Andrzej W. Sowa Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Andrzej W. Sowa Politechnika Białostocka Ochrona przed przepięciami systemów pomiarowych w energetyce Abstrakt: Stworzenie warunków zapewniających pewne i bezawaryjne działanie urządzeń elektronicznych wymaga przeprowadzenia oceny zagrożenia przepięciowego występującego w miejscach ich zainstalowania. Następnie należy porównać poziomy występujących przepięć z dopuszczalnymi poziomami odporności udarowej urządzeń oraz dobrać, jeśli jest to konieczne, odpowiednie urządzenia do ograniczania przepięć. Taki tok postępowania zastosowano przy określaniu wymagań, jakie powinny spełniać urządzenia ograniczające przepięcia dochodzące do układów pomiaru energii elektrycznej. Poniżej przedstawiono podstawowe informacje o przepięciach występujących w instalacjach elektrycznych do 1000 V oraz w sieciach średnich napięć. Zestawiono również wymagane poziomy odporności urządzeń do pomiaru energii i koncentratorów na działanie napięć udarowych. Powyższe informacje wykorzystano do doboru urządzeń ograniczających przepięcia dochodzące do układów pomiaru energii elektrycznej. Szczególną uwagę zwrócono na ochronę przed przepięciami rozbudowanych systemów pomiarowych stosowanych do pomiarów oraz nadzoru nad siecią elektroenergetyczną 230/400 V. 1. Wstęp Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej mogą być podłączone do sieci elektroenergetycznej bezpośrednio, dotyczy to głównie urządzeń w sieci 400/230 V, półpośrednio (połączone przez przekładniki prądowe) lub pośrednio (połączone przez przekładniki prądowe i napięciowe). W zależności od układu połączeń, urządzenia mogą być narażone na oddziaływanie części prądu piorunowego oraz wszelkiego rodzaju przepięcia występujących w sieciach elektroenergetycznych różnych napięć. W rozbudowanych systemach pomiarowych należy dodatkowo zwrócić szczególną uwagę na ograniczanie przepięć dochodzących do przyłączy zasilana i sygnałowych koncentratorów zbierających dane od poszczególnych urządzeń. Poniżej, w celu oceny występującego zagrożenia, przedstawiono krótką charakterystykę przepięć atmosferycznych i łączeniowych występujących w liniach elektroenergetycznych różnych napięć oraz instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym 2. Urządzenia instalowane w obiektach budowlanych W obiekcie budowlanym posiadającym urządzenie piorunochronne instalacja elektryczna i dołączone do niej urządzenia pomiaru energii elektrycznej oraz koncentratory mogą być narażone na bezpośrednie oddziaływanie części prądu piorunowego. Takie zagrożenie występuje podczas bezpośredniego wyładowania pioru- Nr

2 nowego w obiekt budowlany. W takim przypadku do przybliżonego oszacowania rozpływu prądów piorunowych można przyjąć, że połowa prądu piorunowego wpływa do systemu uziomowego obiektu, a pozostała część rozpływa się w instalacjach przewodzących dochodzących do tego obiektu. Ogólny przykład takiego rozpływu prądu piorunowego do uziomu i instalacji przewodzących dochodzących do obiektu przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Ogólny podział prądu piorunowego w przewodzących instalacjach w obiekcie budowlanym Posiadając informacje o instalacjach dochodzących do obiektu można określić prądy płynące w poszczególnych przewodach. Przykładowo na rys. 2. przedstawiono podział prądu w dużym obiekcie budowlanym, w którym pracują wrażliwe urządzenia i systemy elektryczne i elektroniczne, do którego dochodzą: instalacja wodno-kanalizacyjna, instalacja gazowa, instalacja elektryczna (system sieci TN-C), linie telekomunikacyjne. W przedstawionym obiekcie budowlanym, wymagającym zapewnienia I poziomu ochrony odgromowej, przyjęto wystąpienie prądu piorunowego o wartości szczytowej 200 ka i kształcie 10/350. W obiektach niewymagających instalacji piorunochronnej należy uwzględnić możliwość wystąpienia w instalacji elektrycznej dochodzącej do obiektu budowlanego przepięć o wartościach szczytowych uzależnionych od rodzaju sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia. 52

