2. Zagrożenie prądami piorunowymi występujące w instalacji elektrycznej niskiego

Transkrypt

1 Krzysztof WINCENCIK DEHN Polska Sp. z o.o. OCHRONA PRZEPIĘCIOWA UKŁADÓW POMIAROWYCH W BUDYNKACH WIELORODZINNYCH Streszczenie. W artykule przedstawiono zagrożenia przepięciowe dla elektronicznych systemów pomiarowych oraz przedstawiono sposób ochrony za pomocą kombinowanych ograniczników przepięć. Zwrócono uwagę na właściwy dobór parametrów ogranicznika oraz konieczność koordynacji energetycznej poszczególnych stopni ochrony. 1. Wstęp Zdalne systemy pomiarowo-rozdzielcze energii elektrycznej pozwalają nie tylko zbierać informację o zużyciu energii elektrycznej przez odbiorców, ale również bilansować energię wytworzoną i pobieraną, co w swojej podstawie zakłada wprowadzany konkurencyjny rynek energii elektrycznej. Do roku 2020 w Europie zainstalowanych zostanie ponad 90 mln inteligentnych liczników wieloletnie programy w tym zakresie zapowiedziano m.in. w Wielkiej Brytanii i we Francji. W regionie APAC planowane inwestycje są jeszcze większe. Do 2015 roku w Chinach zamontowanych zostanie 300 mln liczników, w Japonii 80 mln, a w Indiach w latach mln tych urządzeń [1]. Zebrane od użytkowników dane pomiarowe, gromadzone w koncentratorach, pozwalają na oszacowanie strat technicznych w obszarze sieci nn zasilanym z transformatora SN/nN, a tym samym pozwalają również na oszacowanie z założonym z góry błędem strat handlowych. Na podstawie zebranych danych pomiarowych można również prowadzić kontrolę obciążalności elementów sieci nn i poziomów napięć, a także obliczyć współczynnik asymetrii obciążeniowej. Ze względu na wymaganą niezawodność pracy urządzenia systemów pomiarowo-rozliczeniowych należy objąć ochroną przed przepięciami. Stworzenie warunków zapewniających pewne i bezawaryjne działanie urządzeń elektronicznych wymaga: przeprowadzenia oceny zagrożenia przepięciowego występującego w miejscach ich zainstalowania, porównania poziomów występujących przepięć z dopuszczalnymi poziomami odporności udarowej urządzeń, doboru odpowiednich urządzeń do ograniczania przepięć. 2. Zagrożenie prądami piorunowymi występujące w instalacji elektrycznej niskiego napięcia Układy pomiaru energii mogą być podłączone do sieci elektroenergetycznej: bezpośrednio dotyczy to głównie urządzeń w sieci 400/230 V, półpośrednio połączone przez przekładniki prądowe, pośrednio połączone przez przekładniki prądowe i napięciowe. 30

2 W zależności od układu połączeń, urządzenia mogą być narażone na oddziaływanie części prądu piorunowego oraz wszelkiego rodzaju przepięcia występujących w sieciach elektroenergetycznych różnych napięć. Wyniki rejestracji prowadzonych w sieciach zasilających niskiego napięcia wykazały 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: 300 V 500 V: kilkadziesiąt przypadków, 500 V 1000 V: kilkanaście przypadków, 1000 V 5000 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. Rys. 1. Liczby przepięć, o różnych wartościach szczytowych, występujących w ciągu roku w instalacji elektrycznej zasilającej [5]: 1 małą kotłownię, 2 pokój w budynku, 3 całe piętro w budynku, 4 laboratorium, 5 cały budynek, 6 bank, 7 budynek wiejski W ciągu roku może nawet wystąpić kilka przypadków przepięć o wartościach szczytowych przekraczających 5 kv. Znacznie częściej, w porównaniu z przypadkiem bezpośredniego wyładowania piorunowego, występują przepięcia atmosferyczne indukowane w liniach elektroenergetycznych. 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. Część przepięć wewnętrznych występuje w sieciach średnich napięć. W takim przypadku zagrożenie urządzeń technicznych wynika z możliwości przenoszenia przepięć na stronę niskonapięciową transformatorów energetycznych. Nr

