Разрядник перенапряжения и грозоразрядник: ключевые различия

Введение

В современных электрических системах защита оборудования от перенапряжений имеет решающее значение для непрерывности работы и безопасности. Хотя термины “разрядник перенапряжения” и “грозоразрядник” часто используются как взаимозаменяемые, эти устройства служат разным целям в комплексных стратегиях защиты. Понимание различий между разрядниками перенапряжения и грозоразрядниками необходимо инженерам, руководителям объектов и специалистам по закупкам, которым поручено проектирование эффективных систем электрической защиты.

Удары молнии остаются одной из самых разрушительных сил природы, способных вызывать мгновенные скачки напряжения, превышающие 100 000 ампер. Однако электрические системы сталкиваются с многочисленными другими угрозами, включая переходные процессы переключения, колебания напряжения и наведенные перенапряжения. В этой статье разъясняются технические различия между грозоразрядниками и разрядниками перенапряжения, рассматриваются их соответствующие области применения и даются рекомендации по выбору подходящих устройств защиты для вашего объекта.

Что такое грозоразрядник?

Определение и основное назначение

Грозоразрядник — это защитное устройство, специально разработанное для защиты электрической инфраструктуры от прямых или близких ударов молнии. Его основная задача — перехватывать мощные скачки напряжения, вызванные молнией, и обеспечивать путь с низким сопротивлением для безопасного отвода этого огромного тока в землю, предотвращая катастрофические повреждения конструкций, линий электропередач и подключенного оборудования.

Грозоразрядники обычно устанавливаются на вводах электропитания, на крышах, вдоль воздушных линий электропередач и на подстанциях, где воздействие прямых ударов молнии наиболее велико. Эти устройства рассчитаны на обработку чрезвычайно высоких токов разряда — часто превышающих 10 000 ампер (10 кА) — с очень крутыми фронтами волн, характерными для явлений молнии.

Принцип работы

Грозоразрядник работает на основе вольт-зависимых характеристик импеданса. В нормальных условиях эксплуатации разрядник поддерживает высокий импеданс и не влияет на работу цепи. Когда скачок напряжения, вызванный молнией, превышает пороговое напряжение разрядника, устройство быстро переходит в состояние низкого импеданса, создавая предпочтительный проводящий путь к земле.

Этот процесс разряда отводит ток молнии от чувствительного оборудования, ограничивая напряжение до безопасного уровня. После прохождения скачка напряжения разрядник автоматически возвращается в состояние высокого импеданса, восстанавливая нормальную работу системы без прерывания. В современных грозоразрядниках используется технология металлооксидных варисторов (MOV), в основном оксида цинка (ZnO), которая обеспечивает превосходные нелинейные вольт-амперные характеристики и возможности самовосстановления.

Что такое разрядник перенапряжения?

Определение и основное назначение

Разрядник перенапряжения, также известный как устройство защиты от импульсных перенапряжений (SPD) или подавитель переходных перенапряжений (TVSS), предназначен для защиты электрического и электронного оборудования от переходных перенапряжений, вызванных внутренними возмущениями системы. Эти возмущения включают операции переключения, переключение батарей конденсаторов, запуск двигателей, изменения нагрузки и косвенные скачки напряжения, вызванные молнией.

В отличие от грозоразрядников, которые справляются с прямыми высоковольтными ударами молнии, разрядники перенапряжения устраняют меньшие, но более частые скачки напряжения, которые происходят внутри системы распределения электроэнергии. Они устанавливаются ближе к чувствительному оборудованию — внутри электрических панелей, в ответвлениях цепей и рядом с критическими нагрузками, требующими защиты от рабочих переходных процессов.

Принцип работы

Разрядники перенапряжения функционируют, непрерывно контролируя напряжение в электрической системе. В нормальных условиях устройство остается в состоянии высокого импеданса с минимальным влиянием на работу цепи. Когда обнаруживается переходное перенапряжение — будь то от событий переключения или наведенных скачков напряжения — разрядник перенапряжения быстро снижает свой импеданс, ограничивая напряжение до безопасного уровня и отводя избыточный ток в землю.

Напряжение ограничения (также называемое уровнем защиты напряжения или Up) является критической спецификацией, которая определяет максимальное напряжение, появляющееся на клеммах защищенного оборудования во время скачка напряжения. Высококачественные разрядники перенапряжения обеспечивают быстрое время отклика (обычно от наносекунд до микросекунд) и точное ограничение напряжения для защиты чувствительных электронных компонентов от повреждения или деградации.

