Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II

Transkrypt

1 OGRAICZAIE PRZEPIĘĆ W ISTALACJI ELETRYCZEJ Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II Andrzej Sowa Podstawowym zadaniem ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym jest tworzenie warunków do bezawaryjnego działania urządzeń i systemów elektrycznych i elektronicznych. Układy ograniczników przepięć powinny zapewnić ochronę instalacji elektrycznej i urządzeń przed: wszelkiego rodzaju przepięciami dochodzącymi z zewnątrz do obiektu, przepięciami powstającymi w instalacji elektrycznej wewnątrz tego obiektu, bezpośrednim działaniem części prądu piorunowego. Szczególnie ważna jest ochrona urządzeń elektronicznych pracujących w: - niewielkich wolnostojących obiektach do których dochodzą napowietrzne linie elektroenergetyczne niskiego napięcia (np. budynki w których pracują systemy telekomunikacyjne i teleinformatyczne, kontenery z aparaturą sterującą i kontrolnopomiarową), - niewielkich wolnostojących obiektach, które znajdują się obok masztów i wież antenowych ( np. stacje bazowe telefonii komórkowej, stacje radionadawcze, systemy łączności trunkingowej), - w bliskim sąsiedztwie rozdzielnic głównych lub przyłączy. W takich obiektach układy ograniczników przepięć powinny zapewniać ochronę przed bezpośrednim działaniem części prądów piorunowych i ograniczać przepięcia do poziomu poniżej 2500 V lub nawet 1500 V. Dodatkowo urządzenia do ograniczania przepięć powinny być łatwe i proste w montażu oraz zajmować możliwie najmniej miejsca w rozdzielnicy. Ogólne wymagania stawiane układom ograniczników ormy określające zasady ochrony odgromowej obiektów budowlanych [3,4,5,6] zawierają również podstawowe wymagania określające właściwości układów ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym. W analizowanych niedużych obiektach układy ograniczników powinny: ograniczać wartości szczytowe przepięć do poziomów lezących poniżej wytrzymałości udarowej chronionych urządzeń ( w większości przypadków przepięcia powinny być ograniczone do poziomu II lub I kategorii wytrzymałości udarowej poniżej - odpowiednio 2,5kV lub 1,5kV pomiędzy przewodami fazowymi a przewodem ochronnym oraz pomiędzy przewodem neutralnym a przewodem ochronnym), zapewniać ochronę przed prądem piorunowym o wartości szczytowej dochodzącej nawet do 100 ka, być instalowane możliwie najbliżej miejsc wejścia instalacji elektrycznej do obiektu, charakteryzować się napięciem trwałej pracy na poziomie ok.1,1 napięcia fazowego,

2 być proste w montażu i zajmować stosunkowo niewiele miejsca w rozdzielnicy, podczas działania nie wpływać na pracę innych aparatów elektrycznych, być zawsze instalowane za bezpiecznikiem lub za samoczynnym wyłącznikiem, który w razie przepływu nadmiarowego prądu wyłącza te urządzenia, być podłączone do szyny wyrównawczej za pomocą krótkich przewodów, współpracować z ogranicznikami przepięć klasy III lub ami instalowanymi wewnątrz urządzeń, układ ograniczników przepięć klasy I W początkowych rozwiązaniach w dwustopniowych systemach stosowano owe ograniczniki przepięć klasy I o dynamicznych napięciach zapłonu na poziomie 3000 V V i owe ograniczniki klasy II o napięciowym poziomie ochrony ok. 1500V. W takich systemach ograniczania przepięć, zapewnienie wzajemnej koordynacji energetycznej wymaga zachowania kilku-kilkunasto metrowych odległości między układami ograniczników poszczególnych klas oraz między ogranicznikami klasy II i chronionym urządzeniem (rys.1.). układ ograniczników przepięć klasy II Chronione urządzenie L 1 odległość L 1 zapewniająca współdziałanie ograniczników być dobierane odpowiednio do zastosowanego systemu sieci, być tak instalowane, w takich miejscach, aby można je było w sposób ciągły kontrolować, gasić prądy następcze. Jeśli wymagana jest ochrona instalacji przed oddziaływaniem części prądu piorunowego to przedstawione właściwości ochronne powinny posiadać również układy ograniczników instalowane w obiektach bez zewnętrznych instalacji odgromowych. W dalszej części artykułu będą analizowane różnorodne rozwiązania układów ograniczników spełniające powyższe warunki. Typowe układy połączeń ograniczników przepięć klasy I i II L 2 odległość L 2 zapewniająca współdziałanie ograniczników klasy II i chronionego urządzenia Rys.1. Wzajemne rozmieszczenie układów ograniczników klasy I i II oraz chronionego urządzenia Zasadę działania systemu odpowiednio rozmieszczonych układów ograniczników klasy I i II obrazuje rys.2. W celu ogólnego przedstawienia zjawisk zachodzących układach ograniczników omówiony zostanie prosty układ (odwzorowanie odpowiednio ograniczników klasy I i II). Oceniając występujące zagrożenie, przedstawiono zjawiska zachodzące podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w budynek. W takim przypadku prąd piorunowy wpływa do instalacji odgromowej lub do zbrojenia obiektu a następnie do uziomu. Część prądu piorunowego wpływa do połączonego z szyną wyrównywania potencjałów przewodu lub (rys.2a). Ochronę przed prądem piorunowych i ograniczanie przepięć poniżej 1500V zapewniają dwustopniowe systemy układów ograniczników przepięć klasy I i II. Wzrasta potencjał szyny wyrównawczej Tworząc taki system ograniczania przepięć należy zapewnić wzajemną koordynację energetyczną między układami ograniczników poszczególnych klas oraz między ogranicznikami a chronionymi urządzeniami. względem przewodów fazowych aż do chwili zadziałania a. Po zadziałaniu a w układzie następuje zmiana w rozpływie prądu (rys.2b). a u panuje napięcie U i równe sumie napięcia panującego na ze oraz spadków na-

