Strona główna...  Kontakt...  Mapa strony...
ZNAJDŹ PRODUKT
MENU Artykuły całe Wybrane zagadnienia dotyczące doboru ograniczników przepięć chroniących instalacje przed piorunowym (...)

Wybrane zagadnienia dotyczące doboru ograniczników przepięć chroniących instalacje przed piorunowym prądem udarowym

W związku z gwałtownym rozwojem elektroniki następuje coraz większe zapotrzebowanie na stosowanie ograniczników przepięć w coraz to nowych dziedzinach. Ponieważ większość norm europejskich w tym zakresie nie jest do dziś przetłumaczona na język polski, chociaż obowiązują w Polsce, to w praktyce wielu projektantów i elektryków ma tylko dość mgliste pojęcie w tej dziedzinie. Jeśli dodamy do tego przekonanie wielu osób, że ograniczniki przepięć i tak nie działają, bo mimo ich zastosowania w sieci pojawiły się przepięcia, które zniszczyły komuś znajomemu cały sprzęt elektroniczny, to mamy w miarę aktualny obraz sytuacji. Temat ten jest bardzo szeroki, dlatego w niniejszym artykule zostaną świadomie przedstawione tylko niektóre zagadnienia związane z ogranicznikami typu 1+2 (dawniej B+C) i 1+2+3 (B+C+D), których nieznajomość prowadzi często do błędów, a w końcowym efekcie do powstania szkód.

Ograniczniki przepięć, zgodnie z normą PN-EN 61643-11 zwane SPD (Surge Protection Device), typu 1 (dawniej klasa B), chroniące przed prądem udarowym powstałym w wyniku uderzenia pioruna, znajdują coraz mniejsze zastosowanie, gdyż ze względu na rozwój techniki są powszechnie zastępowane przez ograniczniki kombinowane typu 1+2 (dawniej B+C), a ostatnio przez typu 1+2+3 (B+C+D). SPD typu 1 występują jeszcze przy np. wysokich prą- dach udarowych rzędu 50 kA na biegun, chociaż i w tej dziedzinie są już ograniczniki typu 1+2, jak też jako elementy zabezpieczające tor N-PE, gdzie przykładowo sumaryczny iskiernik gazowy francuskiej firmy CITEL wytrzymuje do 100 kA prądu udarowego i 200 kA maksymalnego prądu wyładowczego na 1 biegun. Przy zwykłych instalacjach elektrycznych raczej się ich już nie stosuje, bo wymagają albo odległości rzędu 5-10 m do SPD typu 2, albo zastosowania cewki odsprzęgającej, co w obu przypadkach znacznie podnosi koszty.

Najwięcej problemów powstaje przy do- borze ograniczników przepięć typu 1+2 (B+C), których zadaniem jest odprowadzenie prądu udarowego powstałego w wyniku uderzenia pioruna. Przyjmuje się, że średnia wartość prądu udarowego pioruna to 25-30 kA, natomiast zgodnie z badaniami przeprowadzonymi w Europie zakłada się, że w ok 5% przypadków wartość szczytowa prądu impulsowego przekracza 100 kA, a w niecałym 1% wartość 150 kA, przy czym maksymalna wartość prądów piorunowych może dochodzić do 200 kA.

