Prawidłowy dobór i koordynacja energetyczna ograniczników przepięć

W artykule szczegółowo opisano zagadnienie doboru i właściwej koordynacji energetycznej ograniczników przepięć. Rozważania teoretyczne uzupełniono wynikami pomiarów wybranych układów do ograniczania przepięć składających się z iskiernika, kombinowanego ogranicznika przepięć składającego się z iskiernika i warystora, różnego typu warystorów, układu z elementem odsprzęgającym.

The article describes in detail the issue of selection and proper energy coordination of surge protection devices. Theoretical considerations supplemented with the results of measurements of selected surge protection devices consisting of a spark gap, combined surge arrester consisting of a spark gap and varistor, various types of varistors, circuit with decoupling element.

Wstęp

Stworzenie warunków zapewniających pewne i niezawodne działanie systemu elektroenergetycznego oraz pracujących w nich nowoczesnych elektronicznych systemów pomiarowych wymaga posiadania podstawowych informacji o:

• charakterze narażeń udarowych występujących w systemie elektroenergetycznym,

• poziomach odporności udarowej stosowanych urządzeń elektronicznych,

• właściwościach i zasadach doboru odpowiednich rozwiązań wykorzystywanych do ochrony przed narażeniami udarowymi,

• urządzeniach oraz systemach, z którymi one współpracują.

Urządzenia elektryczne i elektroniczne narażone są na działanie przepięć pojawiających się w sposób losowy w wybranych częściach rozbudowanego systemu przesyłu i rozdziału energii. Zaburzenia mogą wystąpić zarówno w liniach napowietrznych jak i kablowych. Źródłem zaburzeń może być lokalny wzrost potencjałów i występujące różnice potencjałów wywołane przez napięcia i prądy udarowe powstające podczas:

• operacji łączeniowych wykonywanych w obwodach WN/SN w normalnym i awaryjnym stanie pracy stacji,

• bezpośrednich wyładowań piorunowych na terenie stacji lub w bliskim ich sąsiedztwie,

• wyładowań piorunowych w napowietrzne linie przesyłowe WN/SN, SN/nn

• działania ograniczników przepięć w obwodach WN, SN i nn.

Napięcia i prądy udarowe mogą być również źródłem impulsowego pola elektromagnetycznego oddziałującego bezpośrednio na urządzenia. Zaburzenia impulsowe pola elektromagnetycznego mogą być promieniowane przez urządzenia elektroenergetyczne i linie wysokich napięć podczas stanów nieustalonych w systemie.

Dobór i koordynacja energetyczna ograniczników przepięć

Chcąc skutecznie ochronić urządzenia przed skutkami przepięć należy przede wszystkim posiadać informację o wartościach znamionowych napięć udarowych wytrzymywanych przez te urządzenia. Dodatkowo należy posiadać wiedzę na temat instalacji elektrycznej, do której urządzenie ma być podłączone. Te dwie informacje pozwalają wybrać właściwy ogranicznik przepięć, tak aby napięcie na wejściu chronionego urządzenia nie przekraczało jego wytrzymałości udarowej. Ze względu na rozbudowaną instalację elektryczną nie da się pominąć podczas dobory ogranicznika przepięć konieczności właściwego skoordynowania podziału energii udarów pomiędzy innymi elementami ograniczającymi przepięcia zainstalowanymi już w instalacji elektrycznej.

