. Стандарт исходит из предположения, что длина шлейфа равна нулю, но на практике этого достичь невозможно (небольшой шлейф всегда имеется внутри любого периферийного устройства: от клеммы
до микросхемы приемопередатчика).

Качество витой пары оказывает большое влияние на дальность связи и максимальную скорость обмена в линии. Существуют специальные методики расчета допустимых скоростей обмена и максимальной длины линии связи, основанные на паспортных параметрах кабеля (волновое сопротивление, погонная емкость, активное сопротивление) и микросхем приемопередатчиков (допустимые искажения фронта сигнала). Но на относительно низких скоростях обмена (до 19200 бит/с) основное влияние на допустимую длину линии связи оказывает активное сопротивление кабеля. Опытным путем установлено, что на расстояниях до 600 м допускается использовать кабель с медной жилой сечением 0,35 мм (например, кабель КММ 2х0,35), на большие расстояния сечение кабеля необходимо пропорционально увеличить. Этот эмпирический результат хорошо согласуется с результатами, полученными расчетными методами.

Даже для скоростей обмена порядка 19200 бит/с кабель уже можно считать длинной линией, а любая длинная линия для исключения помех от отраженного сигнала должна быть согласована на концах. Для согласования используются резисторы
сопротивлением 120 Ом (точнее, с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, но, как правило, используемые витые пары имеют волновое сопротивление около 120 Ом и точно подбирать резистор нет необходимости) и мощностью не менее 0,25 Вт – так называемый “терминатор”. Терминаторы устанавливаются на обоих концах линии связи, между контактами A и B витой пары.
В сетях RS-485 часто наблюдается состояние, когда все подключенные к сети устройства находятся в пассивном состоянии, т.е. в сети отсутствует передача и все приемопередатчики “слушают” сеть. В этом случае приемопередатчики не могут корректно распознать никакого устойчивого логического состояния в линии, а непосредственно после передачи все приемопередатчики распознают в линии состояние, соответствующее последнему переданному биту, что эквивалентно помехе в линии связи. На эту проблему не так часто обращают внимания, борясь с ее последствиями программными методами, но тем не менее решить ее аппаратно несложно. Достаточно с помощью специальных цепей смещения создать в линии потенциал, эквивалентный состоянию отсутствия передачи (так называемое состояние “MARK”: передатчик включен, но передача не ведется). Цепи смещения и терминатор реализованы в преобразователе I-7520. Для корректной работы цепей смещения необходимо наличие двух терминаторов в линии связи.

В сети RS-485 возможна конфликтная ситуация, когда 2 и более устройства начинают передачу одновременно. Это происходит в следующих случаях:
• в момент включения питания из-за переходных процессов устройства кратковременно могут находится в режиме передачи;
• одно или более из устройств неисправно;
• некорректно используется так называемый “мульти-мастерный” протокол, когда инициаторами обмена могут быть несколько устройств.
В первых двух случаях быстро устранить конфликт невозможно, что теоретически может привести к перегреву и выходу из строя приемопередатчиков RS-485. К счастью, такая ситуация предусмотрена стандартом и дополнительная защита приемопередатчика обычно не требуется. В последнем случае необходимо предусмотреть программное разделение канала между устройствами-инициаторами обмена, так как в любом случае для нормального функционирования линия связи может одновременно предоставляться только одному передатчику.

[ http://www.metodichka-contravt.ru/?id=3937]

Тематики

• информационные технологии в целом

EN

• RS-485

зануление
Преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением
[ ГОСТ 12.1.009-76]

Защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ Преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности.
[ПУЭ]

Защитное заземление или зануление должно обеспечивать защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции.
Защитному заземлению или занулению подлежат металлические части электроустановок, доступные для прикосновения человека и не имеющие других видов защиты, обеспечивающих электробезопасность.
При занулении фазные и нулевые защитные проводники должны быть выбраны таким образом, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой проводник, возникал ток короткого замыкания, обеспечивающий отключение автомата или плавление плавкой вставки ближайшего предохранителя
[ ГОСТ 12.1.030-81]

В сетях с глухозаземленной нейтралью корпус должен быть соединен с нулевым проводником. Нельзя соединять корпус с землей.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

ЗАНУЛЕНИЕ
В предыдущем номере журнала мы начали разговор о технических средствах защиты от поражения электрическим током, предназначенных для уменьшения тока, проходящего через тело человека при случайном контакте с токоведущими частями или при необходимости выполнения работ под напряжением, до безопасного значения. В первой части материала были рассмотрены назначение и принцип действия защитного заземления, а также показана недопустимость применения защитного заземления в четырехпроводных сетях с глухим заземлением нейтрали. В этих сетях основным средством защиты от поражения током при замыкании фазы на корпус является зануление.

