Nr 172-173 51 Andrzej W. SoWA Politechnika Białostocka

Transkrypt

Ochrona przeciwprzepięciowa
Andrzej W. Sowa
Politechnika Białostocka
Ochrona przed przepięciami
systemów pomiarowych w energetyce
Abstrakt: Stworzenie warunków zapewniających pewne i bezawaryjne działanie urządzeń elektronicznych wymaga przeprowadzenia oceny zagrożenia przepięciowego występującego
w miejscach ich zainstalowania. Następnie należy porównać poziomy występujących przepięć
z dopuszczalnymi poziomami odporności udarowej urządzeń oraz dobrać, jeśli jest to konieczne, odpowiednie urządzenia do ograniczania przepięć. Taki tok postępowania zastosowano przy
określaniu wymagań, jakie powinny spełniać urządzenia ograniczające przepięcia dochodzące
do układów pomiaru energii elektrycznej.
Poniżej przedstawiono podstawowe informacje o przepięciach występujących w instalacjach
elektrycznych do 1000 V oraz w sieciach średnich napięć. Zestawiono również wymagane poziomy odporności urządzeń do pomiaru energii i koncentratorów na działanie napięć udarowych.
Powyższe informacje wykorzystano do doboru urządzeń ograniczających przepięcia dochodzące
do układów pomiaru energii elektrycznej. Szczególną uwagę zwrócono na ochronę przed przepięciami rozbudowanych systemów pomiarowych stosowanych do pomiarów oraz nadzoru nad
siecią elektroenergetyczną 230/400 V.
1. Wstęp
Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej mogą być podłączone do sieci elektroenergetycznej bezpośrednio, dotyczy to głównie urządzeń w sieci 400/230 V, półpośrednio (połączone przez przekładniki prądowe) lub pośrednio (połączone przez
przekładniki prądowe i napięciowe).
W zależności od układu połączeń, urządzenia mogą być narażone na oddziaływanie części prądu piorunowego oraz wszelkiego rodzaju przepięcia występujących
w sieciach elektroenergetycznych różnych napięć.
W rozbudowanych systemach pomiarowych należy dodatkowo zwrócić szczególną uwagę na ograniczanie przepięć dochodzących do przyłączy zasilana i sygnałowych koncentratorów zbierających dane od poszczególnych urządzeń.
Poniżej, w celu oceny występującego zagrożenia, przedstawiono krótką charakterystykę przepięć atmosferycznych i łączeniowych występujących w liniach elektroenergetycznych różnych napięć oraz instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym
2. Urządzenia instalowane w obiektach budowlanych
W obiekcie budowlanym posiadającym urządzenie piorunochronne instalacja
elektryczna i dołączone do niej urządzenia pomiaru energii elektrycznej oraz koncentratory mogą być narażone na bezpośrednie oddziaływanie części prądu piorunowego. Takie zagrożenie występuje podczas bezpośredniego wyładowania pioruNr 172-173
51
nowego w obiekt budowlany. W takim przypadku do przybliżonego oszacowania
rozpływu prądów piorunowych można przyjąć, że połowa prądu piorunowego wpływa do systemu uziomowego obiektu, a pozostała część rozpływa się w instalacjach
przewodzących dochodzących do tego obiektu.
Ogólny przykład takiego rozpływu prądu piorunowego do uziomu i instalacji
przewodzących dochodzących do obiektu przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Ogólny podział prądu piorunowego w przewodzących instalacjach w obiekcie budowlanym
Posiadając informacje o instalacjach dochodzących do obiektu można określić
prądy płynące w poszczególnych przewodach. Przykładowo na rys. 2. przedstawiono
podział prądu w dużym obiekcie budowlanym, w którym pracują wrażliwe urządzenia i systemy elektryczne i elektroniczne, do którego dochodzą:
• instalacja wodno-kanalizacyjna,
• instalacja gazowa,
• instalacja elektryczna (system sieci TN-C),
• linie telekomunikacyjne.
W przedstawionym obiekcie budowlanym, wymagającym zapewnienia I poziomu ochrony odgromowej, przyjęto wystąpienie prądu piorunowego o wartości szczytowej 200 kA i kształcie 10/350.
W obiektach niewymagających instalacji piorunochronnej należy uwzględnić
możliwość wystąpienia w instalacji elektrycznej dochodzącej do obiektu budowlanego przepięć o wartościach szczytowych uzależnionych od rodzaju sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia.
