Andrzej Balcerzak 1. Wstęp URZĄDZENIA DO OGRANIZANIA PRZEPIĘĆ W SIEIAH ROZDZIELZYH NISKIEGO NAPIĘIA Interpretacja kontrowersyjnych pojęć i definicji Zasady doboru parametrów technicznych do warunków pracy w sieci (artykuł dyskusyjny) W ciągu ostatnich dziesięciu lat nastąpił szybki rozwój w dziedzinie produkcji i stosowania urządzeń ochrony przepięciowej w sieciach niskiego napięcia. Wynika to między innymi z powszechnego obecnie stosowania u odbiorców energii urządzeń elektronicznych. Większość uszkodzeń komputerów, modemów układów do przetwarzania danych i mikroprocesorowych układów sterowania powodowana jest przepięciami występującymi w sieci. Zwiększyła się również znacznie liczba dokumentów normalizacyjnych krajowych i międzynarodowych. Zawierają one nie zawsze jednoznacznie określone pojęcia i definicje co powoduje nieraz trudności w prawidłowej interpretacji zawartych w nich postanowień. elem niniejszego opracowania jest omówienie parametrów urządzeń ochronnych i podstawowych pojęć i definicji występujących w tych dokumentach, a następnie podanie zasad wyboru parametrów technicznych urządzeń do ograniczania przepięć odpowiednio do przewidywanych warunków pracy w sieci. 2. Podstawowe pojęcia i definicje Najwyższe napięcie sieci (U m) jest to najwyższa wartość skuteczna napięcia między- przewodowego jakie może wystąpić w sieci w normalnych warunkach w dowolnym 1 miejscu i czasie. Pojęcie nie wymaga komentarza. Najwięcej wątpliwości i nieporozumień wywołują określenia napięcia trwałej pracy i napięcia znamionowego ogranicznika czy też urządzenia do ograniczania przepięć (SPD) w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Do niedawna podstawowymi normami przedmiotowymi dotyczącymi ograniczników przepięć były: PN-IE 99-1:1993 Ograniczniki przepięć - Iskiernikowe zaworowe ograniczniki przepięć do sieci prądu przemiennego [1]; PN-IE 99-4:1993 Ograniczniki przepięć - Beziskiernikowe zaworowe ograniczniki przepięć z tlenków metali do sieci prądu przemiennego [2]. Normy te mają zastosowanie zarówno do ograniczników wysokiego jak i niskiego napięcia. Już wprowadzenie normy na ograniczniki beziskiernikowe (PN-IE 99-4:1993) i powszechne zastępowanie w eksploatacji ograniczników iskiernikowych przez ograniczniki beziskiernikowe z tlenków metali spowodowało pewne zamieszanie we właściwym rozumieniu i interpretacji pojęcia i definicji napięcia znamionowego. Autor doc. dr inż. Andrzej Balcerzak przez wiele lat kierował Zakładem Wysokich Napięć i Pracownią Odgromników Instytutu Elektrotechniki, oraz przewodniczył Komisji Normalizacyjnej PKN do spraw odgromników 1 Będzie potrzebne przy omawianiu zasad doboru 64
Według PN-IE 99-1:1991 [1]: cytuję: 2.8 Napięcie znamionowe ogranicznika (U r ) Najwyższa dopuszczalna wartość skuteczna napięcia o częstotliwości sieciowej między zaciskami ogranicznika, przy której jest zapewnione jego poprawne działanie. Napięcie to może być doprowadzone do zacisków ogranicznika w sposób ciągły bez powodowania zmian jego charakterystyk działania. koniec cytatu. Według PN-IE 99-4:1993 [2]: cytuję: 2.8 Napięcie znamionowe ogranicznika (U ) r Najwyższa dopuszczalna wartość skuteczna napięcia o częstotliwości sieciowej między zaciskami ogranicznika, przy której jest zapewnione jego poprawne działanie 2 w warunkach chwilowego przepięcia tak jak to określono w próbach działania, patrz 7.5. Napięcie znamionowe jest wykorzystywane jako parametr odniesienia do określe- 3 nia charakterystyk działania. UWAGA - Napięcie znamionowe zdefiniowane w niniejszej normie