Sieci elektroenergetyczne AC – ograniczniki przepięć – budowa i zastosowanie

Budowa i działanie ograniczników przepięć

Ograniczniki przepięć, zwane też zgodnie z normami SPD (Surge Protection Device), to urządzenia do ochrony przed przepięciami. Zbudowane są tak, aby wielokrotnie odprowadzać przepięcia w sieci i jeżeli nie ulegną awarii lub nie pojawi się prąd przekraczający możliwości danego aparatu, mogą działać skutecznie wiele lat. Ogranicznik przepięć po zadziałaniu ma wrócić do swojego stanu pierwotnego. Przykładowo podczas tzw. badania typu wg normy 61643-11 ograniczników przepięć typu I i II jednym z testów (pkt. 7.6.4 – Wstępne kondycjonowanie w próbach klasy I i II) dokonuje się 15 udarów prądowych 8/20, o biegunowości dodatniej (3 serie po 5, czas między udarami to 50-60 sekund, a między seriami 25-30 minut). Dla ograniczników typu I są to udary o wartości maksymalnej I_peak, a dla typu II prądem I_n.

Ze względu na swoją budowę wewnętrzną SPD dzielą się na trzy rodzaje (norma 61643-12 pkt 5.3.2 oraz Aneks A wskazujący różny sposób gaszenia fali udaru kombinowanego):

• ucinające (tutaj stosuje się głównie iskierniki gazowe, dawniej iskierniki powietrzne, ale też tyrystory, triaki itd.);
• ograniczające (np. warystory, specjalne diody);
• kombinowane (np. połączenie iskiernika gazowego i warystora jak w technologii VG).

1. Ucinające

Do elementów ucinających napięcie należą iskierniki powietrzne, zastępowane z sukcesem przez iskierniki gazowe. Iskierniki gazowe przypominają swoją budową lampy neonowe (w ceramicznej rurce między 2 elektrodami znajduje się gaz szlachetny, przykładowo może to być neon czy argon). Przy normalnym napięciu pracy iskiernik zachowuje się jak izolator (iskierniki gazowe GSG firmy CITEL mają oporność >10 GΩ) – prąd nie płynie. Dopiero wzrost napięcia powyżej ustalonego progu zadziałania (napięcie zapłonu) powoduje gwałtowne wyładowanie. Zaletą ich jest skuteczność i zdolność do odprowadzania dużych prądów udarowych, wadą powstawanie prądu następczego, który może powodować szkody.

2. Ograniczające

Stosuje się tu najczęściej warystory tlenkowo-cynkowe (większość ograniczników CITEL serii DS), zapewniające idealny kompromis pomiędzy dwoma istotnymi parametrami: szybkim czasem zadziałania (<25 ns) i wysoką zdolnością odprowadzania prądu wyładowczego. Pomimo tych zalet, działanie warystorów musi być bezwzględnie nadzorowane. Warystor jest elementem półprzewodnikowym, który przy znamionowym napięciu jest prawie izolatorem, natomiast w miarę wzrostu napięcia maleje rezystancja i staje się on coraz lepszym przewodnikiem. Przy włączeniu do obwodu z napięciem znamionowym pojawia się niestety niewielki prąd upływu (zwykle od 0,1 do 2mA), co powoduje pewne niewielkie straty prądu (w skali roku są to już zauważalne koszty). Ten prąd upływu oraz zadziałania ogranicznika pod wpływem przepięć powoduje tzw. starzenie się warystora, co objawia się coraz większym prądem upływu i może doprowadzić nawet do zwarcia. Dlatego zgodnie z normami IEC, ograniczniki przepięć wyposażone są w wewnętrzne systemy ochronne i zewnętrzne urządzenia odłączające, które w przypadku wystąpienia usterki zapewniają rozłączenie obwodu i zapobiegają zwarciu w ochronniku. Produkowane przed wielu laty ograniczniki nie miały zabezpieczeń termicznych, co było nawet powodem pożarów.

W Niemczech zaleca się kontrolę modułów warystorowych nie rzadziej niż co 4 lata. Należy również sprawdzić SPD po każdym zadziałaniu w wyniku uderzenia pioruna. Praktyka pokazuje, że ograniczniki warystorowe zainstalowane w chłodnym, suchym miejscu mogą dobrze działać ponad 20 lat, podczas gdy zainstalowane w skrzynce wystawionej na działanie słońca w instalacji fotowoltaicznej mogą wytrzymać około rok.