52
Przewody instalacji
elektrycznej
33 kA
Instalacja elektryczna
8,25 kA
otok
33 kA
Ograniczniki
klasy I
Linie telefoniczne – 10 par
Strefa 1
Przewodzące
elementy ścian
obiektu (zbrojenie)
Przewodząca instalacja
wodno-kanalizacyjna
Srefa
0 Ai 0 B
Przewodząca
instalacja gazowa
10 kA
Odgromniki
gazowane
33 kA
X10
500 A
Rys. 2. Przykładowy rozpływ prądu piorunowego w różnorodnych instalacjach dochodzących
do obiektu budowlanego
Wyniki rejestracji prowadzonych w sieciach zasilających niskiego napięcia wykazały, że w większości przypadków przepięcia występujące w instalacji elektrycznej
do 1000 V mają formę tłumionej sinusoidy lub przebiegi dwuwykładnicze. Na podstawie dostępnych danych można przyjąć, że w ciągu roku w instalacji elektrycznej
w obiekcie budowlanym wystąpią przepięcia o następujących wartościach szczytowych:
• 300–500 V kilkadziesiąt przypadków,
• 500–1000 V kilkanaście przypadków,
• 1000–5000 V kilka przypadków,
• ponad 5000 V pojedyncze przypadki.
W sieci elektroenergetycznej ułożonej w terenie podmiejskim lub wiejskim liczba
przepięć o amplitudach przekraczających 1 kV będzie wielokrotnie większa. W ciągu roku może nawet wystąpić kilka przypadków przepięć o wartościach szczytowych
przekraczających 5 kV.
Podejmowane są również próby uporządkowania dostępnych wyników i wykreślenia krzywych umożliwiających wyznaczanie liczby przepięć o dowolnej amplitudzie, jakie mogą wystąpić w ciągu roku w instalacji elektrycznej. Przykład takich
przebiegów przedstawiono na rys. 1. Otrzymane krzywe wyznaczono uwzględniając
różny „stopień wystawienia” obwodów niskonapięciowych sieci zasilających na działanie impulsów zakłócających.
Nr 172-173
53
Rys. 3. Krzywe określające liczby przepięć o różnych amplitudach wywołanych w ciągu roku
w obwodach sieci zasilającej przez zewnętrzne źródła zakłóceń
• krzywa A (małe wystawienie na zakłócenia); przepięcia w podziemnych kablach zasilających ułożonych w miastach,
• krzywa B (wystawienie średnie); przepięcia w biegnących przez tereny podmiejskie kablach
podziemnych z dołączonymi odcinkami linii napowietrznych,
• krzywa C (wystawienie duże); przepięcia w liniach napowietrznych biegnących przez tereny niezabudowane.
3. Urządzenia w stacjach elektroenergetycznych
Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej oraz koncentratory pracujące w stacjach transformatorowych narażone są na działanie napięć i prądów udarowych dochodzących z sieci 230/400 V oraz w sposób pośredni na udary występujące w liniach średnich napięć.
3.1. Bezpośrednie wyładowania piorunowe w linie elektroenergetyczne SN
W przypadku sieci elektroenergetycznej 230/400 V można w przybliżeniu przyjąć, że zagrożenie jest nie mniejsze niż to, jakie występowało w obiekcie budowlanym.
Dodatkowo do stacji dochodzą napięcia/prądy udarowe liniami średniego napięcia. W tym przypadku najgroźniejsze są bezpośrednie wyładowania piorunowe
w przewody linii elektroenergetycznej. Do przybliżonej oceny zagrożenia można
przyjąć, że impedancja kanału wyładowania jest duża i piorun uderzający w linię jest
traktowany jak źródło prądowe podłączone do przewodu ułożonego nad powierzchnią ziemi (rys. 4).
54
I/2
I
I/2
Rys. 4. Wprowadzenie prądu udarowego do przewodu nad ziemią (symulacja bezpośredniego
wyładowania piorunowego w linię)
Zakładając, że dla rozpływającego się prądu udarowego wartość impedancji falowej przewodu Z 0 nad ziemią zawiera się pomiędzy 400–500 Ω, otrzymujemy wartość napięcia
U = Z 0 ⋅
I
2
Przykładowo, dla prądu piorunowego o wartości szczytowej I = 40 kA i impedancji falowej linii Z 0 = 400 Ω otrzymujemy U = 8000 kV.
Jest to wartość teoretyczna. W rzeczywistych liniach wystąpią przeskoki iskrowe
na izolatorach i nastąpi ograniczenie wartości przepięcia atmosferycznego. Poziom
ograniczania przepięć uzależniony jest od spadku napięcia na indukcyjności przewodu i rezystancji uziomu słupa, na którym nastąpił przeskok.
Częstość wyładowań piorunowych w linię elektroenergetyczną uzależniona jest
od jej wymiarów, lokalnej częstości wyładowań piorunowych w analizowanym obszarze oraz ekranujących właściwości otoczenia linii.
Dla linii elektroenergetycznej biegnącej w otwartym obszarze częstość wyładowań piorunowych w linię można określić z zależności:
N = A ⋅ Ng ⋅ 10 −6
gdzie:
A – powierzchnia zbierania wyładowań piorunowych [m 2],
Ng – roczna częstość wyładowań piorunowych [wyładowanie/km 2 ∙rok].
