INNOWACYJNE OGRANICZNIKI PRZEPIĘĆ MARKI CITEL DLA ELEKTROENERGETYKI, TELEKOMUNIKACJI I INFORMATYKI

Transkrypt

1 Waldemar Zamożniewicz Jean Mueller Polska Sp. z o.o. INNOWACYJNE OGRANICZNIKI PRZEPIĘĆ MARKI CITEL DLA ELEKTROENERGETYKI, TELEKOMUNIKACJI I INFORMATYKI Streszczenie. W artykule przedstawione zostały trzy podstawowe rodzaje ograniczników przepięć dla elektroenergetyki ze względu na budowę: iskiernikowe, warystorowe i kombinowane na przykładzie ograniczników firmy CITEL w technologii VG. Zaprezentowano też nowe rozwiązania w zakresie ochrony latarni z oświetleniem LED, ograniczników dla ochrony serwerów i komputerów, sieci informatycznych i sygnałowych, urządzeń nadawczo-odbiorczych i kamer monitoringu. 1. Ograniczniki przepięć dla elektroenergetyki 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. W zakresie ograniczników przepięć dla elektroenergetyki buduje się je na bazie iskierników gazowych, warystorów lub stosuje się ich połączenie. Ograniczniki przepięć dla teleinformatyki bywają zbudowane w oparciu o bardzo szybkie diody np. Zenera o czasie zadziałania nawet poniżej 1 ns Iskierniki gazowe 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 rezystancję > 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, nawet do 50 ka w przypadku iskierników GSG francuskiej firmy CITEL, wadą powstawanie prądu następczego, który może powodować szkody, gdyż jest to prąd zwarciowy Warystory Stosuje się tu najczęściej warystory tlenkowo-cynkowe, zapewniające idealny kompromis pomiędzy dwoma istotnymi parametrami: szybkim czasem zadziałania i wysoką zdolnością odprowadzania prądu wyładowczego. Pomimo tych zalet działanie warystorów musi być bezwzględnie nadzorowane. Warystor jest elemen- 38

2 tem półprzewodnikowym, który przy znamionowym napięciu ma dużą oporność, 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 2 ma), co powoduje pewne niewielkie straty. 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 wyniku uderzenia pioruna. W zakresie ograniczników na bazie warystorów CITEL oferuje unikalny aparat DS500E typu 1+2 (dawniej B+C) do 50 ka prądu udarowego 10/350 μs i 200 ka prądu wyładowczego 8/20 μs na 1 biegun Połączenie warystora z iskiernikiem gazowym 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 też 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 (czyli popularnie zwanych B+C+D), gdzie przykładowo w aparacie DS250YG dla 1 bieguna dla prądu udarowego 10/350 o wartości 25 ka i prądu wyładowczego 8/20 o wartości 30 ka osiągamy poziom ochrony 1,1 kv. Jest to możliwe dzięki bardzo krótkiemu czasowi zadziałania. Dlatego ograniczniki przepięć w technologii VG uważane są technicznie za najlepsze na świecie 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 450 V AC), standardowe wyposażenie w sygnalizację wewnętrzną i zdalną, brak konieczności stosowania cewek odsprzęgąjących i dobezpieczania wkładkami topikowymi. W technologii VG produkowane są także doskonałe ograniczniki przepięć typu 1+2 dla fotowoltaiki na napięcie do 1500 V DC. 1.4 Zabezpieczanie latarni LED Firma CITEL jako jedyna na rynku ma szeroką ofertę ponad 100 typów ograniczników przepięć do zabezpieczania latarni z oświetleniem LED. Przepięcia te mogą zarówno trwale uszkodzić zasilacz, elektroniczne sterowanie lub same diody, jak też przyczyniają się do przedwczesnego starzenia się diod LED i przez to wielokrotnie skracają ich teoretyczną żywotność. Z reguły urządzenia elektroniczne, takie jak zasilacze do LED, wytrzymują przepięcia do 1500 V AC, podczas gdy pojawiające Nr

3 się w sieci przepięcia, zarówno powstałe w wyniku uderzeń piorunów, jak i tzw. przepięcia łączeniowe, mogą mieć wartość nawet kilku kiloamperów i kilku kilovoltów. Ze względu na wartość możliwych przepięć prawie wszystkie te ograniczniki są typu 2+3 (dawne oznaczenie C+D) i dostosowane do nominalnego prądu wyładowczego 8/20 μs o wartości 5 ka i maksymalnego 10 ka. Ograniczniki te wytrzymują też tzw. udar kombinowany 10 kv / 5 ka, a niektóre nawet 10 kv / 10 ka, zapewniając poziom ochrony Up poniżej 1,5 kv dla napięcia roboczego 230 V AC. Tak dobre parametry techniczne udaje się osiągnąć dzięki szeregowemu połączeniu warystora i iskiernika gazowego. Firma CITEL przeprowadziła testy swoich ograniczników: wzięto diody LED wraz z zasilaczami od 9 różnych producentów, zabezpieczono je ogranicznikami typu MLP i MSB10 i wykonano 15 impulsów przepięciowych o wartości 10 kv. Żaden z tych systemów nie uległ uszkodzeniu. Następnie wymontowano ograniczniki przepięć i rozpoczęto nowe testy tych zestawów. Już przy 2 kv jeden system uległ uszkodzeniu, przy 4 kv kolejne dwa, a przepięcia 6 kv nie wytrzymał żaden zestaw. Oznacza to, że żaden z testowanych zestawów bez ochrony ogranicznikiem przepięć nie wytrzyma przepięć mogących wystąpić normalnie w sieciach zasilających latarnie. 2. Ograniczniki dla teleinformatyki W przypadku zabezpieczania systemów informatycznych należy zabezpieczać urządzenia zarówno od strony zasilania, jak i przewodów sieci komputerowych. O ile pamięta się często o zabezpieczaniu serwerów na wejściu, to zwykle zapomina się o tym, że w przewodach łączących serwer z komputerami lub innymi urządzeniami, które mogą mieć długość kilkadziesiąt, a nawet kilkaset metrów, mogą się wzbudzić groźne przepięcia. W tych systemach mamy zwykle do czynienia ze stosunkowo małymi napięciami pracy jak 5 V DC 12 V DC, natomiast w zakresie telekomunikacji jest to 48 V DC 170 V DC. Rys. 1. Zabezpieczenie DLA2 dla urządzeń teleinformatycznych na 2 podwójne żyły 40

