Ograniczniki przepięć – informacje ogólne

Dla użytkowników urządzeń elektrycznych i elektronicznych, komputerów i systemów teleinformatycznych, bardzo ważne jest, aby urządzenia te działały pomimo zagrożenia uderzeniami piorunów oraz występującymi w sieciach zasilających przepięciami. Stosowanie coraz większej ilości wrażliwych elementów elektronicznych, szczególnie mikroprocesorów, w różnego typu urządzeniach powoduje, że są one bardzo podatne na uszkodzenia.

Przepięcia różnią się między sobą swoją amplitudą, czasem trwania i częstotliwością.

Rozróżniamy kilka rodzajów źródeł powstawania przepięć w sieciach:

• bezpośrednie uderzenie pioruna
• impuls elektromagnetyczny powstały w wyniku uderzenia pioruna w pobliżu sieci tzw. LEMP
  przepięcia spowodowane załączeniami urządzeń, zwarciami, zadziałaniem bezpieczników itp. tzw. SEMP
•  wyładowania elektrostatyczne tzw. ESD
• impulsy elektromagnetyczne wywołane przez wybuchy jądrowe tzw. NEMP

Uderzenie pioruna

Pioruny od czasu pierwszych eksperymentów Benjamina Franklina w 1749 roku stały się obiektem badań wielu naukowców. Piorun powstaje w atmosferze między 2 strefami o odmiennym potencjale elektrycznym. Wyładowania mogą występować w chmurach burzowych, między dwoma chmurami oraz między chmurą, a ziemią. Jak powszechnie wiadomo, bezpośrednie uderzenia pioruna niosącego w sobie potężną energię powodują rozrywanie drzew  i murów, pożary oraz uszkodzenia wszelkich instalacji, nie wspominając o śmiertelnym niebezpieczeństwie dla ludzi. W momencie wyładowania może popłynąć prąd udarowy o wartości szczytowej do 200.000A w czasie jednej sekundy, zwykle jednak jest to wartość 10-50.000A.

Na podstawie obserwacji przyjmuje się, że średnie statystyczne uderzenie pioruna to 25-30kA. 5% uderzeń powoduje powstanie prądu udarowego ponad 100kA, a niecały 1% ponad 150kA. Aby odwzorować skutki uderzenia pioruna, przyjmuje się przy badaniach ograniczników przepięć kształt fali 10/350 µs. Przy uderzeniu pioruna pojawia się napięcie o wartości milionów V. Piorun, oprócz bezpośrednich szkód, które powoduje w miejscu uderzenia, wpływa także na sieci i urządzenia elektroniczne znajdujące się w pobliżu. Zakłada się, na podstawie badań, że piorun oddziałuje pośrednio  w terenie niezabudowanym na odległość 1,5-2 km, natomiast w terenie zabudowanym 1 km. Istotne szkody może wywoływać w odległości do kilkuset metrów.

W Niemczech na podstawie badań stwierdzono, że w zależności od regionu, występuje w roku od kilkunastu do około 30 dni burzowych, jak też stworzono mapy częstotliwości uderzeń piorunów w ziemię. Na północy Niemiec na wybrzeżu morskim notuje się 1-1,5 uderzenia pioruna na 1 km² w roku, podczas gdy na południu w górach jest wiele obszarów, gdzie rocznie występuje ponad 5 uderzeń pioruna na 1 km². Są to oczywiście wartości średnie, mogą być pewne miejsca lub obiekty, gdzie pioruny uderzają podczas prawie każdej burzy.

Stwierdzono również, że być może z powodu ocieplania się klimatu, w ostatnich latach zwiększa się ilość rejestrowanych uderzeń piorunów. W Polsce przyjmuje się średnią 25 dni burzowych w roku i 2-2,5 uderzenia pioruna na 1 km².

