Vgradnja prenapetostne zaščite v nizkonapetostne sisteme

Avtor: Denis Imširović, dipl. inž. el.

Že od nekdaj so ljudi prevzemale strele, vendar tega pojava dolgo niso znali razložiti. Danes, v dobi računalnikov in drugih občutljivih naprav, je postalo nujno razširiti tehnične možnosti za uspešno oziroma popolno zaščito vitalno pomembnih sistemov in storitev.

1. Uvod

Tehnologija stopa v prihodnost z velikimi koraki, zato so danes naprave nameščene tudi na območjih, kjer si tega nekoč nismo mogli predstavljati. Po svetu se prenaša ogromna količina informacij, ki morajo biti ustrezno povezane, prenašane čim hitreje in hkrati dobro zaščitene. V današnjem gospodarsko in tehnično razvitom svetu teh zahtev ni več mogoče prezreti. Prenapetostna zaščita mora delovati kot trden oklep, ki ščiti naprave in ljudi pred močnimi zunanjimi vplivi, kot so udari strele, ter preprečuje tehnične in ekonomske škode.

Prenapetosti nastanejo zaradi naslednjih vzrokov:

• atmosferskih razelektritev, ki povzročijo neposredne udare v objekte ali sisteme, oziroma velikih induciranih napetosti zaradi teh udarov,
• prenapetosti, ki nastanejo pri preklopih v energetskih omrežjih,
• napak v elektrodistribucijskih sistemih, kot so stiki med vodniki in zemljo ali stik med energetskimi in telekomunikacijskimi vodniki,
• napak pri regulaciji napetosti, ki se lahko pojavijo v bližini velikih industrijskih porabnikov ali elektrificiranih železniških sistemov.

Statistika poškodb električnih naprav je prikazana na spodnjem grafu (slika 1). Največji delež poškodb električnih naprav – med 27 % in 35 % – povzročijo prenapetosti.

Slika 1: Delež različnih vzrokov poškodb

2. Vgradnja prenapetostne zaščite

Proizvajalec lahko izdela kakovosten izdelek, vendar v primeru, da je prenapetostna zaščita nepravilno nameščena v sistem, ustrezna zaščita ni zagotovljena. Uporabljajo se različne vrste prenapetostnih zaščit glede na sistem omrežja, zato je zelo pomembno, da je zaščitna naprava pravilno izbrana in usklajena z vrsto uporabljenega elektroenergetskega sistema ter z morebitnimi vgrajenimi zaščitami pred preobremenitvijo.

Za dosego največje možne stopnje zaščite je treba upoštevati naslednje točke:

• pravilno izbiro prenapetostne zaščite glede na tip omrežja,
• zagotovitev večstopenjske zaščite,
• upoštevanje dolžine ozemljitvenih vodnikov,
• določitev zaščitne napetostne ravni Up.

2.1. Različne vrste impulzov in tokov

Preden se začne obravnavati temo prenapetostne zaščite, je treba jasno opredeliti izhodišča. Simulacija kratkotrajnih prenapetostnih impulzov in atmosferskih razelektritev zahteva natančno definicijo kratkotrajnih tokovnih in napetostnih sunkov. Standard IEC 61643 določa tri vrste impulzov:

• energijski tokovni impulz 10/350,
• tokovni impulz 8/20,
• napetostni impulz 1,2/50.

Energijski tokovni impulz 10/350, Iimp

Neposredne udare strele lahko simuliramo z energijskim tokovnim impulzom 10/350. Ta impulz se uporablja za določanje toka Iimp, ki se v skladu s standardom IEC 61643 uporablja kot energijski tokovni impulz za preizkušanje prenapetostnih zaščit razreda I. Po standardu čas 10 μs predstavlja čas dviga toka od 10 % do 90 % vrednosti, medtem ko 350 μs predstavlja čas padca od 90 % na 50 % vrednosti. Standard dovoljuje tudi ±20 % odstopanje.

Tokovni impulz 8/20, In in Imax

Posredne udare strele lahko simuliramo s tokovnim impulzom 8/20. Uporablja se za določanje nazivnega toka In in največjega toka Imax. Oba po standardu IEC 61643 služita kot tokovna impulza za testiranje prenapetostnih zaščit razreda II. Največji tok Imax predstavlja dvojno vrednost nazivnega toka In oziroma vrednost, določeno v tehničnih podatkih proizvajalca. Po standardu čas 8 μs predstavlja čas dviga toka od 10 % do 90 % vrednosti, medtem ko 20 μs predstavlja čas padca od 90 % na 50 % vrednosti. Standard dovoljuje tudi ±20 % odstopanje.

Napetostni impulz 1,2/50, Uoc

Prenapetostne zaščite razreda III se po standardu IEC 61643 preizkušajo s kombiniranimi valovi – napetostnim impulzom 1,2/50 in tokovnim impulzom 8/20. Kombinirani val generira naprava, ki na odprto vezje aplicira napetostni impulz 1,2/50 in na kratko vezje tokovni impulz 8/20. Napetostni impulz je označen kot Uoc, tok pri kratkem stiku pa kot Isc. Standard določa, da je čas 1,2 μs čas dviga napetostnega impulza od 30 % do 90 % vrednosti, medtem ko je 50 μs čas padca od 90 % na 10 % vrednosti. Standard dovoljuje ±20 % odstopanje.

Zgornja slika (slika 2) prikazuje razliko med oblikami tokovnih impulzov 10/350 in 8/20. Površina pod krivuljo ponazarja energijo udara. Na osnovi energijske enačbe oziroma Jouleovega integrala lahko preprosto izračunamo, da je energija pri neposrednem udaru bistveno večja.