Przy uderzeniu w instalację odgromową budynku zgodnie z normami przyjmuje się, że do 50% prądu może powrócić do instalacji elektrycznej przez uziemienie. Oznacza to, że średnio może pojawić się prąd udarowy na poziomie 3-4 kA na biegun w sieci 3+1, natomiast w 5% przypadków wartość ta będzie powyżej 12,5 kA. Zgodnie z normą IEC 61643-12 o zasadach doboru i zastosowaniach ograniczników przepięć sugeruje się tam dokonanie obliczeń ryzyka, a w przypadku, kiedy obliczenia nie są możliwe, to zgodnie z pkt. 6.2.1.3 ww. normy należy zastosować ograniczniki na prąd uda- rowy minimum 12,5 kA na biegun. W naszej polskiej praktyce często projektant wpisuje do projektu, że trzeba zastosować ogranicznik typu 1+2 (B+C) i nie podaje wartości prądu udarowego Iimp (10/350 µs). Instalator dokonuje więc zakupu najtańszego jaki znajdzie na rynku ogranicznika typu 1+2, który często ma wytrzymałość na prąd udarowy rzędu 3-5 kA na biegun. Oznacza to, że ogranicznik ten jest w stanie ochronić instalację tylko w zakresie uderzeń pioruna o średniej wartości, czyli nie spełni swojego zadania w odniesieniu do ok. 1/3 przypadków. Łatwo można sobie wyobrazić sytuację, że osoba czy instytucja poszkodowana przez przepięcie powstałe w wyniku uderzenia pioruna pozwie przed sąd o odszkodowanie projektanta i instalatora za niezachowanie należytej staranności w doborze ogranicznika przepięć. Producent czy importer, o ile podaje prawdziwe dane techniczne, byłby całkowicie niewinny w tym przypadku, gdyż można produkować i sprzedawać ograniczniki o słabych, ale zgodnych z normami parametrach, natomiast takie ograniczniki należy stosować z głową i musi to być wynik odpowiednich wyliczeń ryzyka, a nie tylko parametr najniższej ceny.


Fot. 1. Ogranicznik przepięć klasy 1+2+3, typ DS250VG-300. Wykonanie w technologii VG.

Następnym zagadnieniem, na które często nie zwraca się uwagi, jest czas zadziałania ogranicznika przepięć. Na rynku spotyka się ograniczniki przepięć typu 1+2 (B+C) o czasie zadziałania 100 ns, 50 ns, 25 ns oraz oferowane przez firmę CITEL 20 ns. Im krótszy czas zadziałania, tym szybciej zadziała ogranicznik i ochroni instalację przed skutkami prądu udarowego. Porównując 20 czy 25 nanosekund ze 100 ns na pierwszy rzut oka widać, który ogranicznik lepiej chroni urządzenia i instalację elektryczną.

Kolejne zagadnienie związane z ogranicznikami przepięć typu 1+2 (B+C) to sposób ich działania. W praktyce mamy 2 podstawowe typy elementów do ochrony przed przepięciami oraz różne ich kombinacje. Po pierwsze do ochrony przed przepięciami powstałymi w wyniku bezpośrednich uderzeń pioruna stosuje się iskierniki gazowe, które ucinają napięcie. Iskierniki takie można porównać do małych puszek, których oba denka są elektrodami, korpus jest izolatorem np. z ceramiki, a wnętrze wypełnione gazem szlachetnym takim jak neon, argon czy inna mieszanka. Iskiernik taki przy zwykłym napięciu roboczym jest dobrym izolatorem (przykładowo iskierniki firmy CITEL, który jest drugim na świecie producentem takich elementów, mają rezystancję powyżej 10 Gn) Kiedy pojawia się w sieci przepięcie, w iskierniku następuje wyładowanie jak w lampie jarzeniowej lub neonowej, po czym następuje rozładowanie prądu udarowego o wartości wielu kA przy stosunkowo małym napięciu. Iskierniki są doskonałe do odprowadzania dużych prądów udarowych, mają jednak pewną wadę, mianowicie wytwarzają szkodliwy dla chronionych urządzeń prąd następczy. Ten prąd następczy, o którym mówi norma, jest to tak naprawdę „elegancka" nazwa prądu zwarciowego, który należy jak najszybciej zgasić. Warto wspomnieć, że są różne rodzaje iskierników gazowych, przykładowo firma CITEL produkuje 2 grupy: ponad tysiąc typów GDT (Gas Discharge Tube), stosowane przede wszystkim w telekomunikacji wg norm ITU-T K.12 oraz ok. 20 typów GSG (Gas-filled Spark Gap), zgodnych z normą 61643-11, o wytrzymałości do 50 kA prądu udarowego.


Fot. 2. Ogranicznik przepięć klasy 1+2, typ DS130VG-230. Wykonanie w technologii VG.

