Overspanningsbeveiligingsapparatuur wordt gebruikt voor elektrische voedingsnetwerken, telefoonnetwerken en communicatie- en automatische besturingsbussen.

2.4 Het overspanningsbeveiligingsapparaat (SPD)

De Surge Protection Device (SPD) is een onderdeel van het beveiligingssysteem voor elektrische installaties.

Dit apparaat is parallel geschakeld op het voedingscircuit van de belastingen die het moet beschermen (zie Fig. J17). Het kan ook op alle niveaus van het voedingsnetwerk worden gebruikt.

Dit is het meest gebruikte en meest efficiënte type overspanningsbeveiliging.

Principe

SPD is ontworpen om transiënte overspanningen van atmosferische oorsprong te beperken en stroomgolven naar de aarde af te leiden, om de amplitude van deze overspanning te beperken tot een waarde die niet gevaarlijk is voor de elektrische installatie en elektrische schakel- en voorschakelapparatuur.

SPD elimineert overspanningen:

• in gemeenschappelijke modus, tussen fase en nulleider of aarde;
• in differentiële modus, tussen fase en neutraal. In het geval van een overspanning die de bedrijfsdrempel overschrijdt, wordt de SPD
• geleidt de energie naar de aarde, in gewone modus;
• verdeelt de energie naar de andere stroomvoerende geleiders, in differentiële modus.

De drie soorten SPD:

• Typ 1 SPD

De Type 1 SPD wordt aanbevolen in het specifieke geval van dienstensector en industriële gebouwen, beschermd door een bliksembeveiligingssysteem of een gaaskooi. Het beschermt elektrische installaties tegen directe blikseminslagen. Het kan de tegenstroom ontladen van blikseminslag die zich van de aardgeleider naar de netwerkgeleiders verspreidt.

Type 1 SPD wordt gekenmerkt door een stroomgolf van 10/350 μs.

• Typ 2 SPD

De Type 2 SPD is het belangrijkste beveiligingssysteem voor alle elektrische laagspanningsinstallaties. Geïnstalleerd in elk elektrisch schakelbord, voorkomt het de verspreiding van overspanningen in de elektrische installaties en beschermt het de belastingen.

Type 2 SPD wordt gekenmerkt door een 8/20 μs stroomgolf.

• Typ 3 SPD

Deze SPD's hebben een lage afvoercapaciteit. Ze moeten daarom verplicht worden geïnstalleerd als aanvulling op Type 2 SPD en in de buurt van gevoelige belastingen. Type 3 SPD wordt gekenmerkt door een combinatie van spanningsgolven (1.2 / 50 μs) en stroomgolven (8/20 μs).

SPD normatieve definitie

2.4.1 Kenmerken van SPD

De internationale norm IEC 61643-11 Editie 1.0 (03/2011) definieert de kenmerken en tests voor SPD aangesloten op laagspanningsdistributiesystemen (zie Fig. J19).

• Algemene karaktertrekken

- U_c: Maximale continue bedrijfsspanning

Dit is de AC- of DC-spanning waarboven de SPD actief wordt. Deze waarde wordt gekozen op basis van de nominale spanning en de aardingsopstelling van het systeem.

- U_p: Spanningsbeveiligingsniveau (bij I_n)

Dit is de maximale spanning over de klemmen van de SPD wanneer deze actief is. Deze spanning wordt bereikt wanneer de stroom die in de SPD vloeit gelijk is aan I._n. Het gekozen spanningsbeveiligingsniveau moet lager zijn dan de overspanningsbestendigheid van de belastingen (zie paragraaf 3.2). Bij blikseminslagen blijft de spanning over de klemmen van de SPD doorgaans lager dan U_p.

- Ik_n: Nominale ontlaadstroom

Dit is de piekwaarde van een stroom van 8/20 μs golfvorm die de SPD 15 keer kan ontladen.

• Typ 1 SPD

- Ik_kabouter: Impuls momenteel

Dit is de piekwaarde van een stroom van 10/350 μs golfvorm die de SPD 5 keer kan ontladen.

- Ik_fi: Automatisch blussen volgstroom

Alleen van toepassing op de vonkbrugtechnologie.

Dit is de stroom (50 Hz) die de SPD na flashover zelf kan onderbreken. Deze stroom moet altijd groter zijn dan de te verwachten kortsluitstroom op de plaats van installatie.

