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 pio- runowych 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,
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 - 4000V 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-
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
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-
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-
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. 9. 1. 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-
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, 1998. 2. Raab V., Zahlmann P.: Kombi - Ableiter für den Blitz- und Überspannungsschutz. Elektropraktiker 55,2001, 8, s.628-631. 3. P-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne. 4. P-IEC 61024-1: 2001, Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. 5. P-IEC 61024-1-2. Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych. 6. P-IEC 61312-1: 2001, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne. 7. P-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi. 8. P IEC 61643-1, 2001. Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Część 1. Wymagania techniczne i metody badań. 9. CEI IEC TS 61312-3:200, 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 18-22 September 2002. 11. Überspannung - Schutzrichtungen der Abforderungsklasse B. Richtlinie für den Einsatz in Hauptstromversorgungssystemen. VWEW 1998. 12. Meppelink j., Trinkwald J.: Lightning arresters with spark gap. Requirements and future trends of developing and application. 25 th ICLP, Rodos 2000 13. 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 2003. 17. BLITZPLAER 2001. Materiał informacyjny firmy DEH.