3 8,25 ka otok 33 ka Przewody instalacji elektrycznej Przewodzące elementy ścian obiektu (zbrojenie) Ograniczniki klasy I Strefa 1 33 ka Instalacja elektryczna Odgromniki gazowane Srefa 0 i 0 A B Linie telefoniczne 10 par 10 ka Przewodząca instalacja wodno-kanalizacyjna Przewodząca 33 ka instalacja gazowa X A Rys. 2. Przykładowy rozpływ prądu piorunowego w różnorodnych instalacjach dochodzących do obiektu budowlanego Wyniki rejestracji prowadzonych w sieciach zasilających niskiego napięcia wykazały, że w większości przypadków przepięcia występujące w instalacji elektrycznej do 1000 V mają formę tłumionej sinusoidy lub przebiegi dwuwykładnicze. Na podstawie dostępnych danych można przyjąć, że w ciągu roku w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym wystąpią przepięcia o następujących wartościach szczytowych: V kilkadziesiąt przypadków, V kilkanaście przypadków, V kilka przypadków, ponad 5000 V pojedyncze przypadki. W sieci elektroenergetycznej ułożonej w terenie podmiejskim lub wiejskim liczba przepięć o amplitudach przekraczających 1 kv będzie wielokrotnie większa. W ciągu roku może nawet wystąpić kilka przypadków przepięć o wartościach szczytowych przekraczających 5 kv. Podejmowane są również próby uporządkowania dostępnych wyników i wykreślenia krzywych umożliwiających wyznaczanie liczby przepięć o dowolnej amplitudzie, jakie mogą wystąpić w ciągu roku w instalacji elektrycznej. Przykład takich przebiegów przedstawiono na rys. 1. Otrzymane krzywe wyznaczono uwzględniając różny stopień wystawienia obwodów niskonapięciowych sieci zasilających na działanie impulsów zakłócających. Nr

4 Rys. 3. Krzywe określające liczby przepięć o różnych amplitudach wywołanych w ciągu roku w obwodach sieci zasilającej przez zewnętrzne źródła zakłóceń krzywa A (małe wystawienie na zakłócenia); przepięcia w podziemnych kablach zasilających ułożonych w miastach, krzywa B (wystawienie średnie); przepięcia w biegnących przez tereny podmiejskie kablach podziemnych z dołączonymi odcinkami linii napowietrznych, krzywa C (wystawienie duże); przepięcia w liniach napowietrznych biegnących przez tereny niezabudowane. 3. Urządzenia w stacjach elektroenergetycznych Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej oraz koncentratory pracujące w stacjach transformatorowych narażone są na działanie napięć i prądów udarowych dochodzących z sieci 230/400 V oraz w sposób pośredni na udary występujące w liniach średnich napięć Bezpośrednie wyładowania piorunowe w linie elektroenergetyczne SN W przypadku sieci elektroenergetycznej 230/400 V można w przybliżeniu przyjąć, że zagrożenie jest nie mniejsze niż to, jakie występowało w obiekcie budowlanym. Dodatkowo do stacji dochodzą napięcia/prądy udarowe liniami średniego napięcia. W tym przypadku najgroźniejsze są bezpośrednie wyładowania piorunowe w przewody linii elektroenergetycznej. Do przybliżonej oceny zagrożenia można przyjąć, że impedancja kanału wyładowania jest duża i piorun uderzający w linię jest traktowany jak źródło prądowe podłączone do przewodu ułożonego nad powierzchnią ziemi (rys. 4). 54

5 I/2 I I/2 Rys. 4. Wprowadzenie prądu udarowego do przewodu nad ziemią (symulacja bezpośredniego wyładowania piorunowego w linię) Zakładając, że dla rozpływającego się prądu udarowego wartość impedancji falowej przewodu Z 0 nad ziemią zawiera się pomiędzy Ω, otrzymujemy wartość napięcia I U = Z 0 2 Przykładowo, dla prądu piorunowego o wartości szczytowej I = 40 ka i impedancji falowej linii Z 0 = 400 Ω otrzymujemy U = 8000 kv. Jest to wartość teoretyczna. W rzeczywistych liniach wystąpią przeskoki iskrowe na izolatorach i nastąpi ograniczenie wartości przepięcia atmosferycznego. Poziom ograniczania przepięć uzależniony jest od spadku napięcia na indukcyjności przewodu i rezystancji uziomu słupa, na którym nastąpił przeskok. Częstość wyładowań piorunowych w linię elektroenergetyczną uzależniona jest od jej wymiarów, lokalnej częstości wyładowań piorunowych w analizowanym obszarze oraz ekranujących właściwości otoczenia linii. Dla linii elektroenergetycznej biegnącej w otwartym obszarze częstość wyładowań piorunowych w linię można określić z zależności: N = A N 10 6 g gdzie: A powierzchnia zbierania wyładowań piorunowych [m 2 ], N g roczna częstość wyładowań piorunowych [wyładowanie/km 2 rok]. W przybliżonej analizie można przyjąć: A = 6 H L gdzie: L długość linii [m], H wysokość linii. Przykładowo dla H = 5 m, L = 1000 m, N g = 1,8 wyładowania/km 2 rok otrzymujemy N = 0,054 wyładowania/rok. Nr

