Устройство защиты от скачков напряжения 220 вольт для дома и квартиры

Принцип работы

Принцип действия ОПН объясняется нелинейным характером вольтамперных характеристик (ВАХ) варисторов. Для их изготовления применяется материал, где находит применение окись цинка в смеси с оксидами других металлов. Благодаря составу данной смеси, колонка, собранная из варисторов является комбинацией параллельных и последовательных включений p-n переходов, что и обуславливает природу вольтамперных характеристик нелинейных резисторов ограничителей.

Когда характеристики напряжения в сети соответствуют номинальным значениям, ограничитель находится в режиме непроводящего состояния. Величина тока в варисторах имеет мизерные значения и объясняется емкостным характером. При появлении в сети импульса напряжения, величина которого может вызвать пробой изоляции электрооборудования, в цепи нелинейных резисторов ОПН, в соответствии с их вольтамперными характеристиками, будет иметь место возникновение значительного импульса тока. В конечном итоге это снижает величину перенапряжения до параметров безопасных для безаварийной эксплуатации оборудования. Когда напряжение в сети нормализуется, ОПН вновь возвращается в непроводящий режим.

Как работает защитник от перенапряжений

Защитой обеспечиваются устройства, питаемые от шнуров сети 220V, подключенных к разряднику в распределительной коробке. Это касается как фазных, так и нейтральных проводников (в зависимости от выбранного типа защиты).

Общее правило заключается в том, что на одной стороне защитного устройства соединяем фазные проводники и, возможно, нейтральный проводник, а с другой стороны — защитный провод.

Когда напряжение в системе в норме, сопротивление между проводами очень велико, порядка нескольких ГигаОм. Благодаря этому ток не течет через разрядник.

Когда происходит скачок напряжения в сети, ток начинает протекать через ограничитель на землю.

В защитных устройствах класса B основным элементом является искровой промежуток. При нормальной работе сопротивление его очень велико. В случае искрового промежутка это сопротивление является гигантским, поскольку искровой промежуток это фактически разрыв цепи. Когда молния ударяет в элемент электрической установки напрямую, сопротивление искрового промежутка падает почти до нуля благодаря электрической дуге. Из-за появления очень большого электрического потенциала в искровом промежутке между ранее разделенными элементами создается электрическая дуга.

Благодаря этому, например, фазовый провод, в котором имеется большой всплеск напряжения и защитный провод, создают короткое замыкание и большой ток протекает прямо на землю, минуя внутреннюю электрическую установку. После разряда искровой промежуток возвращается в нормальное состояние — то есть разрывает цепь.

Полезное: Digispark ATTINY85: схема подключения модуля, прошивка и испытание

Ограничитель класса C имеет внутри варистор. Варистор представляет собой специфический резистор, который обладает очень высоким сопротивлением при низком электрическом потенциале. Если в системе происходит скачок напряжения из-за разряда, его сопротивление быстро уменьшается вызывая протекание тока на землю и аналогичную ситуацию, как в случае искрового промежутка.

Разница между классом B и классом C заключается в том, что последний способен ограничивать всплески напряжения с меньшим потенциалом, чем прямой удар молнии. Недостатком этого решения является довольно быстрый износ варисторов.

Виды УЗИП и принципы работы

Все приборы УЗИП имеют одно назначение, защиту оборудования в электросетях от импульсного перенапряжения. Достижение этой цели осуществляется разными путями, поэтому изделия отличаются по принципу работы и конструкции.

На графиках справа показано как УЗИП срезает импульс перенапряжения

Искровые разрядники – работают по принципу искрового разряда в промежутках между проводниками фазы и заземления.

В перемычку между этими линиями ставится разрядник с разрывом цепи, воздушный зазор рассчитан на пороговое значение перенапряжения. При превышении установленного порога, воздушный зазор пробивается, ток с фазного проводника уходит в контур заземления, не доходя до бытовой техники и другого оборудования.

Вентильные разрядники – работают по такому же принципу, но с одной стороны воздушного зазора находится сопротивление, которое рассеивает энергию импульса напряжения.

