W drugiej części artykułu poruszamy kwestię wpływu dobezpieczania SPD oraz znaczenia właściwych połączeń wyrównawczych. Odpowiadamy na pytanie czy należy dobezpieczać SPD, a jeżeli tak to w jaki sposób.
Wersja pdf do pobrania pod artykułem
Spis treści
2. Elementy ograniczające i ucinające napięcie (część I)
3. Wpływ przewodów przyłączeniowych (część I)
4. Dobezpieczenie SPD
Rzeczywista wartość napięcia w gałęzi ochronnej UP/F może być także zależna od spadku napięcia UOCPD, jeżeli ogranicznik wymaga dobezpieczenia. W pierwszej kolejności należy jednak podkreślić, że w przypadku większości typowych instalacji elektrycznych, przy zastosowaniu profesjonalnych ograniczników przepięć, dobezpieczenie nie jest konieczne. Profesjonalne ograniczniki przepięć nie wymagają dobezpieczania, jeżeli prąd zabezpieczenia głównego instalacji jest nie większy niż 125 A lub nawet 250 A. Zastosowanie elementu OCPD szeregowo z SPD w gałęzi ochronnej ma dwa podstawowe zadania:
- ochrona SPD oraz
- ochrona przewodów przyłączeniowych
przed uszkodzeniem na skutek przypływu prądów roboczych z instalacji, które przepływają przez ogranicznik po jego zadziałaniu. Należy zdawać sobie sprawę, że SPD typu ucinającego napięcie oraz typu kombinowanego w momencie zadziałania mogą powodować zwarcie.
W tablicy 2 przedstawiono wyniki pomiarów spadków napięć na elementach OCPD różnego rodzaju. Przykładowe przebiegi napięcia przy przepływie prądu o kształcie 8/20 µs przedstawiono na rys. 6. Im wyższy prąd znamionowy OCPD, tym mniejsze napięcie UOCPD wpływające na skuteczność ochrony instalacji. Kolejna kwestia to odporność zabezpieczeń na prądy udarowe. Wyłączniki nadprądowe (MCB) o małych prądach zadziałania charakteryzują się nie tylko wyższymi spadkami napięć, ale także znacznie mniejszą wytrzymałością udarową. Przepływ prądu udarowego może powodować zadziałanie MCB lub jego fizyczne uszkodzenie (w krytycznych przypadkach eksplozję) powodując przerwę w obwodzie i pozbawienie instalacji dalszej ochrony. Producenci SPD zalecają najczęściej stosowanie wkładek bezpiecznikowych o charakterystyce gL/gG, które zapewniają mniejsze spadki napięć UOCPD oraz charakteryzują się odpowiednią odpornością na prądy udarowe. Według wyników badań opisanych w literaturze [5, 6], wkładki bezpiecznikowe o charakterystyce gG i prądzie znamionowym 125 A zadziałają przy przepływie prądu udarowego o wartości około Iimp = 12,1 kA (10/350 µs), natomiast wkładkom 250 A gG odpowiada prąd zadziałania Iimp = 27,5 kA. Nie należy zatem dobezpieczać ograniczników przepięć typu 1, o wytrzymałości Iimp = 25 kA, wkładkami o prądzie znamionowym mniejszym niż 250 A. Stosowane w starszych instalacjach wkładki topikowe, o charakterystyce gF, nawet pomimo małego prądu zadziałania zapewniają małe spadki napięcia, ale charakteryzują się najmniejszą odpornością na udary prądowe i mogą ulec uszkodzeniu już przy prądach indukowanych (8/20 µs) o wartości kilku kA.
Analizując otrzymane wyniki badania zabezpieczeń nadprądowych, należy zauważyć, że jeżeli stosowane są elementy OCPD o wyższych prądach zadziałania, to spadki napięć UOCPD są znacznie mniejsze w porównaniu do spadków napięć na przewodach przyłączeniowych U△L.
Tablica 2. Napięcia zmierzone dla różnych typów OCPD
przy przepływie prądów indukowanych
Rys. 6. Spadki napięć na elementach OCPD
Z punktu widzenia rodzaju SPD, wpływ napięcia UOCPD jest analogiczny jak w przypadku spadków napięć na przewodach przyłączeniowych: przy SPD warytorowych lub typu kombinowanego UOCPD jest dodawane do spadku napięcia na ograniczniku przepięć.