Izračun:

I² x t

Neposreden udar: Posreden udar:
I² x t = 25kA² x 350 x 10^-6s = 218kJ I² x t = 5kA² x 20 x 10^-6s = 500J

2.2. Določitev zaščitne napetostne ravni Up

Up je zaščitna napetostna raven, ki se pojavi na priključkih prenapetostne zaščite ob prisotnosti impulza določene oblike in amplitude. Osnovno pravilo pri priključitvi prenapetostne zaščite je, da se jo vgradi med fazo in ozemljitveni vodnik (PE ali PEN) oziroma vzporedno z zaščitenim elementom, kot je prikazano na spodnji sliki (slika 5). Ko pride do atmosferske razelektritve ali kratkotrajne prenapetosti, se predhodne karakteristike vgrajenega varistorja spremenijo in odvodnik preide v prevodno stanje. To lahko ponazorimo kot zaprtje stikala, pri čemer presežni tok steče v zemljo. Varistor je nelinearni upor, ki ima v normalnem stanju zelo visoko upornost, ob kratkotrajni prenapetosti ali udaru strele pa se upornost močno zmanjša – energija se tako odvede v zemljo.

Cilj prenapetostne zaščite je znižati napetostno raven pod dielektrično trdnost zaščitene naprave. Po standardu IEC 61643 so naprave razdeljene v štiri skupine oziroma kategorije. Dielektrično trdnost mora navesti vsak proizvajalec.

2.3. Pravilna dolžina ozemljitvenih vodnikov

Glavni razlog za nepravilno delovanje prenapetostnih zaščitnih elementov je neupoštevanje dolžine ozemljitvenega vodnika PE ali PEN. Dolžina vodnika vpliva na dodatni induktivni padec napetosti: 1 m dolg vodnik ima induktivnost približno 1 μH, kar pri strmini toka 1 kA/μs pomeni dodatnih približno 1 kV. Razlika napetosti, ki nastane zaradi dodatne dolžine vodnika, se mora upoštevati pri izračunu zaščitne napetostne ravni Up, da dosežemo pravilen rezultat.

Zato je treba prenapetostne zaščite nameščati tako, da so povezovalni vodniki med faznimi in ozemljitvenimi priključki čim krajši. Primer na naslednji strani (slika 8) prikazuje pravilen način vgradnje in največjo dovoljeno dolžino vodnikov. Presek ozemljitvenega vodnika mora biti naslednji:

• razred I: najmanj 16 mm²,
• razred II, III: najmanj 6 mm².

2.4. Zaščitne cone in ustvarjanje višje stopnje zaščite

Zaščitne cone in presečišča teh con, kjer se namešča prenapetostne zaščite, določa proizvajalec. Zaščitne cone so razdeljene na tri stopnje. Točke oziroma priključna mesta so: MB, SB in SA.

Na točki MB (glavna razdelilna omarica), ki se nahaja na prehodu OB/1 in je izpostavljena delnim neposrednim udarom strele, morajo biti nameščene prenapetostne zaščite razreda I. Te so določene za tokovne impulze 10/350 μs. Na točki SB (podrazdelilna omarica), ki se nahaja na prehodu 1/2 in je izpostavljena posrednim udarom strele, morajo biti nameščene zaščite razreda II. Te so določene za tokovne impulze 8/20 μs. Na točki SA (vtičnica), ki se nahaja na prehodu 2/3 in je prav tako izpostavljena posrednim udarom, morajo biti nameščene prenapetostne zaščite razreda III. Te so določene za kombinirane napetostne impulze 1,2/50 in tokovne impulze 8/20. Odvodniki razreda III se uporabljajo za zaščito zelo občutljivih naprav z dielektrično trdnostjo kategorije IV in se vedno nameščajo za odvodniki razredov I in II. Če se uporabi sekundarna oziroma kaskadna zaščita, mora proizvajalec zagotoviti tabelo vrednosti Up.

Slika 9: Diagram značilnih vrednosti Up (kV) v odvisnosti od toka (kA)

2.5. Pravilna vgradnja zaščite glede na sistem omrežja

Za pravilno vgradnjo mora biti prenapetostni odvodnik nameščen med fazni vodnik (L) in ozemljitveni vodnik (PEN, PE). V sistemih TN-S in IT mora biti prenapetostna zaščita nameščena tudi med nevtralni vodnik N in ozemljitveni vodnik PE. V sistemih TT pa velja posebno pravilo – med nevtralni (N) in ozemljitveni (PE) vodnik mora biti vgrajena plinska razelektritvena cev. Ta je potrebna zato, ker se ob napaki med fazo in zemljo visok potencial prenese na ozemljitev in na ohišje naprave, ki ni na istem potencialu, kar lahko predstavlja nevarnost za človeka. Namestitev plinske razelektritvene cevi zagotavlja galvansko ločitev med vodniki in prekinitev električnega kroga v začetni fazi prenapetosti.

Slika 10: Priključitev sistema TN-C-S	Slika 11: Priključitev sistema TN-S
Slika 12: Priključitev sistema TT	Slika 13: Priključitev sistema IT

3. Zaključek

Za dosego največje zaščite naprav pred prenapetostjo je treba upoštevati vsaj zgoraj navedene parametre. Tema prenapetostne zaščite postaja iz dneva v dan bolj povezana z našim vsakdanjim življenjem, saj se zaradi človekove dejavnosti kratkotrajne prenapetosti pojavljajo vse pogosteje tudi v naših domovih. Dejstvo je, da prenapetostni odvodniki za nizkonapetostne sisteme predstavljajo velik poslovni potencial, saj so v nekaterih državah že sprejeli predpise, ki zahtevajo, da mora biti v vsaki novi elektroinštalaciji vgrajena tudi prenapetostna zaščita.