Zařízení přepěťové ochrany se používají pro elektrické napájecí sítě, telefonní sítě a komunikační a automatické řídicí sběrnice.

2.4 Přepěťová ochrana (SPD)

Přepěťová ochrana (SPD) je součástí systému ochrany elektroinstalace.

Toto zařízení je paralelně připojeno k napájecímu obvodu zátěží, které musí chránit (viz obr. J17). Lze jej také použít na všech úrovních napájecí sítě.

Toto je nejčastěji používaný a nejúčinnější typ přepěťové ochrany.

Zásada

SPD je navržen tak, aby omezoval přechodná přepětí atmosférického původu a odváděl proudové vlny na zem, aby omezil amplitudu tohoto přepětí na hodnotu, která není nebezpečná pro elektrickou instalaci a elektrické rozváděče a řídicí zařízení.

SPD eliminuje přepětí:

• v běžném režimu mezi fází a neutrálem nebo zemí;
• v diferenciálním režimu mezi fází a neutrálem. V případě, že přepětí překročí provozní práh, SPD
• vede energii na zem v běžném režimu;
• distribuuje energii do ostatních živých vodičů v diferenciálním režimu.

Tři typy SPD:

• Typ 1 SPD

SPD typu 1 se doporučuje v konkrétních případech sektoru služeb a průmyslových budov chráněných systémem ochrany před bleskem nebo síťovanou klecí. Chrání elektrické instalace před přímými údery blesku. Může vybíjet zpětný proud z blesku šířícího se ze zemního vodiče na síťové vodiče.

SPD typu 1 se vyznačuje proudovou vlnou 10/350 μs.

• Typ 2 SPD

SPD typu 2 je hlavním ochranným systémem pro všechny nízkonapěťové elektrické instalace. Instaluje se do každého elektrického rozvaděče a zabraňuje šíření přepětí v elektrických instalacích a chrání zátěž.

SPD typu 2 se vyznačuje proudovou vlnou 8/20 μs.

• Typ 3 SPD

Tyto SPD mají nízkou vybíjecí kapacitu. Musí být proto povinně instalovány jako doplněk k SPD typu 2 a v blízkosti citlivých zátěží. SPD typu 3 se vyznačuje kombinací napěťových vln (1.2 / 50 μs) a proudových vln (8/20 μs).

Normativní definice SPD

2.4.1 Charakteristika SPD

Mezinárodní norma IEC 61643-11, vydání 1.0 (03/2011) definuje charakteristiky a zkoušky pro SPD připojené k nízkonapěťovým distribučním systémům (viz obr. J19).

• Společné vlastnosti

- NEBO_c: Maximální trvalé provozní napětí

Toto je střídavé nebo stejnosměrné napětí, nad kterým se aktivuje SPD. Tato hodnota se volí podle jmenovitého napětí a uspořádání uzemnění systému.

- NEBO_p: Úroveň ochrany napětí (na I_n)

Toto je maximální napětí na svorkách SPD, když je aktivní. Toto napětí se dosáhne, když se proud protékající SPD rovná I_n. Zvolená úroveň ochrany napětí musí být pod odolností zátěží proti přepětí (viz část 3.2). V případě úderu blesku zůstává napětí na svorkách SPD obecně menší než U_p.

- Já_n: Jmenovitý výbojový proud

Toto je špičková hodnota proudu o vlnové křivce 8/20 μs, kterou je SPD schopen 15krát vybít.

• Typ 1 SPD

- Já_skřítek: Impuls v současné době

Toto je špičková hodnota proudu o vlnové křivce 10/350 μs, kterou je SPD schopen 5krát vybít.

- Já_fi: Automatické hašení následného proudu

Platí pouze pro technologii jiskřiště.

Toto je proud (50 Hz), který je SPD schopen sám přerušit po přeskočení. Tento proud musí být vždy větší než předpokládaný zkratový proud v místě instalace.