Модели УЗИП на разрядном принципе имеют большие габариты, используются в сетях высокого напряжения на участках между ЛЭП и трансформаторных подстанций, это старые, но надежные конструкции. Постепенно их вытесняют ОПН (Ограничители напряжения).

Ограничители перенапряжения — в данном случае в качестве перемычки ставят варисторы обладающие свойствами нелинейного резистора. Для не посвященных, варисторы обладают уникальными вольт — амперными характеристиками для пропускания больших токов высокого напряжения.

Основой состава варистора является оксид цинка с добавлением окисей разных металлов, в такой смеси создается структура последовательности p-n переходов. Пропорции состава примесей и концентрация определяют пороговое напряжение, при котором p-n переходы открываются и ток устремляется в заземляющий контур. После снижения напряжения до установленной нормы p-n переходы закрываются, ток снижается до нулевого значения. Таким образом, импульсы перенапряжения отводятся от цепи потребителей.

Виды малогабаритных варисторов

Преимущество последней технологии в том, что она позволяет изготовить приборы компактные приборы в широком диапазоне величин напряжения, которые можно устанавливать в РЩ квартир и частных домов.

Недостаток приборов на варисторах в том, что элементы тепловой защиты после срабатывания подлежат замене, это снижает ресурс работы до 20 срабатываний. Для быстрого извлечения и установки УЗИП в цепи предусматривают специальные съемники.

Стабилизаторы напряжения

Стабилизатор (нормализатор) напряжения применяется для поддержания стабильного и качественного напряжения в сети. Его назначение — поддерживать выходной сигнал на уровне 220 вольт, независимо от его уровня на входе. Стабилизатор не улучшает форму сигнала, не исправляет синусоиду, а только корректирует величину напряжения. При этом стоит заметить, что к стабилизаторам, вносящим изменение в синусоиду входного сигнала из-за своей конструкции, подключать приборы содержащие электродвигатели нельзя, так как это приводит к их перегреву.

Виды и их параметры

Стабилизаторы выпускаются с точной регулировкой, но с медленным реагированием на изменение входного сигнала (электромеханические) или с высокой скоростью реакции, но с погрешностью при подстройке уровня сигнала. Перед тем как подобрать себе вид оптимального нормализатора, необходимо померить уровень сигнала в сети. Измерения проводятся в разное время суток на протяжении недели.

Таким образом, определяется требуемый диапазон работы, а при возможности нужно исследовать, насколько быстро изменяется величина напряжения, и вид стабилизатора. Если величина изменяется медленно, оптимальным будет электромеханический тип. Если существуют резкие провалы, то ступенчатый. По принципу работы различают:

1. Релейные. Основными радиоэлементами, входящими в состав такого типа устройств, являются многообмоточный трансформатор и мощные реле. При отклонениях сети от номинального напряжения происходит автоматическое переключение обмотки с использованием силового реле. Такой нормализатор характеризуется низкой ценой, но главный его недостаток в ступенчатой подстройке величины напряжения. При этом на выходе получается уже не чистая синусоида.
2. Сервомоторные. Другое название — электромеханические. В работе используется автотрансформатор и двигатель, последним управляет система контроля. Обладает: низкой ценой, плавной регулировкой, компактными размерами и чистой синусоидой на выходе. К недостаткам относят шум и низкую скорость срабатывания.
3. Инверторные. Действуют на основе двойного преобразования, сначала переменный ток в постоянный, а затем снова в переменный. Всё управление происходит с применением микроконтроллера. Работают в большом диапазоне входного сигнала с высокой скоростью реагирования. Обеспечивают защиту и от импульсных помех, но при этом являются самыми дорогими устройствами.
4. Симисторные. Принцип работы такой же, как у релейного типа, но вместо механических узлов используются полупроводники, работающие в режиме ключа. Отличаются быстротой срабатывания и высоким коэффициентом полезного действия. При этом они совершенно бесшумные, но сложны в своих схемотехнических решениях.
5. Феррорезонансные. Для бытового применения не используются, так как имеют большой вес и высокий уровень шума. Работают на эффекте феррорезонанса.