Ключевые различия между грозоразрядником и разрядником перенапряжения

Комплексное сравнение

Хотя оба устройства защищают от перенапряжения, их конструкция, применение и защитные возможности существенно различаются:

Аспект	Грозоразрядник	Устройство защиты от импульсных перенапряжений
Основная цель	Защита от прямых ударов молнии и связанных с ними скачков напряжения высокой энергии	Защита от переходных процессов переключения и рабочих перенапряжений
Сфера защиты	Внешняя электрическая инфраструктура, ввод электропитания, воздушные линии	Внутреннее оборудование, ответвления цепей, чувствительная электроника
Способность к поглощению энергии	Чрезвычайно высокий (обрабатывает токи до 100+ кА)	От умеренного до низкого (обычно 5-40 кА в зависимости от типа)
Диапазон напряжения	Системы высокого напряжения (от 3 кВ до 1000 кВ); Низкое напряжение (0,28-0,5 кВ)	В основном низкое напряжение (≤1,2 кВ, обычно 220-380 В)
Место установки	Ввод электропитания, подстанции, опоры линий электропередач, крыши	Распределительные щиты, ответвления цепей, рядом с защищенным оборудованием
Время отклика	Быстро (микросекунды)	Очень быстро (наносекунды-микросекунды)
Форма волны тока	10/350 мкс (импульс молнии)	8/20 мкс (коммутационный импульс)
Стандарты	IEEE C62.11, IEC 60099-4	IEC 61643-11, UL 1449, IEEE C62.62
Физический Размер	Больше из-за требований к внешней изоляции	Компактный, подходит для монтажа в панель
Контекст применения	Первая линия защиты от молнии	Вторичный/третичный уровень защиты

Функциональное различие

Грозоразрядники специализируются на обработке массивного, мгновенного разряда энергии от прямых ударов молнии. Они должны выдерживать пиковые токи с чрезвычайно крутым временем нарастания (микросекунды) и безопасно рассеивать энергию, которая может превышать 10 мегаджоулей. В их конструкции приоритет отдается высокой разрядной способности и надежной внешней изоляции.

Ограничители перенапряжения сосредоточены на подавлении меньших, но более частых переходных перенапряжений, которые возникают во время нормальной работы системы. Они обеспечивают точную фиксацию напряжения для защиты чувствительных электронных схем, измерительных приборов и систем управления от деградации, вызванной повторяющимся воздействием перенапряжений.

Типы грозоразрядников

1. Стержневой грозоразрядник

Простейшая конструкция, состоящая из стержневого электрода с заданным расстоянием между зазорами. Когда напряжение превышает порог пробоя, через зазор образуется дуга, проводящая ток перенапряжения в землю. Эти разрядники ограничены в применении и в основном используются в системах низкого напряжения из-за их неспособности эффективно прерывать последующий ток.

2. Роговой грозоразрядник

Улучшенная конструкция по сравнению со стержневым разрядником, состоящая из двух рогообразных электродов, разделенных воздушным зазором. Когда ударяет молния, дуга образуется в самой узкой точке, а затем поднимается из-за электромагнитных сил и тепловой конвекции. Увеличение расстояния между зазорами помогает погасить дугу естественным образом. Роговые разрядники подходят для применения в системах среднего напряжения (обычно до 33 кВ).

3. Многозазорный (выбросной) грозоразрядник

Эта конструкция включает в себя несколько последовательных зазоров с волоконными трубками или камерами. Во время работы дуга генерирует давление газа, которое помогает погасить дугу и прервать последующий ток. Многозазорные разрядники обеспечивают лучшую защиту, чем простые типы с зазорами, но в значительной степени были заменены современными конструкциями.

4. Вентильный грозоразрядник

Значительный прогресс, включающий нелинейные резисторы (обычно карбид кремния) последовательно с искровыми промежутками. Нелинейное сопротивление обеспечивает низкое сопротивление во время перенапряжений и высокое сопротивление во время нормальной работы, эффективно ограничивая последующий ток. Вентильные разрядники обладают превосходными характеристиками защиты и широко использовались в системах среднего и высокого напряжения.

5. Металлооксидный (MOV) грозоразрядник

Самая передовая и широко используемая сегодня технология, металлооксидные разрядники используют варисторные элементы из оксида цинка (ZnO) без последовательных зазоров. Высоко нелинейная вольт-амперная характеристика оксида цинка обеспечивает:

• Отличную способность поглощения перенапряжений
• Отсутствие проблем с последующим током
• Превосходную производительность ограничения напряжения
• Длительный срок службы при минимальном износе
• Компактный дизайн
• Самовосстановление после перенапряжений

MOV-разрядники доступны для всех уровней напряжения от низкого напряжения (до 1 кВ) до сверхвысокого напряжения (свыше 800 кВ) и стали отраслевым стандартом для современных электрических систем.