Obowiązujące w Polsce normy IEC 62305 i 61643-12, dotyczące doboru i zasad stosowania ograniczników przepięć w sieciach niskiego napięcia, wskazuje na następujące elementy, które należy wziąć pod uwagę przy tworzeniu systemu zabezpieczenia się przed przepięciami, spowodowanymi przez uderzenia piorunów:

• napowietrzne sieci zewnętrzne nn są bardziej narażone na uderzenia piorunów, niż kable podziemne;
• częstotliwość uderzeń piorunów na 1 km² w danym regionie (tzw. współczynnik Ng);
• instalacje odgromowe budynków zwiększają znacznie ryzyko szkodliwych dla elektroniki przepięć;
• długość przewodów i kabli;
• jak duże jest ryzyko uderzeń piorunów w linie średniego napięcia przed transformatorem;
• uderzenie pioruna może istotnie wpływać na ułożone w ziemi kable z powodu wysokiej impedancji ziemi;
• wielkość i wysokość budynku;
• obiekty w otoczeniu budynku np. metalowe maszty;
• inne sieci doprowadzane do budynku (linie telefoniczne, anteny itp.);
• kilka budynków podłączonych do tej samej sieci energetycznej.

Bezpośrednie uderzenie pioruna w budynek

Ochroną bezpośrednią przed uderzeniami piorunów są systemy odgromowe, popularnie zwane piorunochronami. Zabezpieczają one budynki przed bezpośrednimi szkodami, „przejmując” prąd udarowy i odprowadzając go w określone miejsce do ziemi. Pobocznym efektem zadziałania instalacji odgromowej jest powstanie dużych przepięć zarówno w sieciach położonych w pobliżu tej instalacji (np. wewnątrz budynku), jak też na skutek powstałego wysokiego potencjału następuje powrót do budynku części prądu piorunowego przez uziemione instalacje, systemy zasilania, metalowe rury gazowe i wodne, inne instalacje jak np. telefoniczne. Na podstawie badań zakłada się, że w takim przypadku może wpłynąć do budynku do 50% prądu piorunowego. Dlatego też, biorąc pod uwagę maksymalny prąd piorunowy 200kA, stosuje się ograniczniki przepięć 4-bieg. dla prądów udarowych do 100kA czyli 25kA na biegun. Jeżeli jednak weźmie się pod uwagę średnią wartość prądu piorunowego 30-50kA, a nie jest to obszar gdzie uderzenia pioruna występują często, to wówczas mogą wystarczyć ograniczniki przepięć dla prądów udarowych do 50kA – 4-bieg., czyli 12,5kA na biegun. W budynkach z podziemną siecią zasilającą, nie posiadających instalacji odgromowej (szczególnie na obszarach, gdzie pioruny występują stosunkowo rzadko), może nie być konieczności stosowania ograniczników przepięć typu I do ochrony przed prądami udarowymi, wystarczą wówczas ograniczniki typu II.  Należy jednak pamiętać, że nie wystarczy zabezpieczyć ogranicznikiem przepięć tylko sieć zasilającą budynek, ale także inne przewody wchodzące do budynku (jak linie telefoniczne czy anteny).

Bezpośrednie uderzenie pioruna w napowietrzną linię niskiego napięcia

Przewody napowietrzne są szczególnie narażone na uderzenia piorunów. Uderzenie pioruna niszczy całkowicie lub częściowo przewody i powoduje powstanie potężnego przepięcia, które rozprzestrzenia się dalej przewodami, zarówno w kierunku transformatora, jak i odbiorcy. Powstałe szkody, jeśli nie ma odpowiednich zabezpieczeń, są zależne przede wszystkim od odległości od miejsca uderzenia pioruna. W tym przypadku mogą wystąpić prądy udarowe do 100kA (kształt fali 10/350 µs).