Każdy ogranicznik przepięć ma pewną określoną zdolność do przenoszenia przez siebie pewnej energii udaru. Jeśli po zadziałaniu ogranicznika przepięć energia przez niego przeniesiona przekroczy dopuszczalną wartość wówczas może dojść do uszkodzenia ogranicznika przepięć, a nawet do jego eksplozji. Ilość energii, którą może przez siebie przenieść ogranicznik przepięć jest ściśle powiązana z zastosowaną do jego budowy technologią. Największą energię mogą wytrzymać ograniczniki przepięć zbudowane w oparciu o iskierniki. W dalszej kolejności są układy kombinowane składające się z iskiernika i warystora. Dalej znajdziemy warystory, a na samym końcu znajdują się diody zabezpieczające (tzw. TRANSIL’e). Na podstawie informacji zamieszczonych na ograniczniku przepięć możemy szacunkowo określić jego zdolność do przenoszenia energii udaru. W przypadku ograniczników T1 (patrz norma PN-EN 61643-11:2013 [1]) najważniejszym parametrem jest jego wytrzymałość na udarowy prąd impulsowy (I_implub I_10/350). Dla ograniczników T2 (patrz norma PN-EN 61643-11:2013 [1]) jest to znamionowy prąd wyładowczy (I_n). Bardzo często popełnianym błędem jest mylenie wyżej wymienionych parametrów, co może skutkować niewłaściwym doborem. Prąd impulsowy określa zdolność ogranicznika do odprowadzania prądu odpowiadającego energią bezpośredniemu doziemnemu wyładowaniu piorunowemu (10/350 µs), zaś znamionowy prąd wyładowczy określa zdolność ogranicznika do odprowadzania prądu odpowiadającemu prądowi indukowanemu podczas wyładowania piorunowego (8/20 µs). Na rysunku 1 zamieszczono przebieg pokazujący różnicę w energiach przenoszonych przez prąd 10/350 µs i 8/20 µs.

Rys. 1. Zależność energetyczna prądów udarowych 10/350 µs i 8/20 µs.

Ograniczniki przepięć należy umieszczać, tak aby w poszczególnych punktach zabezpieczanej instalacji elektrycznej nie zostały przekroczone dopuszczalne wartości napięć. Mając na uwadze strefową koncepcję ochrony odgromowej jak również rozległość chronionej instalacji elektrycznej konieczne jest stosowanie kilkustopniowego układu do ograniczania przepięć. W podzielonym na strefy obiekcie, przy przejściu z jednej strefy do drugiej konieczne jest ograniczanie wartości szczytowych przepięć występujących w instalacjach niskonapięciowych oraz impulsów pola elektromagnetycznego do poziomów dopuszczalnych w danej strefie [2,3]. Poszczególne ograniczniki przepięć powinny odprowadzać (do np.: przewodu ochronnego PE dla sieci TN-S, PEN dla sieci TN-C itp.) część prądu udarowego. O właściwym doborze ograniczników przepięć decyduje w głównej mierze:

• Charakter narażeń udarowych,

• Rodzaj chronionego układu,

• Sposób budowy ogranicznika (iskiernik/warystor/układ kombinowany) – zdolność do odprowadzania udarów prądowych,

• Napięciowy poziom ochrony (Up) ogranicznika przepięć.

Kilkustopniowe układy zabezpieczające umożliwiają zsumowanie ich ochronnych zalet i wyeliminowanie niepożądanych efektów związanych z ich oddzielnym zastosowaniem. Bezsporną zaletą ogranicznika iskiernikowego jest zdolność do przewodzenia prądów udarowych o bardzo dużych energiach. Wadą jest ich dość długi czas jaki potrzebują, aby zadziałać. Zaletą ograniczników warystorowych jest szybkość działania, wadą zaś mała wytrzymałość na prądy udarowe.

Typowy wielostopniowy układ składa się z dwóch elementów ograniczających napięcia i elementu wzdłużnego. W przypadku układu składającego się z dwóch elementów ochronnych element wzdłużny koordynuje ich wzajemne działanie oraz ogranicza wartość prądu, który może popłynąć przez drugi z elementów ochronnych. Przykładowe rozwiązania typowych układów zabezpieczających przedstawia rys. 2.