Зануление — это намеренное соединение металлических нетоковедущих частей с нулевым проводом питающей сети (PE-проводником или PEN-проводником).

Принцип действия
При наличии зануления всякое замыкание фазы на корпус приводит к короткому замыканию, отключаемому штатными аппаратами максимальной защиты (автоматическими выключателями или плавкими предохранителями). На рис. 1 показан принцип действия зануления.

Рис. 1 Принцип действия зануления

В случае замыкания фазы В на корпус приемника К1 с помощью защитного зануляющего проводника ЗП1 формируется цепь тока короткого замыкания Iкз «фаза В — корпус К1 — зануляющий проводник ЗП1 —нулевой провод PEN — нейтраль обмотки питающего трансформатора». При этом автоматический вы-ключатель А1 снимает питание с неисправного приемника. В результате напряжение прикосновения к корпусу неисправного приемника Uпр = 0. Аналогично при замыкании фазы С на корпус электроприемника К2 срабатывает автоматический выключатель А2. После этого потенциал корпуса К2 также становится равным нулю.
Технические требования к системе зануления, направленные на обеспечение автоматической защиты от поражения током, приведены в пп. 1.7.79 — 1.7.89 ПУЭ. Согласно п. 1.7.39 ПУЭ в этих сетях применение защитного заземления корпусов электроприемников без их зануления не допускается.

Зануление и защитное заземление

В реальных производственных условиях в сетях TN — C непосредственно с нулевым проводом соединяют только корпуса распределительных щитов (зануляют корпус щита). Корпуса всех приемников электроэнергии и нетоковедущие металлоконструкции заземляют, то есть соединяют их заземляющими проводниками ЗП с шиной заземления ШЗ (см. рис. 2).

Рис. 2 Схема зануления и защитного заземления

Так как шина ШЗ всегда имеет электрическую связь с нулевым проводом или с нейтралью обмотки трансформатора, то выполненное с ее помощью «заземление» фактически является занулением корпуса приемника электроэнергии. Например, при замыкании фазы на корпус К1 возникает ток короткого замыкания Iкз, и автоматический выключатель А1 отключает неисправный приемник.
Пусть приемник с корпусом К3 получает питание от индивидуального трансформатора ТР (фактически от двухпроводной сети, изолированной от земли). Здесь при замыкании полюса сети на корпус будет протекать ток замыкания Iзам по контуру «полюс сети — корпус К3 — заземляющий проводник ЗП — шина заземления ШЗ — сопротивление заземления нейтрали R0 — сопротивление изоляции здорового полюса сети
Rиз — второй полюс сети». Ток Iзам не отключается аппаратами защиты, так как его значение невелико, будучи ограниченным сопротивлением изоляции Rиз. В контуре этого тока рабочее напряжение сети падает на сопротивлениях Rиз и R0, при этом потенциал корпуса К3 равен падению напряжения на сопротивлении R0 << Rиз (напряжение прикосновения к корпусу К3 безопасно). То есть корпус К3 оказывается заземленным.
Корпус трансформатора ТР также соединен перемычкой ЗП с шиной заземления. Что это — зануление или заземление? Оказывается, и то, и другое. Если происходит замыкание полюса первичной обмотки на корпус ТР, то перемычка ЗП работает в контуре зануления. Защита срабатывает и отключает трансформатор. Если повреждается вторичная обмотка, то та же перемычка работает в режиме защитного заземления. Трансформатор и получающий от него питание электроприемник не отключаются, а значение напряжения прикосновения к корпусу трансформатора снижается до безопасного.

Таким образом, в реальных производственных условиях процессы зануления и защитного заземления одинаковы и заключаются в соединении металлических нетоковедущих частей с шиной заземления. Поэтому на практике используется обычно только один термин - заземление.