3 3. Ochrona przepięciowa układów pomiarowych energii Stworzenie warunków do pewnego i niezawodnego działania urządzeń systemu pomiarowego wymaga zastosowania ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej oraz liniach przesyłu sygnałów. W przypadku ochrony liczników i koncentratorów umieszczanych w obiektach budowlanych posiadających urządzenia piorunochronne lub koncentratorów w stacjach elektroenergetycznych należy w instalacji elektrycznej zastosować układy ograniczników zapewniających ochronę przed wszelkiego rodzaju przepięciami wewnętrznymi i atmosferycznymi oraz przed rozpływającymi się prądami piorunowymi o wartości szczytowej od 100 ka do 200 ka i kształcie 10/350 μs. Takie wymagania spełniają iskiernikowe ograniczniki przepięć typu 1, które charakteryzuje praktycznie brak prądu upływu podczas normalnych warunków pracy. Napięciowe poziomy ochrony ograniczników powinny być niższe od poziomów wytrzymałości udarowej urządzeń pomiarowych. W typowych rozwiązaniach napięciowy poziom ochrony ograniczników nie powinien przekraczać 1500 V. Rys. 2. Kombinowany ogranicznik przepięć typu 1 w szafie inteligentnego systemu pomiarowego (rozwiązanie czeskie) Ograniczniki powinny być niezawodne w działaniu, proste w montażu, poprawnie współpracować z innymi urządzeniami ograniczającymi przepięcia i zajmować niewiele miejsca. W celu wyeliminowania spadków napięć na przewodach przyłączeniowych wskazane jest zastosowanie ograniczników posiadających podwójne zaciski do montażu w tzw. układzie V. Przykładem takiego ogranicznika mogącego znaleźć zastosowanie dla potrzeb ochrony nowoczesnych elektronicznych systemów 32

4 pomiarowych może być kompaktowy kombinowany ogranicznik przepięć typu 1 pokazany na rysunku 1. Ogranicznik ten zapewnia ochronę przed przepływem części prądu piorunowego przy napięciowym poziomie ochrony mniejszym od 1500 V. Jednocześnie konstrukcja ogranicznika (układ iskiernikowo-warystorowy) gwarantuje koordynację energetyczną z układami wejściowymi liczników (koncentratorów) poprzez ograniczanie energii udaru przechodzącej dalej do instalacji (funkcja falochronu ). Dobierając ograniczniki należy zwrócić szczególną uwagę na możliwości ograniczania prądów następczych występujących po ich zadziałaniu. Optymalnym rozwiązaniem, eliminującym braki zasilania urządzeń systemu pomiarowego, jest stosowanie układów ograniczników ograniczających prądy następcze do wartości poniżej poziomów zadziałania zabezpieczeń nadprądowych stosowanych w instalacji elektrycznej. Prezentowany powyżej ogranicznik przepięć DEHNventil zapewnia selektywną współpracę z bezpiecznikami od 20 A gl/gg do 50 ka prądu zwarciowego I eff. Rys. 3. Kombinowany ogranicznik przepięć typu 1 z wewnętrznym dobezpieczeniem w szafie przyłączeniowej (rozwiązanie czeskie) W przypadku dużych odbiorców, gdzie do tej pory, z uwagi na wielkość zabezpieczeń głównych na szynach zbiorczych rozdzielnicy wymagane było stosowanie dobezpieczenia ograniczników przepięć typu 1, firma DEHN wprowadziła nowy, Nr

5 eliminujący tę niedogodność ogranicznik przepięć typu 1 posiadający wewnątrz obudowy zintegrowany bezpiecznik. Dzięki temu możliwe jest łatwiejsze spełnienie wymogów normatywnych dotyczących maksymalnej długości przewodów łączeniowych oraz znaczna oszczędność miejsca w rozdzielnicy. Ogranicznik przepięć DEHNvenCI łączy w sobie parametry elektryczne znanego ogranicznika kombinowanego DEHNventil uzupełnione o wewnętrzne zintegrowane zabezpieczenie nadprądowe. Dzięki temu w instalacjach elektrycznych, w których spodziewany prąd zwarcia w miejscu zamontowania ogranicznika przepięć nie przekracza 50 ka, nie jest wymagane stosowanie dodatkowego bezpiecznika instalacyjnego. Pozwala to na uzyskanie oszczędności do ok. 75% powierzchni montażowej, czyli istnieje możliwość montażu dodatkowo ok. 30 aparatów jednomodułowych. Dzięki specjalnemu adapterowi możliwy jest montaż ograniczników przepięć DEHNvenCI bezpośrednio na szynie zbiorczej rozdzielnicy, co zapewnia optymalizacje długości wykorzystywanych przewodów oraz pozwala na oszczędność miejsca wewnątrz obudowy. Rys. 4. Listwa pomiarowa Wago z ogranicznikami przepięć z DEHNguard S... VA W układach pomiarowych z przekładnikami, w przypadku przepięć w liniach wysokich napięć, mogą wystąpić również przepięcia o znacznych wartościach, stwarzające zagrożenie dla izolacji urządzeń elektronicznych. Przepięcia przenoszą się ze strony pierwotnej na wtórną droga sprzężeń magnetycznego, elektrycznego i galwanicznego. Sprzężenia powodują, że w miejscu pomiarów mogą wystąpić napięcia udarowe doziemne oraz różnicowe. W takim przypadku można zastosować specjalne listwy pomiarowe wyposażone w ograniczniki przepięć. Przykładem mogą być listwy pomiarowe WAGO LPW wyposażone w układ ochrony przepięciowej 34