При изготовлении стабилизаторов используются различные методы достижения стабильного сигнала на выходе устройства. Любой нормализатор обязан поддерживать напряжение в допустимом диапазоне при его отклонении. Если отклонение составит большее значение, стабилизатор отключится и прервёт подачу электричества к подключённой нему нагрузке. Нормализаторы характеризуются такими параметрами:

1. Максимальное входное напряжение. Это максимальный уровень сигнала, понижающийся стабилизатором до 220 вольт.
2. Минимальное входное напряжение. Это минимальный уровень сигнала, повышающийся стабилизатором до 220 вольт.
3. Выходное напряжение. Величина максимального выходного напряжения, подающегося со стабилизатора на нагрузку.
4. Полная мощность. Пиковая мощность, которую может выдержать устройство, измеряется в ВА.
5. Вид индикации. Может использоваться цифровой экран или аналоговые приборы.
6. Тип. Принцип работы.
7. Количество фаз. В зависимости от типа электропроводки бывают двух видов: однофазные и трёхфазные.

Перенапряжение в результате коммутации

Такое явление может произойти при включении в линию или выключении приборов, дающих высокую индуктивную нагрузку. К ним относятся блоки питания, электромоторы, а также мощные инструменты, запитывающиеся от сети.

Этот эффект обусловлен законами коммутации. Моментальное изменение величины тока в соленоиде, а также разности потенциалов на конденсаторе произойти не может. Когда цепь с такой нагрузкой соединяется или размыкается, то в месте контакта отмечается появление вызванного самоиндукцией и коммутационными процессами электрического потенциала.

Течение переходного процесса всегда сопровождается выбросом напряжения, которое обладает полярностью, обратной входному. Небольшая емкость проводников в сети вызывает резонанс, длящийся короткое время и вызывающий высокочастотные колебания. По завершении переходного процесса они затухают.

Сколько продлится перенапряжение и какова будет его величина, зависит от следующих показателей:

• Индуктивность нагрузки.
• Моментальное значение разности потенциалов при коммутации.

• Емкость подключающих электрических кабелей.
• Реактивная мощность.

Реле напряжения

Что касается реле напряжения, а также устройств, имеющих соответствующую функцию (стабилизатор, источник бесперебойного питания и др.), то следует учитывать, что данные устройства могут работать в заданных пределах рабочего напряжения, тока и мощности, их изоляция не способна выдерживать высокие напряжения.

   Защита от перенапряжения с помощью реле напряжения

Поэтому в случае попадания молнии грозовой импульс повредит реле напряжения. И другие устройства не только выйдут из строя, но также повредятся электроприборы, включенные в сеть, так как опасный импульс пойдет дальше по электропроводке и включенным в сеть бытовым электроприборам.

То есть реле напряжения не может выполнять функцию защиты от грозовых импульсов. Но все же данное защитное устройство должно быть установлено в домашнем распределительном щитке. Реле напряжения осуществляет отключение электропроводки в случае выхода напряжения за границы допустимых пределов, так как чрезмерное снижение или увеличение напряжения бытовой электрической сети может привести к выходу из строя бытовых электроприборов.

Лучшие модели III класса

РИФ-Э-III 320/3 (3+1)

Продукт относится к третьему классу и способен защитить приборы от высоких скачков напряжения. Монтируется на рейку. Много места не занимает. Зачастую устанавливается на однофазные сети, однако присутствует возможность парного подключения в комплексе с устройствами защитного отключения. Таким образом, удалось повысить показатель эффективности этой модели. Корпус пластиковый стандартной формы.

Комплект обойдется покупателю в 3 тыс. руб.

РИФ-Э-III 320/3 (3+1)
Достоинства:

• возможность совмещения нескольких устройств;
• долговечность;
• высокий уровень безопасности;
• безотказность;
• эффективность;
• практичность.

