Podstawowym zadaniem ograniczników przepięć (SPD, ang. surge protecting device), jest zminimalizowanie różnicy potencjałów, jaka może wystąpić na skutek oddziaływania wyładowań atmosferycznych lub operacji łączeniowych w sieci.
Spis treści
2. Elementy ograniczające i ucinające napięcie
3. Wpływ przewodów przyłączeniowych
4. Dobezpieczenie SPD (Część II)
5. Połączenia wyrównawcze (Część II)
1. Wstęp
Wzrost potencjału w instalacji elektrycznej może prowadzić do przebicia izolacji wewnątrz urządzeń, powodując ich fizyczne uszkodzenie. Jednym z parametrów określających skuteczność SPD jest napięciowy poziom ochrony (Up), który definiuje maksymalną wartość napięcia, jaka może wystąpić między zaciskami ogranicznika. Wartość napięcia widziana od strony chronionej instalacji w zależności od sposobu przyłączenia SPD może być jednak znacznie wyższa od deklarowanej przez producenta wartości Up. W niniejszym artykule opisane zostaną czynniki wpływające na efektywny poziom ochrony instalacji niskiego napięcia, takie jak rodzaj SPD, długość przewodów przyłączeniowych, dobezpieczenie SPD oraz konfiguracja połączeń wyrównawczych. Wnioski zawarte w materiale stanowią weryfikację wytycznych norm na podstawie wyników doświadczalnych badań laboratoryjnych.
2. Elementy ograniczające i ucinające napięcie
Rodzaj ogranicznika przepięć, a w zasadzie charakterystyka jego działania decyduje o tym, jak istotny wpływ ma sposób jego przyłączenia. Każdy ogranicznik składa się z co najmniej jednego elementu nieliniowego, który w przypadku wystąpienia zbyt wysokiej różnicy potencjałów między jego zaciskami zmienia swoją impedancję z bardzo dużej w bardzo małą. Podstawowa klasyfikacja wyróżnia elementy ucinające napięcie oraz elementy ograniczające napięcie.
Elementy ucinające napięcie to wszelkiego rodzaju iskierniki (odgromniki), czyli konstrukcje składające się z układu co najmniej dwóch elektrod, odizolowanych od siebie przerwą wypełnioną gazem. Elektrody mogą być wykonane jako przeciwstawne pręty, powierzchnie płaskie lub inne odpowiednio ukształtowane elementy przewodzące. Gaz, który wypełnia przestrzeń między elektrodami, może stanowić powietrze lub gaz szlachetny (odgromniki gazowe). Napięcie zadziałania elementów iskiernikowych zależy od kształtu elektrod, odstępu między nimi, gazu oraz kształtu impulsu napięciowego. W otwartych konstrukcjach iskierników napięcie zapłonu zależy także od ciśnienia powietrza i wilgotności. Elementy iskiernikowe cechują się przede wszystkim tym, że po zadziałaniu zmiana impedancji wewnętrznej następuje w sposób gwałtowny, powodując praktycznie zwarcie. Napięcie zapłonu zależy od stromości impulsu napięciowego i jest tym wyższe, im większa jest stromość (du/dt) udaru. Po zadziałaniu wartość napięcia na zaciskach iskiernika jest równa napięciu łuku międzyelektrodowego i wynosi typowo od kilkunastu do kilkudziesięciu woltów (rys. 1). Przepływ prądu następuje dopiero po zadziałaniu iskiernika – nie występuje zjawisko prądu upływu.
Rys. 1. Przykładowa charakterystyka zadziałania elementu ucinającego napięcie
na przykładzie iskiernika(zielony – przebieg napięcia, pomarańczowy – przebieg prądu)
Elementy ograniczające napięcie to półprzewodniki, takie jak warystory i diody. W ogranicznikach przepięć do ochrony obwodów zasilania stosuje się najczęściej elementy warystorowe, diody stosowane są głównie w SPD do ochrony obwodów sygnałowych. Warystor zmienia swoją impedancję w sposób bardziej łagodny w zależności od wartości napięcia między jego elektrodami. W odróżnieniu od elementów ucinających napięcie, w warunkach normalnej pracy (przy napięciu znamionowym) przez elementy ograniczające napięcie przepływa tzw. prąd upływu o małej wartości (w instalacjach nn ~kilkunastu ÷ kilkudziesięciu µA). W momencie zadziałania warystora, przy przepływie prądu udarowego na elemencie utrzymuje się napięcie o wartości zbliżonej do napięcia zadziałania –wartość maksymalna zależy nie od stromości udaru napięciowego a od wartości szczytowej prądu (rys. 2.).