jest 10-sekundowym napięciem o częstotliwości sieciowej stosowanym w próbie działania, po udarach prądu granicznego lub długotrwałych. Badania służące do ustalenia napięcia znamionowego opisane w IE 99-1, jak również w niektórych normach narodowych wymagają powtarzalnego przykładania udarów prądu znamionowego jednocześnie z przyłożeniem napięcia o częstotliwości sieciowej. Zwraca uwagę fakt, że te dwie metody stosowane do ustalenia wartości znamionowej niekoniecznie dają w wyniku równoważne wartości. (Rozwiązanie tej nieścisłości jest w fazie opracowywania). 2.9 Napięcie trwałej pracy ogranicznika (U ) Napięcie trwałej pracy jest to określona dopuszczalna wartość skuteczna napięcia o częstotliwości sieciowej, która może być trwale przyłożona między zaciski ogranicznika. koniec cytatu. Ponieważ w eksploatacji znajdują się wciąż ograniczniki iskiernikowe, a obydwa wyżej wymienione dokumenty są normami do stosowania, należy zwrócić uwagę na zasadniczą różnicę w znaczeniu pojęcia napięcie znamionowe dla ograniczników iskiernikowych i beziskiernikowych: Napięcie znamionowe ogranicznika iskiernikowego w świetle normy PN-IE 99-1 jest to najwyższa wartość napięcia przemiennego przy której ogranicznik zapewnia w pełni poprawne działanie. Napięcie to może być doprowadzone trwale do ogranicznika iskiernikowego, jednak nie może być przekroczone w warunkach eksploatacji nawet przez bardzo krótki okres czasu. Napięcie znamionowe ogranicznika beziskiernikowego w świetle normy PN-IE 99-4 jest umowną wartością napięcia probierczego stosowanego w próbie działania ogranicznika. Określa poprawne działanie w zdefiniowanych warunkach przepięcia dorywczego. Napięcie to nie może być doprowadzone trwale do ogranicznika beziskierni- 2 Według aktualnej nomenklatury - przepięcia dorywczego (temporary overvoltage) (przyp. A.B.) 3 Obecnie, zgodnie z PN-IE 61643-1: 2000 r. jako parametr odniesienia stosowane jest największe napięcie trwałej pracuj U c (przyp. A.B.) Nr 44 65
kowego w warunkach eksploatacji, a podstawowym parametrem technicznym ogranicznika beziskiernikowego jest napięcie trwałej pracy, które może być trwale doprowadzone do zacisków ogranicznika w eksploatacji. Napięcie to może być przekroczone krótkotrwale, przy czym wartość podwyższonego napięcia i dopuszczalny czas jego trwania określa podawana dla każdego typu ogranicznika charakterystyka wytrzymałości na przepięcia wolnozmienne (zwykle napięcie to może być przekroczone o ok. 30% w czasie nie przekraczającym 10 s). Opracowany i wprowadzony do stosowania dokument normalizacyjny: PN-IE 61643-1: 2000 r., Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania techniczne i metody badań (IE 61643-1:1998+A:1998, IDT) stał się aktualnie podstawową normą dla urządzeń do ograniczania przepięć w sieciach niskiego napięcia. Według PN-IE 61643 cytuję: 3.11 Największe napięcie trwałej pracy U Największa wartość skuteczna napięcia przemiennego lub największa wartość napięcia stałego jakie może być w sposób trwały doprowadzane do gałęzi ochrony 4 SPD. Jest ono równe napięciu znamionowemu koniec cytatu. Tak więc w świetle normy PN-IE 61643-1: 2000 r. urządzenie do ograniczania przepięć w sieciach niskiego napięcia charakteryzuje się najwyższym napięciem trwałej pracy U, które może być traktowane jako napięcie znamionowe. Przestaje więc obowiązywać dla tych urządzeń odrębne pojęcie napięcia znamionowego różniącego się wartością od U W praktyce nadal jeszcze istnieje możliwość nieporozumień dotyczących napięcia znamionowego, jeżeli odniesie się