Недостатки:

не выявлены.

Альбатрос УЗИП 220/1000 АС

Устройство относится к третьему классу. Для срабатывания понадобится порядка 25 нс. Показатель импульсного разрядного тока (максимального) – 8/20 мкс. Нормально функционирует при температуре от -40°С до +50°С. Может устанавливаться на улице. Класс защиты – ip65. Ограничивающий тип оборудования предназначен для защиты оборудования от несимметричных перенапряжений, остаточных бросков и отвода импульсов тока в однофазной сети.

Используется для защиты:

1. Светодиодных осветительных приборов.
2. Садово-парковых осветительных приборов.
3. Высокомачтовых светильников.
4. Архитектурных осветительных приборов.
5. Уличного освещения.

Стоимость комплекта – 1000 руб.

Альбатрос УЗИП 220/1000 АС
Достоинства:

• дополнительная защита фаза-нейтраль, нейтраль-земля и фаза-земля;
• широкий рабочий диапазон;
• полностью герметичный корпус;
• компактность.

Недостатки:

небольшой эксплуатационный срок.

OptiDin OM-I-3+Nu-280/12.5/R

Тип питающей сети – трехфазная. Используемые полюса – 3P+N. Устройство защиты от перенапряжения всех классов. Габариты: 97/70/70,5 мм. Показатель номинального напряжения 230 В. Импульсный ток 10/350 кА. Допустимый разряд тока (максимальный и номинальный) — 8/20 кА.

Стоимость изделия – 18 тыс. руб.

OptiDin OM-I-3+Nu-280/12.5/R
Достоинства:

• рабочий диапазон от -40°С до +70°С;
• внешние проводники имеют передний тип подключения;
• класс испытаний I, II и III;
• эффективность;
• присутствует сигнализация удаленного типа;
• долговечность.

Недостатки:

• функция остаточного гашения тока отсутствует;
• индикатор состояния износа также отсутствует.

OBO Bettermann V10 Compact 385

Качественное оборудование от немецкого концерна, монтаж которого осуществляется непосредственно на рейку (DIN). Это способствует сохранению дополнительного пространства. Конструкция имеет класс II+III. Внутри размещен варистор высокой мощности. Также установлена динамическая и термическая защита – предохранитель. Имеет уровень защищенности – ip20.

Цена набора – 13 тыс. руб.

OBO Bettermann V10 Compact 385
Достоинства:

• защитное напряжение 1500 В;
• приемлемая стоимость;
• компактность;
• качественность.

Недостатки:

распространены подделки.

Часто задаваемые вопросы

1. Есть ли смысл устанавливать плавкий предохранитель на линию нейтрали?

Да, при обрыве линий ЛЭП фаза часто попадает на нейтраль или заземление, в этом случае на розетку могут прийти две разные фазы это 380В. В нейтральную жилу или в заземление может попасть молния это сотни тысяч вольт.

1. Если через УЗИП при скачке напряжения проходит сотни тысяч вольт, какого сечения провода надо ставить?

Провода устанавливаются с расчетным сечением для всего дома на вводной автомат, если УЗИП ставится на отдельную группу освещения или розеток, то сечение такое же, как и в проводах этой группы. На вводе обычно 10 -16 мм2,

Группы освещения 07-1,5 мм2, розетки 2.5 – 4 мм2.

Какие меры защиты существуют в данном случае

Первое молниеотвод. Многоэтажки уже снабжены грозозащитой дома в целом. В частных домах, молниеотвод, это забота хозяев. Он должен быть с надёжным, испытанным электролабораторией заземлением и разрядниками различных конструкций.

Чтобы исключить возможное попадание грозового импульса через кабель необходимо его отключить от устройства. Например, отключить сетевой кабель от компьютера или маршрутизатора. Либо если идет речь о телевизоре – отключить антенный кабель или кабель кабельного телевидения.

Но не только молния является причиной замолчавших телевизоров. Отгорел нуль – подпрыгнуло напряжение в каких-то фазах из-за их перекоса и пр..