6 z wykorzystaniem ograniczników przepięć DEHNguard S... VA. Ograniczniki te posiadają szeregowe połączenie iskiernika z warystorem. Dzięki temu mogą być wykorzystywane wszędzie tam, gdzie wymagana jest eliminacja prądów upływu. Są to na przykład instalacje elektryczne w obszarze przedlicznikowym, w tym także listwy pomiarowe w układach pośrednich i półpośrednich. Ograniczniki te mają wysoką wytrzymałość na prądy udarowe (do 20 ka 8/20), niski napięciowy poziom ochrony oraz wyposażone są w dwustopniową kontrolę stanu wkładki. Szczególną wartość stanowi układ kontrolno-odłączający Thermo-Dynamic-Control, który zapewnia bezpieczne działanie ogranicznika nawet przy ekstremalnych przeciążeniach i niezawodne odłączenie ogranicznika od sieci w chwili uszkodzenia. Ograniczniki DEHNguard S... VA nie wymagają dobezpieczania, jeżeli wartość bezpiecznika znajdującego się w instalacji przed miejscem zainstalowania ogranicznika jest mniejsza niż 100 A. Na uwagę zasługuje również system kodowania wkładki i podstawy, dzięki któremu niemożliwe jest włożenie w podstawę wkładki o innej wartości napięcia niż przewidział producent. 4. Stosowanie ograniczników przepięć na wejściu instalacji elektrycznej do obiektu wytyczne i zalecenia stosowane w Niemczech, Czechach i Słowacji W przypadku stosowania ograniczników przepięć na wejściu instalacji elektrycznej do budynku (przed układem pomiarowym) opracowane zostały w krajach sąsiadujących następujące dokumenty: Überspannungs-Schutzeinrichtungen Typ 1, Richtlinie für den Einsatz von Überspannungs-Schutzeinrichtungen (ÜSE) Typ 1 (bisher Anforderungsklasse B) in Hauptstrom-versorgungssystemen, 2. Auflage, 2004, PNE Umístěni přepěťového ochranného zařízeni SPD typu l (třídy požadavků B) v elektrických instalacích odběrných zařízení účinnost od Na problem ochrony liczników zwraca również uwagę dyrektywa Unii Europejskiej dotycząca przyrządów pomiarowych. W załączniku MI-003 dotyczącym liczników energii elektrycznej w pkt. 4.1 zapisano: Gdy istnieje dające się przewidzieć ryzyko, spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub gdy dominujące są napowietrzne linie zasilające, licznik powinien być zabezpieczony przed zmianą jego charakterystyk metrologicznych. Ograniczniki przepięć (SPD) typu 1 instalowane w obszarze elektrycznej instalacji budynku przed układem pomiarowym (główny system zasilania obiektu) powinny być stosowane tylko wtedy, gdy jest to niezbędne w celu zapewnienia bezpieczeństwa osób i urządzeń do niej przyłączonych. Odpowiednią decyzję podejmuje projektant (wraz ze zleceniodawcą) w uzgodnieniu z właściwym operatorem sieci rozdzielczej. W przypadku operatorów na terenie Niemiec (VDN) zgodnie z zapisem TAB 2007 (punkt 1, ustęp 7) oznacza to, że te urządzenia zabezpieczające nie są wymagane przez operatora sieci rozdzielczej VDN. Nr