Rys. 2. Przykładowa charakterystyka zadziałania elementu ograniczającego napięcie
na przykładzie warystora (zielony – przebieg napięcia, pomarańczowy – przebieg prądu)
Elementy iskiernikowe charakteryzują się wysoką odpornością na prądy udarowe (zarówno indukowane 8/20 µs, jak i częściowe prądy pioruna Iimp np.: 10/350 µs) oraz napięciem zadziałania zależnym od stromości zbocza impulsu napięciowego. Elementy warystorowe z kolei charakteryzują dobrą odpornością jedynie na prądy indukowane (8/20 µs), ale za to poziom zadziałania nie jest zależny od stromości napięcia udaru. Istotną różnicą jest także poziom napięcia utrzymujący się na zaciskach ogranicznika w chwili jego zadziałania: bardzo mały na elementach iskiernikowych oraz równy napięciu zadziałania na elementach ograniczających napięcie.
Do budowy SPD wykorzystywane są bardzo często konfiguracje obu elementów jako połączenie szeregowe, równoległe lub mieszane (rys. 3.). Ograniczniki zawierające zarówno elementy ucinające napięcie, jak i ograniczające napięcie nazywane są ogranicznikami kombinowanymi lub typu kombinowanego [1]. Takie kombinacje elementów wykorzystywane są np.: dla uzyskania odpowiednio niskiego napięciowego poziomu ochrony (SPD typu 1) lub do wyeliminowania zjawiska prądu upływu (SPD typu 2).
Rys. 3. Przykładowa charakterystyka zadziałania ogranicznika kombinowanego
na przykładzie ogranicznika LEUTRON CT-T1+2+3/3+1-350-FM
(zielony – przebieg napięcia, pomarańczowy – przebieg prądu)
3. Wpływ przewodów przyłączeniowych
Powszechnie przyjęto, że dla zapewnienia skutecznej ochrony przed przepięciami należy wykonać jak najkrótsze przewody przyłączeniowe do ogranicznika przepięć. Zarówno według norm dotyczących ochrony odgromowej [2], jak i instalacji elektrycznych nn [3], całkowita długość przewodów przyłączeniowych powinna być możliwie jak najkrótsza i nie powinna przekraczać 0,5 m. Jest to związane z dodatkowymi spadkami napięć na przewodach, jakie mogą wystąpić przy przepływie prądów odprowadzanych przez SPD.
Na rys. 4 przedstawiono przykładowy przebieg napięcia, zmierzony między końcami przewodu LgY 6 mm2 o długości 1 m, przy przepływie prądu udarowego o kształcie 8/20 µs. Jest to typowy przewód, który jest zalecany do uziemienia SPD typu 2 [2, 4]. Kształt przebiegu napięcia świadczy jednoznacznie, że wynika on z indukcyjności przewodu, a nie z jego rezystancji. Maksymalna wartość napięcia występuje na początku udaru prądowego, gdy jego zmiany (di/dt) są najbardziej dynamiczne. Można zatem założyć, że przy takiej samej wartości szczytowej udarów prądowych o kształcie 8/20 µs i 10/350 µs maksymalna wartość napięcia na przewodzie będzie zbliżona. Zjawisko to dotyczy zatem zarówno prądów indukowanych, jak i prądów pioruna, a szczególnie groźne może być w przypadku częściowych prądów pioruna pierwszego i kolejnych udarów ujemnych, którym przypisuje się unormowane kształty 1/200 µs i 0,25/100 µs o znacznie większej stromości czoła impulsu [2].