O niekorzystnym wpływie długości przewodów i doborze nieodpowiedniego dobezpieczenia (lub w przypadku nieuzasadnionego dobezpieczania SPD) jednoznacznie świadczy przykład przedstawiony na rys. 7. Przedstawiono tam porównanie spadku napięcia na ograniczniku przepięć (SPD typu 2, warystorowy) i całkowitego napięcia w gałęzi ochronnej z dodatkowym uwzględnieniem wyłącznika nadprądowego (B16) oraz przewodów o sumarycznej długości 1 m (LgY 6 mm2). Przykład ten pokazuje, że rzeczywisty poziom ochrony widziany od strony instalacji może być znacznie wyższy od napięcia na samym ograniczniku przepięć. Już przy prądzie udarowym 4 kA 8/20 µs wartość UP/F dwukrotnie przekroczyła poziom ograniczania SPD.
Rys. 7. Porównanie całkowitego napięcia w gałęzi ochronnej UP/F
w stosunku do napięcia na ograniczniku przepięć USPD
Jaki powinien być zatem prąd znamionowy dobezpieczenia? Odpowiedź jest jednoznaczna – największy z możliwych deklarowany przez producenta. Wynika to z kilku kwestii, jakie zapewnia stosowanie zabezpieczeń o większym prądzie znamionowym:
- większa wytrzymałość OCPD na prądy udarowe;
- mniejszy spadek napięcia UOCPD przy przepływie prądu udarowego;
- mniejsza potencjalna liczba zadziałania OCPD, które w praktyce powoduje odłączenie gałęzi z SPD i pozostawienie instalacji bez dalszej ochrony.
Wpływu przewodów przyłączeniowych i OCPD nie zawsze da się wyeliminować. Taka sytuacja może wystąpić przykładowo w przypadku szafy rozdzielczej z mostem szynowym, gdzie konieczne jest zarówno dobezpieczenie SPD typu 1, jak i wykonanie dłuższych połączeń ze względu na rozmiary rozdzielnicy. W takich instalacjach konieczne jest zastosowanie dodatkowych SPD typu 2 w kolejnych punktach rozdziału energii. Ogranicznik typu 1, stanowiący pierwszy stopień ochrony będzie miał tu za zadanie wyłącznie odprowadzenie do uziemienia prądów udarowych, a do zapewnienia odpowiedniego napięciowego poziomu ochrony konieczne będzie stosowanie ograniczników typu 2 w rozdzielnicach lokalnych.
5. Połączenia wyrównawcze
Wyniki pomiarów przedstawione powyżej jednoznacznie świadczą, że długości przewodów mają bardzo duże znaczenie. W większości przypadków problem ten można jednak zminimalizować poprzez odpowiednie połączenia wyrównawcze.
Na rys. 8. przedstawiono dwa sposoby przyłączenia SPD typu 1. Najprostszą metodą eliminacji wpływu przewodów przyłączeniowych jest zastosowanie połączeń typu V. Jest to rodzaj przyłączenia mieszanego: z punktu widzenia schematu elektrycznego element ochronny włączany jest w chroniony obwód równolegle, fizyczne przyłączenie z zastosowaniem przewodów dochodzących i odchodzących jest z kolei połączeniem szeregowym. Połączenie typu V można wykonać niemal w każdym SPD typu 1 lub typu 2. Ograniczniki typu 1 iskiernikowe lub kombinowane o wytrzymałości Iimp = 25 kA (10/350 µs) posiadają zazwyczaj dwa osobne zaciski przyłączeniowe na każdy moduł ochronny (o szerokości 2TE). Jeżeli SPD nie ma osobnych zacisków umożliwiających wykonanie takiego połączenia (np.: SPD typu 2 o szerokości 1TE/moduł) to przyłączenie dwóch przewodów do jednego zacisku możliwe jest z zastosowanie specjalnych końcówek. Dzięki połączeniu typu V, spadki napięć na przewodach przyłączeniowych, wywołane przepływem prądu udarowego, nie są „widoczne” od strony chronionej instalacji. Metoda ta posiada jednak ograniczenia prądowe wynikające z zacisków przyłączeniowych. W SPD typu 1 z podwójnymi zaciskami najczęściej ograniczenie stanowi wartość 125 A prądu znamionowego chronionej instalacji. Ponadto połączenia typu V nie mogą być wykonane, gdy SPD wymaga dobezpieczenia, ponieważ to ograniczałoby tym samym natężenie prądu w całej instalacji za SPD.