W przybliżonej analizie można przyjąć:
A = 6⋅ H ⋅ L
gdzie:
L – długość linii [m],
H – wysokość linii.
Przykładowo dla H = 5 m, L = 1000 m, Ng = 1,8 wyładowania/km 2 ∙rok otrzymujemy N = 0,054 wyładowania/rok.
Nr 172-173
55
3.2. Przepięcia indukowane w liniach elektroenergetycznych
Znacznie częściej, w porównaniu z przypadkiem bezpośredniego wyładowania
piorunowego, w liniach elektroenergetycznych występują przepięcia atmosferyczne
indukowane. Mają one najczęściej przebiegi aperiodyczny lub oscylacyjny tłumiony.
Przykładowe przebiegi przepięć rejestrowanych w liniach elektroenergetycznych
średnich napięć przedstawiono na rys. 5.
Rys. 5. Oscylogramy przepięć atmosferycznych indukowanych w równych punktach linii
Podobnie jak w przypadku wyładowań bezpośrednich, tworzone są również modele matematyczne kanał z prądem piorunowym – linie napowietrzne. Przykład obliczeń przepięcia atmosferycznego indukowanego w linii odległej o 150 m od miejsca
wyładowania piorunowego przedstawiono na rys. 6.
Rys. 6. Przepięcia atmosferyczne indukowane w różnych punktach linii
Uproszczoną zależność określającą wartość szczytową napięcia U indukowanego
pomiędzy przewodem a ziemią można przedstawić w postaci:
( d )⋅ I
U = 30 ⋅ H
gdzie:
I – prąd piorunowy [kA],
H – wysokość zawieszenia przewodu nad ziemią [m],
d – odległość pomiędzy przewodem a miejscem uderzenia pioruna [m].
56
Istnieje również możliwość określenia liczby przepięć o danej wartości szczytowej uwzględniając wymiary linii oraz roczną częstość wyładowań piorunowych
w analizowanym obszarze.
Liczba przepięć wynosi:
30 ⋅ (1 − c ) 

N i = 1,9 ⋅ 10 −6 ⋅ Ng ⋅ H ⋅ L ⋅ 3,5 + 2,5 ⋅ log

U


3, 75
gdzie Ni – liczba indukowanych przepięć.
Współczynnik c określa redukujący czynnik wprowadzany przez uziemiony przewód neutralny lub ochronny (c = 0, jeśli brak wymienionych przewodów, c = 0,7 lub
0,9 w zależności od uziemiania przewodów).
Rys. 7. Napięcia indukowane w linii nad ziemią w funkcji odległości od miejsca wyładowania
(linia ciągła H = 5 m, linia przerywana H = 7 m)
Przykładowo, wyniki obliczeń uzyskanych przy pomocy powyższej zależności
(oznaczenie CC05) przedstawiono rys. 8. Dodatkowo przedstawiono również krzywe proponowane przez innych autorów.
Rys. 8. Liczba przepięć o różnych amplitudach wyznaczona dla linii L = 1 km, H = 10 m, Ng = 1
Nr 172-173
57
3.3. Przepięcia wewnętrzne
Stany nieustalone w sieciach elektroenergetycznych powstające podczas nagłych
zmian napięcia zasilającego lub konfiguracji układu połączeń poszczególnych elementów w systemie elektroenergetycznym są źródłem tzw. przepięć wewnętrznych.
Wśród tych przepięć najczęściej występującymi są:
• Przepięcia powstające podczas wyłączania i ponownego załączania nieobciążonych linii lub baterii kondensatorów, przerywaniu niewielkich prądów indukcyjnych, likwidacji zwarć przy pomocy szybkich układów automatyki SPS.
• Przepięcia wywołane nagłymi zmianami obciążenia, zjawiskami rezonansu i ferrorezonansu, niezanikającymi zwarciami jedno- lub dwufazowymi z ziemią.
• Przepięcia występujące podczas zwarć doziemnych w sieciach elektroenergetycznych.
• Przepięcia powstające po zadziałaniu układów ochrony przepięciowej wywołane
gwałtowną zmianą napięcia i towarzyszący temu przepływ prądów udarowych.
• Bezpośredni styk przewodów sieci elektroenergetycznej o różnych napięciach.
Część z przedstawionych typów przepięć wewnętrznych występuje w sieciach
średnich napięć. W takim przypadku zagrożenie urządzeń technicznych wynika
z możliwości przenoszenia przepięć na stronę niskonapięciową transformatorów
energetycznych.
3.4. Przepięcia w sieciach niskich napięć
Ocenę zagrożenia przepięciowego można również przeprowadzić wykorzystując
dostępne programy modelujące zjawiska zachodzące w sieci elektroenergetycznej.