Zasada działania dwustopniowego układu zaprezentowanego na rysunku 2a jest następująca. W momencie, gdy na wejście układu przyjdzie udar napięciowy i napięcie na warystorze przekroczy napięcie przebicia lawinowego zaczyna on przewodzić. Płynący przez warystor prąd powoduje wzrost spadku napięcia na rezystorze pomiędzy warystorem a odgromnikiem. Suma spadków napięć na rezystorze i diodzie odkłada się na odgromniku i gdy przekroczy wartość dynamicznego napięcia zapłonu wówczas nastąpi jego zadziałanie przez co zostanie ograniczony prąd płynący przez warystor [4]. W rzeczywistej instalacji elektrycznej element wzdłużny reprezentowany jest przez odcinek przewodu o minimalnej długości niezbędnej do właściwego skoordynowania pracy poszczególnych elementów.

Rys.2. Przykłady rozwiązań układów ochrony przepięciowej [4].

a)

b)

c)

Rys. 3. Rzeczywiste przebiegi napięć na odgromniku (a), elemencie wzdłużnym (b), warystorze (c) – 500 V/div, 2 µs/div.

Jeśli w danej instalacji elektrycznej nie będzie zachowana właściwa koordynacja pracy ograniczników może dojść do sytuacji, w której pierwszy działający element ograniczający przepięcie tak mocno je zredukuje, że wcześniejszy nie będzie mógł zadziałać, gdyż nie zostanie przekroczone napięcie, przy którym on zaczyna przewodzić prąd. Prowadzi to bezpośrednio do przekroczenia dopuszczalnej energii udaru przenoszonej przez ogranicznik przepięć, który zadziałał jako pierwszy. Bardzo często kończy się to jego uszkodzeniem lub eksplozją.

Aby bardziej przybliżyć zasadę koordynacji pracy i koordynacji energetycznej ograniczników przepięć poniżej na rysunku 4 pokazano rzeczywiste przebiegi napięć panujących na ogranicznikach przepięć podczas ich pracy. Ich wzajemna relacja bezpośrednio przekłada się na kolejność działania, a co za tym idzie na skuteczność ochrony przepięciowej lub w ekstremalnym przypadku na jej brak.

Rys.4. Napięcie panujące na iskierniku (CH1 – krzywa koloru czerwonego), warystorze nr 1 (CH2 – krzywa koloru niebieskiego), warystorze nr 2 (CH3 – krzywa koloru czarnego) – CH1/CH2/CH3 500V/div, 2µs/div.

Z powyższego przebiegu wynika, że napięcie niezbędne do zadziałania ogranicznika iskiernikowego wynosi 4,06 kV. Do zadziałania warystora nr 1 niezbędne jest napięcie o wartości 1,06 kV, zaś dla warystora nr 2 niezbędne jest napięcie 1,88 kV. Jeśli w instalacji elektrycznej najpierw zastosujemy element o niższym napięciu zadziałania lub nie zapewnimy wzajemnej koordynacji może dojść do uszkodzenia przy pierwszym przepięciu o energii przekraczającej wytrzymałość ogranicznika o najmniejszym napięciu zadziałania. Pierwszy ogranicznik, który zadziała obniży tak napięcie w instalacji, że napięcie na drugim ograniczniku nie przekroczy progu jego zadziałania.

Sprawę dodatkowo komplikuje fakt, iż ogranicznik iskiernikowy potrzebuje około 1 µs, aby zaczął działać. Dodatkowo wymusza to konieczność stosowania właściwej koordynacji pracy i koordynacji energetycznej ograniczników przepięć.

Na rysunku 5 zamieszczono przebiegi napięć panujących na różnych ogranicznikach warystorowych. Krzywa napięcia panującego na ograniczniku warystorowym nr 1 i nr 2 jest bardzo do siebie zbliżona. Różnica w napięciu niezbędym do zadziałania ogranicznika przepięć wynosi około 85 V. Warystory nr 1 i nr 2 pochodzą od tego samego producenta, z różnych serii produkcyjnych. W przypadku równoległego połączenia warystor nr 2 zadziała szybciej, niż warystor nr 1. Wniosek z powyższego jest następujący, iż bezpośrednie połączenie równoległe ograniczników warystorowych nie powoduje wzajemnego zwiększenia ich wytrzymałości udarowej jak i całej chronionej instalacji.

