Как работи устройството за защита от пренапрежение

Какво представлява защитникът за напрежение?

Определение на устройство за защита от пренапрежение

A защитник на напрежението е електрическо устройство, което следи захранващото напрежение и прекъсва (изключва) веригата, когато възникнат условия на свръхнапрежение или понижено напрежение, надхвърлящи предварително зададените граници. То възстановява връзката с натоварването, когато напрежението се върне към нормалното ниво — автоматично след изчакване за рестартиране или ръчно, в зависимост от модела.

Когато става дума за инженерни теми, ще чуете и следните термини:

• Защита срещу пренапрежение/поднапрежение

• Реле за контрол на напрежението

• Реле за защита от пренапрежение

• Реле за ниско/високо напрежение

Общата концепция е една и съща: измерване на напрежението, сравняване с праговите стойности и използване на изходен контакт за управление на свързването на натоварването.

Как работи устройството за защита от пренапрежение?

На функционално ниво устройството за защита от напрежение работи по прост цикъл: измерва, взема решение, превключва, след което проверява стабилността, преди да възстанови връзката. Истинските инженерни разлики се състоят в начина на измерване (истинска средноквадратична стойност срещу опростено измерване), в начина, по който се избягват нежелани задействания (закъснения и хистерезис), и в начина, по който се превключва натоварването (вътрешно реле срещу външен контактор).

По-долу е описана типичната работа на съвременните защитни устройства за DIN-релса, използвани в табла, както и на релетата за контрол на напрежението, управляващи контакторите в промишлени шкафове за управление.

Стъпка	Какво прави защитникът	Защо това е важно в практиката
1	Измерва входното напрежение непрекъснато	Ранно откриване на отклонения, колебания и спадове в напрежението
2	Сравнява с горния и долния праг	Определя ясен приемлив диапазон
3	Прилага логика на времево закъснение и хистерезис	Предотвратява нежелани задействания и трептене на релето
4	Активира релейния изход или изключва контактора	Физически изолира натоварването от ненормалното захранване
5	Изчаква стабилизиране на напрежението и изтичане на времето за рестартиране	Предотвратява бързите цикли, които могат да повредят оборудването
6	Възстановява електрозахранването, когато условията са нормални	Възстановява нормалната работа на системата без ръчна намеса (ако тази функция е активирана)

Мониторинг на входното напрежение в реално време

Вътре в устройството захранващото напрежение се понижава до ниво, което електронната система може да измери безопасно. За целта обикновено се използва резистивна разделителна верига, компоненти за изолация/подготовка на сигнала и етап за аналого-цифрово преобразуване.

Устройствата с по-високо качество измерват истинското ефективно напрежение (RMS), което отразява действителната стойност, еквивалентна на нагряването, дори когато формите на вълните са изкривени от нелинейни натоварвания. По-евтините устройства могат да изчисляват приблизителна ефективна стойност (RMS) чрез опростено вземане на проби и предположения относно формата на вълната. Тази разлика придобива значение в среди, в които се използват честотни преобразуватели (VFD), изправители, импулсни захранващи устройства или генератори, където изкривяването на формите на вълните е често срещано явление.

Измервателната верига работи непрекъснато. На практика защитното устройство следи за два вида модели:

• Напрежението е надхвърлило границата (твърде високо или твърде ниско)

• Напрежението се е задържало над тази граница достатъчно дълго, за да оправдае предприемането на мерки

Откриване на състояния на свръхнапрежение и понижено напрежение

Откриването се основава на сравняване на измереното напрежение със зададените стойности:

• Зададена стойност на пренапрежението: горната граница, над която работата се счита за опасна

• Зададена стойност за понижено напрежение: долната граница, под която работата се счита за опасна

В повечето проекти се срещат още две концепции:

• Времева закъснение: аномалното състояние трябва да продължи през зададен период от време, преди да се задейства защитата

• Хистерезис (диференциал за нулиране): напрежението трябва да се върне в допустимия диапазон с известен резерв, преди устройството да се нулира

Без тях защитният прекъсвач би реагирал на всяко малко колебание и би могъл да започне да трепти около прага на изключване. Трептенето не е само досадно; то може да доведе до заваряване на контактите, прегряване на релетата и многократно натоварване на свързаните към него натоварвания.