Przykład takiego postępowania przedstawiono na rys. 9.
Rys. 9. Analizowana sieć elektroenergetyczna niskiego napięcia
Prąd udarowy o wartości szczytowej 50 kA i kształcie 2/50 wprowadzano do
przewodu linii i wyznaczano napięcia względem ziemi odniesienia w różnych punktach linii.
Obliczone przebiegi indukowanych napięć oraz podział prądu piorunowego
przestawiają rys. 10 i 11.
58
Rys. 10. Napięcia w różnych punktach względem ziemi odniesienia
Rys. 11. Prądy płynące w różnych punktach analizowanego systemu
Znacznie częściej, w porównaniu z przypadkiem bezpośredniego wyładowania
piorunowego, występują w liniach elektroenergetycznych przepięcia atmosferyczne
indukowane.
Przepięcia atmosferyczne indukowane w liniach napowietrznych nn mają, podobnie jak w liniach SN, najczęściej przebiegi aperiodyczny lub oscylacyjny tłumiony. Przykłady przepięć rejestrowanych w liniach elektroenergetycznych niskich napięć przedstawiono na rys. 12.
Rys. 12. Zarejestrowane przebiegi przepięć atmosferycznych w liniach nn
Nr 172-173
59
Podsumowując, należy stwierdzić, że urządzenia do pomiaru energii i koncentratory zainstalowane w stacjach elektroenergetycznych narażone są na działanie:
• Przepięć dochodzących z linii nn. Skala zagrożenia może być porównywalna lub
większa niż w przypadku obiektów budowlanych zasilanych z linii napowietrznych.
• Prądów piorunowych dochodzących z linii nn.
• Napięć i prądów przenoszonych ze strony SN na nn. Dotyczy to głównie skoków potencjałów systemu uziomowego po zadziałaniu urządzeń ograniczających
przepięcia dochodzące do transformatora z linii SN.
4. Poziomy odporności udarowej urządzeń stosowanych w systemach pomiarowych
Jednym z podstawowych wymagań elektrycznych jest zachowanie odpowiednich
właściwości dielektrycznych przy działaniu różnorodnych napięć, jakie mogą wystąpić w naturalnych warunkach. Odwzorowanie występujących zagrożeń uzyskano
badając przyłącza zasilające i sygnałowe urządzeń pomiarowych napięciem/prądem
udarowym.
Zakres badań odporności na działanie napięć lub prądów udarowych najczęściej
określają normy dotyczące danego urządzenia lub grupy urządzeń. Ograniczając
zakres rozważań tylko do ochrony przed napięciami i prądami udarowymi należy
uwzględnić wymagania dotyczące poziomów odporności urządzeń elektrycznych
i elektronicznych na działanie:
• jednokierunkowych (jednobiegunowych) udarów powodowanych przez przepięcia łączeniowe i piorunowe o kształcie 1,2/50 – 8/20 µs,
• niepowtarzalnych przebiegów oscylacyjnych tłumionych powstających podczas
procesów łączeniowych w liniach zasilających lub sterujących oraz wyładowań
atmosferycznych,
• powtarzalnych szybkich elektrycznych zakłóceń impulsowych o kształcie 5/50 ns
(EFT/B – ang. Electrical Fast Transient – Burst).
Szczegółowy opis procedury prowadzenia badań zawarto w normach dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej. Zadaniem tych norm jest ustalenie
podstawowych wymagań dotyczących wartości umownych sygnałów zakłócających,
ich kształtów oraz metod symulacji narażeń udarowych. Dodatkowo należy spełnić
wymagania określające warunki pracy urządzeń w czasie badań oraz kryteria oceny
poprawności pracy badanych urządzeń.
Wyniki badań odporności urządzenia powinien przedstawić producent w formie
dopuszczalnych poziomów zakłóceń dla danych urządzeń oraz wykazu norm, zgodnie z którymi prowadził badania.
4.1. Poziomy odporności udarowej urządzeń do pomiaru energii
Badania odporności udarowej liczników energii elektrycznej obejmowały początkowo pomiary napięciem udarowym o wartości szczytowej 6 000 V oraz kształcie 1,2/50. Wymagany zakres badań liczników zestawiono w tabeli 1.
60
Tabela 1. Zakres badań liczników napięciem udarowym
Zakres badań
Badania izolacji
torów i izolacji
między torami
Sposób prowadzenia badań
Uwagi
Próby dla poszczególnych torów, które podczas Zaciski torów niebadanych powinny
normalnej pracy są odizolowane od innych
być połączone z masą.
torów.
Wspólne próby torów napięciowych i prądowych.
W przypadku połączenia obu torów.
Napięcie doprowadzane do wspólnego punktu W przypadku wspólnego, połączooraz każdego swobodnego końca torów napię- nego z masą, punktu kilku torów
ciowych.
napięciowych.