6 3.2. Przepięcia indukowane w liniach elektroenergetycznych Znacznie częściej, w porównaniu z przypadkiem bezpośredniego wyładowania piorunowego, w liniach elektroenergetycznych występują przepięcia atmosferyczne indukowane. Mają one najczęściej przebiegi aperiodyczny lub oscylacyjny tłumiony. Przykładowe przebiegi przepięć rejestrowanych w liniach elektroenergetycznych średnich napięć przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Oscylogramy przepięć atmosferycznych indukowanych w równych punktach linii Podobnie jak w przypadku wyładowań bezpośrednich, tworzone są również modele matematyczne kanał z prądem piorunowym linie napowietrzne. Przykład obliczeń przepięcia atmosferycznego indukowanego w linii odległej o 150 m od miejsca wyładowania piorunowego przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Przepięcia atmosferyczne indukowane w różnych punktach linii Uproszczoną zależność określającą wartość szczytową napięcia U indukowanego pomiędzy przewodem a ziemią można przedstawić w postaci: U = 30 H d gdzie: I prąd piorunowy [ka], H wysokość zawieszenia przewodu nad ziemią [m], d odległość pomiędzy przewodem a miejscem uderzenia pioruna [m]. 56 ( ) I

7 Istnieje również możliwość określenia liczby przepięć o danej wartości szczytowej uwzględniając wymiary linii oraz roczną częstość wyładowań piorunowych w analizowanym obszarze. Liczba przepięć wynosi: N i = 1, Ng H L 3,5 + 2,5 log ( c) gdzie N i liczba indukowanych przepięć. Współczynnik c określa redukujący czynnik wprowadzany przez uziemiony przewód neutralny lub ochronny (c = 0, jeśli brak wymienionych przewodów, c = 0,7 lub 0,9 w zależności od uziemiania przewodów). U 3,75 Rys. 7. Napięcia indukowane w linii nad ziemią w funkcji odległości od miejsca wyładowania (linia ciągła H = 5 m, linia przerywana H = 7 m) Przykładowo, wyniki obliczeń uzyskanych przy pomocy powyższej zależności (oznaczenie CC05) przedstawiono rys. 8. Dodatkowo przedstawiono również krzywe proponowane przez innych autorów. Rys. 8. Liczba przepięć o różnych amplitudach wyznaczona dla linii L = 1 km, H = 10 m, N g = 1 Nr

8 3.3. Przepięcia wewnętrzne Stany nieustalone w sieciach elektroenergetycznych powstające podczas nagłych zmian napięcia zasilającego lub konfiguracji układu połączeń poszczególnych elementów w systemie elektroenergetycznym są źródłem tzw. przepięć wewnętrznych. Wśród tych przepięć najczęściej występującymi są: Przepięcia powstające podczas wyłączania i ponownego załączania nieobciążonych linii lub baterii kondensatorów, przerywaniu niewielkich prądów indukcyjnych, likwidacji zwarć przy pomocy szybkich układów automatyki SPS. Przepięcia wywołane nagłymi zmianami obciążenia, zjawiskami rezonansu i ferrorezonansu, niezanikającymi zwarciami jedno- lub dwufazowymi z ziemią. Przepięcia występujące podczas zwarć doziemnych w sieciach elektroenergetycznych. Przepięcia powstające po zadziałaniu układów ochrony przepięciowej wywołane gwałtowną zmianą napięcia i towarzyszący temu przepływ prądów udarowych. Bezpośredni styk przewodów sieci elektroenergetycznej o różnych napięciach. Część z przedstawionych typów przepięć wewnętrznych występuje w sieciach średnich napięć. W takim przypadku zagrożenie urządzeń technicznych wynika z możliwości przenoszenia przepięć na stronę niskonapięciową transformatorów energetycznych Przepięcia w sieciach niskich napięć Ocenę zagrożenia przepięciowego można również przeprowadzić wykorzystując dostępne programy modelujące zjawiska zachodzące w sieci elektroenergetycznej. Przykład takiego postępowania przedstawiono na rys. 9. Rys. 9. Analizowana sieć elektroenergetyczna niskiego napięcia Prąd udarowy o wartości szczytowej 50 ka i kształcie 2/50 wprowadzano do przewodu linii i wyznaczano napięcia względem ziemi odniesienia w różnych punktach linii. Obliczone przebiegi indukowanych napięć oraz podział prądu piorunowego przestawiają rys. 10 i