3 pięć na indukcyjności przewodów łączących z em. Po przekroczeniu przez napięcie U i poziomu udarowego napięcia zapłonu a następuje jego zadziałanie (rys.2c). a) część prądu piorunowego W większości obiektów budowlanych takie rozmieszczenie ograniczników może być bez kłopotów zaprojektowane i wykonane. W analizowanych niedużych obiektach zachowanie wymaganych odległości może być bardzo kłopotliwe lub wręcz niemożliwe do realizacji. Dotychczas problem ten rozwiązywano stosując dodatkowe indukcyjności odsprzęgajace pomiędzy układami ograniczników klasy I i II. (rys.3 i 4). indukcyjność b) U w-i U w c) U i-w część prądu piorunowego U i część prądu piorunowego Rys.2. Podział prądu udarowego w dwustopniowym układzie ochrony przepięciowej. a) ograniczniki nie działają, b) działa ogranicznik przepięć klasy II, c) działa ogranicznik przepięć klasy I. Właściwa kolejność działań ograniczników w układzie wymaga zapewnienia odpowiedniego spadku napięcia na indukcyjnościach przewodów, co stwarza wymóg zachowania odpowiedniej odległości pomiędzy ogranicznikami klasy I i II. Analiza wzajemnego współdziałania ograniczników przepięć wskazuje na konieczność zachowania kilku- kilkunasto metrowych odległości pomiędzy układami ograniczników przepięć różnych klas. Rys.3. Koordynacja działania a i a w dwustopniowym układzie ochronnym indukcyjności ograniczniki przepięć klasy I SYSTEM T-C-S ograniczniki przepięć klasy II Rys.4. Typowy dwustopniowy układ ograniczania przepięć przeznaczony do niewielkiego obiektu Rejestracje przebiegów prądów udarowych płynących w poszczególnych ogranicznikach rozdzielonych indukcyjnościami odsprzęgającymi wykazały [1 ], że w owym ograniczniku klasy I popłynie praktycznie cały prąd udarowy. Warystorowe ograniczniki klasy II narażone są na działanie krótkotrwałych udarów prądowych o stosunkowo niewielkich wartościach szczytowych. Przedstawiony skupiony układ ograniczników przepięć zapewnia pewną i niezawodną ochronę przed działaniem prądów udarowych