Особенности зануления однофазных приемников при отсутствии шины заземления

Именно однозначное использование термина «заземление» является причиной часто встречающегося на практике неправомерного применения защитного заземления в сетях с заземленным нулевым проводом. Особенно часто это явление встречается в двухпроводных сетях «фаза — нулевой провод» при отсутствии в помещении шины заземления.
Зачастую в таких условиях зануление корпуса приемника выполняют с помощью заземляющего контакта в питающей трехполюсной вилке: в розетке делают перемычку между нулевым проводом и контактом заземления. При таком соединении в цепи защитного нулевого проводника возникает «разъединяющее приспособление», запрещенное ПУЭ (п. 1.7.83). Тем не менее, учитывая, что при отключении вилки одновременно отключаются и питающие приемник провода, запрещение правил на такой способ выполнения зануления, по-видимому, не распространяется. Здесь функция зануления полностью выполняется, так как обеспечивается срабатывание аппаратов защиты в случае замыкания фазы на корпус.
Однако при таком соединении может формироваться другой вид опасности — пожароопасные ситуации. Дело в том, что когда в розетке силовые контакты расположены симметрично относительно «заземляющего», вилка может быть включена в любом положении, то есть любой ее контакт может быть подключен произвольно либо к фазному проводу (гнезду розетки), либо к нулевому проводу. При этом не исключается ситуация, когда штатный однополюсный выключатель в электроприемнике может оказаться в цепи не фазного, а нулевого провода. Тогда даже при выключенном вы-ключателе изоляция электроприемника будет непрерывно находиться под фазным напряжением и по контуру зануления будет непрерывно протекать ток утечки. Если имеется какое-либо повреждение изоляции (снижение ее сопротивления), то ток утечки возрастает и выделяющаяся тепловая энергия разогревает место повреждения. Так как изоляционные материалы имеют ионную проводимость (а не электронную, как проводники), то с увеличением температуры сопротивление изоляции уменьшается и соответственно увеличивается ток утечки. Этот процесс роста температуры при отсутствии должного теплоотвода приобретает лавинообразный характер и приводит к дуговому замыканию, то есть к формированию очага воспламенения. По данным ВНИИ противопожарной обороны (г. Балашиха), если в месте повреждения изоляции выделяется мощность 17 Вт, то возможно формирование электрической дуги через 20 часов протекания тока утечки (то есть при начальном значении тока 73 мА такой ток может чувствовать устройство защитного отключения, а не аппараты защиты от тока короткого замыкания).

Таким образом, для обеспечения безопасного применения однофазных приемников следует применять трехполюсные розетки и вилки с ориентированным (несимметричным) расположением контактов либо дополнительно устанавливать устройство защитного отключения (УЗО). Для обеспечения срабатывания УЗО корпус приемника должен быть заземлен, то есть соединен с любой нетоковедущей металлоконструкцией, имеющей связь с землей. Другой способ обеспечения срабатывания УЗО — подключение защитного нулевого проводника не в розетке, а вне зоны защиты УЗО, то есть перед автоматическим выключателем.
В следующем номере журнала мы продолжим разговор о технических средствах защиты от поражения электрическим током.

[Журнал "Новости Электротехники" №4(16) 2002]

Тематики

• заземление

EN

• neutral earthing
• neutral grounding
• nulling

явление электрической дуги
-
[Интент]

Параллельные тексты EN-RU

Electric arc phenomenon

The electric arc is a phenomenon which takes place as a consequence of a discharge which occurs when the voltage between two points exceeds the insulating strength limit of the interposed gas; then, in the presence of suitable conditions, a plasma is generated which carries the electric current till the opening of the protective device on the supply side.

Gases, which are good insulating means under normal conditions, may become current conductors in consequence of a change in their chemical-physical properties due to a temperature rise or to other external factors.

To understand how an electrical arc originates, reference can be made to what happens when a circuit opens or closes.

During the opening phase of an electric circuit the contacts of the protective device start to separate thus offering to the current a gradually decreasing section; therefore the current meets growing resistance with a consequent rise in the temperature.

As soon as the contacts start to separate, the voltage applied to the circuit exceeds the dielectric strength of the air, causing its perforation through a discharge.

The high temperature causes the ionization of the surrounding air which keeps the current circulating in the form of electrical arc. Besides thermal ionization, there is also an electron emission from the cathode due to the thermionic effect; the ions formed in the gas due to the very high temperature are accelerated by the electric field, strike the cathode, release energy in the collision thus causing a localized heating which generates electron emission.

The electrical arc lasts till the voltage at its ends supplies the energy sufficient to compensate for the quantity of heat dissipated and to maintain the suitable conditions of temperature. If the arc is elongated and cooled, the conditions necessary for its maintenance lack and it extinguishes.

Analogously, an arc can originate also as a consequence of a short-circuit between phases. A short-circuit is a low impedance connection between two conductors at different voltages.

The conducting element which constitutes the low impedance connection (e.g. a metallic tool forgotten on the busbars inside the enclosure, a wrong wiring or a body of an animal entered inside the enclosure), subject to the difference of potential is passed through by a current of generally high value, depending on the characteristics of the circuit.