właściwości urządzenia do różnych norm (PN-IE 99-1, PN-IE 99-4 lub PN-IE 61643). Należy zwrócić uwagę iż formalnie nazwa urządzenie do ograniczania przepięć (SPD) dotyczy urządzeń ochronnych niskiego napięcia objętych tą normą a nazwa ogranicznik przepięć dotyczy urządzeń ochronnych objętych normami PN-IE 99-1 oraz PN-IE 99-4. Innym istotnym dokumentem funkcjonującym w Polsce i dotyczącym stosowania ograniczników niskiego napięcia jest opracowanie: OHRONA SIEI ELEKTROENERGETYZNYH OD PRZEPIĘĆ Wskazówki wykonawcze. zęść II. Sieci o napięciu znamionowym 230/400 V Wydane przez Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej w 1999 r. Zawarte w nim sformułowania i wymagania dotyczące granicznego prądu wyładowczego oraz wartości trwałego napięcia pracy są w świetle wymagań normy PN-IE 61643-1 oraz stosowanych obecnie zasad ochrony nieaktualne. Wskazówki wymagają np. aby napięcie trwałej pracy U c ogranicznika w sieci niskiego napięcia było nie mniejsze niż 500 V, tymczasem PN-IE 61643-1 podaje cały szereg zalecanych wartości napięcia trwałej pracy, dając użytkownikowi szeroką możliwość wyboru. Definicja granicznego prądu wyładowczego jest zbędna gdyż w świetle PN-IE 61643-1 wytrzymałość na przepływ prądów udarowych piorunowych określana jest w inny sposób. Wskazówki te, będące roboczym dokumentem dla szerokiej rzeszy energetyków wymagają pilnej nowelizacji dla dostosowania ich do wymagań normy PN-IE 61643-1 i do współczesnych zasad ochrony przeciwprzepięciowej. Z inicjatywą taką wystąpił już Instytut 4 Wytłuszczenie przez A.B. 66
Energetyki do Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej. Zakłada się że zostaną one znowelizowane w I półroczu 2002. Podsumowanie Wyżej przytoczone cytaty i komentarze do nich mają na celu pokazać wybiórczo na jakie trudności w interpretacji wymagań może napotkać użytkownik urządzeń do ochrony od przepięć jeżeli właściwości urządzeń odnoszone są przez producentów i dostawców do różnych dokumentów normalizacyjnych. Aktualnie jedyną normą której postanowienia powinny być stosowane dla urządzeń do 5 ograniczania przepięć SPD jest norma PN-IE 61643-1 [3]. Jest to norma bardzo obszerna, obejmująca swoim zakresem zarówno urządzenia stosowane przez energetykę w sieci rozdzielczej niskiego napięcia jak i szeroki wachlarz typów urządzeń stosowanych do selektywnej ochrony wielostopniowej w instalacjach budynków. Dokumentem uzupełniającym jest norma międzynarodowa (w fazie zatwierdzania) IE 61643-12 Ed. 1: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Part 12: Selection and application principles (FDIS). Jest to również norma bardzo obszerna (120 stron). Te obszerne dokumenty są niezbędne dla konstruktorów i producentów oraz laboratoriów przeprowadzających badania i wydających atesty na wyroby, określają bowiem zakres koniecznych prób i badań, metody ich prowadzenia oraz stawiają wymagania na parametry techniczne różnorakich urządzeń do ochrony od przepięć w sieciach niskiego napięcia. Normy te odnoszą sie zarówno do układów ochrony przeciwprzepieciowej w instalacjach budynków i tu zwykle poszczególne przypadki rozpatrywane są indywidualnie pod katem potrzeb odbiorcy energii jak i do urządzeń instalowanych w sieci energetycznej. Jedynie niewielka część tych dokumentów będzie bezpośrednio przydatna energetyce. Dla zastosowania w sieci energetycznej niskiego napięcia urządzeń do ochrony od przepięć (SPD), nie ma potrzeby studiowania i analizowania tych dokumentów. Należy posiadać umiejętność rozsądnego i prostego wyboru parametrów eksploatacyjnych urządzenia ochronnego w zależności od parametrów sieci w której urządzenie ma być zainstalowane (energetyka stosuje w sieci rozdzielczej niskiego napięcia w zasadzie jedynie SPD typu ograniczającego napięcie). 