Próba toru prądowego – napięcie udarowe
połączone pomiędzy każdy z zacisków a masę.
Próba toru napięciowego – napięcie udarowe
połączone pomiędzy każdy z zacisków a masę.
Tory napięciowe i prądowe rozdzielone i każdy ma oddzielną izolację.
Próby niezależnie dla każdego toru.
Zaciski, które nie są badane powinny
być połączone z masą.
Próby torów pomocniczych (przewidywane do Próby na takich samych warunkach
zasilania z sieci lub przekładnika) o napięciu
jak próby torów napięciowych.
wyższym od 40 V.
Badania izolacji
torów względem
masy
Wszystkie zaciski torów elektrycznych licznika Do połączonych zacisków elektryczpołączone. Napięcia udarowe doprowadzane nych należy również połączyć zaciski
pomiędzy wszystkie tory elektryczne a masę.
pomocnicze.
Obecnie, uwzględniając wymagania kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń, poszerzono zakres badań odporności udarowej urządzeń do pomiaru energii
elektrycznej. Wymagane jest przeprowadzenie pomiarów odporności na działanie:
• Szybkich elektrycznych zakłóceń impulsowych 5/50 ns
–– tory prądowe i napięciowe (przewód – ziemia) 4 kV,
–– tory pomocnicze o napięciu do 40 V
2 kV.
• Udarów 1,2/50 – 8/20
–– tory prądowe i napięciowe
–– tory pomocnicze
4 kV,
1 kV.
• Przebiegów oscylacyjnych
–– układ wspólny
–– układ różnicowy
2,5 kV,
1,0 kV.
4.2. Poziomy odporności udarowej koncentratorów
Poniżej, w tabelach 2 i 3, zestawiono podstawowe informacje dotyczące wymaganych poziomów odporności oporowej przyłączy zasilania oraz sygnałowych urządzeń elektronicznych o podobnym charakterze jak koncentratory (dotyczy to szczególnie normy określającej wymagania dla urządzeń informatycznych).
Nr 172-173
61
Tabela 2. Wymagane poziomy wytrzymałości na udary 5/50 ns i 1,2/50-8/20 µs przyłączy
zasilania prądem przemiennym
Poziomy wytrzymałości urządzeń na udary
od strony zasilania napięciem przemiennym
Urządzenie elektryczne Urządzenia powszechnego użytku, narzędzia elektryczne, podobne urządzenia
powszechnego użytku elektryczne
PN-EN 55014-2
• udary 5/50
– 1000 V
• udary 1,2/50–8/20 – 2000 V/1000 V
Urządzenia informaUrządzenia informatyczne
tyczne
• udary 5/50
– 1000 V
• udary 1,2/50–8/20 – 2000 V/1000 V
(PN-EN 55024)
Przekaźniki pomiarowe Przekaźniki pomiarowe i urządzenia zabezpieczające do normalnego zastosowai urządzenia zabezpie- nia w elektrowniach, stacjach elektroenergetycznych i zakładach przemysłowych.
czające
Poziom ograniczania przepięć do 2000 V ± 10% (udary 5/50 ns – brak informa(PN-EN 60255-22-4) cji o odporności na udary napięciowo-prądowe).
Sprzęt pomiarowy,
Przyrządy pomiarowe, automatyki i urządzenia laboratoryjne:
sterujący i laboratoryjny • udary 5/50
– 1000 V
(PN-EN 61010-1)
• udary 1,2/50–8/20 – 1000 V/500 V
poziom podwyższony (zastosowanie przemysłowe)
• udary 5/50
– 2000 V
• udary 1,2/50–8/20 – 2000 V/1000 V
Dla udaru 1,2/50–8/20 podano poziomy odporności pomiędzy przewodami: fazowym i neutralnym a przewodem ochronnym / przewodami fazowymi oraz między przewodami fazowymi a przewodem neutralnym.
Urządzenia
Tabela 3. Poziomy odporności na działanie udarów 5/50 ns i 1,2/50–8/20 µs przyłączy sygnałowych urządzeń elektrycznych i elektronicznych
Urządzenia
Poziomy odporności udarowej
Urządzenia powszechnego użytku,
narzędzia elektryczne i podobne
urządzenia elektryczne
(PN-EN 55014-2)
Urządzenia elektroniczne w ośrodkach innych niż telekomunikacyjne
(PN-ETSI EN 300 386)
Przyłącza przewodów sygnałowych i sterowania – badania na działanie udarów 5/50 ns o wartości szczytowej 500 V
Urządzenia informatyczne
(PN-EN 55024)
Sprzęt pomiarowy, sterujący i laboratoryjny
(PN-EN 61010-1)
Przyłącza dla linii sygnałowych prowadzonych na zewnątrz budynku:
• udary 5/50 ns
– ± 500 V,
• udary 10/700
– 1000 V.