• Typ 2 SPD

- Já_max: Maximální vybíjecí proud

Toto je špičková hodnota proudu o vlnové křivce 8/20 μs, kterou je SPD schopen jednou vybít.

• Typ 3 SPD

- NEBO_oc: Napětí naprázdno při zkouškách třídy III (typ 3).

2.4.2 Hlavní aplikace

• Nízkonapěťový SPD

Tímto pojmem jsou označena velmi odlišná zařízení z technologického i uživatelského hlediska. Nízkonapěťové SPD jsou modulární a lze je snadno instalovat do rozvaděčů NN. Existují také SPD přizpůsobitelné napájecím zásuvkám, ale tato zařízení mají nízkou vybíjecí kapacitu.

• SPD pro komunikační sítě

Tato zařízení chrání telefonní sítě, komutované sítě a automatické řídicí sítě (sběrnice) před přepětím přicházejícím z vnějšku (blesk) a interním napětím do napájecí sítě (znečišťující zařízení, provoz rozváděče atd.).

Takové SPD se také instalují do konektorů RJ11, RJ45,… nebo jsou integrovány do zátěží.

3 Návrh systému ochrany elektroinstalace

V zájmu ochrany elektrické instalace v budově platí pro výběr jednoduchá pravidla

• SPD;
• je to ochranný systém.

3.1 Pravidla návrhu

U systému distribuce energie jsou hlavními charakteristikami používanými k definování systému ochrany před bleskem a výběru SPD k ochraně elektrické instalace v budově:

• SPD

- množství SPD;

- typ;

- úroveň expozice definující maximální vybíjecí proud SPD I_max.

• Zařízení na ochranu proti zkratu

- maximální vybíjecí proud I_max;

- zkratový proud I_sc v místě instalace.

Logické schéma na obrázku J20 níže ilustruje toto konstrukční pravidlo.

Ostatní charakteristiky pro výběr SPD jsou předdefinovány pro elektrickou instalaci.

• počet pólů v SPD;
• úroveň ochrany napětí U_p;
• provozní napětí U_c.

Tento pododdíl J3 podrobněji popisuje kritéria pro výběr ochranného systému podle charakteristik instalace, chráněného zařízení a prostředí.

3.2 Prvky ochranného systému

SPD musí být vždy instalován na počátku elektrické instalace.

3.2.1 Umístění a typ SPD

Typ SPD, který má být instalován na počátku instalace, závisí na tom, zda je nebo není přítomen systém ochrany před bleskem. Pokud je budova vybavena systémem ochrany před bleskem (podle IEC 62305), měl by být nainstalován SPD typu 1.

Pro SPD instalované na příchozím konci instalace stanoví instalační normy IEC 60364 minimální hodnoty pro následující 2 charakteristiky:

• Jmenovitý výbojový proud I_n = 5 kA (8/20) μs;
• Úroveň ochrany napětí U_p (u I_n) <2.5 kV.

Počet dalších instalovaných SPD je určen:

• velikost místa a obtížnost instalace spojovacích vodičů. Na velkých webech je zásadní nainstalovat SPD na příchozí konec každé subdistribuční skříně.
• vzdálenost oddělující citlivá břemena, která mají být chráněna od příchozího ochranného zařízení. Pokud jsou břemena umístěna více než 30 metrů od ochranného zařízení příchozího konce, je nutné zajistit další jemnou ochranu co nejblíže citlivým břemenům. Fenomény vlnového odrazu se zvyšují z 10 metrů (viz kapitola 6.5)
• riziko expozice. V případě velmi exponovaného místa nemůže vstupní SPD zajistit jak vysoký tok bleskového proudu, tak dostatečně nízkou úroveň ochrany napětí. Zejména SPD typu 1 je obvykle doprovázeno SPD typu 2.

Tabulka na obrázku J21 níže ukazuje množství a typ SPD, které mají být nastaveny na základě dvou výše definovaných faktorů.