3. PODSTAWOWE ZASADY DOBORU PARAMETRÓW URZĄDZEŃ DO OHRONY OD PRZEPIĘĆ W SIEI ROZDZIELZEJ NISKIEGO NAPIĘIA Dla dokonania wyboru SPD należy rozpatrzyć jego trzy główne parametry elektryczne: napięcie trwałej pracy Uc napięciowy poziom ochrony Up zdolność pochłaniania energii Ponadto powinno się znać konfigurację sieci niskiego napięcia i stosowany system uziemień. Istnieje szereg metod zapewnienia połączeń z ziemią w sieciach niskiego napięcia. Poniżej podano różne systemy i związane z nimi znormalizowane oznaczenia. Każdy z systemów jest oznaczony kodem literowym, gdzie: - T: bezpośrednie połączenie z ziemią - N: neutralny - : kombinowany - S: oddzielony TN-S sieć zasilająca ma połączenie przewodu neutralnego z przewodem uziemiającym jedynie przy transformatorze zasilającym (rysunek 1 a); 5 Poprawna nazwa dla dawnego określenia ogranicznika przepięć niskiego napięcia. Nr 44 67
TN- przewody neutralny i uziemiający są wspólne (PEN) i uziemione przy transformatorze lub blisko niego (rysunek 1 b); TN--S przewód neutralny jest uziemiony przy transformatorze i w innych punktach sieci (rysunek 1 c); TT punkt neutralny transformatora jest bezpośrednio uziemiony, a instalacja odbiorcy jest uziemiona przy pomocy odrębnego uziomu (rysunek 1 d); IT w tym układzie nie ma bezpośredniego połączenia czynnych części sieci z ziemią, a uziemione są dostępne części przewodzące elementów instalacji (rysunek 1 e). Na rysunku 1 podano również typowe rozmieszczenie ograniczników (SPD). W niektórych specjalnych przypadkach ograniczniki mogą być również instalowane pomiędzy przewodami faza-faza. a) b) c) d) e) Rysunek 1. Typowe gałęzie ochrony w sieci trójfazowej niskiego napięcia Oznaczenia: A - ochrona transformatora Tr, K - kadź transformatora, R - uziemienie SPD, o - SPD (ogranicznik), B - ochrona przyłącza, Rn - uziemienie punktu neutralnego transformatora, Rs - uziemienie ochronne stacji. 68
3.1. Dobór Uc Największe napięcie trwałej pracy Uc powinno być dobrane z uwzględnieniem najwyższego napięcia sieci (U m) i powinno być nie mniejsze od najwyższego napięcia mogącego wystąpić w miejscu zainstalowania ogranicznika: U ³U / m dla SPD włączonych między fazę a przewód neutralny U ³U m dla SPD włączonych faza-faza lub między fazę a przewód uziemiający Jako napięcia znormalizowane (zalecane) dla sieci 220/380 V oraz 240/400 V można proponować następujące wartości Uc: - U = 280 V dla ochrony faza-przewód neutralny oraz przewód neutralny-ziemia (układy TT i TN) - U = 440 V dla ochrony faza-faza (układy TT, TN, TI) - U = 440 V dla ochrony faza-przewód neutralny oraz przewód neutralny-ziemia (układ TI) SPD o takich parametrach pokrywają praktycznie wszystkie mogące wystąpić w sieci 6 niskiego napięcia zagrożenia przepięciami dorywczymi, zapewniając jednocześnie wymagany poziom ochrony. 