Przyłącza dla linii sygnałowych instalowanych w budynku:
• udary 5/50 ns
– ± 500 V,
• udary 1,2/50–8/20 – 500 V.
Przyłącza sygnałowe i przyłącza teletransmisyjne:
• udary 5/50 ns
– ± 500 V,
• udary 1,2/50–8/20 – 1000 V.
Przyrządy pomiarowe, automatyki i urządzenia laboratoryjne:
• udary 5/50
– 1000 V
poziom podwyższony (zastosowanie przemysłowe)
• udary 5/50
– 1000 V
• udary 1,2/50–8/20 – 1000 V
Podsumowując przedstawione informacje należy stwierdzić, że jeśli nie wystąpią
specjalne zalecenia, to należy ograniczyć przepięcia dochodzące do przyłączy koncentratorów do poziomów leżących poniżej:
62
• 2000 V/1000 V – przyłącza zasilania,
• 500 V
– przyłącza sygnałowe.
5. Ograniczanie przepięć dochodzących do urządzeń stosowanych w systemach
pomiarowych
Ograniczanie przepięć do poziomów leżących poniżej poziomów wytrzymałości
udarowej zapewniają urządzenia ograniczające przepięcia instalowane w instalacji
elektrycznej oraz systemach przesyłu sygnałów. Typowe układy połączeń ograniczników przepięć przedstawiono na rys. 13.
PEN
L1
L1
L2
L3
L2
L3
N
N
PE
PE
A
A
TN-C-S
TN-S
B
L1
L1
L2
L3
L2
L3
N
N
B
N
N
TT
TT
L1
L1
L2
L3
L2
L3
N
Przerwa
lub
Przerwa
lub
IT
IT
Rys. 13. Układy połączeń ograniczników klasy I w różnych systemach sieci
Nr 172-173
63
W przypadku instalowania urządzeń do pomiaru energii w stacji elektroenergetycznej SN/nn lub w obiekcie z urządzeniem piorunochronnych będą to ograniczniki przepięć typu I (badane zgodnie z wymogami testów klasy I), które zapewniają
ochronę przed wszelkiego rodzaju przepięciami oraz przed bezpośrednim oddziaływaniem części prądu piorunowego.
W celu eliminacji prądów upływu zalecane jest stosowanie iskiernikowych urządzeń ograniczających przepięcia.
W obiektach budowlanych, w których zainstalowano urządzenia ograniczające
przepięcia typu I, należy sprawdzić poziomy ograniczania przepięć przez te urządzenia i ewentualnie uzupełnić system ograniczania przepięć w celu ograniczanie przepięć do wymaganych poziomów.
W przypadku braku zagrożeń stwarzanych przez oddziaływanie prądów piorunowych należy rozważyć ochronę tworzoną przez układy ograniczników typu II
(klasy II). W celu eliminacji prądów upływu mogą to być ograniczniki zawierające
szeregowe połączenie iskiernika i warystora.
W przypadku koncentratorów należy sprawdzić rodzaj zastosowanych systemów
przesyłu sygnałów i dobrać odpowiednie urządzenia ograniczające przepięcia.
6. Ograniczanie przepięć w systemach przesyłu sygnałów
Typowe elementy wykorzystywane do ograniczania przepięć w systemach przesyłu sygnałów oraz ich podstawowe parametry zestawiono w tabeli 4.
Tabela 4. Zestawienie podstawowych parametrów charakteryzujących elementy zabezpieczające
Parametr
Element
Dioda zabezpieczająca
Warystor
Odgromnik
asymetryczna
6 V – 190 V
do 1 kA
do 1 J
do 1 W
< 10 ps
300 pF – 15 000 pF
± 5%, ± 10%
symetryczna
20 V – 2000 V
do 25 kA
do 1800 J
do 2 W
< 25 ns
40 pF – 40 000 pF
± 10 %
symetryczna
65 V – 12 000 V
do 60 kA
do 60 J
800 WW (1s.)
zależy od du/dt
0,5 pF – 7 pF
± 15 %
< 5 μA
-65 °C – +175 °C
< 0,2 mA
-40 °C – +125 °C
< 15 nA
-55 °C – +130 °C
Oznaczenie graficzne
Charakterystyka U/I
Poziom ochrony
Prąd udarowy (8/20)
Pochłaniana energia
Obciążenie stałe
Czas odpowiedzi
Pojemność
Dopuszczalne zmiany
zakresu ochronnego
Prąd upływu
Zakres temperatur
Jeśli oddzielne użycie pojedynczych elementów ochronnych nie zapewnia dostatecznego poziomu ochrony przed przepięciami, to należy zastosować układy zabezpieczające. Łączenie elementów ochronnych w układy umożliwia zsumowanie ich
ochronnych zalet i wyeliminowanie niepożądanych efektów związanych z ich oddzielnym zastosowaniem.