4 o znacznych wartościach szczytowych i kształtach odwzorowujących prądy piorunowe lub prądy powstające podczas operacji łączeniowych. Pomimo przedstawionych zalet, stosowanie układów z indukcyjnościami odsprzęgającymi napotkało następujące bariery: - duże moce urządzeń instalowanych w niewielkich obiektach stwarzały konieczność stosowania indukcyjności o coraz większej obciążalności prądowej, - wzrost obciążalności prądowej indukcyjności znacznie zwiększał ich gabaryty co stwarzało co utrudniało lub nawet umożliwiało ich montaż. Szerokie znaczenie znalazły jedynie układy z indukcyjnościami odsprzęgającymi o obciążalności prądowej 35 A i 63 A. Układy bez elementów odsprzęgających a) Możliwość wyeliminowania elementów odsprzęgających w dwustopniowych systemach ograniczników przepięć pojawiła się z chwilą wprowadzenia ów o znacznie niższych dynamicznych napięciach zapłonu. Przykład takiego rozwiązania wieloprzerwowy [12,15] -przedstawiono na rys. 5. Przedstawiony wieloprzerwowy ma następujące zalety: szybsze zadziałanie w porównaniu z klasycznym iem, dynamiczne napięcie zapłonu na poziomie 1300V, zapewnia ochronę przed prądami udarowymi 10/350 o wartościach szczytowych do 50 ka. dużą odporność na działanie prądów następczych. ależy zauważyć, że obecnie produkowane są i zapewniające ochronę przed prądami piorunowymi o wartościach szczytowych 25 ka i poziomie ochrony poniżej 1000V [ 13]. Innym rozwiązaniem obniżającym dynamiczne napięcia zapłonu jest zastosowanie dodatkowych układów zapłonowych przyspieszających przeskok pomiędzy elektrodami a. Przykładowe rozwiązania przedstawiono na rys.6a [14] i 6b. Układ sterujący trójelektrodowy Elektroda sterująca b) Układ sterujący 1,2 elektrody główne, 3 pojemności sterującym rozkładem napięć na poszczególnych przerwach, 4 elektrody grafitowe, 5 przeskoki iskrowe (w skali) pomiędzy poszczególnymi elektrodami. Fig.5. Iskiernik wieloprzerwowy pojemnościowym układem sterującym rozkładem napięć na poszczególnych przerwach [12,15] Rys.6. Różnorodne rozwiązania sterowania ami ogranicznika klasy I iestety obniżenie poziomu zapłonu ów powoduje częstsze ich działanie i co może potencjalnie (w zależności od lokalnych pa-

5 rametrów sieci) doprowadzić do skrócenie czasu ich poprawnej pracy. Rozwiązaniem powyższego problemu jest połączenie przedstawionych ograniczników klasy I z ogranicznikami klasy II. iskie dynamiczne napięcia zapłonu ów stwarzają możliwości ich umieszczania obok ów. ie są wymagane dodatkowe elementy odsprzęgajace (rys.7). klasy I klasy II ograniczniki przepięć SYSTEM T-C-S Rys.7. Układy połączeń ograniczników przepięć klasy I i II w instalacjach niewielkich obiektów w przypadku zastosowanie ograniczników klasy I o stosunkowo niewielkich poziomach dynamicznego napięcia zapłonu (900V 1500V). Zastosowanie równoległego połączenia ograniczników klasy I i II powoduje zwiększenie szybkości działania powstałego układu i zmniejszenie liczbę zapłonów ów. Podstawowe właściwości przedstawionych układów do ograniczania przepięć są następujące: 1. Bardzo niskie, dochodzące nawet do 900 V [14] lub 1300V [15], poziomy ograniczania wartości szczytowej napięć i prądów udarowych co stwarza stosunkowo rozległą strefę ochrony. 2. Ochrona przed prądami piorunowymi o wartościach szczytowych 35 ka [14] lub nawet 50 ka [14, 15] na jedno pole (na jedną fazę). 3. Budowanie układów ochronnych z poszczególnych ograniczników różnych klas powoduje, że istnieje możliwość łatwej i taniej wymiany w przypadku uszkodzenia poszczególnych ograniczników. 4. Istnieje możliwość zastosowania w zestawie ograniczników klasy II bez prądów upływu (układ połączony szeregowo z iem). Takie zestawy są najczęściej zalecane do montażu przed licznikiem energii elektrycznej. 5. Wskaźniki uszkodzenie ów w ogranicznikach klasy II [14,15]. 6. Wskaźniki uszkodzenie układów zapłonowych ów w ogranicznikach klasy I [14]. 7. W przypadku uszkodzenia ogranicznika klasy II (a) działa w dalszym ciągu ogranicznik klasy I i układ obniża przepięcia do ok. 900 V [14] lub 1300V [15]. 8. Modułowa budowa umożliwia rozdzielenie układów ograniczników klasy I i II i ich montaż w dowolnym miejscu instalacji 9. Możliwość połączenia szeregowego i równoległego stworzonego układu ograniczników. 10. Przewidywana długa żywotność ów (ograniczniki klasy II) w gałęzi równoległej do ów (ograniczniki klasy I), gdyż są to y na prądy znamionowe 20 ka, 8/20 a w przypadku ich równoległego połączenia z iem płyną przez nie prądy o znacznie mniejszych amplitudach. Stworzony w ten sposób układ ograniczników klasy I i II spełnia przedstawione wymagania ochrony przed prądem piorunowych w niewielkich obiektach. Ograniczniki przepięć klasy I+II Innym, podobnym do przedstawionego na rys.6a, rozwiązaniem jest zastosowanie równoległego połączenia sterowanego a trójelektrodowego z połączonymi szeregowo em, odgromnikiem gazowanym i układem zapłonowym [16,17]. W takim układzie (rys.8) trójelektrodowy, którego zapłon jest sterowany z ga-