Типы разрядников перенапряжения (Устройства защиты от импульсных перенапряжений)

В соответствии с IEC 61643-11 и связанными с ним стандартами, разрядники перенапряжения классифицируются на основе их уровня защиты и типичного места установки:

SPD типа 1 (класс I)

Характеристики:

• Испытано импульсной волной 10/350 мкс
• Высочайшая способность поглощения энергии
• Предназначен для обработки прямого тока молнии
• Типичный импульсный ток (Iimp): от 25 кА до 100 кА
• Максимальный ток разряда: от 50 кА до 100 кА

Приложения:

• Главные распределительные щиты на вводе в здание
• Здания с внешними системами молниезащиты (LPS)
• Объекты в районах с высоким риском поражения молнией
• Первичный уровень защиты (переход LPZ 0 к LPZ 1)

УЗИП Тип 2 (Класс II)

Характеристики:

• Испытано импульсной волной 8/20 мкс
• Умеренное поглощение энергии
• Защищает от непрямых ударов молнии и коммутационных перенапряжений
• Типичный номинальный ток разряда (In): от 5 кА до 40 кА
• Наиболее часто используемый тип УЗИП

Приложения:

• Подчиненные распределительные щиты
• Промышленные панели управления
• Коммерческие электроустановки
• Вторичный уровень защиты (переход LPZ 1 к LPZ 2)

УЗИП Тип 3 (Класс III)

Характеристики:

• Испытано комбинированной волной (напряжение 1,2/50 мкс, ток 8/20 мкс)
• Самая низкая энергоемкость
• Тонкая настройка защиты для чувствительного оборудования
• Типичный ток разряда: от 1,5 кА до 10 кА
• Очень низкий уровень защиты по напряжению

Приложения:

• Розетки вблизи чувствительного оборудования
• Конечные ответвления цепей
• IT-оборудование, измерительное и контрольное оборудование
• Третичный уровень защиты (переход LPZ 2 к LPZ 3)

Скоординированная защита УЗИП

Современные стратегии защиты реализуют каскадную или скоординированную установку УЗИП в нескольких зонах защиты (зоны молниезащиты – LPZ). УЗИП Тип 1 на вводе в здание обрабатывают высоковольтные импульсы, УЗИП Тип 2 в распределительных щитах обеспечивают промежуточную защиту, а УЗИП Тип 3 в местах конечного использования обеспечивают окончательную тонкую защиту для критически важного оборудования.

Сравнение технических характеристик

Параметр	Грозоразрядник	Разрядник перенапряжения (УЗИП)
Номинальное напряжение	От 3 кВ до 1000 кВ (ВН); 0,28-0,5 кВ (НН)	≤1,2 кВ; обычно 230-690 В переменного тока
Максимальное непрерывное рабочее напряжение (MCOV)	Зависит от системы, обычно 0,8-0,84 pu	1,05-1,15 × номинальное напряжение
Ток разряда	От 10 кА до 100+ кА (10/350 мкс)	Тип 1: 25-100 кА; Тип 2: 5-40 кА; Тип 3: 1,5-10 кА (8/20 мкс)
Уровень защиты по напряжению (Up)	Согласовано с уровнем изоляции оборудования (BIL)	≤2,5 × напряжение системы
Время отклика	<100 наносекунд (тип MOV)	<25 наносекунд (Тип 3); <100 наносекунд (Тип 1/2)
Поглощение энергии	Очень высокая (>10 МДж)	Тип 1: Высокая (250-500 кДж); Тип 2: Умеренная (50-150 кДж); Тип 3: Низкая
Прерывание сопровождающего тока	Самозатухающий (тип MOV)	Самозатухающий
Диапазон рабочих температур	От -40°C до +60°C	-40°С до +85°С
Срок службы	20-30 лет	10-25 лет (зависит от воздействия перенапряжений)
Основные компоненты	ZnO варисторы, керамический корпус	MOV, GDT (газонаполненный разрядник), TVS диоды, фильтры

Области применения и места установки

Области применения разрядников молнии

Передача и распределение электроэнергии:

• Воздушные линии электропередачи (все уровни напряжения)
• Электрические подстанции (ВН, СН, НН)
• Распределительные трансформаторы
• Трансформаторы столбового типа
• Опоры с кабельным вводом

Промышленные объекты:

• Производственные предприятия в регионах, подверженных ударам молнии
• Химические и нефтехимические предприятия
• Горнодобывающая промышленность
• Водоочистные сооружения
• Крупные промышленные комплексы