W układach do ograniczania przepięć zwiększenie wytrzymałości udarowej możliwe jest tylko poprzez zastosowanie kilku elementów ograniczających przepięcia właściwie między sobą skoordynowanych. Przedstawione subtelne różnice w rzeczywistości mogą się przełożyć na niewłaściwe działanie układu ograniczającego przepięcie, a nawet mogą prowadzić do jego uszkodzenia.

Rys.5. Napięcie panujące na warystorze nr 1 (CH1 – krzywa koloru czerwonego), warystorze nr 2 (CH2 – krzywa koloru niebieskiego), warystorze nr 3 (CH3 – krzywa koloru czarnego) – CH1/CH2/CH3 500V/div, 2µs/div.

Na rysunku 6 przedstawiono przebieg napięcia panującego podczas pracy iskiernikowego ogranicznika przepięć i kombinowanego ogranicznika przepięć składającego się z iskiernika i warystora prawidłowo wzajemnie z sobą skoordynowanych. Wyraźnie widać różnice w poziomie napięcia i szybkości działania układu. Wytrzymałość udarowa nowoczesnych układów kombinowanych jest taka sama jak dla ograniczników iskiernikowych przy jednoczesnym obniżeniu napięciowego poziomu ochrony.

Rys.6. Napięcie panujące na ograniczniku iskiernikowym (CH1 – krzywa koloru czerwonego) i na ograniczniku kombinowanym składającym się iskiernika i warystora (CH2 – krzywa koloru niebieskiego) – CH1/CH2/CH3 500V/div, 2µs/div.

Zalecenia w zakresie doboru ograniczników przepięć

Dobierając ogranicznik należy w pierwszej kolejności określić czy w ogóle jest on potrzebny. Oceny tej dokonujemy poprzez analizę ryzyka zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 62305-2 [6] lub analizując szczegółowe przepisy narzucone na mocy ustaw lub rozporządzeń. W przypadku między innymi budynków, stacji paliw płynnych bez względu na wynik analizy ryzyka konieczne jest stosowanie urządzeń piorunochronnych oraz przeciwprzepięciowych.

Cały czas należy mieć również na uwadze fakt, iż nowoczesne rozwiązania techniczne bazują w większości przypadków na układach sterowanych przez komputery. Napięcia znamionowe pracy systemów komputerowych są z roku na rok co raz bardziej obniżane ze względu na straty energii. W chwili obecnej są to napięcia rzędu kilku woltów. Należy zauważyć, że postęp technologiczny zmniejsza odporność urządzeń na przepięcia a ich uszkodzenia niosą za sobą bardzo duże straty finansowe. Wymusza to bardziej skuteczną ochronę urządzeń elektrycznych i elektronicznych od przepięć poprzez między innymi stosowanie wielostopniowych układów je ograniczających. Mając powyższe na uwadze zaleca się stosowanie układów i urządzeń ograniczających przepięcia.