6 łęzi równoległej, zapewnia ochronę przed prądami dużych energii i ograniczenie przepięć do poziomu poniżej 1500V. Właściwości stworzonego układu odpowiadają równoległemu połączeniu ogranicznika klasy I i II i w dalszej części będzie on nazywany ogranicznikiem klasy I+II. U ster. Rys.8. Schemat ogólny zasady działania ogranicznika I+II Przedstawione układy sterowanych ów instalowane są w jednej obudowie i łączone odpowiednio do wybranego systemu sieci. Przykładowe rozwiązanie do systemu sieci TT przedstawiono na rys Budowa w postaci jednego bloku, do każdego z systemów sieci. Taka budowa ogranicznika jest zarówno jego zaletą (łatwy montaż), jak i wadą (uszkodzenie dowolnego elementu w układzie wymaga wymiany całego bloku). 2. Poziom ograniczania wartości szczytowej przepięć wynosi ok. 1500V, co zapewnia tylko kilkumetrową strefę ochrony [17]. 3. Ochrona przed prądami piorunowymi o wartościach szczytowych 25 ka (na jedno pole). 4. Wskaźniki uszkodzenie układów zapłonowych ów w ogranicznikach klasy I. W przypadku zastosowania dodatkowego modułu istnieje możliwość odseparowania obwodu sygnalizacyjnego od głównego toru prądu udarowego podczas działania ogranicznika klasy I+II. 5. Ogranicznik może być połączony zarówno równolegle jak i szeregowo. 6. Brak wymagań dotyczących dodatkowych odległości pomiędzy ogranicznikami klasy I+II a ogranicznikami klasy III. Dotyczy to zarówno ograniczników instalowanych jako oddzielne moduły lub montowanych przez producentów wewnątrz urządzeń. 7. Pomimo zastosowania ów nie H1 H2 H3 Rys.9. Schemat ogranicznika przepięć klasy I+II. Wśród podstawowych właściwości przedstawionego ogranicznika klasy I+II należy wymienić następujące: wprowadzają prądów upływu w instalacji elektrycznej (ważne jeśli montaż przed licznikiem energii elektrycznej). 8. Zastosowana metoda gaszenia łuku, nie powoduje przepływu dużych prądów zwarciowych ( do ok. 500A). Takie działanie zapewnia poprawną współpracę ograniczników i bezpieczników (zadziałanie ogranicznika nie powoduje przepalenia wkładek bezpiecznikowych o war-

7 tościach od 32 A) i zapewniona jest ciągłość zasilania urządzeń. Ostatnia uwaga dotyczy tylko prądów zwarciowych. W każdym z przedstawionych rozwiązań przepływ prądu piorunowego o wartości kilku-kilkunastu ka spowoduje przepalenie wkładek bezpiecznikowych. Przedstawione właściwości układów połączeń ograniczników przepięć klasy I i II oraz ograniczników klasy I+II spowodowały, że znalazły one szerokie zastosowanie w instalacjach elektrycznych niewielkich obiektów, w których dotychczas montowano rozbudowane układy ograniczników klasy I i II rozdzielone indukcyjnościami odsprzęgajacymi. LITERATURA 1. Hasse P.: Überspannungsschutz von iederspannungsanlagen. Betrieb elektronischer Gerate auch bei direkten Blitzeinschlagen. TÜV-Verlag, Raab V., Zahlmann P.: Kombi - Ableiter für den Blitz- und Überspannungsschutz. Elektropraktiker 55,2001, 8, s P-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne. 4. P-IEC : 2001, Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. 5. P-IEC Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych. 6. P-IEC : 2001, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne. 7. P-IEC :1999, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi. 8. P IEC , Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Część 1. Wymagania techniczne i metody badań. 9. CEI IEC TS :200, Protection against lightning electromagnetic impulse Part 3: Requirements of surge protective devices (SPDs). 10. Brocke R., oack F., Hasse p., Zahlmen P.: Spark gap lightning current arresters without follow currents ICLP 2000, Greece September Überspannung - Schutzrichtungen der Abforderungsklasse B. Richtlinie für den Einsatz in Hauptstromversorgungssystemen. VWEW Meppelink j., Trinkwald J.: Lightning arresters with spark gap. Requirements and future trends of developing and application. 25 th ICLP, Rodos Lightning and Surge protective Devices. Katalog firmy LEUTRO. 14. Ochrona przed przepięciami TRA- BLECH. Katalog firmy PHOEIX COTACT. 15. TBS Surge protection systems. Katalog firmy OBO Betterman. 16. Überspannungsschutz. Hauptkatalog BLITZPLAER Materiał informacyjny firmy DEH.