9 Rys. 10. Napięcia w różnych punktach względem ziemi odniesienia Rys. 11. Prądy płynące w różnych punktach analizowanego systemu Znacznie częściej, w porównaniu z przypadkiem bezpośredniego wyładowania piorunowego, występują w liniach elektroenergetycznych przepięcia atmosferyczne indukowane. Przepięcia atmosferyczne indukowane w liniach napowietrznych nn mają, podobnie jak w liniach SN, najczęściej przebiegi aperiodyczny lub oscylacyjny tłumiony. Przykłady przepięć rejestrowanych w liniach elektroenergetycznych niskich napięć przedstawiono na rys. 12. Rys. 12. Zarejestrowane przebiegi przepięć atmosferycznych w liniach nn Nr

10 Podsumowując, należy stwierdzić, że urządzenia do pomiaru energii i koncentratory zainstalowane w stacjach elektroenergetycznych narażone są na działanie: Przepięć dochodzących z linii nn. Skala zagrożenia może być porównywalna lub większa niż w przypadku obiektów budowlanych zasilanych z linii napowietrznych. Prądów piorunowych dochodzących z linii nn. Napięć i prądów przenoszonych ze strony SN na nn. Dotyczy to głównie skoków potencjałów systemu uziomowego po zadziałaniu urządzeń ograniczających przepięcia dochodzące do transformatora z linii SN. 4. Poziomy odporności udarowej urządzeń stosowanych w systemach pomiarowych Jednym z podstawowych wymagań elektrycznych jest zachowanie odpowiednich właściwości dielektrycznych przy działaniu różnorodnych napięć, jakie mogą wystąpić w naturalnych warunkach. Odwzorowanie występujących zagrożeń uzyskano badając przyłącza zasilające i sygnałowe urządzeń pomiarowych napięciem/prądem udarowym. Zakres badań odporności na działanie napięć lub prądów udarowych najczęściej określają normy dotyczące danego urządzenia lub grupy urządzeń. Ograniczając zakres rozważań tylko do ochrony przed napięciami i prądami udarowymi należy uwzględnić wymagania dotyczące poziomów odporności urządzeń elektrycznych i elektronicznych na działanie: jednokierunkowych (jednobiegunowych) udarów powodowanych przez przepięcia łączeniowe i piorunowe o kształcie 1,2/50 8/20 µs, niepowtarzalnych przebiegów oscylacyjnych tłumionych powstających podczas procesów łączeniowych w liniach zasilających lub sterujących oraz wyładowań atmosferycznych, powtarzalnych szybkich elektrycznych zakłóceń impulsowych o kształcie 5/50 ns (EFT/B ang. Electrical Fast Transient Burst). Szczegółowy opis procedury prowadzenia badań zawarto w normach dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej. Zadaniem tych norm jest ustalenie podstawowych wymagań dotyczących wartości umownych sygnałów zakłócających, ich kształtów oraz metod symulacji narażeń udarowych. Dodatkowo należy spełnić wymagania określające warunki pracy urządzeń w czasie badań oraz kryteria oceny poprawności pracy badanych urządzeń. Wyniki badań odporności urządzenia powinien przedstawić producent w formie dopuszczalnych poziomów zakłóceń dla danych urządzeń oraz wykazu norm, zgodnie z którymi prowadził badania Poziomy odporności udarowej urządzeń do pomiaru energii Badania odporności udarowej liczników energii elektrycznej obejmowały początkowo pomiary napięciem udarowym o wartości szczytowej V oraz kształcie 1,2/50. Wymagany zakres badań liczników zestawiono w tabeli 1. 60