• Typ 2 SPD

- Ik_max: Maximale ontlaadstroom

Dit is de piekwaarde van een stroom van 8/20 μs golfvorm die de SPD één keer kan ontladen.

• Typ 3 SPD

- U_oc: Nullastspanning aangelegd tijdens tests van klasse III (type 3).

2.4.2 Belangrijkste toepassingen

• Laagspanning SPD

Heel verschillende apparaten, zowel vanuit technologisch als vanuit gebruiksoogpunt, worden met deze term aangeduid. Laagspannings-SPD's zijn modulair en kunnen eenvoudig in LV-schakelborden worden geïnstalleerd. Er zijn ook SPD's die kunnen worden aangepast aan stopcontacten, maar deze apparaten hebben een lage ontladingscapaciteit.

• SPD voor communicatienetwerken

Deze apparaten beveiligen telefoonnetwerken, geschakelde netwerken en automatische stuurnetwerken (bus) tegen overspanningen van buitenaf (blikseminslag) en die binnen het stroomnet (vervuilende apparatuur, schakelinstallatie, etc.).

Dergelijke SPD's worden ook geïnstalleerd in RJ11, RJ45,… connectoren of geïntegreerd in belastingen.

3 Ontwerp van het beveiligingssysteem voor elektrische installaties

Ter bescherming van een elektrische installatie in een gebouw gelden eenvoudige regels voor de keuze van

• SPD ('s);
• het is een beschermingssysteem.

3.1 Ontwerpregels

Voor een stroomdistributiesysteem zijn de belangrijkste kenmerken die worden gebruikt om het bliksembeveiligingssysteem te definiëren en een SPD te selecteren om een ​​elektrische installatie in een gebouw te beschermen:

• SPD

- de hoeveelheid SPD;

- type;

- blootstellingsniveau om de maximale ontlaadstroom I van de SPD te bepalen_max.

• De kortsluitbeveiliging

- maximale ontlaadstroom I_max;

- kortsluitstroom I_sc op het punt van installatie.

Het logicaschema in Afbeelding J20 hieronder illustreert deze ontwerpregel.

De overige kenmerken voor de keuze van een SPD zijn voorgedefinieerd voor een elektrische installatie.

• aantal polen in SPD;
• spanningsbeveiligingsniveau U_p;
• bedrijfsspanning U_c.

Deze onderafdeling J3 beschrijft in meer detail de criteria voor de selectie van het beveiligingssysteem volgens de kenmerken van de installatie, de te beschermen apparatuur en de omgeving.

3.2 Elementen van het beschermingssysteem

Er moet altijd een SPD worden geïnstalleerd op de oorsprong van de elektrische installatie.

3.2.1 Locatie en type SPD

Het type SPD dat bij de oorsprong van de installatie moet worden geïnstalleerd, is afhankelijk van het al dan niet aanwezig zijn van een bliksembeveiligingssysteem. Als het gebouw is uitgerust met een bliksembeveiligingssysteem (volgens IEC 62305), moet een type 1 SPD worden geïnstalleerd.

Voor SPD geïnstalleerd aan het inkomende einde van de installatie, leggen de IEC 60364-installatienormen minimumwaarden vast voor de volgende 2 kenmerken:

• Nominale ontlaadstroom I_n = 5 kA (8/20) s;
• Spanningsbeveiligingsniveau U_p (bij I_n) <2.5 kV.

Het aantal extra te installeren SPD's wordt bepaald door:

• de grootte van de site en de moeilijkheid om verbindingsgeleiders te installeren. Op grote locaties is het essentieel om een ​​SPD te installeren aan het inkomende uiteinde van elke onderverdelingsbehuizing.
• de afstand die gevoelige ladingen scheidt die moeten worden beschermd van de beveiligingsinrichting aan de binnenkomende zijde. Wanneer de lasten zich meer dan 30 meter van de inkomende eindbeveiliging bevinden, is het noodzakelijk om te zorgen voor extra fijne bescherming zo dicht mogelijk bij gevoelige lasten. De verschijnselen van golfreflectie nemen toe vanaf 10 meter (zie hoofdstuk 6.5)
• het risico van blootstelling. In het geval van een zeer blootgestelde locatie, kan de inkomende SPD niet zowel een hoge bliksemstroomstroom als een voldoende laag spanningsbeveiligingsniveau garanderen. In het bijzonder gaat een Type 1 SPD doorgaans vergezeld van een Type 2 SPD.