W momencie, gdy zdecydujemy się na wyposażenie instalacji elektrycznej w ograniczniki przepięć należy zgodnie z zaleceniami norm ochrony odgromowej z serii PN-EN 62305 podzielić analizowany obiekt na strefy LPZ (zgodnie ze strefową koncepcją ochrony odgromowej), w których występuje określony stopień narażenia urządzeń na działanie udarów napięciowych i prądowych [7] – (z ang. LPZ – Lightning Protection Zone). Urządzenia pracujące w strefie LPZ0_Asą narażone na bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektrycznego i magnetycznego oraz prądu piorunowego o nieograniczonej wartości. Urządzenia pracujące w strefie LPZ0_Bnarażone są na bezpośrednie oddziaływanie impulsowgo pola elektromagnetycznego wywołanego przez prądy piorunowe, analogicznie jak w strefie LPZ0_A, oraz napięć i prądów udarowych indukowanych przez prądy piorunowe. W strefie LPZ1 urządzenia są już chronione przed bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego przy jednoczesnym ograniczeniu na granicy strefy poziomu narażenia za pomocą ogranicznika przepięć. W kolejnych strefach poziomy napięć powinny być stopniowo obniżane przy pomocy odpowiednio dobranych ograniczników przepięć tak, aby wytrzymałość udarowa urządzeń w nich instalowanych była wyższa od maksymalnego spodziewanego napięcia panującego w tej strefie. Przykład podziału obiektu na strefy LPZ zamieszczono na rysunku 7.

LPZ 0_A   LPZ 0_B   LPZ 1   LPZ 0B   LPZ1   LPZ1   LPZ3   LPZ2   LPZ2   LPZ2   LPZ2

Rys. 7. Podział obiektu na strefy LPZ [8]

W skrócie – na granicy poszczególnych stref LPZ należy stosować odpowiednie ograniczniki obniżające maksymalne spodziewane wartości szczytowe napięć do ustalonego poziomu – stosownie do przyjętych kategorii wytrzymałości udarowej wg. normy PN-HD 60364-4-443 [11]. Koncepcję wielostopniowego układu ograniczającego przepięcia przedstawiono na rysunku 8.

gdzie:

ZK – złącze kablowe,

kWh – licznik energii elektrycznej

R1 – rozdzielnica np.: piętrowa

Urz. El – końcowe urządzenie elektryczne

Rys. 8 Układ czterech ograniczników przepięć chroniących instalację elektryczną

Dobierając ogranicznik przepięć należy uwzględnić:

– miejsce jego instalacji,

– napięcie ciągłej pracy Uc,

– napięciowy poziom ochrony Up.

Na podstawie informacji dotyczącej miejsca jego instalacji można wybrać technologię, w której powinien być wykonany ogranicznik przepięć.

Na granicy stref LPZ0 i LPZ1 zaleca się stosowanie ogranicznika typu ucinającego napięcie lub kombinowanego, w którym wykorzystano technologię iskiernikową. Zdaniem autora stosowanie technologii warystorowej powinno być w tym miejscu zabronione. Zalecana wartość prądu impulsowego 10/350 µs – 25 kA/ pole.

Argumenty przytaczane przez przeciwników tych zaleceń są sprzeczne ze stanowiskiem przyjętym przez energetykę między innymi niemiecką, hiszpańską, słowacką itp. W tych krajach takie kryteria są obligatoryjne. Jeśli zestawi się całościową wartość ponoszonej inwestycji z kosztem jednego właściwie skonstruowanego ogranicznika na wejściu to argumenty o „drogiej” technologii wydają się zupełnie nie trafione. Kolejny argument podnoszony przez przeciwników odnosi się do średniej statystycznej wartości szczytowej prądu doziemnego wyładowania piorunowego. Stwierdzenie, że w 95% przypadków prąd wyładowania jest mniejszy niż 25 kA stawia pod znakiem zapytania sens stosowania układów ograniczających przepięcia. Zjawisko doziemnego wyładowania piorunowego ma charakter losowy. Analogicznie rozumując układ ograniczający przepięcia oparty o technologię warystorową zadziała losowo, raz prąd ograniczy raz nie wytrzyma. Należy sobie zadać pytanie: to po co go stosować ? A co z prądem kolejnego doziemnego wyładowania, które następuje w kilkadziesiąt milisekund po wyładowaniu głównym ? Ochrona zdaniem autora ma być zawsze skuteczna, stąd też wysokie wymagania dla jednego ogranicznika w obiekcie nie są niczym wygórowanym. Należy też zauważyć, iż w przypadku stosowania technologii warystorowej wbrew powyższym zaleceniom narażamy się na brak koordynacji energetycznej ograniczników przepięć ze względu między innymi na rozrzut technologiczny napięcia zadziałania ograniczników warystorowych opisany wcześniej, nie możliwy do określenia w warunkach panujących na budowie lub hali montażowej.