11 Tabela 1. Zakres badań liczników napięciem udarowym Zakres badań Sposób prowadzenia badań Uwagi Badania izolacji torów i izolacji między torami Próby dla poszczególnych torów, które podczas normalnej pracy są odizolowane od innych torów. Zaciski torów niebadanych powinny być połączone z masą. Wspólne próby torów napięciowych i prądowych. W przypadku połączenia obu torów. Napięcie doprowadzane do wspólnego punktu oraz każdego swobodnego końca torów napięciowych. Próba toru prądowego napięcie udarowe połączone pomiędzy każdy z zacisków a masę. Próba toru napięciowego napięcie udarowe połączone pomiędzy każdy z zacisków a masę. Próby torów pomocniczych (przewidywane do zasilania z sieci lub przekładnika) o napięciu wyższym od 40 V. W przypadku wspólnego, połączonego z masą, punktu kilku torów napięciowych. Tory napięciowe i prądowe rozdzielone i każdy ma oddzielną izolację. Próby niezależnie dla każdego toru. Zaciski, które nie są badane powinny być połączone z masą. Próby na takich samych warunkach jak próby torów napięciowych. Badania izolacji torów względem masy Wszystkie zaciski torów elektrycznych licznika połączone. Napięcia udarowe doprowadzane pomiędzy wszystkie tory elektryczne a masę. Do połączonych zacisków elektrycznych należy również połączyć zaciski pomocnicze. Obecnie, uwzględniając wymagania kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń, poszerzono zakres badań odporności udarowej urządzeń do pomiaru energii elektrycznej. Wymagane jest przeprowadzenie pomiarów odporności na działanie: Szybkich elektrycznych zakłóceń impulsowych 5/50 ns tory prądowe i napięciowe (przewód ziemia) 4 kv, tory pomocnicze o napięciu do 40 V 2 kv. Udarów 1,2/50 8/20 tory prądowe i napięciowe 4 kv, tory pomocnicze 1 kv. Przebiegów oscylacyjnych układ wspólny 2,5 kv, układ różnicowy 1,0 kv Poziomy odporności udarowej koncentratorów Poniżej, w tabelach 2 i 3, zestawiono podstawowe informacje dotyczące wymaganych poziomów odporności oporowej przyłączy zasilania oraz sygnałowych urządzeń elektronicznych o podobnym charakterze jak koncentratory (dotyczy to szczególnie normy określającej wymagania dla urządzeń informatycznych). Nr

12 Tabela 2. Wymagane poziomy wytrzymałości na udary 5/50 ns i 1,2/50-8/20 µs przyłączy zasilania prądem przemiennym 62 Urządzenia Urządzenie elektryczne powszechnego użytku PN-EN Urządzenia informatyczne (PN-EN 55024) Przekaźniki pomiarowe i urządzenia zabezpieczające (PN-EN ) Sprzęt pomiarowy, sterujący i laboratoryjny (PN-EN ) Poziomy wytrzymałości urządzeń na udary od strony zasilania napięciem przemiennym Urządzenia powszechnego użytku, narzędzia elektryczne, podobne urządzenia elektryczne udary 5/ V udary 1,2/50 8/ V/1000 V Urządzenia informatyczne udary 5/ V udary 1,2/50 8/ V/1000 V Przekaźniki pomiarowe i urządzenia zabezpieczające do normalnego zastosowania w elektrowniach, stacjach elektroenergetycznych i zakładach przemysłowych. Poziom ograniczania przepięć do 2000 V ± 10% (udary 5/50 ns brak informacji o odporności na udary napięciowo-prądowe). Przyrządy pomiarowe, automatyki i urządzenia laboratoryjne: udary 5/ V udary 1,2/50 8/ V/500 V poziom podwyższony (zastosowanie przemysłowe) udary 5/ V udary 1,2/50 8/ V/1000 V Dla udaru 1,2/50 8/20 podano poziomy odporności pomiędzy przewodami: fazowym i neutralnym a przewodem ochronnym / przewodami fazowymi oraz między przewodami fazowymi a przewodem neutralnym. Tabela 3. Poziomy odporności na działanie udarów 5/50 ns i 1,2/50 8/20 µs przyłączy sygnałowych urządzeń elektrycznych i elektronicznych Urządzenia Urządzenia powszechnego użytku, narzędzia elektryczne i podobne urządzenia elektryczne (PN-EN ) Urządzenia elektroniczne w ośrodkach innych niż telekomunikacyjne (PN-ETSI EN ) Urządzenia informatyczne (PN-EN 55024) Sprzęt pomiarowy, sterujący i laboratoryjny (PN-EN ) Poziomy odporności udarowej Przyłącza przewodów sygnałowych i sterowania badania na działanie udarów 5/50 ns o wartości szczytowej 500 V Przyłącza dla linii sygnałowych prowadzonych na zewnątrz budynku: udary 5/50 ns ± 500 V, udary 10/ V. Przyłącza dla linii sygnałowych instalowanych w budynku: udary 5/50 ns ± 500 V, udary 1,2/50 8/ V. Przyłącza sygnałowe i przyłącza teletransmisyjne: udary 5/50 ns ± 500 V, udary 1,2/50 8/ V. Przyrządy pomiarowe, automatyki i urządzenia laboratoryjne: udary 5/ V poziom podwyższony (zastosowanie przemysłowe) udary 5/ V udary 1,2/50 8/ V Podsumowując przedstawione informacje należy stwierdzić, że jeśli nie wystąpią specjalne zalecenia, to należy ograniczyć przepięcia dochodzące do przyłączy koncentratorów do poziomów leżących poniżej:

13 2000 V/1000 V przyłącza zasilania, 500 V przyłącza sygnałowe. 5. Ograniczanie przepięć dochodzących do urządzeń stosowanych w systemach pomiarowych Ograniczanie przepięć do poziomów leżących poniżej poziomów wytrzymałości udarowej zapewniają urządzenia ograniczające przepięcia instalowane w instalacji elektrycznej oraz systemach przesyłu sygnałów. Typowe układy połączeń ograniczników przepięć przedstawiono na rys. 13. PEN L1 L2 L3 N PE L1 L2 L3 N PE A A TN-C-S B TN-S B N L1 L2 L3 N N L1 L2 L3 N TT TT L1 L2 L3 L1 L2 L3 N Przerwa lub Przerwa lub IT IT Rys. 13. Układy połączeń ograniczników klasy I w różnych systemach sieci Nr

14 W przypadku instalowania urządzeń do pomiaru energii w stacji elektroenergetycznej SN/nn lub w obiekcie z urządzeniem piorunochronnych będą to ograniczniki przepięć typu I (badane zgodnie z wymogami testów klasy I), które zapewniają ochronę przed wszelkiego rodzaju przepięciami oraz przed bezpośrednim oddziaływaniem części prądu piorunowego. W celu eliminacji prądów upływu zalecane jest stosowanie iskiernikowych urządzeń ograniczających przepięcia. W obiektach budowlanych, w których zainstalowano urządzenia ograniczające przepięcia typu I, należy sprawdzić poziomy ograniczania przepięć przez te urządzenia i ewentualnie uzupełnić system ograniczania przepięć w celu ograniczanie przepięć do wymaganych poziomów. W przypadku braku zagrożeń stwarzanych przez oddziaływanie prądów piorunowych należy rozważyć ochronę tworzoną przez układy ograniczników typu II (klasy II). W celu eliminacji prądów upływu mogą to być ograniczniki zawierające szeregowe połączenie iskiernika i warystora. W przypadku koncentratorów należy sprawdzić rodzaj zastosowanych systemów przesyłu sygnałów i dobrać odpowiednie urządzenia ograniczające przepięcia. 6. Ograniczanie przepięć w systemach przesyłu sygnałów Typowe elementy wykorzystywane do ograniczania przepięć w systemach przesyłu sygnałów oraz ich podstawowe parametry zestawiono w tabeli 4. Tabela 4. Zestawienie podstawowych parametrów charakteryzujących elementy zabezpieczające Element Dioda zabezpieczająca Warystor Odgromnik Parametr Oznaczenie graficzne Charakterystyka U/I asymetryczna symetryczna symetryczna Poziom ochrony 6 V 190 V 20 V 2000 V 65 V V Prąd udarowy (8/20) do 1 ka do 25 ka do 60 ka Pochłaniana energia do 1 J do 1800 J do 60 J Obciążenie stałe do 1 W do 2 W 800 WW (1s.) Czas odpowiedzi < 10 ps < 25 ns zależy od du/dt Pojemność 300 pf pf 40 pf pf 0,5 pf 7 pf Dopuszczalne zmiany ± 5%, ± 10% ± 10 % ± 15 % zakresu ochronnego Prąd upływu < 5 μa < 0,2 ma < 15 na Zakres temperatur -65 C +175 C -40 C +125 C -55 C +130 C Jeśli oddzielne użycie pojedynczych elementów ochronnych nie zapewnia dostatecznego poziomu ochrony przed przepięciami, to należy zastosować układy zabezpieczające. Łączenie elementów ochronnych w układy umożliwia zsumowanie ich ochronnych zalet i wyeliminowanie niepożądanych efektów związanych z ich oddzielnym zastosowaniem. 64