3.2. Dobór wytrzymywanej energii Zdolność pochłaniania energii przez SPD jest w zasadzie zdefiniowana przez znamionowy prąd wyładowczy I n i przez prąd impulsowy I imp dla ograniczników klasy I lub przez I max dla ograniczników klasy II. Typowymi wartościami znamionowego prądu wyładowczego dla klasy II są 5 ka i 10 ka. Jak wynika z danych statystycznych ponad 90% prądów pioruna ma wartość nie większą niż 60 ka. W sieci napowietrznej niskiego napięcia uderzenie pioruna w linię skutkuje zwykle porażeniem wszystkich trzech faz z uwagi na małe odległości między przewodami. Zakładając iż prąd pioruna rozpływa się w trzech fazach w obu kierunkach, prąd pioruna może być w pierwszym przybliżeniu podzielony przez 6. Tak więc dla ponad 90% przypadków bezpośredniego uderzenia pioruna w linie prąd w ograniczniku jest nie większy niż 10 ka. SPD klasy II o prądzie: I n = 5 ka oraz I max = 15 ka powinien zadawalająco pełnić swą rolę ochronną w sieci niskiego napięcia. W rejonach o dużym zagrożeniu burzowym (wysoki poziom izocerauniczny) można zalecać stosowanie SPD klasy II o prądzie: I n = 10 ka oraz I max = 40 ka Szczególne przypadki gdy ograniczniki stosowane są do ochrony urządzeń mogących gromadzić duże energie (np. baterie kondensatorów), powinny być rozpatrywane indywidualnie pod względem doboru środków ochrony przeciwprzepięciowej. 3.3. Wybór poziomu ochrony Poziom ochrony SPD określany jest zwykle jako stosunek Up/Uc (Up - wartość szczytową napięcia na zaciskach SPD przy przepływie znamionowego prądu wyładowczego In). Dla różnych typów ograniczników beziskiernikowych i różnych producentów zawiera się on w granicach 3 do 5. Przy doborze typu ogranicznika należy zwrócić uwagę na wartość tego stosunku. Im mniejszy stosunek Up/Uc, tym większy margines ochronny izolacji urządzeń chronionych. 6 angielskie temporary overvoltages 3 Nr 44 69
4. Wykaz ważniejszych norm 1. PN-IE 99-1:1993 Ograniczniki przepięć - Iskiernikowe zaworowe ograniczniki przepięć do sieci prądu przemiennego IE 60099-1:1991 Surge Arresters: Part 1: Gapped Surge Arresters Without Gaps For ac Systems 2. PN-IE 99-4:1993 Ograniczniki przepięć - Beziskiernikowe zaworowe ograniczniki przepięć z tlenków metali do sieci prądu przemiennego IE 60099-4:1991 Surge Arresters: Part 4: Metal-Oxide Surge Arresters Without Gaps For ac Systems 3. PN-IE 61643-1:2000 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania techniczne i metody badań (IE 61643-1:1998+ +A:1998, IDT IE 61643-1:1998:02 Surge Protective Devices onnected To Low-Voltage Power Distribuition Systems - Part 1: Performance requirements and testing methods 4. PN-EN 60099-5:1999 Ograniczniki przepięć Arkusz 5: Zalecenia wyboru i stosowania (IE 99-5:1996, zmodyfikowana) 5. IE 61643-12 Ed. 1: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Part 12: Selection and application principles (FDIS) 6. PN-IE 60664-1:1998 Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach niskiego napięcia - Zasady, wymagania i badania IE 60664-1:1992, Insulation coordination for equipment within low-voltage systems Part 1: Principles, requirements and tests 7. PN-IE 60364-4-442:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych - Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przejściowymi przepięciami i uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach wysokiego napięcia IE 50364-4-442:1993, Electrical installations of buildings - Part 4: Protection for safety - Section 442: Protection of low voltage installations against faults between high-voltage systems and earth 8. PN-93/E-05009/443: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona zapewniająca bezpieczeństwo. Ochrona przed przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi (Idt IE 364-4-443 (1990). 9. PN-IE 364-442: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona zapewniająca bezpieczeństwo. Ochrona przed przepięciami. Ochrona instalacji niskiego napięcia przed uszkodzeniami przy doziemieniu w sieci wysokiego napięcia (projekt). (Przedruk z nr 3/2002 Energetyki za zgodą Redakcji) 70