Rys. 8. Porównanie połączenia równoległego SPD oraz połączenia typu V
na przykładzie ogranicznika typu 1 LEUTRON serii CT
z podwójnymi zaciskami przyłączeniowymi
Kolejnym sposobem ograniczenia wpływu długości przewodów jest stosowanie lokalnych szyn wyrównawczych (LSW). Ma to zastosowanie przede wszystkim do ochrony części instalacji oddalonych od rozdzielnicy głównej lub rozdzielnic lokalnych jak, chociażby ochrona obwodów i urządzeń na dachu. Spadku napięcia na przewodach wyrównawczych i uziemiających nie da się uniknąć, ale poprzez odpowiednią konfigurację połączeń ich wpływ można wyeliminować.
Ogranicznik przepięć ma za zadanie odprowadzenie energii przepięć i lokalne wyrównanie potencjałów. Jeżeli SPD jest stosowany na poddaszu lub określonym piętrze to nie należy wymagać, aby w miejscu jego instalacji potencjały były wyrównane względem uziemienia. Wykonanie lokalnych punktów wyrównawczych, do których przyłączane są zarówno ograniczniki przepięć, jak i urządzenia chronione, zapewnia skuteczną ochronę przed przebiciem izolacji bez względu na długość przewodu uziemiającego. Lokalną szynę wyrównawczą może stanowić zarówno płaskownik w rozdzielnicy lokalnej, jak i odpowiednia listwa zaciskowa.
Rys. 9. Eliminacja wpływu spadków napięć na przewodach uziemiających
poprzez zastosowanie lokalnych połączeń wyrównawczych
na przykładzie instalacji fotowoltaicznej
Połączenia wyrównawcze powinny być wykonane z zastosowaniem przewodów o przekrojach odpowiednich do spodziewanych zagrożeń. Przewód powinien wytrzymać możliwe skutki termiczne przepływu prądów zakłóceniowych – zarówno prądów udarowych (indukowanych lub częściowych prądów pioruna), jak i prądów zwarciowych. Należy jednak także uwzględnić odpowiednią wytrzymałość mechaniczną w zależności od lokalizacji – dotyczy to przede wszystkim połączeń zewnętrznych, elementów ruchomych lub połączeń wykonywanych w miejscach o dużym natężeniu ruchu. W tablicy 3. przywołano zalecane przekroje przewodów w zależności od ich zastosowania. Ogólnie można przyjąć, że dla połączeń, które mogą przewodzić znaczną część prądu pioruna, zaleca się stosowanie przewodu Cu o przekroju nie mniejszym niż 16 mm2. Połączenia wyrównawcze oraz przeznaczone do przewodzenia prądów indukowanych powinny być wykonane przewodem 6 mm2.
Tablica 3. Minimalne przekroje przewodów,
połączeń wyrównawczych i uziemiających [2]
6. Wnioski
Przeprowadzone badania potwierdziły, że ze względu na możliwe spadki napięć na przewodach przyłączeniowych i urządzeniach ochronnych nadmiarowo-prądowych rzeczywisty poziom ochrony gałęzi z zainstalowanym ogranicznikiem przepięć może być znacznie większy niż napięciowy poziom ochrony deklarowany przez producenta.
Dobezpieczanie SPD powinno być stosowane wyłącznie, gdy jest to konieczne według zaleceń producenta. Jeżeli ogranicznik wymaga takiej ochrony, to należy stosować OCPD o maksymalnym dopuszczalnym prądzie i charakterystyce gL/gG.
Spadki napięć na przewodach przyłączeniowych i uziemiających mogą być porównywalne lub nawet większe niż napięciowy poziom ochrony SPD. Nawet zastosowanie przewodów o dużym przekroju nie eliminuje wpływu długości połączeń. Połączenia typu V i lokalne połączenia wyrównawcze powinny być stosowane, tam, gdzie to możliwe, do zwiększenia skuteczności ochrony przed przepięciami.
Wpływ dodatkowych spadków napięć w gałęzi ochronnej zależy od rodzaju ogranicznika przepięć i jest bardziej znaczący w przypadku ograniczników warystorowych oraz typu kombinowanego niż w przypadku ograniczników iskiernikowych.
W sytuacjach, w których wyeliminowanie niepożądanych spadków napięć jest niemożliwe, należy stosować dodatkowe SPD dla zapewnienia odpowiednio niskiego napięciowego poziomu ochrony urządzeń.
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.