De tabel in figuur J21 hieronder toont het aantal en het type SPD dat moet worden opgezet op basis van de twee hierboven gedefinieerde factoren.

3.4 Selectie van een Type 1 SPD

3.4.1 Impulsstroom I_kabouter

• Als er geen nationale voorschriften of specifieke voorschriften zijn voor het type gebouw dat moet worden beschermd, kan de impulsstroom I_kabouter moet ten minste 12.5 kA (10/350 μs golf) per aftakking zijn in overeenstemming met IEC 60364-5-534.

• Waar regelgeving bestaat: norm 62305-2 definieert 4 niveaus: I, II, III en IV, De tabel in Figuur J31 toont de verschillende niveaus van I_kabouter in het regelgevende geval.

3.4.2 Automatisch blussen volgstroom I_fi

Deze eigenschap is alleen van toepassing op SPD's met vonkbrugtechnologie. De automatische blussing volgt de huidige I_fi moet altijd groter zijn dan de te verwachten kortsluitstroom I_sc op het punt van installatie.

3.5 Selectie van een Type 2 SPD

3.5.1 Maximale ontlaadstroom I_max

De maximale ontlaadstroom Imax wordt bepaald op basis van het geschatte blootstellingsniveau ten opzichte van de locatie van het gebouw.

De waarde van de maximale ontlaadstroom (I._max) wordt bepaald door een risicoanalyse (zie tabel in Figuur J32).

3.6 Selectie van een extern kortsluitbeveiligingsapparaat (SCPD)

De beveiligingsinrichtingen (thermisch en kortsluiting) moeten worden gecoördineerd met de SPD om een ​​betrouwbare werking te garanderen, dwz

• zorgen voor continuïteit van de dienstverlening:

- bestand zijn tegen bliksemstroomgolven;

- geen te hoge restspanning genereren.

• zorgen voor een effectieve bescherming tegen alle soorten overstroom:

- overbelasting als gevolg van thermisch weglopen van de varistor;

- kortsluiting van lage intensiteit (impedant);

- kortsluiting van hoge intensiteit.

3.6.1 Te vermijden risico's aan het einde van de levensduur van de SPD's

• Door veroudering

In het geval van een natuurlijk einde van de levensduur als gevolg van veroudering, is de bescherming van het thermische type. SPD met varistoren moet een interne scheider hebben die de SPD uitschakelt.

Opmerking: Einde levensduur door thermisch weglopen heeft geen betrekking op SPD met gasontladingsbuis of ingekapselde vonkbrug.

• Door een storing

De oorzaken van het einde van de levensduur door een kortsluitstoring zijn:

- Maximale afvoercapaciteit overschreden.

Deze fout resulteert in een sterke kortsluiting.

- Een storing als gevolg van het distributiesysteem (omschakeling nul / fase, nulleider

ontkoppeling).

- Geleidelijke verslechtering van de varistor.

De laatste twee fouten resulteren in een impedante kortsluiting.

De installatie moet worden beschermd tegen schade als gevolg van dit soort fouten: de hierboven gedefinieerde interne (thermische) scheidingsschakelaar heeft geen tijd om op te warmen, en dus om te werken.

Een speciaal apparaat genaamd "externe kortsluitbeveiliging (externe SCPD)", waarmee de kortsluiting kan worden verholpen, moet worden geïnstalleerd. Het kan worden geïmplementeerd door een stroomonderbreker of een zekering.

3.6.2 Kenmerken van de externe SCPD (Short Circuit Protection Device)

De externe SCPD moet worden gecoördineerd met de SPD. Het is ontworpen om aan de volgende twee beperkingen te voldoen:

Bliksemstroom weerstaan

De weerstand tegen bliksemstroom is een essentieel kenmerk van de externe kortsluitbeveiliging van de SPD.

De externe SCPD mag niet trippen bij 15 opeenvolgende impulsstromen bij I_n.

Bestand tegen kortsluitstroom

• Het breekvermogen wordt bepaald door de installatieregels (norm IEC 60364):

De externe SCPD moet een uitschakelvermogen hebben dat gelijk is aan of groter is dan de verwachte kortsluitstroom Isc op het installatiepunt (in overeenstemming met de IEC 60364-norm).

• Bescherming van de installatie tegen kortsluiting

Met name de impedante kortsluiting dissipeert veel energie en dient zeer snel geëlimineerd te worden om schade aan de installatie en aan de SPD te voorkomen.