3.4 Výběr SPD typu 1

3.4.1 Impulsní proud I_skřítek

• Pokud neexistují žádné národní předpisy nebo zvláštní předpisy pro typ budovy, která má být chráněna, Impulsní proud I_skřítek musí být alespoň 12.5 kA (vlna 10/350 μs) na větev podle IEC 60364-5-534.

• Tam, kde existují předpisy: standard 62305-2 definuje 4 úrovně: I, II, III a IV. Tabulka na obrázku J31 ukazuje různé úrovně I_skřítek v regulačním případě.

3.4.2 Automatické hašení následného proudu I_fi

Tato vlastnost je použitelná pouze pro SPD s technologií jiskřiště. Automatické hašení následného proudu I_fi musí být vždy větší než potenciální zkratový proud I_sc v místě instalace.

3.5 Výběr SPD typu 2

3.5.1 Maximální vybíjecí proud I_max

Maximální vybíjecí proud Imax je definován podle odhadované úrovně expozice ve vztahu k umístění budovy.

Hodnota maximálního vybíjecího proudu (I_max) je určeno analýzou rizik (viz tabulka na obrázku J32).

3.6 Výběr externího zařízení na ochranu proti zkratu (SCPD)

Ochranná zařízení (tepelná a zkratová) musí být koordinována s SPD, aby byl zajištěn spolehlivý provoz, tzn

• zajistit kontinuitu služby:

- odolat vlnám bleskového proudu;

- nevytvářet nadměrné zbytkové napětí.

• zajistit účinnou ochranu proti všem typům nadproudu:

- přetížení po tepelném úniku varistoru;

- zkrat nízké intenzity (impedanční);

- zkrat vysoké intenzity.

3.6.1 Rizika, kterým je třeba se vyvarovat na konci životnosti SPD

• Kvůli stárnutí

V případě přirozeného konce života v důsledku stárnutí je ochrana tepelného typu. SPD s varistory musí mít vnitřní odpojovač, který deaktivuje SPD.

Poznámka: Konec životnosti tepelným únikem se netýká SPD s výbojkou nebo zapouzdřenou jiskřiště.

• Kvůli poruše

Příčiny konce životnosti v důsledku zkratové poruchy jsou:

- Překročena maximální kapacita vybíjení.

Tato chyba má za následek silný zkrat.

- Porucha v důsledku distribučního systému (přepnutí nulového / fázového obvodu, nulový vodič

odpojení).

- Postupné zhoršování varistoru.

Poslední dvě poruchy mají za následek impedanční zkrat.

Instalace musí být chráněna před poškozením způsobeným těmito typy poruch: výše definovaný interní (tepelný) odpojovač nemá čas se zahřát, a proto musí fungovat.

Mělo by být nainstalováno speciální zařízení zvané „externí zařízení na ochranu proti zkratu (externí SCPD)“, schopné eliminovat zkrat. Může být implementován jističem nebo pojistkovým zařízením.

3.6.2 Vlastnosti externího SCPD (zařízení na ochranu proti zkratu)

Externí SCPD by mělo být koordinováno s SPD. Je navržen tak, aby splňoval následující dvě omezení:

Výdrž bleskového proudu

Výdrž bleskového proudu je základní charakteristikou externího ochranného zařízení proti zkratu SPD.

Externí SCPD nesmí vypnout na 15 po sobě jdoucích impulzních proudech na I_n.

Odolnost proti zkratovému proudu

• Vypínací schopnost je určeno pravidly instalace (norma IEC 60364):

Externí SCPD by měl mít vypínací schopnost rovnou nebo větší než potenciální zkratový proud Isc v místě instalace (v souladu s normou IEC 60364).

• Ochrana instalace proti zkratu

Zejména zkrat impedance rozptýlí hodně energie a měl by být odstraněn velmi rychle, aby nedošlo k poškození instalace a SPD.