Схема электрощита с УЗИП

Схема качественно укомплектованного с точки зрения защиты от всех скачков и перепадов напряжения распределительного щита, должна выглядеть примерно следующим образом.

На вводе перед счетчиком — вводной автоматический выключатель, защищающий прибор учета и цепи внутри самого щитка. Далее счетчик.

Между счетчиком и вводным автоматом — УЗИП со своей защитой. Электроснабжающая организация конечно может запретить такой монтаж. Но вы можете обосновать это необходимостью защиты от перенапряжения и самого счетчика.

В этом случае потребуется смонтировать всю схемку с аппаратами в отдельном боксе под пломбой, дабы предотвратить свободный доступ к оголенным токоведущим частям до прибора учета.

Однако здесь остро встанет вопрос замены сработавшего модуля и срыва пломб. Поэтому согласовывайте все эти моменты заранее.

После прибора учета находятся:

реле напряжения УЗМ-51 или аналог 

УЗО 100-300мА – защита от пожара

УЗО или дифф.автоматы 10-30мА – защита человека от токов утечки

простые модульные автоматы

Если с привычными компонентами при комплектации такого щитка вопросов не возникает, то на что же нужно обратить внимание при выборе УЗИП?

На температуру эксплуатации. Большинство электронных видов рассчитано на работу при окружающей температуре до -25С. Поэтому монтировать их в уличных щитках не рекомендуется.

Второй важный момент это схемы подключения. Производители могут выпускать разные модели для применения в различных системах заземления.

Например, использовать одни и те же УЗИП для систем TN-C или TT и TN-S уже не получится. Корректной работы от таких устройств вы не добьетесь.

3-х фазная схема в нормальном режиме

Однако остается главный вопрос, как же это все взаимосвязано с обрывом нуля и перенапряжением в розетках? Дело в том, что напряжение изначально из трансформаторных будок ТП и КТП, выходит и приходит в щитовую дома по 3-х фазной схеме, а не по однофазной, как мы рисовали выше.

Что она из себя представляет? В общем случае это четыре проводника:

ноль

и три фазы А-В-С

От каждой фазы подключается отдельный потребитель (квартира, дом) или группа потребителей (несколько квартир в подъезде). При этом ноль у всех общий.

Между фазой и нолем будут привычные нам 220V, а между двух фаз — те самые 380V. При нормальных условиях все лампочки и токоприемники работают исправно.

Можно подключать разную нагрузку, разного номинала, это никак не будет вызывать перенапряжение. Ток в данной схеме течет по каждой фазе, проходит через своего потребителя и уходит через ноль.

Подключение стабилизатора

Теперь переходим к непосредственному подключению самого стабилизатора. Для того, чтобы подобраться к его контактам, может понадобиться снять внешнюю крышку.

Пропускаете два кабеля (вход и выход) через отверстия и зажимаете под клеммы по следующей схеме:

фазную жилу входного кабеля стабилизатора затягиваете на клемме ВХОД (Lin)

нулевую жилу (синего цвета) к клемме N (Nin)

заземляющую жилу к винтовому зажиму с обозначением ”земля”

Кстати, отдельной клеммы ”земля” может и не быть. Тогда данную жилу закручиваете под винт на самом корпусе аппарата.

Есть модели с клеммниками всего под 3 провода. В них назад возвращается только фаза.

Ноль на питание электроприборов берется с общего щитка.

Теперь когда вы подали напряжение от щитка до стабилизатора, вам нужно вернуть это напряжение, но уже стабилизированное обратно в общий щит.

Для этого подсоединяете кабель — выход со стабилизатора.

его фазную жилу к зажиму ВЫХОД (Lout)

нулевую к N (Nout)

жилу заземления, туда же где и заземляющая жила от входного кабеля

Еще раз визуально проверяете всю схему и закрываете крышку.

Защитные устройства

Можно выделить несколько разновидностей устройств защиты. Отличаются они выполнением разных функций и разной стоимостью.