De juiste associatie tussen een SPD en zijn externe SCPD moet door de fabrikant worden gegeven.

3.6.3 Installatiemodus voor de externe SCPD

• Apparaat 'in serie'

De SCPD wordt beschreven als "in serie" (zie Fig. J33) wanneer de bescherming wordt uitgevoerd door de algemene beschermingsinrichting van het te beveiligen netwerk (bijvoorbeeld een verbindingsstroomonderbreker stroomopwaarts van een installatie).

• Apparaat 'parallel'

De SCPD wordt beschreven als "parallel" (zie Fig. J34) wanneer de bescherming specifiek wordt uitgevoerd door een beveiligingsapparaat dat is gekoppeld aan de SPD.

• De externe SCPD wordt een "ontkoppelende stroomonderbreker" genoemd als de functie wordt uitgevoerd door een stroomonderbreker.
• De ontkoppelende stroomonderbreker kan al dan niet in de SPD zijn geïntegreerd.

Opmerking: in het geval van een SPD met gasontladingsbuis of ingekapselde vonkbrug, laat de SCPD toe dat de stroom onmiddellijk na gebruik wordt onderbroken.

Opmerking: aardlekschakelaars van het S-type in overeenstemming met de normen IEC 61008 of IEC 61009-1 voldoen aan deze eis.

3.7.1 Coördinatie met stroomopwaartse beveiligingsapparatuur

Coördinatie met overstroombeveiligingen

In een elektrische installatie is de externe SCPD een apparaat dat identiek is aan het beveiligingsapparaat: dit maakt het mogelijk om discriminatie- en cascadetechnieken toe te passen voor technische en economische optimalisatie van het beveiligingsplan.

Coördinatie met aardlekschakelaars

Als de SPD stroomafwaarts van een aardlekbeveiliging wordt geïnstalleerd, moet deze van het "si" of selectieve type zijn met een immuniteit voor pulsstromen van ten minste 3 kA (8/20 μs stroomgolf).

4 Installatie van SPD's

Aansluitingen van een SPD op de belastingen moeten zo kort mogelijk zijn om de waarde van het spanningsbeveiligingsniveau (geïnstalleerd Up) op de klemmen van de beschermde apparatuur te verminderen. De totale lengte van SPD-verbindingen naar het netwerk en het aardklemmenblok mag niet meer dan 50 cm bedragen.

4.1 Verbinding

Een van de essentiële kenmerken voor de bescherming van apparatuur is het maximale spanningsbeveiligingsniveau (geïnstalleerd U_p) die de apparatuur op de terminals kan weerstaan. Dienovereenkomstig moet een SPD worden gekozen met een spanningsbeveiligingsniveau U_p aangepast aan de bescherming van de apparatuur (zie Fig. J38). De totale lengte van de aansluitgeleiders is

L = L1 + L2 + L3.

Voor hoogfrequente stromen is de impedantie per lengte-eenheid van deze aansluiting ongeveer 1 μH / m.

Vandaar dat de wet van Lenz op dit verband wordt toegepast: ∆U = L di / dt

De genormaliseerde stroomgolf van 8/20 μs, met een stroomamplitude van 8 kA, zorgt dus voor een spanningsstijging van 1000 V per meter kabel.

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

Als gevolg hiervan is de spanning over de apparatuurterminals, geïnstalleerd op:

geïnstalleerd U_p =U_p + U1 + U2

Als L1 + L2 + L3 = 50 cm, en de golf is 8/20 μs met een amplitude van 8 kA, is de spanning over de apparatuuraansluitingen U_p + 500 V.

4.1.1 Aansluiting in de kunststof behuizing

Afbeelding J39a hieronder laat zien hoe u een SPD in de plastic behuizing aansluit.

4.1.2 Aansluiting in de metalen behuizing

In het geval van een schakelinstallatie in een metalen behuizing, kan het verstandig zijn om de SPD rechtstreeks op de metalen behuizing aan te sluiten, waarbij de behuizing wordt gebruikt als een beschermende geleider (zie Fig. J39b).

Deze opstelling voldoet aan de norm IEC 61439-2 en de fabrikant van de MONTAGE moet ervoor zorgen dat de kenmerken van de behuizing dit gebruik mogelijk maken.

4.1.3 Geleiderdoorsnede

De aanbevolen minimale kabeldoorsnede houdt rekening met:

• De normale te leveren service: Stroom van de bliksemstroomgolf onder een maximale spanningsval (50 cm regel).