Инфраструктура:

• Телекоммуникационные вышки
• Системы электрификации железных дорог
• Аэропортовые сооружения
• Коллекторные системы солнечных и ветряных электростанций

Применение устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)

Коммерческие здания:

• Офисные здания
• Торговые центры
• Гостиницы и сфера гостеприимства
• Медицинские учреждения
• Учебные заведения

Промышленные системы управления:

• Программируемые логические контроллеры (ПЛК)
• Распределенные системы управления (РСУ)
• Преобразователи частоты (ПЧ)
• Центры управления двигателями
• SCADA-системы

ИТ и телекоммуникации:

• Центры обработки данных
• Серверные комнаты
• Сетевое оборудование
• Системы связи
• Системы автоматизации зданий

Возобновляемые источники энергии:

• Солнечные фотоэлектрические (PV) системы
• Ветроэнергетические установки
• Системы хранения энергии
• Микросети

Standards and Compliance

Международные стандарты

Стандарты МЭК:

• IEC 61643-11: Требования и методы испытаний УЗИП низкого напряжения (основной стандарт для УЗИП)
• IEC 60099-4: Металлооксидные разрядники без искровых промежутков для систем переменного тока (грозовые разрядники)
• IEC 62305: Защита от молнии (общая схема системы защиты)

Стандарты IEEE:

• IEEE C62.11: Металлооксидные разрядники для цепей переменного тока (грозовые разрядники)
• IEEE C62.41: Характеристика среды перенапряжений
• IEEE C62.62: Технические условия испытаний для УЗИП
• IEEE C62.72: Руководство по применению УЗИП

Региональные стандарты:

• UL 1449 (4-е издание): Стандарт США для УЗИП
• EN 61643-11: Европейская адаптация стандарта IEC
• CSA C22.2 No. 269: Канадские стандарты УЗИП

Вопросы соответствия

При спецификации грозовых разрядников или УЗИП убедитесь в соответствии:

1. Требования к уровню напряжения подходящие для вашей системы
2. Пропускная способность по току разряда соответствие ожидаемой среде перенапряжений
3. Уровень защиты по напряжению совместимость с выдерживаемым импульсным напряжением изоляции оборудования
4. Температурный рейтинг подходит для условий установки
5. Знаки сертификации от признанных испытательных лабораторий (UL, CE, TÜV, CB)
6. Стандарты установки согласно статье 285 NEC (США) или местным электротехническим нормам

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Может ли УЗИП заменить грозовой разрядник?

Нет, устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) не могут заменить молниеотводы для защиты от прямых ударов молнии. Хотя УЗИП могут обеспечить некоторую защиту от небольших импульсных перенапряжений, им не хватает высокой пропускной способности по току разряда (форма волны 10/350 мкс), необходимой для безопасной обработки прямых ударов молнии. Для комплексной защиты требуется использование обоих устройств в скоординированной системе: молниеотводы на вводе в здание для первичной защиты и УЗИП в распределительных щитах и местах конечного использования для вторичной защиты.

2. Как определить, какой тип УЗИП (Тип 1, 2 или 3) необходим?

Выбор УЗИП зависит от концепции зон молниезащиты (LPZ):

• Тип 1 СПД: Устанавливается на границе LPZ 0-1 (ввод электропитания) в зданиях с внешними системами молниезащиты или в районах с высоким риском поражения молнией
• Тип 2 СПД: Устанавливается на границе LPZ 1-2 (распределительные щиты, подщиты) для общей защиты здания
• Тип 3 СПД: Устанавливается на границе LPZ 2-3 (рядом с чувствительным оборудованием) при необходимости дополнительной защиты

Большинству объектов требуется как минимум УЗИП Типа 2. Добавьте Тип 1, если у вас есть система молниезащиты или вы находитесь в районах с высоким риском. Включите Тип 3 для критически важного электронного оборудования.

3. В чем разница между технологиями защиты от импульсных перенапряжений на основе MOV и GDT?

Металлооксидный варистор (MOV):

• Резистор, зависящий от напряжения, с использованием оксида цинка
• Отличное поглощение энергии
• Низкое напряжение ограничения
• Постепенно деградирует при повторных импульсах
• Лучше всего подходит для подавления импульсов высокой энергии

Газоразрядная трубка (GDT):

• Керамическая трубка, заполненная газом, с электродами
• Очень высокая пропускная способность по току перенапряжения
• Более высокое напряжение ограничения
• Более медленное время отклика
• Идеально подходит для телекоммуникаций и сигнальных линий

Современные УЗИП часто сочетают обе технологии: GDT для высокой пропускной способности по току и MOV для быстрого отклика и ограничения напряжения.