Изключване на захранването при възникване на анормално напрежение

Щом устройството установи, че напрежението е необичайно и продължително, то променя състоянието на изхода си.

В зависимост от продукта този резултат е:

• Вътрешен релейен контакт, свързан последователно с натоварването (често срещано при малки натоварвания), или

• Релейен изход, който управлява външен контактор (често се използва при по-високи токове и в промишлени приложения)

И в двата случая ефектът е един и същ: натоварването се изключва от захранването. Защитният елемент не поглъща излишната енергия при пренапрежение. Той предотвратява подаването на анормално напрежение към натоварването за продължителен период от време.

От гледна точка на проектирането на електрически табла, превключващият елемент е ограничаващият фактор. Ако токът на натоварването е висок или ако пусковият ток е голям (двигатели, трансформатори, компресори), използването на реле за контрол на напрежението за задействане на контактор с подходящ номинален ток обикновено е по-надеждният подход.

Автоматично възстановяване на електрозахранването след нормализиране на напрежението

Много защитни устройства разполагат с функция за автоматично възстановяване (автоматично повторно включване). Обикновено логиката изисква да бъдат изпълнени две условия, преди да се възстанови връзката:

1. Напрежението се връща в допустимия диапазон (често като се вземе предвид хистерезисът)

2. Напрежението остава стабилно през периода на забавяне при рестартиране (понякога наричан „забавяне при повторно свързване“)

Това закъснение при рестартиране е от решаващо значение в реални инсталации. Ако захранването е нестабилно, незабавното повторно включване може да доведе до бързи цикли на включване и изключване. При натоварвания, задвижвани от двигатели, и компресори бързите цикли на включване и изключване могат да предизвикат изключвания поради термично претоварване, натоварване при труден старт и преждевременна повреда.

При пускането в експлоатация закъснението при рестартиране често се настройва в зависимост от натоварването и технологичния процес. Електроразпределителният шкаф, захранващ ПЛК, може да понесе кратко закъснение, докато компресорът на ОВК системата може да изисква по-дълго закъснение с цел защита на оборудването.

Кои са основните компоненти на устройството за защита от пренапрежение?

Въпреки че опаковките на продуктите се различават, повечето устройства за защита от напрежение имат едни и същи вътрешни компоненти: сензор за измерване на напрежението, контролер за вземане на решения, елемент за превключване на захранването и потребителски интерфейс за настройка на параметрите и показване на състоянието.

Разбирането на тези компоненти ви помага да прецените дали дадено устройство е подходящо за контролен панел, разпределително табло или за защита на ниво оборудване.

Схема за откриване на напрежение

Схемата за измерване на напрежението мащабира и обработва входното напрежение, за да може то да бъде измервано безопасно и с постоянна точност. Тя може да включва:

• Мрежа за мащабиране (напрежен делител)

• Филтриране за намаляване на шума

• Изолационни или защитни елементи, предотвратяващи разпространението на повреди към управляващата електроника

В трифазните системи схемата за откриване може да измерва напрежението между фаза и неутрала, между фази или и двете, в зависимост от проектните изисквания. За да се осигури точна защита, методът на измерване трябва да съответства на схемата на свързване на системата. Измерването само на една точка в трифазна система може да доведе до пропускане на определени повреди.

Управляващ блок с микроконтролер

Контролният блок изпълнява защитната логика. Конструкциите на базата на микроконтролери позволяват функции, които надхвърлят възможностите на обикновен компаратор:

• Отделни закъснения при пренапрежение и понижено напрежение

• Програмируемо закъснение при рестартиране

• Работа с хистерезис

• Отчитане на събития или памет за грешки (в зависимост от модела)

Логиката на микроконтролера също улеснява поддържането на постоянни прагови стойности при температурни колебания и отклонения в захранването, при условие че сензорният модул е добре проектиран.

Електромагнитно реле или контактор

Това е елементът, който действително прекъсва захранването към натоварването.