The flow of the high fault current causes the overheating of the cables or of the circuit busbars, up to the melting of the conductors of lower section; as soon as the conductor melts, analogous conditions to those present during the circuit opening arise. At that point an arc starts which lasts either till the protective devices intervene or till the conditions necessary for its stability subsist.

The electric arc is characterized by an intense ionization of the gaseous means, by reduced drops of the anodic and cathodic voltage (10 V and 40 V respectively), by high or very high current density in the middle of the column (of the order of 102-103 up to 107 A/cm2), by very high temperatures (thousands of °C) always in the middle of the current column and – in low voltage - by a distance between the ends variable from some microns to some centimeters.

[ABB]

Явление электрической дуги

Электрическая дуга между двумя электродами в газе представляет собой физическое явление, возникающее в тот момент, когда напряжения между двумя электродами превышает значение электрической прочности изоляции данного газа.
При наличии подходящих условий образуется плазма, по которой протекает электрический ток. Ток будет протекать до тех пор, пока на стороне электропитания не сработает защитное устройство.

Газы, являющиеся хорошим изолятором, при нормальных условиях, могут стать проводником в результате изменения их физико-химических свойств, которые могут произойти вследствие увеличения температуры или в результате воздействия каких-либо иных внешних факторов.

Для того чтобы понять механизм возникновения электрической дуги, следует рассмотреть, что происходит при размыкании или замыкании электрической цепи.

При размыкании электрической цепи контакты защитного устройства начинают расходиться, в результате чего постепенно уменьшается сечение контактной поверхности, через которую протекает ток.
Сопротивление электрической цепи возрастает, что приводит к увеличению температуры.

Как только контакты начнут отходить один от другого, приложенное напряжение превысит электрическую прочность воздуха, что вызовет электрический пробой.

Высокая температура приведет к ионизации воздуха, которая обеспечит протекание электрического тока по проводнику, представляющему собой электрическую дугу. Кроме термической ионизации молекул воздуха происходит также эмиссия электронов с катода, вызванная термоэлектронным эффектом. Образующиеся под воздействием очень высокой температуры ионы ускоряются в электрическом поле и бомбардируют катод. Высвобождающаяся, в результате столкновения энергия, вызывает локальный нагрев, который, в свою очередь, приводит к эмиссии электронов.

Электрическая дуга длится до тех пор, пока напряжение на ее концах обеспечивает поступление энергии, достаточной для компенсации выделяющегося тепла и для сохранения условий поддержания высокой температуры. Если дуга вытягивается и охлаждается, то условия, необходимые для ее поддержания, исчезают и дуга гаснет.

Аналогичным образом возникает дуга в результате короткого замыкания электрической цепи. Короткое замыкание представляет собой низкоомное соединение двух проводников, находящихся под разными потенциалами.

Проводящий элемент с малым сопротивлением, например, металлический инструмент, забытый на шинах внутри комплектного устройства, ошибка в электромонтаже или тело животного, случайно попавшего в комплектное устройство, может соединить элементы, находящиеся под разными потенциалами, в результате чего через низкоомное соединение потечет электрический ток, значение которого определяется параметрами образовавшейся короткозамкнутой цепи.

Протекание большого тока короткого замыкания вызывает перегрев кабелей или шин, который может привести к расплавлению проводников с меньшим сечением. Как только проводник расплавится, возникает ситуация, аналогичная размыканию электрической цепи. Т. е. в момент размыкания возникает дуга, которая длится либо до срабатывания защитного устройства, либо до тех пор, пока существуют условия, обеспечивающие её стабильность.

Электрическая дуга характеризуется интенсивной ионизацией газов, что приводит к падению анодного и катодного напряжений (на 10 и 40 В соответственно), высокой или очень высокой плотностью тока в середине плазменного шнура (от 102-103 до 107 А/см2), очень высокой температурой (сотни градусов Цельсия) всегда в середине плазменного шнура и низкому падению напряжения при расстоянии между концами дуги от нескольких микрон до нескольких сантиметров.

[Перевод Интент]

Тематики

• НКУ (шкафы, пульты,...)

EN

• electric arc phenomenon

Ситуация, в которой индивид подвергается стрессу, обусловленному тем, что выполнение его роли или ролей, по-видимому, требует несовместимого или невозможного поведения. — A situation in which the individual is subjected to stress due to the fact that the performance of his role or roles seems to require incompatible or impossible behavior.