Správné přidružení mezi SPD a jeho externím SCPD musí dát výrobce.

3.6.3 Režim instalace pro externí SCPD

• Zařízení „v sérii“

SCPD je popsáno jako „v sérii“ (viz obr. J33), když je ochrana prováděna obecným ochranným zařízením sítě, která má být chráněna (například jistič před instalací).

• Zařízení „paralelně“

SCPD je popsáno jako „paralelně“ (viz obr. J34), když je ochrana prováděna konkrétně ochranným zařízením spojeným s SPD.

• Externí SCPD se nazývá „odpojovač“, pokud je funkce prováděna jističem.
• Vypínací jistič může nebo nemusí být integrován do SPD.

Poznámka: V případě SPD s výbojkou nebo zapouzdřenou jiskřiště, SCPD umožňuje řezání proudu ihned po použití.

Poznámka: Zbytkový proud typu S ve shodě s normami IEC 61008 nebo IEC 61009-1 splňuje tento požadavek.

3.7.1 Koordinace s předřazenými ochrannými zařízeními

Koordinace s nadproudovými ochrannými zařízeními

V elektrické instalaci je externí SCPD zařízením identickým s ochranným zařízením: to umožňuje použít techniky diskriminace a kaskádování pro technickou a ekonomickou optimalizaci plánu ochrany.

Koordinace se zbytkovým proudem

Je-li SPD instalován za ochranným zařízením proti zemnímu svodu, mělo by být toto ochranné zařízení „si“ nebo selektivní s odolností proti pulzním proudům nejméně 3 kA (proudová vlna 8/20 μs).

4 Instalace SPD

Připojení SPD k zátěžím by mělo být co nejkratší, aby se snížila hodnota úrovně ochrany napětí (instalované nahoru) na svorkách chráněného zařízení. Celková délka připojení SPD k síti a uzemňovací svorkovnici by neměla přesáhnout 50 cm.

4.1 Připojení

Jednou ze základních charakteristik ochrany zařízení je maximální úroveň ochrany napětí (instalovaná U_p), které zařízení vydrží na svorkách. Proto by měl být vybrán SPD s úrovní ochrany napětí U_p přizpůsobené ochraně zařízení (viz obr. J38). Celková délka připojovacích vodičů je

L = L1 + L2 + L3.

U vysokofrekvenčních proudů je impedance na jednotku délky tohoto připojení přibližně 1 μH / m.

Uplatnění Lenzova zákona na tuto souvislost tedy: ∆U = L di / dt

Normalizovaná proudová vlna 8/20 μs s proudovou amplitudou 8 kA odpovídajícím způsobem vytváří nárůst napětí o 1000 V na metr kabelu.

∆U = 1 x 10^-6 x 8 x 10³ / 8 x 10^-6 = 1000 V

Výsledkem je napětí na svorkách zařízení nainstalovaných Up:

nainstalovaný U_p =U_p + U1 + U2

Pokud L1 + L2 + L3 = 50 cm a vlna je 8/20 μs s amplitudou 8 kA, bude napětí na svorkách zařízení U_p + 500 V.

4.1.1 Připojení v plastovém krytu

Obrázek J39a níže ukazuje, jak připojit SPD v plastovém krytu.

4.1.2 Připojení v kovovém krytu

V případě sestavy rozváděče v kovovém krytu může být rozumné připojit SPD přímo k kovovému krytu, přičemž kryt se použije jako ochranný vodič (viz obr. J39b).

Toto uspořádání je v souladu s normou IEC 61439-2 a výrobce MONTÁŽE se musí ujistit, že vlastnosti krytu umožňují toto použití.

4.1.3 Průřez vodiče

Doporučený minimální průřez vodiče zohledňuje:

• Normální služba, která má být poskytnuta: Tok vlny bleskového proudu při maximálním poklesu napětí (pravidlo 50 cm).