• Електромагнитно реле: често срещано в компактните защитни устройства за DIN-релса; подходящо за ниски стойности на тока и честотата на превключване

• Контактор: често се използва във външни инсталации при по-големи натоварвания, по-висок пусков ток или по-висок работен цикъл

Практично правило е при големи натоварвания да се разделят “мозъкът” от “мускула”. Използвайте контролно реле (мозък), за да задействате контактор (мускул). Това подобрява възможностите за поддръжка и намалява риска защитното устройство да се превърне в слабото звено на системата.

Интерфейс за показване и настройка

Много устройства за защита от напрежение разполагат с прост интерфейс за настройка на зададените стойности и закъсненията, както и за показване на текущото напрежение и състоянието.

Интерфейсът е важен, защото оказва пряко влияние върху качеството на пускането в експлоатация. Ако настройките не са ясни, техниците могат да оставят стойностите по подразбиране, които не съответстват на оборудването. Един добър интерфейс трябва да показва и да позволява конфигурирането на следните елементи:

• Праг на пренапрежение

• Праг на понижено напрежение

• Закъснение на пътуването

• Забавяне при рестартиране (повторно свързване)

• Режим на нулиране (автоматичен или ръчен, ако се поддържа)

Често задавани въпроси относно устройствата за защита от пренапрежение

Защитата от пренапрежение предпазва ли от токови удари?

Устройството за защита от напрежение реагира предимно на продължително свръхнапрежение и понижено напрежение, като изключва натоварването. Повечето импулси на напрежението са много бързи преходни явления, които нарастват и спадат за микросекунди, така че устройство, базирано на изключване, обикновено не може да реагира достатъчно бързо, за да ги ограничи. Ако пренапрежението предизвика по-продължително нарушение, което извежда напрежението извън допустимия диапазон, защитата може да се задейства, но това е второстепенно.

Може ли устройството за защита от пренапрежение да предотврати повреда на уреда?

Да, когато повредата се дължи на анормално напрежение в захранването, което продължава достатъчно дълго, за да натовари компонентите. Устройството за защита от напрежение изключва натоварването при продължително свръхнапрежение или понижено напрежение, което може да предотврати прегряването на двигателите и прекомерното натоварване на електронните захранващи устройства. То е най-ефективно в райони с чести спадове в напрежението, нестабилни генератори или проблеми с електроинсталацията, които причиняват повтарящи се колебания в напрежението.

Каква е разликата между пренапрежение и импулсно напрежение?

Свръхнапрежението е състояние, при което средноквадратичната стойност на захранващото напрежение е по-висока от нормалната в продължение на значителен период от време, като например секунди, минути или по-дълго. Обикновено то се дължи на проблеми с регулирането на електроразпределителната мрежа, проблеми с неутралата или неправилна настройка на генератора. Импулсното напрежение е много бърз преходен пик, често причинен от мълнии или превключвателни събития, който може да трае микросекунди.

Трябва ли ми едновременно защитен прекъсвач и SPD?

Често, да, защото те се справят с различни видове повреди. Устройството за защита от напрежение изключва оборудването при продължително високо или ниско напрежение, което помага да се избегне работата в условия, водещи до повреди, като например спадове или скокове в напрежението. SPD управлява кратки преходни състояния с висока енергия, като отклонява импулсния ток към заземителната система, ограничавайки напрежението, на което е изложено оборудването.

Колко дълго издържа един защитен прекъсвач?

Експлоатационният срок зависи от честотата на превключване и от условията на експлоатация. Устройствата, през които преминава ток на натоварване чрез вътрешни релейни контакти, могат да се износват по-бързо, ако се превключват често, особено при пусковия ток на двигателя. Защитно устройство, използвано предимно като контролно реле за задействане на външен контактор, може да има по-дълъг експлоатационен срок, тъй като контакторът поема износването, свързано с превключването.

Препоръчани статии

Ръководство за монтаж на устройство за защита от пренапрежение – стъпка по стъпка

Как да изберем най-добрия защитен прекъсвач срещу пренапрежение и поднапрежение

Устройство за защита от напрежение срещу устройство за защита от пренапрежение: Каква е разликата

Обяснение на регулируемия защитен прекъсвач за напрежение и ток за начинаещи

Защита от пренапрежение и понижено напрежение: Пълно ръководство