Przepięcia indukowane

Piorun generuje prądy impulsowe rzędu przynajmniej kilkudziesięciu kA. Prowadzi to do powstania silnych pól elektromagnetycznych o mocy wielu kV/m w promieniu do 1 km. To pole elektromagnetyczne indukuje wysokie prądy i przepięcia w przewodach. W praktyce wartość tych przepięć zależy przede wszystkim od odległości, od miejsca uderzenia pioruna, ułożenia przewodów i fizycznych właściwości tych przewodów. W praktyce spotykamy się ze sprzężeniami galwanicznymi, indukcyjnymi i pojemnościowymi. Powstały impuls prądowy osiąga wartość kilku, do nawet, kilkudziesięciu kA (przyjmuje się tu kształt impulsu 8/20) i do kilkudziesięciu kV. Przepięcia indukowane wymagają, aby stosować ograniczniki przepięć do ochrony wszystkich przewodów wychodzących poza budynek. Dodatkowo należy chronić urządzenia końcowe, gdy długość przewodów wewnątrz budynku jest większa niż 10 m od miejsca zainstalowanego już ogranicznika.

Przepięcia łączeniowe

Załączanie i rozłączanie niektórych urządzeń powoduje powstanie przepięć w sieciach rzędu kilku kA (kształt impulsu przyjmuje się 8/20) oraz wielu kV. Warto tu jednak zauważyć, że czas trwania niektórych z tych przepięć może być zdecydowanie dłuższy niż kilka mikrosekund. Główne źródła tego rodzaju przepięć to:

• włączanie silników elektrycznych
• załączanie nieobciążonych transformatorów
• zadziałanie zapłonników do lamp neonowych  lub sodowych
• włączanie zasilaczy, baterii kondensatorów, elektromagnesów
• załączanie obwodów z obciążeniem indukcyjnym
• przepalenie się bezpiecznika lub zadziałanie wyłącznika nadprądowego  czy też kompaktowego
• przerwanie kabla lub przewodu

Oto kilka przykładów przepięć łączeniowych:

1. Badania wykazały, że przepalenie się wkładki topikowej NH 100A powoduje powstanie przepięcia 1800V i 4500A w czasie 1,5 ms.
2. Wg badań VDE załączanie transformatora 1000kVA powoduje powstanie przepięcia 4916V.
3. Wyłączanie wentylatora powoduje powstanie przepięcia >2kV.

Przepięcia elektrostatyczne

Ludzkie ciało, gdy spojrzymy na nie od strony elektrycznej, ma pojemność rzędu od 100 do 300 pikofaradów. Ta pojemność może, np. przy chodzeniu po dywanie naładować się do napięcia 15kV. Kiedy dotkniemy jakiś przewodzący przedmiot, zebrany ładunek elektryczny może przepłynąć  w ciągu kilku ns, osiągając wartość do 10A. Wszystkie układy scalone, szczególnie te w technologii CMOS, są bardzo czułe na tego typu przepięcia. Dlatego obok uziemiania, specjalnego ubioru pracowników i innych zabezpieczeń, CITEL zaleca specjalne ograniczniki przepięć o czasie zadziałania <1 ns.

Skutki przepięć

Produkowane w przeszłości urządzenia elektryczne oraz elektroniczne oparte na lampach były w miarę odporne na przepięcia, natomiast stosowanie coraz więcej elektroniki, która podlega ciągłej miniaturyzacji powoduje, że obecne urządzenia są bardzo podatne na uszkodzenia. Przykładowo w Niemczech na początku lat 90 szkody spowodowane przez przepięcia w prywatnych domach miały charakter marginalny, to już w roku 2006 zgłoszono do firm ubezpieczeniowych 450.000 szkód. Jednak dzięki stosowaniu ograniczników przepięć ilość szkód maleje, mimo coraz powszechniej stosowanym urządzeniom elektronicznym.

Przepięcia powodują miedzy innymi:

Zniszczenia:

• przebicia napięciowe w półprzewodnikach;
• zniszczenia ścieżek na elektronicznych płytkach lub przyłączach;
• zniszczenie triaków i tyrystorów z powodu zbyt dużych wartości dV/dt;
• zapalenie się elementów;
• uszkodzenie izolacji.

Zakłócenia:

• niezdefiniowane zadziałania bramek logicznych, tyrystorów i triaków;
• wykasowanie danych;
• błędy w programach, samoczynne wyłączanie się urządzeń;
• błędy w przesyłaniu danych.