Dobierając ogranicznik przepięć nie można zapomnieć o parametrze określającym maksymalne napięcie ciągłej pracy (Uc), musi ono być większe od maksymalnego napięcia fazowego danej sieci. Biorąc pod uwagę wytyczne normyPN-EN 60038:2012 [9] napięcie ciągłej pracy powinno być co najmniej o 10% większe od napięcia znamionowego sieci.

Dobierając ograniczniki należy pamiętać o przepięciach dorywczych pojawiających się w sieciach. W tabeli 1 przytoczono normatywne wymagania w tym zakresie opisane szczegółowo w normie PN-EN 61643-11:2013 [10].

Napięciowy poziom ochrony Up powinien być mniejszy niż deklarowana przez producenta najmniejsza wytrzymałość udarowa urządzenia zainstalowanego w danej sieci i w danym fizycznym miejscu jego użytkowania.

Tabela 1. Wymagana wytrzymałość ograniczników na przepięcia dorywcze (TOV) dla układów sieci TN, TT, IT – na podstawie normy PN-EN 61643-11:2013 [10]

Gdzie:

U_L-N – maksymalne dopuszczalne napięcie znamionowe panujące w sieci elektroenergetycznej
(np.: U_L-N =230 V +10% wg. PN-EN 60038:2012 [9])

Podsumowanie

Stosowanie coraz doskonalszych urządzeń elektronicznych w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych stwarza konieczność przeanalizowania ich zagrożeń udarowych oraz podjęcia odpowiednich środków ochrony. Tylko prawidłowa wzajemna koordynacja energetyczna zapewni skuteczną ochronę przed przepięciami, na które urządzenia są coraz bardziej czułe. Prawidłowe rozwiązania są bardzo dobrze znane lecz ze względów czysto ekonomicznych odstępuje się od ich fizycznej realizacji podczas budowy nowych obiektów. Dlatego warto się zastanowić czy oszczędność rzędu tysiąca złotych plus VAT na tle wartości inwestycji nierzadko szacowanej na kilka, kilkanaście milionów złotych ma sens.

Literatura

[1] PN-EN 61643-11:2013. Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia – Część 11: Urządzenia ograniczające przepięcia w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia – Wymagania i metody badań.

[2] PN-EN 62305-1:2011. Ochrona odgromowa – Część 1: Zasady ogólne.

[3] Sowa A.W.: Ochrona urządzeń oraz systemów elektronicznych przed narażeniami piorunowymi. Rozprawy Naukowe Nr 219. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2011.

[4] Augustyniak L., Markowska R., Sowa A.: „Elementy i układy do ograniczania przepięć. Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych”. Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej, Politechnika Białostocka 2007.

[5] Wiater J.: Zniszczenia elektronicznych liczników energii elektrycznej powstałe w wyniku niewłaściwego doboru ograniczników przepięć. Wiadomości Elektrotechniczne R. 83, nr 2 (2015), s. 23-25.

[6] PN-EN 62305-2:2011. Ochrona odgromowa – Cześć 2: Zarządzanie ryzykiem.

[7] Sowa A.: Wielostopniowe systemy ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym. http://www.ochrona.net.pl

[8] Dehn + Söhne – Lightning Protection Guide. Revised 2nd edition. September 2007/2012.

[9]PN-EN 60038:2012. Napięcia znormalizowane CENELEC.

[10] PN-EN 61643-11:2013. Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia – Część 11: Urządzenia ograniczające przepięcia w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia – Wymagania i metody badań.

[11]PN-HD 60364-4-443:2006. Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych – Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowym

Dr inż. Jarosław Wiater – Politechnika Białostocka