15 Typowy układ ograniczający przepięcia składa się z pojedynczych elementów zabezpieczających połączonych elementami wzdłużnymi, nazywane również elementami odsprzęgającymi. Tworząc system ograniczania przepięć można wykorzystać przedstawione poniżej etapy postępowania (tabela 5.). Tabela 5. Etapy postępowania przy doborze układu ograniczającego przepięcia w systemach przesyłu sygnałów Etap Zakres działań Źródło informacji 1 Określenie odporności portów sygnałowych urządzeń na działanie udarów dochodzących z linii przesyłu sygnałów. 2 Określenie podstawowych danych charakteryzujących znamionowe warunki pracy urządzenia. Wyniki badań prowadzonych przez producenta. Dane znamionowe chronionego systemu. 3 Określenie stopnia zagrożenia udarowego urządzenia. Normy i zalecenia. 4 Wstępne określenie właściwości urządzeń ochrony przepięciowej. 5 Określenia liczby stopni ochronnych w torze przesyłu sygnałów. 6 Określenie maksymalnych dopuszczalnych napięć sygnałów roboczych U NS i wybór układu ochrony przepięciowej o trwałym napięci pracy U C spełniającym warunek U C U NS 7 Określenie sposobu przesyłu sygnałów (napięcie znamionowe niesymetryczne w układzie przewód przewód lub napięcie znamionowe symetryczne w układzie przewód ziemia ) i dobranie odpowiedniego układu ochronnego. 8 Określenie maksymalnego prądu roboczego występującego w systemie przesyłu sygnałów I NS i wybór układu ochrony przepięciowej o prądzie znamionowym I NO spełniającym warunek I NO I NS 9 Określenie znamionowej częstotliwości sygnałów f NS w analizowanym systemie i porównanie z częstotliwością znamionową f NOGR lub graniczną f GRAN ogranicznika. Układ powinien spełniać warunek f NS f NOGR f NS f GRAN 10 Wybór układu posiadającego dodatkowe impedancje odprzęgające Producent chronionych urządzeń. w przypadku ochrony urządzenia, w którym wejścia sygnałowe posiadają własne elementy ochronne (np. fabrycznie zamontowane warystory lub diody). 11 Porównanie wartości elementów odsprzęgających zastosowanych w układzie ogranicznika z wartościami dopuszczalnymi w danej linii przesyłu sygnałów. 12 Wybór sposobu montażu i uziemiania ogranicznika przepięć Instrukcje montażowe ograniczników. 13 Ocena poprawności połączeń ograniczników przepięć w torze sygnałowym i w instalacji elektrycznej. Schematy instalacji elektrycznej. Nr

16 7. Zakończenie W przypadku konieczności zapewnienia pewnego i niezawodnego działania urządzeń systemów pomiaru energii elektrycznej (koncentratory i liczniki energii elektrycznej) należy, dobierając urządzenia ograniczające przepięcia w instalacji elektrycznej, uwzględnić przedstawione poniżej wymagania. W przypadku ochrony urządzeń zainstalowanych w stacjach elektroenergetycznych lub obiektach budowlanych posiadających urządzenie piorunochronne układy urządzeń ograniczających przepięcia powinny zapewnić ochronę przed działaniem prądu piorunowego o wartości szczytowej dochodzącej do 100 ka i kształcie 10/350 µs. Takie wymagania spełniają urządzenia ograniczające przepięcia typu 1 (badane zgodnie z wymaganiami klasy I). Urządzenia ograniczające przepięcia powinny wytrzymać przepływ prądów następczych o wartościach, jakie mogą wystąpić w sieci elektroenergetycznej SN/nn lub nie dopuścić do wystąpienia tych prądów. Powinny być niezawodne, proste w montażu i zajmować niewiele miejsca. W celu wyeliminowania spadków napięć na przewodach przyłączeniowych, urządzenia ograniczające przepięcia powinny mieć podwójne zaciski do montażu w tzw. układzie V. Układy urządzeń ograniczających przepięcia powinny ograniczać wartości prądów następczych do wartości poniżej poziomów zadziałania zabezpieczeń nadprądowych stosowanych instalacji elektrycznej. W celu ograniczenia prądów upływu zalecane jest stosowanie iskiernikowych urządzeń ograniczających przepięcia. Napięciowe poziomy ochrony układów urządzeń do ograniczania przepięć powinny być niższe od poziomów wytrzymałości udarowej chronionych urządzeń. Charakteryzować się napięciem trwałej pracy na poziomie ok. 1,1 napięcia fazowego. Współpracować z układami warystorów, jakie mogą być stosowane przez producentów urządzeń elektronicznych. Posiadać obudowane iskierniki (podczas działania gazy nie są wyprowadzane na zewnątrz ograniczników). W obiekcie budowlanym należy skoordynować dobór urządzeń ograniczających przepięcia z urządzeniami już zainstalowanymi w instalacji elektrycznej. W przypadku ochrony przyłączy sygnałowych należy dokładnie określić warunki znamionowe i poziomy odporności udarowej i dobrać odpowiednie urządzenia ograniczające przepięcia. 8. Literatura 1. PN-86/E-05003/01 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne. 2. PN-IEC :2001 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. 66