Drugim popularnym elementem stosowanym w ogranicznikach przepięć jest warystor. W warunkach normalnego napięcia pracy warystor ma dużą rezystancję, natomiast wraz ze wzrostem napięcia staje się on coraz lepszym przewodnikiem i odprowadza przepięcie do ziemi. Ich zaletą jest szybkość zadziałania, większa od iskierników gazowych, natomiast wadą występowanie prądu upływu oraz odprowadzanie całego przepięcia do uziemienia przy stosunkowo wysokim napięciu, podczas gdy przy iskierniku gazowym po gwałtownym wyładowaniu odbywa się to przy niskim napięciu. Największy problem przy warystorach to prąd upływu, czyli stały niewielki przepływ prądu przez warystor od przewodu fazowego do uziemienia, który przy nowym ograniczniku przepięć wynosi zwykle poniżej 1 mA. Pomijając już koszt strat wywołanych tym prądem, powoduje on również starzenie się warystora, co powoduje przepływ coraz większego prądu upływowego aż do momentu powstania zwarcia, co w efekcie oznacza konieczność wymiany modułu warystorowego na nowy. Oczywiście jest to proces trwający zwykle kilka -kilkanaście lat, ale jest kilka czynników, które go przyspieszają: prąd DC jest tu bardziej szkodliwy dla warystora niż AC, wyższa temperatura, wilgoć i częste przepięcia także przyspieszają starzenie się warystora. Przykładowo warystorowy ogranicznik przepięć DC do fotowoltaiki, który zamiast w cieniu pod zadaszeniem został zainstalowany w obudowie narażonej na promieniowanie słoneczne, już po roku wymagał wymiany na nowy.


Rys. 1. Przebieg napięcia: na iskierniku (po lewej) i na warystorze (po prawej)

Zarówno ograniczniki przepięć na bazie warystorów, jak i iskierników gazowych, mają zdolność wielokrotnego odprowadzania przepięć - przykładowo podczas badań w ciągu nieco ponad godziny poddaje się je 15 przepięciom. Ich uszkodzenie podczas zwykłej pracy może nastąpić albo w przypadku wystąpienia wyższego prądu udarowego od tego, do jakiego są dostosowane, albo w wyniku zwarcia.


Fot. 3. Ogranicznik przepięć klasy 1+2+3, typ DUT250VG-300/TT. Wykonanie w technologii VG.

Porównując obie technologie można stwierdzić, że ograniczniki przepięć zbudowane na bazie iskierników gazowych są zdecydowanie lepsze od tych na bazie warystorów. Najlepszym jednak rozwiązaniem, które wykorzystuje zalety i eliminuje wady iskierników gazowych i warystorów, jest szeregowe połączenie iskiernika gazowego i warystora. Rozwiązanie to zostało opracowane i opatentowane w roku 2000 jako technologia VG przez firmę CITEL. Przykładowo ogranicznik przepięć DS250VG typu 1+2+3 (B+C+D) na prąd udarowy 25 kA na biegun zapewnia poziom ochrony Up = 1,1 kV, ma czas zadziałania tA < 20 ns, podwyższoną wytrzymałość na przepięcia tymczasowe TOV, wytrzymałość zwarciową 50 kA, brak prądu upływu i prądu na- stępczego oraz nie wymaga dodatkowego dobezpieczenia wkładką topikową. Firma CITEL dodatkowo jako jedyna udziela 10 lat gwarancji na produkty w technologii VG, licząc od daty produkcji.

Zagadnień związanych z SPD do odprowadzania piorunowych prądów udarowych jest oczywiście dużo więcej, w niniejszym artykule zostały przedstawione tylko te, które zdaniem autora powodują najwięcej błędów, nieporozumień i problemów.

Zbigniew Błażejewski (Jean Mueller Polska)

 

Ta strona używa COOKIES. Korzystając z niej wyrażasz zgodę na wykorzystywanie cookies, zgodnie z ustawieniami Twojej przeglądarki. Więcej szczegółów na naszej stronie polityka prywatności