Przedwczesne zestarzenie się:

• elementy elektroniczne na skutek występujących przepięć ulegają przedwczesnemu zużyciu, co prowadzi do awarii urządzeń.

Przy rozważaniu o zastosowaniu ograniczników przepięć oprócz bezpośrednich skutków przepięcia przy okazji dokonywania analizy ryzyka należy wziąć pod uwagę również następujące skutki wtórne:

• olbrzymie straty z powodu bezpowrotnej utraty istotnych danych np. w komputerach
• sparaliżowanie funkcjonowania firm, biur, instytucji, banków z powodu uszkodzeń sieci komputerowych, serwerów czy sieci telefonicznej
• duże koszty odtworzenia uszkodzonych urządzeń, w szczególności jeśli nie były ubezpieczone lub ubezpieczyciel wyłączył swoją odpowiedzialność za tego rodzaju szkody
• unieruchomienie urządzeń produkcyjnych, niemożność wykonywania pracy przez pracowników
• pożary lub poważne uszkodzenia linii technologicznych
• zagrożenie życia ludzkiego w przypadku uszkodzenia istotnych urządzeń np. w szpitalach, na lotniskach
• zagrożenie dla bezpieczeństwa i mienia w przypadku uszkodzenia systemów alarmowych, kamer itp. w bankach, muzeach, w urządzeniach policyjnych czy wojskowych

Zabezpieczanie urządzeń

Ponieważ stosowane powszechnie bezpieczniki topikowe i wyłączniki nadmiarowo-prądowe zabezpieczają tylko przed przeciążeniami i zwarciami i działają zbyt wolno, aby zabezpieczyć elementy elektroniczne (czas zadziałania liczony jest w milisekundach, a przepięcia mogą trwać zaledwie kilka mikrosekund), dlatego stosuje się do ochrony ograniczniki przepięć.

Ograniczniki przepięć stosowane w sieciach energetycznych powinny mieć czas zadziałania <25 ns (ograniczniki CITEL w technologii VG mają czas mniejszy niż 20 ns). Na rynku występują tanie ograniczniki przepięć z czasem zadziałania <100 ns, ale należy mieć poważne wątpliwości, czy nie są one zbyt wolne i czy są w stanie właściwie zabezpieczać chronione urządzenia.

Natomiast ograniczniki stosowane w sieciach teleinformatycznych mogą mieć czas zadziałania <1 ns.

Ogólnie zakłada się, że poziom ochrony powinien wynieść minimum 2,5kV, najlepiej poniżej 1,5kV. W każdym przypadku obowiązuje jednak zasada, że im niższy poziom ochrony, tym lepsza ochrona przeciwprzepięciowa.

Zwykle przyjmuje się następujący podział w zakresie poziomu ochrony:

• urządzenia elektryczne (maszyny, urządzenia przemysłowe) – 2,5kV
• domowe urządzenia elektroniczne (sprzęt RTV, AGD) – 1,5kV
• urządzenia elektroniczne (komputery, automatyka) – 1kV
• czułe urządzenia elektroniczne (aparatura medyczna, alarmy) – 0,5kV

Normy

Rozwiązaniem wielu problemów występujących w związku z prądem piorunowym i przepięciami jest zastosowanie ograniczników przepięć, zwanych zgodnie z normami obowiązującymi w Polsce SPD (Surge Protection Device). Aby jednak osiągnąć zamierzony skutek, należy te urządzenia dobierać i stosować zgodnie z normami. Najważniejsze normy dla ograniczników przepięć to:

• PN-EN 61643-11 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania i próby;
• PKN-CLC/TS 61643-12 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Dobór i zasady stosowania (w jęz. angielskim);
• PN-HD 60364-5-534 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Sekcja 534: Urządzenia do ochrony przed przepięciami;
• PN-EN 61643-21 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych. Wymagania eksploatacyjne i metody badań (w jęz. angielskim);
• PN-HD 60364-4-443 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych – Część 4-44-3: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi – Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi;
• PN-EN 62305-4 Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach (w jęz. angielskim).