Poznámka: Na rozdíl od aplikací při 50 Hz, kdy je fenomén blesku vysokofrekvenční, zvětšení průřezu vodiče výrazně nesnižuje jeho vysokofrekvenční impedanci.

• Vodiče odolávají zkratovým proudům: Vodič musí odolávat zkratovému proudu během maximální doby vypnutí ochranného systému.

IEC 60364 doporučuje na příchozím konci instalace minimální průřez:

- 4 mm² (Cu) pro připojení SPD typu 2;

- 16 mm² (Cu) pro připojení SPD typu 1 (přítomnost systému ochrany před bleskem).

4.2 Pravidla pro kabeláž

• Pravidlo 1: Prvním pravidlem, které je třeba dodržet, je to, že délka připojení SPD mezi sítí (přes externí SCPD) a uzemňovací svorkovnicí by neměla překročit 50 cm.

Obrázek J40 ukazuje dvě možnosti připojení SPD.

• Pravidlo 2: Vodiče chráněných odchozích napáječů:

- by měl být připojen ke svorkám externího SCPD nebo SPD;

- by měly být fyzicky odděleny od znečištěných příchozích vodičů.

Jsou umístěny napravo od svorek SPD a SCPD (viz obr. J41).

• Pravidlo 3: Fáze, napájecí vodič nulového vodiče a ochranné vodiče (PE) by měly vést jeden za druhým, aby se zmenšil povrch smyčky (viz obr. J42).
• Pravidlo 4: Vstupní vodiče SPD by měly být vzdáleny od chráněných odchozích vodičů, aby nedošlo k jejich znečištění spojením (viz obr. J42).
• Pravidlo 5: Kabely by měly být připevněny ke kovovým částem krytu (jsou-li nějaké), aby se minimalizoval povrch smyčky rámu, a tím měl prospěch z efektu stínění proti elektromagnetickému rušení.

Ve všech případech je třeba zkontrolovat, zda jsou rámy rozvaděčů a skříní uzemněny pomocí velmi krátkých spojů.

Nakonec, pokud jsou použity stíněné kabely, je třeba se vyhnout velkým délkám, protože snižují účinnost stínění (viz obr. J42).

Aplikace 5

5.1 Příklady instalace

Řešení a schematický diagram

• Průvodce výběrem svodiče přepětí umožnil určit přesnou hodnotu svodiče přepětí na příchozím konci instalace a hodnotu příslušného odpojovacího jističe.
• Jako citlivá zařízení (U_p <1.5 kV) jsou umístěny více než 30 m od příchozího ochranného zařízení, svodiče přepětí s jemnou ochranou musí být instalovány co nejblíže zátěžím.
• Aby byla zajištěna lepší kontinuita služeb v chladných místnostech:

- Budou použity jističe zbytkového proudu typu „si“, aby nedocházelo k rušivému vypínání způsobenému nárůstem zemního potenciálu při průchodu bleskové vlny.

• Pro ochranu proti atmosférickému přepětí:

- instalujte svodič přepětí do hlavního rozvaděče

- do každého rozvaděče (1 a 2), který napájí citlivá zařízení umístěná více než 30 m od vstupního svodiče přepětí, nainstalujte jemný svodič přepětí

- instalovat svodič přepětí v telekomunikační síti k ochraně dodávaných zařízení, například požárních hlásičů, modemů, telefonů, faxů.

Doporučení ohledně kabeláže

- Zajistěte ekvipotenciálnost zemních zakončení budovy.

- Zmenšete oblasti smyčkového napájecího kabelu.

Doporučení k instalaci

• Nainstalujte svodič přepětí Imax = 40 kA (8/20 μs) a odpojovací jistič iC60 dimenzovaný na 20 A.
• Instalujte jemné svodiče přepětí Imax = 8 kA (8/20 μs) a přidružené odpojovací jističe iC60 dimenzované na 20.