4 Do ochrony tych urządzeń stosuje się często ograniczniki na bazie diod supresyjnych o czasie zadziałania poniżej 1 ns. Firma CITEL ma w tym zakresie bardzo bogatą ofertę: ograniczniki do ochrony serwerów i komputerów w systemach CAT5 i 6, do systemów teleinformatycznych typu ModBus, ProfiBus, Fipway, Fieldbus, LonWorks i wielu innych wg interfejsów RS 232, 422, 485; dla 1, 2 i 4 par żył, jak też dla telekomunikacji przewodowej w systemach ISDN, ADSL, SDSL. Unikalnym produktem jest grupa ograniczników przepięć do zabezpieczania analogowych i cyfrowych kamer monitoringu. W jednej obudowie znajdują się bowiem aż 3 różne ograniczniki przepięć do zabezpieczenia równocześnie systemu zasilania, toru sterowania kamerą i samego sygnału. Uzupełnieniem są ograniczniki w standardzie szaf 19 do ochrony paneli dyspozytorskich oraz kamer z zasilaniem przez kabel sieci komputerowej typu POE (Power Over Ethernet). 3. Technika nadawczo-odbiorcza Obok wspomnianych powyżej ograniczników do zabezpieczania sieci telefonicznych i internetowych, istnieje cała grupa aparatów do zabezpieczania systemów nadawczo-odbiorczych. Urządzenia do wysyłania i odbioru sygnałów, czyli różnego typu maszty i anteny, są z reguły szczególnie narażone na skutki oddziaływania wyładowań atmosferycznych i przepięć, ponieważ zazwyczaj zlokalizowane są na wyżej położonych miejscach i budynkach. Rys. 2. Ograniczniki serii P8AX Obwody wysokich częstotliwości, jak np. urządzenia do wysyłania i odbioru sygnałów w systemach GSM/UMTS lub TETRA, należy chronić odpowiednio do potencjalnych zagrożeń, aby zapewnić ich możliwie bezprzerwową eksploatację. Nr

5 Iskiernik gazowy jest jedynym komponentem ochrony przeciwprzepięciowej, który z uwagi na swoją wyjątkowo niską pojemność może zostać wykorzystany w zakresie bardzo wysokich częstotliwości (do kilku GHz). W przypadku ochrony przeciwprzepięciowej obwodów z przewodami koncentrycznymi (COAX, Koaxial), w ogranicznikach takich jak P8AX firmy CITEL iskiernik gazowy zainstalowany jest pomiędzy wewnętrznym przewodem przewodzącym sygnał a zewnętrznym ekranowaniem. Jeżeli napięcie zadziałania zostanie osiągnięte, co z reguły ma miejsce na skutek przepięcia, w ciągu nanosekund powstaje łuk elektryczny i w przewodzie sygnałowym następuje zwarcie. Napięcie zadziałania iskiernika gazowego zostaje zdefiniowane fabrycznie i znajduje się w zakresie między 70 V a kilkoma kv, natomiast napięcie wyładowania łukowego leży w zakresie zaledwie od 10 V do 30 V. Innym wykonaniem jest technologia Lambda 1/4 (tzw. ćwiartka fali), która oferuje doskonałe możliwości ochrony aplikacji telekomunikacyjnych (GSM, UMTS, GPS, TETRA). Moduł ochronny składa się z elementu koncentrycznego z odpowiednimi przyłączami i jest połączony ze zwartym przewodem Lambda. Długość przewodu Lambda zależy od częstotliwości znamionowej. W zakresie wąskopasmowym technologia Lambda doskonale nadaje się do aplikacji do kilku GHz. Funkcja ochronna uzyskiwana jest poprzez zwarcie koncentrycznego przewodu wewnętrznego z zewnętrznym przewodem Lambda, tworząc w ten sposób filtr, który idealnie dopasowuje się do częstotliwości roboczej. To zwarcie jest dostosowane do częstotliwości, które odpowiada jednej czwartej długości fali przenoszenia. Częstotliwości leżące poza zakresem częstotliwości znamionowej są tłumione. W przypadku telekomunikacji wykorzystującej światłowody, gdzie nie pojawiają się przepięcia, należy zabezpieczać przede wszystkim zasilacze i urządzenia elektroniczne podłączone do zasilania. Francuska firma CITEL od ponad 70 lat produkuje ograniczniki przepięć, ma ich w ofercie ponad tysiąc typów i jest w stanie zaspokoić prawie wszystkie potrzeby w zakresie ochrony przed przepięciami sieci sygnałowych i niskiego napięcia. Od 2013 roku przedstawicielem na Polskę firmy CITEL jest Jean Mueller Polska Sp. z o.o. 4. Literatura 1. Ograniczniki przepięć 2. Ograniczniki przepięć dla fotowoltaiki i prądu DC =28 3. Ochrona przepięciowa sieci HF Artykuł w formie referatu był prezentowany na XVII Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne i informatyczne Sieci i instalacje zagadnienia wybrane, które odbyło się w Poznaniu w dniach listopada 2014 r. 42