Rys. 4. Przebieg prądu udarowego (8/20 µs) i napięcia
na odcinku 1 m przewodu LgY 6 mm2
W tablicy 1. przedstawiono wartości maksymalne napięć zmierzonych dla metrowych odcinków przewodów o różnym przekroju. Im większy przekrój, tym mniejszy spadek napięcia, co wynika z zależności indukcyjności od przekroju przewodu. Należy jednak zwrócić uwagę, że nawet w przypadku przewodu płaskiego, o przekroju 30×4 mm (120 mm2) przy udarze 4,5 kA 8/20 µs spadek napięcia wynosi U△L = 495 V/m. Różnice między przewodami LgY 16 mm2 i 6 mm2, które stosowane są do uziemienia SPD odpowiednio typu 1 i typu 2, są nieznaczne. Otrzymane wartości szczytowe napięć, wynoszące od około 500 V do ponad 800 V, zmierzono przy przepływie prądów o wartości szczytowej 4,5 kA (8/20 µs), zatem biorąc pod uwagę, że SPD typu 1 i typu 2 konstruowane są na prądy znamionowe o wartościach szczytowych 20 ÷ 25 kA, to w krytycznych sytuacjach można spodziewać się spadków napięć na przewodach przekraczających wartości 2,5 kV/m.
Tablica 1. Maksymalne wartości napięć zmierzone dla przewodów
o długości 1 m i różnym przekroju
Problem związany z długościami przewodów przyłączeniowych jest często poruszany, ale zazwyczaj pomija się, jakie znaczenie ma w tej kwestii konstrukcja ogranicznika przepięć. Wpływ spadków napięć na przewodach jest bardziej znaczący w przypadku elementów ograniczających napięcie niż dla elementów iskiernikowych. Na rys. 5. przedstawiono zależności teoretyczne oraz rzeczywiste wyniki pomiarów wpływu długości przewodów dla SPD typu ograniczającego napięcie i SPD typu ucinającego napięcie. W przypadku SPD bazujących na warystorach, co dotyczy także ograniczników kombinowanych, maksymalna wartość napięcia w gałęzi ochronnej UP/F jest sumą spadku napięć na ograniczniku USPD oraz spadku napięć na przewodach przyłączeniowych U△L. Należy tu uwzględnić połączenie z przewodem fazowym (lub neutralnym), przewód uziemiający oraz jeżeli SPD wymaga dobezpieczenia – przewód łączący SPD z zabezpieczeniem nadprądowym (OCPD). W przypadku elementów iskiernikowych wartość UP/F jest z kolei, nie sumą, a większą z wartości USPD i U△L. Wynika to z faktu, że prąd udarowy przepływa przez SPD typu ucinającego napięcie dopiero po jego zadziałaniu, kiedy spadek napięcia na elemencie jest równy napięciu łuku międzyelektrodowego. W chwili zadziałania ogranicznika, gdy występuje maksymalna wartość napięcia USPD, spadki napięć na przewodach nie występują. W wielu przypadkach może wystąpić zatem sytuacja, w której długości przewodów nie będą wnosiły dodatkowego zagrożenia, ponieważ napięcia U△L będą mniejsze od napięcia zadziałania iskiernika.
Rys. 5. Wpływ spadków napięć na przewodach przyłączeniowych
na rzeczywisty poziom ochrony
Zapraszamy do lektury drugiej części artykułu.
Znajdziesz w niej:
- wpływ dobezpieczania SPD w zależności od rodzaju i charakterystyki zabezpieczeń nadprądowych
- zalety i ograniczenia połączeń szeregowych typu V
- wytyczne dla połączeń wyrównawczych
- podsumowanie i wnioski
Literatura
- PN-EN 61643-11:2013-06 – Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia — Część 11: Urządzenia ograniczające przepięcia w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia — Wymagania i metody badań
- PN-EN 62305-4:2011 – Ochrona odgromowa — Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach
- PN-HD 60364-5-534:2016-04 – Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 5-534: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego — Odłączanie izolacyjne, łączenie i sterowanie — Urządzenia do ochrony przed przejściowymi przepięciami
- IEC 61643-32:2017 Low-voltage surge protective devices – Part 32: Surge protective devices connected to the d.c. side of photovoltaic installations – Selection and application principles
T. Maksimowicz, „Wpływ sposobu przyłączenia ogranicznika przepięć na rzeczywisty poziom ochrony w instalacjach zasilających niskiego napięcia„, www.rst.pl, Dla projektanta, Marzec 2021 r.
Pobierz artykuł w wersji pdf