Opmerking: In tegenstelling tot toepassingen bij 50 Hz, waarbij het fenomeen van bliksem een ​​hoge frequentie is, vermindert de toename van de geleiderdoorsnede de hoogfrequente impedantie niet aanzienlijk.

• De geleiders zijn bestand tegen kortsluitstromen: de geleider moet bestand zijn tegen kortsluitstroom tijdens de maximale uitschakeltijd van het beveiligingssysteem.

IEC 60364 beveelt aan het inkomende einde van de installatie een minimale doorsnede aan van:

- 4 mm² (Cu) voor aansluiting van Type 2 SPD;

- 16 mm² (Cu) voor aansluiting van Type 1 SPD (aanwezigheid van bliksembeveiligingssysteem).

4.2 Bekabelingsregels

• Regel 1: De eerste regel waaraan u moet voldoen, is dat de lengte van de SPD-verbindingen tussen het netwerk (via de externe SCPD) en het aardingsklemmenblok niet meer dan 50 cm mag bedragen.

Figuur J40 toont de twee mogelijkheden voor aansluiting van een SPD.

• Regel 2: De geleiders van beschermde uitgaande feeders:

- moet worden aangesloten op de terminals van de externe SCPD of de SPD;

- moet fysiek worden gescheiden van de vervuilde inkomende geleiders.

Ze bevinden zich rechts van de terminals van de SPD en de SCPD (zie Fig. J41).

• Regel 3: De inkomende fase-, nul- en beschermingsgeleiders (PE) moeten naast elkaar lopen om het lusoppervlak te verkleinen (zie Fig. J42).
• Regel 4: De inkomende geleiders van de SPD moeten ver verwijderd zijn van de beschermde uitgaande geleiders om vervuiling door koppeling te voorkomen (zie Fig. J42).
• Regel 5: De kabels moeten tegen de metalen delen van de behuizing (indien aanwezig) worden vastgemaakt om het oppervlak van de framelus te minimaliseren en zo te profiteren van een afschermende werking tegen EM-storingen.

In alle gevallen moet worden gecontroleerd of de frames van schakelborden en behuizingen zijn geaard via zeer korte verbindingen.

Ten slotte, als afgeschermde kabels worden gebruikt, moeten grote lengtes worden vermeden, omdat deze de efficiëntie van de afscherming verminderen (zie Fig. J42).

5 applicatie

5.1 Installatievoorbeelden

Oplossingen en schematisch diagram

• De selectiegids voor overspanningsafleider heeft het mogelijk gemaakt om de exacte waarde van de overspanningsafleider aan het inkomende einde van de installatie en die van de bijbehorende uitschakelautomaat te bepalen.
• Omdat de gevoelige apparaten (U_p <1.5 kV) zich op meer dan 30 m van de inkomende beveiligingsinrichting bevinden, moeten de overspanningsafleiders met fijne beveiliging zo dicht mogelijk bij de belastingen worden geïnstalleerd.
• Om een ​​betere continuïteit van de service voor koelruimten te garanderen:

- Aardlekschakelaars van het type "si" zullen worden gebruikt om hinderlijke uitschakeling te voorkomen die wordt veroorzaakt door de stijging van het aardpotentiaal tijdens het passeren van de bliksemgolf.

• Ter bescherming tegen atmosferische overspanningen:

- installeer een overspanningsbeveiliging in het hoofdschakelbord

- installeer een overspanningsafleider met fijne beveiliging in elk schakelbord (1 en 2) dat de gevoelige apparaten voedt die zich meer dan 30 m van de inkomende overspanningsafleider bevinden

- installeer een overspanningsbeveiliging op het telecommunicatienetwerk om de meegeleverde apparaten te beschermen, bijvoorbeeld brandalarmen, modems, telefoons, faxen.

Bekabeling aanbevelingen

- Zorg voor de equipotentialiteit van de aardaansluitingen van het gebouw.

- Beperk het aantal doorgeluste voedingskabels.

Installatie aanbevelingen

• Installeer een overspanningsafleider, Imax = 40 kA (8/20 μs) en een iC60-stroomonderbreker met een nominale waarde van 20 A.
• Installeer overspanningsafleiders met fijne beveiliging, Imax = 8 kA (8/20 μs) en de bijbehorende iC60-stroomonderbrekers met een nominale waarde van 20.