Сетевой фильтр является самым простым и недорогим средством защиты бытовой техники с небольшой мощностью. Он превосходно справляется с бросками, достигающими 450 В.

Основным элементом защиты сетевика является варистор – полупроводник, способный менять сопротивление в зависимости от возникающего напряжения. Именно этот элемент фильтра возьмет на себя удар при серьезном скачке.

Кроме того, фильтр способен защитить технику от помех высокой частоты. Помимо указанных защитных узлов фильтр оснащен плавким предохранителем, который сработает при коротком замыкании.

В качестве защиты электросети на разных ее уровнях – от перехода с воздушной линии на кабельную до конкретных приборов внутри дома – используют модульные ограничители перенапряжения. Являясь по сути разрядником для защиты от перенапряжений, ограничитель в качестве главного рабочего органа имеет все тот же варистор.

Стабилизатор способен выровнять скачущее напряжение в соответствии с номинальным. Если установить рамки, к примеру, в диапазоне от 200 до 250 В, то качественное устройство будет выдавать необходимые 220 В до тех пор, пока напряжение не выйдет за пределы указанного диапазона. Прибор отключит подачу питания до тех пор, пока напряжение не вернется в заданные границы.

Для сельской местности монтаж стабилизатора иногда является единственным средством повышения напряжения до необходимых значений. Стабилизаторы бывают двух видов:

• линейные – к ним можно подключить несколько бытовых приборов;
• магистральные – монтируются на входе электрической сети в дом или квартиру.

Источники бесперебойного питания продолжают подачу напряжения к подключенным приборам даже после срабатывания защитной системы или отключения электроэнергии. Время работы будет зависеть от аккумулятора и мощности потребителей.

Зачастую к ним подключают компьютеры с целью избежать потери данных во время внезапного сбоя. Среди современных устройств зарекомендовали себя модели, способные через USB-порт контролировать редактор текстов (например, сохранить файл) в случае возникновения внештатной ситуации.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений в отличие от вышеперечисленных средств превосходно справляются с высоким напряжением. На основе таких устройств можно организовать защиту всех внутренних линий электропередачи частного дома.

Импульсы, которые могут возникнуть из-за грозы, превосходят способности этого устройства. Поэтому сфера применения реле защиты от перенапряжения – электрическая сеть внутри дома.

Для защиты частного дома от скачков напряжения устанавливаются специальные устройства, выбор которых велик. Будет лучше, если работу выполнят профессионалы, поскольку в домашних условиях вряд ли позволят настроить разработанную схему подключения защиты от перенапряжения и тем более провести ее тест в режиме критической ситуации.

Следует также помнить, что все операции с щитком, проводкой и приборами нужно проводить строго при выключенном электропитании.

Подводя итоги

В заключение можно сказать, что на сегодняшний день реле напряжения стало не роскошью, на которую не стоит тратиться, а необходимым устройством, способным защитить от огромной дыры в бюджете в случае сильного скачка напряжения и выхода из строя бытовых домашних приборов. Надеемся, что информация, изложенная в сегодняшней статье, была полезна нашему уважаемому читателю. Редакция Seti.guru будет рада ответить на ваши вопросы (если они появились по ходу прочтения) в обсуждениях ниже. Там же можно поделиться своим опытом в использовании подобного оборудования – он будет весьма полезен начинающим домашним мастерам. А напоследок предлагаем посмотреть короткое, но весьма информативное видео по сегодняшней теме.

Вывод

В заключении следует отметить, что попадание разряда молнии в бытовые электроприборы, электропроводку очень опасно для людей, находящихся в данный момент в непосредственной близости к данным электроприборам. Если бытовой электроприбор, поврежденный разрядом молнии, можно отремонтировать либо приобрести новый, то для человека это может закончиться плачевно.

Также не исключено возгорание техники или электропроводки в результате попадания грозового импульса. Следовательно, нельзя пренебрегать защитой домашней электропроводки от грозовых перенапряжений. А также стараться по возможности отключать сетевые кабели и внешние антенны в случае приближения грозы.

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине