Dr hab - telpros

OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ
W INSTALACJI ELETRYCZNEJ
Urządzenia do ograniczania przepięć
klasy I i II
Andrzej Sowa
Podstawowym zadaniem ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym jest tworzenie warunków do bezawaryjnego działania urządzeń i systemów
elektrycznych i elektronicznych.
Układy ograniczników przepięć powinny zapewnić ochronę instalacji elektrycznej i urządzeń przed:
• wszelkiego rodzaju przepięciami dochodzącymi z zewnątrz do obiektu,
• przepięciami powstającymi w instalacji
elektrycznej wewnątrz tego obiektu,
• bezpośrednim działaniem części prądu piorunowego.
Szczególnie ważna jest ochrona urządzeń elektronicznych pracujących w:
- niewielkich wolnostojących obiektach do
których dochodzą napowietrzne linie elektroenergetyczne niskiego napięcia (np.
budynki w których pracują systemy telekomunikacyjne i teleinformatyczne, kontenery z aparaturą sterującą i kontrolnopomiarową),
- niewielkich wolnostojących obiektach,
które znajdują się obok masztów i wież
antenowych ( np. stacje bazowe telefonii
komórkowej, stacje radionadawcze, systemy łączności trunkingowej),
- w bliskim sąsiedztwie rozdzielnic głównych lub przyłączy.
W takich obiektach układy ograniczników
przepięć powinny zapewniać ochronę przed
bezpośrednim działaniem części prądów pio-
runowych i ograniczać przepięcia do poziomu
poniżej 2500 V lub nawet 1500 V.
Dodatkowo urządzenia do ograniczania przepięć powinny być łatwe i proste w montażu
oraz zajmować możliwie najmniej miejsca w
rozdzielnicy.
Ogólne wymagania stawiane
układom ograniczników
Normy określające zasady ochrony odgromowej obiektów budowlanych [3,4,5,6] zawierają
również podstawowe wymagania określające
właściwości układów ograniczników przepięć
w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym.
W analizowanych niedużych obiektach układy
ograniczników powinny:
• ograniczać wartości szczytowe przepięć
do poziomów lezących poniżej wytrzymałości udarowej chronionych urządzeń
( w większości przypadków przepięcia powinny być ograniczone do poziomu II lub
I kategorii wytrzymałości udarowej poniżej - odpowiednio 2,5kV lub 1,5kV pomiędzy przewodami fazowymi a przewodem ochronnym oraz pomiędzy przewodem neutralnym a przewodem ochronnym),
• zapewniać ochronę przed prądem piorunowym o wartości szczytowej dochodzącej
nawet do 100 kA,
• być instalowane możliwie najbliżej miejsc
wejścia instalacji elektrycznej do obiektu,
• charakteryzować się napięciem trwałej
pracy na poziomie ok.1,1 napięcia fazowego,
A. Sowa
Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
• być proste w montażu i zajmować stosun•
•
•
•
kowo niewiele miejsca w rozdzielnicy,
podczas działania nie wpływać na pracę
innych aparatów elektrycznych,
być zawsze instalowane za bezpiecznikiem lub za samoczynnym wyłącznikiem,
który w razie przepływu nadmiarowego
prądu wyłącza te urządzenia,
być podłączone do szyny wyrównawczej
za pomocą krótkich przewodów,
współpracować z ogranicznikami przepięć
klasy III lub warystorami instalowanymi
wewnątrz urządzeń,
układ ograniczników
Chronione
urządzenie
układ ograniczników
przepięć klasy II
przepięć klasy I
L1
L1
L2
L3
N
PE
W początkowych rozwiązaniach w dwustopniowych systemach stosowano iskiernikowe
ograniczniki przepięć klasy I o dynamicznych
napięciach zapłonu na poziomie 3000 V 4000V i warystorowe ograniczniki klasy II o
napięciowym poziomie ochrony ok. 1500V.
W takich systemach ograniczania przepięć,
zapewnienie wzajemnej koordynacji energetycznej wymaga zachowania kilku-kilkunasto
metrowych odległości między układami ograniczników poszczególnych klas oraz między
ogranicznikami klasy II i chronionym urządzeniem (rys.1.).
L1
L2
L3
N
PE
odległość L 1 zapewniająca
współdziałanie ograniczników
L2
odległość L 2 zapewniająca
współdziałanie ograniczników
klasy II i chronionego
urządzenia
• być dobierane odpowiednio do zastoso-
wanego systemu sieci,
• być tak instalowane, w takich miejscach,
aby można je było w sposób ciągły kontrolować,
• gasić prądy następcze.
Jeśli wymagana jest ochrona instalacji przed oddziaływaniem części prądu piorunowego to
przedstawione właściwości ochronne powinny
posiadać również układy ograniczników instalowane w obiektach bez zewnętrznych instalacji
odgromowych.
W dalszej części artykułu będą analizowane
różnorodne rozwiązania układów ograniczników spełniające powyższe warunki.
Typowe układy połączeń
ograniczników przepięć klasy I i II
Ochronę przed prądem piorunowych i ograniczanie przepięć poniżej 1500V zapewniają
dwustopniowe systemy układów ograniczników przepięć klasy I i II.
Tworząc taki system ograniczania przepięć należy zapewnić wzajemną koordynację energetyczną między układami ograniczników poszczególnych klas oraz między ogranicznikami
a chronionymi urządzeniami.
Rys.1. Wzajemne rozmieszczenie układów
ograniczników klasy I i II oraz chronionego
urządzenia
Zasadę działania systemu odpowiednio rozmieszczonych układów ograniczników klasy I
i II obrazuje rys.2.
W celu ogólnego przedstawienia zjawisk zachodzących układach ograniczników omówiony zostanie prosty układ iskiernik – warystor (odwzorowanie odpowiednio ograniczników klasy I i II). Oceniając występujące zagrożenie, przedstawiono zjawiska zachodzące
podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w budynek.
W takim przypadku prąd piorunowy wpływa
do instalacji odgromowej lub do zbrojenia
obiektu a następnie do uziomu. Część prądu
piorunowego wpływa do połączonego z szyną
wyrównywania potencjałów przewodu PE lub
PEN (rys.2a).
Wzrasta potencjał szyny wyrównawczej
względem przewodów fazowych aż do chwili
zadziałania warystora.
Po zadziałaniu warystora w układzie następuje
zmiana w rozpływie prądu (rys.2b). Na iskierniku panuje napięcie Ui równe sumie napięcia
panującego na warystorze oraz spadków na-
A. Sowa
Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
pięć na indukcyjności przewodów łączących
iskiernik z warystorem.
Po przekroczeniu przez napięcie Ui poziomu
udarowego napięcia zapłonu iskiernika następuje jego zadziałanie (rys.2c).
a)
warystor
iskiernik
W większości obiektów budowlanych takie
rozmieszczenie ograniczników może być bez
kłopotów zaprojektowane i wykonane.
W analizowanych niedużych obiektach zachowanie wymaganych odległości może być
bardzo kłopotliwe lub wręcz niemożliwe do
realizacji.
Dotychczas problem ten rozwiązywano stosując dodatkowe indukcyjności odsprzęgajace
pomiędzy układami ograniczników klasy I i II.
(rys.3 i 4).
indukcyjność
część prądu
piorunowego
b)
Uw-i
warystor
iskiernik
część prądu
piorunowego
warystor
iskiernik
Uw
Ui-w
Rys.3. Koordynacja działania iskiernika i warystora w dwustopniowym układzie ochronnym
c)
indukcyjności
iskiernik
Ui
warystor
L1
L2
L3
N
PE
L1
L2
L3
PEN
ograniczniki
przepięć
klasy I
część prądu
piorunowego
Rys.2. Podział prądu udarowego w dwustopniowym układzie ochrony przepięciowej.
a) ograniczniki nie działają,
b) działa ogranicznik przepięć klasy II,
c) działa ogranicznik przepięć klasy I.
Właściwa kolejność działań ograniczników w
układzie wymaga zapewnienia odpowiedniego
spadku napięcia na indukcyjnościach przewodów, co stwarza wymóg zachowania odpowiedniej odległości pomiędzy ogranicznikami
klasy I i II.
Analiza wzajemnego współdziałania ograniczników przepięć wskazuje na konieczność zachowania kilku- kilkunasto metrowych odległości pomiędzy układami ograniczników
przepięć różnych klas.
ograniczniki
przepięć
klasy II
SYSTEM TN-C-S
Rys.4. Typowy dwustopniowy układ ograniczania przepięć przeznaczony do niewielkiego
obiektu
Rejestracje przebiegów prądów udarowych
płynących w poszczególnych ogranicznikach
rozdzielonych indukcyjnościami odsprzęgającymi wykazały [1 ], że w iskiernikowym ograniczniku klasy I popłynie praktycznie cały
prąd udarowy. Warystorowe ograniczniki klasy II narażone są na działanie krótkotrwałych
udarów prądowych o stosunkowo niewielkich
wartościach szczytowych.
Przedstawiony „skupiony” układ ograniczników przepięć zapewnia pewną i niezawodną
ochronę przed działaniem prądów udarowych
A. Sowa
Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
o znacznych wartościach szczytowych i kształtach odwzorowujących prądy piorunowe lub
prądy powstające podczas operacji łączeniowych.
Pomimo przedstawionych zalet, stosowanie
układów z indukcyjnościami odsprzęgającymi
napotkało następujące bariery:
- duże moce urządzeń instalowanych w niewielkich obiektach stwarzały konieczność
stosowania indukcyjności o coraz większej
obciążalności prądowej,
- wzrost obciążalności prądowej indukcyjności znacznie zwiększał ich gabaryty co
stwarzało co utrudniało lub nawet umożliwiało ich montaż.
Szerokie znaczenie znalazły jedynie układy z
indukcyjnościami odsprzęgającymi o obciążalności prądowej 35 A i 63 A.
Układy bez elementów
odsprzęgających
Przedstawiony iskiernik wieloprzerwowy ma
następujące zalety:
• szybsze zadziałanie w porównaniu z klasycznym iskiernikiem,
• dynamiczne napięcie zapłonu na poziomie
1300V,
• zapewnia ochronę przed prądami udarowymi 10/350 o wartościach szczytowych do 50 kA.
• dużą odporność na działanie prądów następczych.
Należy zauważyć, że obecnie produkowane są
iskierniki zapewniające ochronę przed prądami
piorunowymi o wartościach szczytowych 25
kA i poziomie ochrony poniżej 1000V [ 13].
Innym rozwiązaniem obniżającym dynamiczne napięcia zapłonu jest zastosowanie dodatkowych układów zapłonowych przyspieszających przeskok pomiędzy elektrodami
iskiernika. Przykładowe rozwiązania przedstawiono na rys.6a [14] i 6b.
a)
Możliwość wyeliminowania elementów odsprzęgających w dwustopniowych systemach
ograniczników przepięć pojawiła się z chwilą
wprowadzenia iskierników o znacznie niższych dynamicznych napięciach zapłonu.
Przykład takiego rozwiązania – iskiernik wieloprzerwowy [12,15] -przedstawiono na rys. 5.
iskiernik
trójelektrodowy
Układ
sterujący
Elektroda
sterująca
b)
iskiernik
Układ
sterujący
1,2 – elektrody główne, 3 – pojemności sterującym rozkładem napięć na poszczególnych przerwach, 4 – elektrody grafitowe, 5 – przeskoki iskrowe (w skali) pomiędzy poszczególnymi elektrodami.
Fig.5. Iskiernik wieloprzerwowy pojemnościowym układem sterującym rozkładem napięć na poszczególnych przerwach [12,15]
Rys.6 . Różnorodne rozwiązania sterowania
iskiernikami ogranicznika klasy I
Niestety obniżenie poziomu zapłonu iskierników powoduje częstsze ich działanie i co może potencjalnie (w zależności od lokalnych pa-
A. Sowa
Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
rametrów sieci) doprowadzić do skrócenie
czasu ich poprawnej pracy.
Rozwiązaniem powyższego problemu jest połączenie przedstawionych ograniczników klasy
I z ogranicznikami klasy II. Niskie dynamiczne napięcia zapłonu iskierników stwarzają
możliwości ich umieszczania obok warystorów. Nie są wymagane dodatkowe elementy
odsprzęgajace (rys.7).
L1
L2
L3
PEN
klasy I
klasy II
L1
L2
L3
N
PE
ograniczniki
przepięć
SYSTEM TN-C-S
Rys.7. Układy połączeń ograniczników przepięć klasy I i II w instalacjach niewielkich
obiektów w przypadku zastosowanie ograniczników klasy I o stosunkowo niewielkich
poziomach dynamicznego napięcia zapłonu
(900V – 1500V).
Zastosowanie równoległego połączenia ograniczników klasy I i II powoduje zwiększenie
szybkości działania powstałego układu i
zmniejszenie liczbę zapłonów iskierników.
Podstawowe właściwości przedstawionych
układów do ograniczania przepięć są następujące:
1. Bardzo niskie, dochodzące nawet do 900
V [14] lub 1300V [15], poziomy ograniczania wartości szczytowej napięć i prądów udarowych co stwarza stosunkowo
rozległą strefę ochrony.
2. Ochrona przed prądami piorunowymi o
wartościach szczytowych 35 kA [14] lub
nawet 50 kA [14, 15] na jedno pole (na
jedną fazę).
3. Budowanie układów ochronnych z po-
szczególnych ograniczników różnych klas
powoduje, że istnieje możliwość łatwej i
taniej wymiany w przypadku uszkodzenia
poszczególnych ograniczników.
4. Istnieje możliwość zastosowania w ze-
stawie ograniczników klasy II bez prądów
upływu (układ warystor połączony szeregowo z iskiernikiem). Takie zestawy są
najczęściej zalecane do montażu przed
licznikiem energii elektrycznej.
5. Wskaźniki uszkodzenie warystorów w
ogranicznikach klasy II [14,15].
6. Wskaźniki uszkodzenie układów zapło-
nowych iskierników w ogranicznikach
klasy I [14].
7. W przypadku uszkodzenia ogranicznika
klasy II (warystora) działa w dalszym ciągu ogranicznik klasy I i układ obniża
przepięcia do ok. 900 V [14] lub 1300V
[15].
8. Modułowa budowa umożliwia rozdzie-
lenie układów ograniczników klasy I i II i
ich montaż w dowolnym miejscu instalacji
9. Możliwość
połączenia szeregowego i
równoległego stworzonego układu ograniczników.
10. Przewidywana długa „żywotność” wary-
storów (ograniczniki klasy II) w gałęzi
równoległej do iskierników (ograniczniki
klasy I), gdyż są to warystory na prądy
znamionowe 20 kA , 8/20 a w przypadku
ich równoległego połączenia z iskiernikiem płyną przez nie prądy o znacznie
mniejszych amplitudach.
Stworzony w ten sposób układ ograniczników
klasy I i II spełnia przedstawione wymagania
ochrony przed prądem piorunowych w niewielkich obiektach.
Ograniczniki przepięć klasy I+II
Innym, podobnym do przedstawionego na
rys.6a, rozwiązaniem jest zastosowanie równoległego połączenia sterowanego iskiernika
trójelektrodowego z połączonymi szeregowo
warystorem, odgromnikiem gazowanym i
układem zapłonowym [16,17].
W takim układzie (rys.8) trójelektrodowy
iskiernik, którego zapłon jest sterowany z ga-
A. Sowa
Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
twy montaż), jak i wadą (uszkodzenie
dowolnego elementu w układzie wymaga
wymiany całego bloku).
łęzi równoległej, zapewnia ochronę przed prądami dużych energii i ograniczenie przepięć
do poziomu poniżej 1500V. Właściwości
stworzonego układu odpowiadają równoległemu połączeniu ogranicznika klasy I i II i w
dalszej części będzie on nazywany ogranicznikiem klasy I+II.
2. Poziom ograniczania wartości szczytowej
przepięć wynosi ok. 1500V, co zapewnia
tylko kilkumetrową strefę ochrony [17].
3. Ochrona przed prądami piorunowymi o
wartościach szczytowych 25 kA (na jedno
pole).
4. Wskaźniki uszkodzenie układów zapłono-
wych iskierników w ogranicznikach klasy
I. W przypadku zastosowania dodatkowego modułu istnieje możliwość odseparowania obwodu sygnalizacyjnego od głównego toru prądu udarowego podczas działania ogranicznika klasy I+II.
Uster.
5. Ogranicznik może być połączony zarówno
równolegle jak i szeregowo.
6. Brak wymagań dotyczących dodatkowych
odległości pomiędzy ogranicznikami klasy I+II a ogranicznikami klasy III. Dotyczy to zarówno ograniczników instalowanych jako oddzielne moduły lub montowanych przez producentów wewnątrz
urządzeń.
Rys.8. Schemat ogólny zasady działania
ogranicznika I+II
Przedstawione układy sterowanych iskierników instalowane są w jednej obudowie i łączone odpowiednio do wybranego systemu
sieci. Przykładowe rozwiązanie do systemu
sieci TT przedstawiono na rys. 9.
L1
L2
L1´
H1
ϑ
∫
L2´
7. Pomimo zastosowania warystorów nie
L3
H2
ϑ
∫
L3´
N
H3
ϑ
N’
ϑ
∫
∫
PEN
Rys.9. Schemat ogranicznika przepięć klasy
I+II.
Wśród podstawowych właściwości przedstawionego ogranicznika klasy I+II należy wymienić następujące:
1. Budowa w postaci jednego bloku, do każ-
dego z systemów sieci. Taka budowa
ogranicznika jest zarówno jego zaletą (ła-
wprowadzają prądów upływu w instalacji
elektrycznej (ważne jeśli montaż przed
licznikiem energii elektrycznej).
8. Zastosowana metoda gaszenia łuku, nie
powoduje przepływu dużych prądów
zwarciowych ( do ok. 500A). Takie działanie zapewnia poprawną współpracę
ograniczników i bezpieczników (zadziałanie ogranicznika nie powoduje przepalenia wkładek bezpiecznikowych o war-
A. Sowa
Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
tościach od 32 A) i zapewniona jest ciągłość zasilania urządzeń.
Ostatnia uwaga dotyczy tylko prądów zwarciowych. W każdym z przedstawionych rozwiązań przepływ prądu piorunowego o wartości kilku-kilkunastu kA spowoduje przepalenie
wkładek bezpiecznikowych.
Przedstawione właściwości układów połączeń
ograniczników przepięć klasy I i II oraz ograniczników klasy I+II spowodowały, że znalazły one szerokie zastosowanie w instalacjach
elektrycznych niewielkich obiektów, w których dotychczas montowano rozbudowane
układy ograniczników klasy I i II rozdzielone
indukcyjnościami odsprzęgajacymi.
LITERATURA
1. Hasse P.: Überspannungsschutz von Niederspannungsanlagen. Betrieb elektronischer Gerate auch bei direkten Blitzeinschlagen. TÜV-Verlag, 1998.
2. Raab V., Zahlmann P.: Kombi - Ableiter
für den Blitz- und Überspannungsschutz.
Elektropraktiker 55,2001, 8, s.628- 631.
3. PN-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa
obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.
4. PN-IEC 61024-1: 2001, Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady
ogólne.
5. PN-IEC 61024-1-2. Ochrona odgromowa
obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
Przewodnik B – Projektowanie, montaż,
konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych.
6. PN-IEC 61312-1: 2001, Ochrona przed
piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne.
7. PN-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje
elektryczne w obiektach budowlanych.
Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa.
Ochrona przez przepięciami. Ochrona
przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi.
8. PN IEC 61643-1, 2001. Urządzenia do
ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Część 1.
Wymagania techniczne i metody badań.
9. CEI IEC TS 61312-3:200, Protection
against lightning electromagnetic impulse
– Part 3: Requirements of surge protective
devices (SPDs).
10. Brocke R., Noack F., Hasse p., Zahlmen
P.: Spark gap lightning current arresters
without follow currents ICLP 2000,
Greece 18-22 September 2002.
11. Überspannung - Schutzrichtungen der
Abforderungsklasse B. Richtlinie für den
Einsatz in Hauptstromversorgungssystemen. VWEW 1998.
12. Meppelink j., Trinkwald J.: Lightning arresters with spark gap. Requirements and
future trends of developing and application. 25th ICLP, Rodos 2000
13. Lightning and Surge protective Devices.
Katalog firmy LEUTRON.
14. Ochrona przed przepięciami TRABLECH. Katalog firmy PHOENIX
CONTACT.
15. TBS Surge protection systems. Katalog
firmy OBO Betterman.
16. Überspannungsschutz.
Hauptkatalog
2003.
17. BLITZPLANER 2001. Materiał informacyjny firmy DEHN.