64
Typowy układ ograniczający przepięcia składa się z pojedynczych elementów zabezpieczających połączonych elementami wzdłużnymi, nazywane również elementami odsprzęgającymi. Tworząc system ograniczania przepięć można wykorzystać
przedstawione poniżej etapy postępowania (tabela 5.).
Tabela 5. Etapy postępowania przy doborze układu ograniczającego przepięcia w systemach
przesyłu sygnałów
Etap
Zakres działań
Źródło informacji
1
Określenie odporności portów sygnałowych urządzeń na działa- Wyniki badań prowadzonych
nie udarów dochodzących z linii przesyłu sygnałów.
przez producenta.
2
Określenie podstawowych danych charakteryzujących znamio- Dane znamionowe chronionego
nowe warunki pracy urządzenia.
systemu.
3
Określenie stopnia zagrożenia udarowego urządzenia.
4
Wstępne określenie właściwości urządzeń ochrony przepięciowej.
5
Określenia liczby stopni ochronnych w torze przesyłu sygnałów.
6
Określenie maksymalnych dopuszczalnych napięć sygnałów
roboczych UNS i wybór układu ochrony przepięciowej o trwałym
napięci pracy UC spełniającym warunek
7
Określenie sposobu przesyłu sygnałów (napięcie znamionowe
niesymetryczne w układzie przewód – przewód lub napięcie
znamionowe symetryczne w układzie przewód – „ziemia”)
i dobranie odpowiedniego układu ochronnego.
8
Określenie maksymalnego prądu roboczego występującego
w systemie przesyłu sygnałów INS i wybór układu ochrony przepięciowej o prądzie znamionowym INO spełniającym warunek
9
Określenie znamionowej częstotliwości sygnałów fNS w analizowanym systemie i porównanie z częstotliwością znamionową fNOGR lub graniczną fGRAN ogranicznika. Układ powinien
spełniać warunek
Normy i zalecenia.
UC ≥ UNS
INO ≥ INS
fNS ≥ fNOGR
fNS ≥ fGRAN
10
Wybór układu posiadającego dodatkowe impedancje odprzęProducent chronionych urządzeń.
gające w przypadku ochrony urządzenia, w którym wejścia
sygnałowe posiadają własne elementy ochronne (np. fabrycznie
zamontowane warystory lub diody).
11
Porównanie wartości elementów odsprzęgających zastosowanych w układzie ogranicznika z wartościami dopuszczalnymi
w danej linii przesyłu sygnałów.
12
Wybór sposobu montażu i „uziemiania” ogranicznika przepięć
Instrukcje montażowe ograniczników.
13
Ocena poprawności połączeń ograniczników przepięć w torze
sygnałowym i w instalacji elektrycznej.
Schematy instalacji elektrycznej.
Nr 172-173
65
7. Zakończenie
W przypadku konieczności zapewnienia pewnego i niezawodnego działania
urządzeń systemów pomiaru energii elektrycznej (koncentratory i liczniki energii
elektrycznej) należy, dobierając urządzenia ograniczające przepięcia w instalacji elektrycznej, uwzględnić przedstawione poniżej wymagania.
• W przypadku ochrony urządzeń zainstalowanych w stacjach elektroenergetycznych lub obiektach budowlanych posiadających urządzenie piorunochronne
układy urządzeń ograniczających przepięcia powinny zapewnić ochronę przed
działaniem prądu piorunowego o wartości szczytowej dochodzącej do 100 kA
i kształcie 10/350 µs. Takie wymagania spełniają urządzenia ograniczające przepięcia typu 1 (badane zgodnie z wymaganiami klasy I).
• Urządzenia ograniczające przepięcia powinny wytrzymać przepływ prądów następczych o wartościach, jakie mogą wystąpić w sieci elektroenergetycznej SN/nn
lub nie dopuścić do wystąpienia tych prądów.
• Powinny być niezawodne, proste w montażu i zajmować niewiele miejsca. W celu
wyeliminowania spadków napięć na przewodach przyłączeniowych, urządzenia
ograniczające przepięcia powinny mieć podwójne zaciski do montażu w tzw.
układzie „V”.
• Układy urządzeń ograniczających przepięcia powinny ograniczać wartości prądów następczych do wartości poniżej poziomów zadziałania zabezpieczeń nadprądowych stosowanych instalacji elektrycznej.
• W celu ograniczenia prądów upływu zalecane jest stosowanie iskiernikowych
urządzeń ograniczających przepięcia.
• Napięciowe poziomy ochrony układów urządzeń do ograniczania przepięć powinny być niższe od poziomów wytrzymałości udarowej chronionych urządzeń.
• Charakteryzować się napięciem trwałej pracy na poziomie ok. 1,1 napięcia fazowego.