Как часто следует проверять или заменять молниеотводы и устройства защиты от импульсных перенапряжений?

Молниеотводы:

• Визуальный осмотр: Ежегодно
• Электрические испытания (сопротивление изоляции, напряжение промышленной частоты): Каждые 1-3 года
• Замена: 20-30 лет или после значительных событий, связанных с молнией
• Контролируйте индикаторы состояния, если они установлены

Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП):

• Визуальный осмотр: Каждые 6-12 месяцев
• Проверяйте индикаторы состояния (если они есть): Ежемесячно
• Электрические испытания: В соответствии с рекомендациями производителя
• Замена: После значительных импульсных перенапряжений или когда индикаторы показывают отказ
• Типичный срок службы: 10-25 лет в зависимости от воздействия перенапряжений

Документируйте все действия по техническому обслуживанию и счетчики событий перенапряжений (если они доступны) для отслеживания состояния устройства.

5. Что произойдет, если молниеотвод или УЗИП выйдет из строя?

Режимы отказа различаются в зависимости от конструкции:

Безопасный отказ (предпочтительно):

• Встроенные терморазъединители активируются
• Устройство становится разомкнутой цепью
• Визуальный/электрический индикатор сигнализирует об отказе
• Система продолжает работать, но без защиты от перенапряжений

Катастрофический отказ:

• Может возникнуть состояние короткого замыкания
• Вышестоящая защита от перегрузки по току (предохранители/выключатели) должна изолировать устройство
• Риск возгорания, если тепловая защита недостаточна

Качественные устройства от известных производителей, таких как VIOX Electric, включают в себя несколько отказоустойчивых механизмов, включая терморазъединители, сброс давления и индикаторы неисправностей, чтобы обеспечить безопасные режимы отказа.

6. Нужна ли мне молниезащита, если на моем объекте есть подземные линии электропередач?

Да, молниезащита остается важной даже при наличии подземных линий. Хотя подземные кабели устраняют риск прямого попадания молнии в линии электропередач, молния все равно может повлиять на ваш объект через:

• Удары в саму конструкцию здания
• Наведенные перенапряжения от близлежащих ударов в землю, распространяющиеся через почву
• Перенапряжения, поступающие через линии связи, водопроводные трубы или другие проводники
• Коммутационные переходные процессы от работы электросети

Установите УЗИП типа 2 в качестве минимальной защиты. Рассмотрите возможность использования УЗИП типа 1, если ваше здание имеет внешнюю систему молниезащиты или находится в зоне повышенного риска.

Заключение: Приверженность VIOX Electric комплексной защите от перенапряжений

Понимание различий между устройствами защиты от импульсных перенапряжений и молниеотводами имеет основополагающее значение для проектирования эффективных систем электрической защиты. В то время как молниеотводы служат первой линией защиты от прямых ударов молнии и высоковольтных импульсов на вводах, устройства защиты от импульсных перенапряжений обеспечивают критически важную вторичную защиту от рабочих переходных процессов и наведенных перенапряжений во всей распределительной сети вашего объекта.

Комплексная стратегия защиты от перенапряжений требует скоординированного развертывания обеих технологий, правильно специфицированных в соответствии с IEC 61643-11, IEEE C62.11 и применимыми региональными стандартами. Выбор должен учитывать уровни напряжения, пропускную способность тока разряда, уровни защиты от напряжения и конкретные требования применения.

VIOX Electric специализируется на производстве высококачественных молниеотводов и устройств защиты от импульсных перенапряжений, разработанных в соответствии со строгими международными стандартами. Наш ассортимент продукции включает в себя:

• Металлооксидные молниеотводы для всех классов напряжения
• Устройства защиты от импульсных перенапряжений типа 1, типа 2 и типа 3
• Скоординированные решения для защиты от перенапряжений для промышленных, коммерческих и возобновляемых источников энергии
• Индивидуальные проекты для специализированных требований к защите

Наша техническая команда предоставляет экспертные консультации, чтобы помочь вам разработать оптимальные стратегии углубленной защиты, адаптированные к конкретному профилю риска и эксплуатационным требованиям вашего объекта. Не идите на компромисс в отношении защиты электрической системы — сотрудничайте с VIOX Electric для получения надежных, сертифицированных решений для защиты от перенапряжений.

Свяжитесь с компанией VIOX Electric сегодня для: для получения подробной оценки системы защиты и узнайте, как наши передовые технологии разрядников могут защитить вашу критически важную инфраструктуру от ударов молнии и перенапряжений.