Zwykle w rozdzielnicach energetycznych, gdzie jest znacznie podwyższona temperatura, należy wymieniać moduły warystorowe co 6-10 lat.

W ogranicznikach dla zastosowań teleinformatycznych stosuje się specjalne diody, zwane supresyjnymi lub lawinowymi, które mają bardzo krótki czas zadziałania, nawet <1 ns, wadą ich jest słaba odporność na większe prądy wyładowcze.

3. Kombinowane technologia VG

Przykładem ograniczników kombinowanych jest opatentowana przez firmę CITEL w 2000 roku technologia VG. Jest to szeregowe połączenie iskiernika gazowego z wysokowydajnym warystorem. Rozdzielone są one między sobą galwanicznie. Dzięki temu nie występuje prąd upływu,  nie ma prądu następczego. Jest też wyjątkowo krótki czas zadziałania <20 ns. Osiąga się bardzo dobry poziom ochrony oraz nie następuje proces starzenia się warystora. Technologia ta umożliwia zbudowanie ograniczników typu 1+2+3 (czyli popularnie zwanych B+C+D), gdzie przykładowo w aparacie DS250VG dla 1 bieguna dla prądu udarowego 10/350 o wartości 25kA i prądu wyładowczego 8/20 o wartości 30kA osiągamy poziom ochrony 1,1kV. Jest to możliwe dzięki bardzo krótkiemu czasowi zadziałania. Dlatego ograniczniki przepięć w technologii VG uważane są technicznie za najlepsze na rynku i CITEL, jako jedyna firma, udziela na nie 10 letniej gwarancji liczonej od daty produkcji. Inne zalety ograniczników w technologii VG to podwyższona odporność TOV (do 450V AC), standardowe wyposażenie w sygnalizację wewnętrzną i zdalną, brak konieczności stosowania cewek odsprzęgających.

Urządzenia odłączające

Ze względu na ryzyko awarii ograniczników przepięć niezbędne są następujące urządzenia odłączające:

– wewnętrzne termiczne urządzenie odłączające (zwane bezpiecznikiem termicznym), które w przypadku wystąpienia usterki odłącza ogranicznik przepięciowy od sieci. Użytkownik zostaje w tym przypadku poinformowany przez układ sygnalizacji błędów ogranicznika o konieczności wymiany określonego modułu ochronnego.

– zewnętrzne elektryczne urządzenie odłączające, najczęściej bezpiecznik topikowy albo rzadziej wyłącznik nadprądowy (mają za małą wytrzymałość zwarciową), które odłączają ogranicznik przepięciowy od sieci w przypadku wystąpienia zwarcia. W celu zapewnienia prawidłowego działania układu, parametry urządzeń odłączających muszą być dostosowane do parametrów ogranicznika.

Prąd zadziałania bezpiecznika podaje producent ograniczników. Ważne są 2 kryteria doboru:

• wkładka bezpiecznikowa musi wyłączyć prąd zwarciowy zanim dojdzie do uszkodzenia ogranicznika przepięć.
• wytrzymałość bezpiecznika na prądy wyładowcze ogranicznika I_n i I_max.

Bezpiecznik powinien bezawaryjnie przewodzić prądy wyładowcze ogranicznika przepięć SPD.

Firma CITEL podaje w swojej dokumentacji odpowiednie wkładki topikowe, które mają dobezpieczyć SPD. Ograniczniki przepięć w technologii VG nie wymagają dobezpieczenia bezpiecznikiem, gdyż zainstalowany szeregowo iskiernik gazowy uniemożliwia wystąpienie zwarcia warystora (do podanej przez producenta wartości odporności na zwarcie).

Umiejscowienie SPD jest kwestią wyboru strategicznego:

a) jeżeli SPD i urządzenie odłączające zainstalowane są pomiędzy przewodem liniowym a uziemieniem, jest zapewniona ciągłość zasilania. Nie ma jednak pewności, czy instalacja jest chroniona przez ogranicznik przepięć

b) jeżeli urządzenie zabezpieczające jest połączone szeregowo w sieć, uszkodzenie SPD lub zadziałanie bezpiecznika spowoduje przerwę w zasilaniu.