• Współpracować z układami warystorów, jakie mogą być stosowane przez producentów urządzeń elektronicznych.
• Posiadać obudowane iskierniki (podczas działania gazy nie są wyprowadzane na
zewnątrz ograniczników).
• W obiekcie budowlanym należy skoordynować dobór urządzeń ograniczających
przepięcia z urządzeniami już zainstalowanymi w instalacji elektrycznej.
W przypadku ochrony przyłączy sygnałowych należy dokładnie określić warunki znamionowe i poziomy odporności udarowej i dobrać odpowiednie urządzenia
ograniczające przepięcia.
8. Literatura
1. PN-86/E-05003/01 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania
ogólne.
2. PN-IEC 61024-1:2001 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady
ogólne.
66
3. PN-IEC 61024-1-2:2002 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B – Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie
urządzeń piorunochronnych.
4. PN-IEC 61312-1:2001 Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne.
5. PN-IEC/TS 61312-3:2003 Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Część 3. Wymagania urządzeń do ograniczania przepięć (SPD).
6. PN-IEC 61643-1:2001 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Część 1: Wymagania techniczne i metody badań.
7. PN-EN 61643-11:2002 (U) Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 11: Urządzenia do ograniczenia przepięć w sieciach rozdzielczych
niskiego napięcia. Wymagania i próby.
8. PN-EN 55014-2:1999 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Wymagania dotyczące przyrządów powszechnego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń.
9. PN-EN 55024:2000 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Urządzenia
informatyczne. Charakterystyka odporności. Metodyka pomiaru i dopuszczalne poziomy.
10. PN-EN 61000-4-4:1998 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Metody
badań i pomiarów. Badania odporności na serie szybkich zakłóceń impulsowych (oraz poprawki PN-EN 61000-4-4: 1999/A1: 2003, PN-EN 61000-4-4:
1999/A2: 2003).
11. PN-EN 61000-4-5:1998 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Metody badań i pomiarów. Badania odporności na udary (oraz poprawka PN-EN
61000-4-5: 1998/A1:2003).
12. PN-EN 61000-4-12:1999 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Metody
badań i pomiarów. Badania odporności na przebiegi oscylacyjne. Podstawowa
publikacja EMC.
13. PN-EN 61000-6-1:2002 (U) Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) –
Część 6-1: Normy ogólne – Wymagania dotyczące odporności w środowisku
mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym.
14. PN-EN 61000-6-2:2002 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część
6-2: Normy ogólne – Wymagania dotyczące odporności w środowisku przemysłowym.
15. PN-EN 61010-1:2000 Wymagania bezpieczeństwa elektrycznych przyrządów
pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych.
16. PN-EN 60255-22-4:2003 (U) Przekaźniki energoelektryczne. Część 22-4: Badania odporności na zakłócenia elektryczne przekaźników pomiarowych i urządzeń zabezpieczających. Badania odporności na szybkozmienne zakłócenia
przejściowe.
17. PN-EN 60664-1:2003 (U) Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach niskiego napięcia – Część 1: Zasady, wymagania i badania.
Nr 172-173
67
18. PN-IEC 60364-4-443:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami.
Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi.
19. PN-IEC 60364-5-534:2003 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Urządzenia do ochrony przed
przepięciami.
20. PN-EN 62052-11:2006 Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej (prądu
przemiennego). Wymagania ogólne, badania i warunki badań. Część 11. Urządzenia do pomiarów.
21. PN-EN 62052-21:2006 Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej (prądu przemiennego). Wymagania szczegółowe. Część 21. Liczniki statyczne energii czynnej (klas 1 i 2).
22. PN-EN 62052-22:2006 Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej (prądu
przemiennego). Wymagania szczegółowe. Część 22. Liczniki statyczne energii
czynnej (klas 0,2s i 0,5S).
23. PN-EN 62052-23:2006 Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej (prądu przemiennego). Wymagania szczegółowe. Część 23. Liczniki statyczne energii biernej (klas 2 i 3).
24. PN-93/E-06504 Liczniki energii elektrycznej. Liczniki indukcyjne energii czynnej prądu przemiennego klasy 0,5, 1, 2.
25. PN-E-06506 Liczniki energii elektrycznej. Liczniki indukcyjne energii biernej
klasy 3.
26. Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke VDEW – e.V.: Überspannungsschutzeinrichtungen der Anforderungsklasse B. Richtlinie für den Einsatz in Hauptstromversorgunssystemen.
27. Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke VDEW – e.V. Technische Anschlussbedingungen für den Anschluss an das Niederspannungsnetz.
Artykuł wpłynął 20 września 2013 r.
68

Nr 172-173 51 Andrzej W. SoWA Politechnika Białostocka

Transkrypt

Podobne dokumenty

Ograniczanie przepięć w obwodach liczników energii elektrycznej

czytaj

ProtectorONE

pobierz