17 3. PN-IEC :2002 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych. 4. PN-IEC :2001 Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne. 5. PN-IEC/TS :2003 Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Część 3. Wymagania urządzeń do ograniczania przepięć (SPD). 6. PN-IEC :2001 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Część 1: Wymagania techniczne i metody badań. 7. PN-EN :2002 (U) Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 11: Urządzenia do ograniczenia przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania i próby. 8. PN-EN :1999 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Wymagania dotyczące przyrządów powszechnego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń. 9. PN-EN 55024:2000 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Urządzenia informatyczne. Charakterystyka odporności. Metodyka pomiaru i dopuszczalne poziomy. 10. PN-EN :1998 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Metody badań i pomiarów. Badania odporności na serie szybkich zakłóceń impulsowych (oraz poprawki PN-EN : 1999/A1: 2003, PN-EN : 1999/A2: 2003). 11. PN-EN :1998 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Metody badań i pomiarów. Badania odporności na udary (oraz poprawka PN-EN : 1998/A1:2003). 12. PN-EN :1999 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Metody badań i pomiarów. Badania odporności na przebiegi oscylacyjne. Podstawowa publikacja EMC. 13. PN-EN :2002 (U) Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) Część 6-1: Normy ogólne Wymagania dotyczące odporności w środowisku mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym. 14. PN-EN :2002 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) Część 6-2: Normy ogólne Wymagania dotyczące odporności w środowisku przemysłowym. 15. PN-EN :2000 Wymagania bezpieczeństwa elektrycznych przyrządów pomiarowych, automatyki i urządzeń laboratoryjnych. 16. PN-EN :2003 (U) Przekaźniki energoelektryczne. Część 22-4: Badania odporności na zakłócenia elektryczne przekaźników pomiarowych i urządzeń zabezpieczających. Badania odporności na szybkozmienne zakłócenia przejściowe. 17. PN-EN :2003 (U) Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach niskiego napięcia Część 1: Zasady, wymagania i badania. Nr

18 18. PN-IEC :1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi. 19. PN-IEC :2003 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Urządzenia do ochrony przed przepięciami. 20. PN-EN :2006 Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej (prądu przemiennego). Wymagania ogólne, badania i warunki badań. Część 11. Urządzenia do pomiarów. 21. PN-EN :2006 Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej (prądu przemiennego). Wymagania szczegółowe. Część 21. Liczniki statyczne energii czynnej (klas 1 i 2). 22. PN-EN :2006 Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej (prądu przemiennego). Wymagania szczegółowe. Część 22. Liczniki statyczne energii czynnej (klas 0,2s i 0,5S). 23. PN-EN :2006 Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej (prądu przemiennego). Wymagania szczegółowe. Część 23. Liczniki statyczne energii biernej (klas 2 i 3). 24. PN-93/E Liczniki energii elektrycznej. Liczniki indukcyjne energii czynnej prądu przemiennego klasy 0,5, 1, PN-E Liczniki energii elektrycznej. Liczniki indukcyjne energii biernej klasy Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke VDEW e.v.: Überspannungsschutzeinrichtungen der Anforderungsklasse B. Richtlinie für den Einsatz in Hauptstromversorgunssystemen. 27. Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke VDEW e.v. Technische Anschlussbedingungen für den Anschluss an das Niederspannungsnetz. Artykuł wpłynął 20 września 2013 r. 68