7 Podobnie jest w przypadku Czech, gdzie zgodnie z Normą Zakładową o konieczności użycia ogranicznika nie decyduje operator (PDS), lecz projektant urządzenia odbiorczego na podstawie postulatów inwestora (odbiorcy). Zawsze jest jednak wymagana zgoda operatora sieci rozdzielczej (PDS) na umieszczenie i podłączenie ogranicznika oraz na wybór określonego typu ogranicznika. Ograniczniki przepięć (SPD) typu 1 mogą być stosowane w obszarze elektrycznej instalacji budynku przed układem pomiarowym (główny system zasilania obiektu) wówczas, gdy niezbędne są one do zrealizowania działań przewidzianych w normie dotyczącej ochrony odgromowej obiektu w przypadku obszaru Niemiec są to normy serii DIN EN (VDE )2. W każdej takiej sytuacji należy spełnić szczegółowe wymagania operatora dotyczące sposobu montażu oraz rodzaju zastosowanego ogranicznika Dyrektywa VDN oraz norma czeska wymagają, by zastosowanie ograniczników przepięć (SPD) typu 1 w obszarze elektrycznej instalacji budynku przed układem pomiarowym (główny system zasilania w energię elektryczną) nie powodowało podwyższonego poboru prądu przez ograniczniki (SPD) w normalnych warunkach eksploatacji czyli instalowane urządzenia nie mogą w żadnym wypadku powodować powstawania prądów upływu. Oznacza to, że dozwolone jest stosowanie jedynie ograniczników iskiernikowych. Na parametry jakościowe stosowanych do zabezpieczenia instalacji ograniczników przepięć (SPD) zwracają również uwagę przedstawiciele firm ubezpieczeniowych, odpowiedzialnych za wypłaty szkód spowodowanych przez przepięcia. W swoich opracowaniach zrzeszenie towarzystw ubezpieczeniowych działające na terenie Niemiec zauważa, że nie wszystkie oferowane na rynku produkty muszą koniecznie wykazywać identyczne techniczne standardy bezpieczeństwa. Także będące podstawą oceny normy nie zawsze odzwierciedlają miarę bezpieczeństwa technicznego, ponieważ w odpowiednich tekstach określających opisywane są z reguły jedynie minimalne wymagania, które nie zawsze są spełniane przez urządzenia z tzw. najniższej cenowo półki. Samo zainstalowanie w instalacji jakiegoś SPD, w celu formalnego spełnienia zapisów zaleceń norm, bez rzetelnej analizy zagrożeń i doboru ograniczników, może nie zapewnić wymaganego poziomu bezpieczeństwa instalacji i przyłączonych do niej urządzeń. 5. Podsumowanie Stosowanie coraz doskonalszych układów pomiaru energii oraz wzrost wymagań dotyczących ich możliwości stwarza konieczność przeanalizowania ich zagrożenia przepięciowego oraz podjęcie odpowiednich środków ochrony. Zaprezentowane w artykule rozwiązania są przyjazne dla użytkownika, ponieważ podnoszą pewność pracy jego systemu pomiarowego, a jednocześnie ograniczają koszty i czas pracy serwisu. Ograniczniki przepięć z wbudowanym bezpiecznikiem zapewniają też dodatkowe bezpieczeństwo oraz pewność pracy przy projektowaniu i wykonywaniu systemów ochrony przepięciowej w instalacji elektrycznej. 36

8 6. Bibliografia Ochrona przepięciowa 1. Automatyka B2B portal internetowy: Boom na inteligentne liczniki w Europie i Azji. 2. Materiały konferencyjne z międzynarodowej konferencji pt. Bezpieczeństwo i niezawodność nowoczesnych systemów rozliczeniowo-pomiarowych ze zdalnym odczytem i zdalnym monitoringiem parametrów sieci, Serock Materiały konferencyjne z seminarium pt. Bezpieczeństwo i niezawodność nowoczesnych systemów rozliczeniowo-pomiarowych ze zdalnym odczytem i zdalnym monitoringiem parametrów sieci pod kątem unijnych dyrektyw, Warszawa PN-EN :2006 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 11: Urządzenia do ograniczenia przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania i próby. 5. Sowa A., Ochrona urządzeń oraz systemów elektronicznych przed zagrożeniami piorunowymi Rozprawy naukowe Politechniki Białostockiej nr 219, Białystok 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. Nr