Urządzenia przeciwprzepięciowe są stosowane w sieciach elektroenergetycznych, sieciach telefonicznych oraz szynach komunikacyjnych i automatycznej kontroli.

2.4 Urządzenie przeciwprzepięciowe (SPD)

Urządzenie przeciwprzepięciowe (SPD) jest elementem systemu ochrony instalacji elektrycznej.

Urządzenie to jest podłączone równolegle do obwodu zasilania obciążeń, które ma chronić (patrz Rys. J17). Może być również stosowany na wszystkich poziomach sieci zasilającej.

Jest to najczęściej stosowany i najskuteczniejszy rodzaj ochrony przeciwprzepięciowej.

Zasada

SPD ma na celu ograniczenie przejściowych przepięć pochodzenia atmosferycznego i skierowanie fal prądowych do ziemi, tak aby ograniczyć amplitudę tego przepięcia do wartości, która nie jest niebezpieczna dla instalacji elektrycznej oraz rozdzielnic i sterownic.

SPD eliminuje przepięcia:

• w trybie wspólnym, między fazą a punktem zerowym lub ziemią;
• w trybie różnicowym, między fazą a przewodem neutralnym. W przypadku przepięcia przekraczającego próg zadziałania SPD
• przewodzi energię do ziemi w trybie wspólnym;
• rozprowadza energię do innych przewodów pod napięciem w trybie różnicowym.

Trzy rodzaje SPD:

• Wpisz 1 SPD

SPD Typ 1 jest zalecany w szczególnych przypadkach obiektów usługowych i przemysłowych, chronionych przez instalację odgromową lub klatkę z siatki. Chroni instalacje elektryczne przed bezpośrednim uderzeniem pioruna. Może rozładować prąd wsteczny z wyładowania atmosferycznego rozprzestrzeniającego się od przewodu uziemiającego do przewodów sieciowych.

SPD typu 1 charakteryzuje się falą prądową 10/350 μs.

• Wpisz 2 SPD

SPD typu 2 to główny system zabezpieczający dla wszystkich instalacji elektrycznych niskiego napięcia. Zamontowany w każdej rozdzielnicy elektrycznej zapobiega rozprzestrzenianiu się przepięć w instalacjach elektrycznych oraz zabezpiecza obciążenia.

SPD typu 2 charakteryzuje się falą prądową 8/20 μs.

• Wpisz 3 SPD

Te SPD mają niską zdolność rozładowania. Dlatego muszą być obowiązkowo instalowane jako uzupełnienie SPD typu 2 oraz w pobliżu wrażliwych ładunków. SPD typu 3 charakteryzuje się połączeniem fal napięciowych (1.2 / 50 μs) i prądowych (8/20 μs).

Definicja normatywna SPD

2.4.1 Charakterystyka SPD

Międzynarodowa norma IEC 61643-11 wydanie 1.0 (03/2011) definiuje charakterystyki i testy SPD podłączonych do systemów dystrybucji niskiego napięcia (patrz Rys. J19).

• Wspólne cechy

- U_c: Maksymalne napięcie pracy ciągłej

Jest to napięcie AC lub DC, powyżej którego SPD uaktywnia się. Wartość ta dobierana jest zgodnie z napięciem znamionowym i układem uziemienia systemu.

- U_p: Poziom ochrony napięcia (przy I_n)

Jest to maksymalne napięcie na zaciskach SPD, gdy jest ono aktywne. To napięcie jest osiągane, gdy prąd płynący w SPD jest równy I._n. Wybrany poziom ochrony napięcia musi być niższy od wytrzymałości na przepięcia obciążeń (patrz rozdział 3.2). W przypadku uderzeń pioruna napięcie na zaciskach SPD pozostaje na ogół mniejsze niż U_p.

- Ja_n: Nominalny prąd rozładowania

Jest to szczytowa wartość prądu o przebiegu 8/20 μs, którą SPD może rozładować 15 razy.

• Wpisz 1 SPD

- Ja_chochlik: Aktualnie Impuls

Jest to szczytowa wartość prądu o przebiegu 10/350 μs, którą SPD może rozładować 5 razy.

- Ja_fi: Auto gasnący prąd następczy

Dotyczy tylko technologii iskiernika.

Jest to prąd (50 Hz), który SPD jest w stanie samodzielnie przerwać po rozgorzeniu. Prąd ten musi zawsze być większy niż spodziewany prąd zwarciowy w miejscu instalacji.

• Wpisz 2 SPD

- Ja_max: Maksymalny prąd rozładowania

Jest to szczytowa wartość prądu o przebiegu 8/20 μs, którą SPD jest w stanie jednorazowo rozładować.

• Wpisz 3 SPD

- U_oc: Napięcie obwodu otwartego przyłożone podczas badań klasy III (typ 3).

2.4.2 Główne zastosowania

• SPD niskiego napięcia

Określenie to określa bardzo różne urządzenia, zarówno z punktu widzenia technologii, jak i użytkowania. SPD niskiego napięcia są modułowe, aby można je było łatwo zainstalować w rozdzielnicach niskiego napięcia. Istnieją również SPD przystosowane do gniazd zasilania, ale te urządzenia mają niską zdolność rozładowania.

• SPD dla sieci komunikacyjnych

Urządzenia te chronią sieci telefoniczne, sieci komutowane oraz sieci automatyki (magistrali) przed przepięciami pochodzącymi z zewnątrz (wyładowania atmosferyczne) oraz wewnątrz sieci elektroenergetycznej (zanieczyszczające urządzenia, praca rozdzielni itp.).

Takie SPD są również instalowane w złączach RJ11, RJ45… lub zintegrowane z odbiornikami.

3 Projekt zabezpieczenia instalacji elektrycznej

Aby zabezpieczyć instalację elektryczną w budynku, obowiązują proste zasady doboru

• SPD (s);
• to system ochrony.

3.1 Zasady projektowania

W przypadku systemu dystrybucji energii główne cechy używane do zdefiniowania systemu ochrony odgromowej i wyboru SPD do ochrony instalacji elektrycznej w budynku to:

• SPD

- ilość SPD;

- rodzaj;

- poziom ekspozycji w celu określenia maksymalnego prądu rozładowania SPD I_max.

• Urządzenie zabezpieczające przed zwarciem

- maksymalny prąd rozładowania I_max;

- prąd zwarcia I_sc w miejscu instalacji.

Schemat logiczny na rysunku J20 poniżej ilustruje tę zasadę projektowania.

Pozostałe cechy doboru SPD są predefiniowane dla instalacji elektrycznej.

• liczba biegunów w SPD;
• poziom ochrony U_p;
• napięcie robocze U_c.

Ta podsekcja J3 bardziej szczegółowo opisuje kryteria doboru systemu ochrony zgodnie z charakterystyką instalacji, chronionego sprzętu i środowiska.

3.2 Elementy systemu ochrony

SPD musi być zawsze instalowany na początku instalacji elektrycznej.

3.2.1 Lokalizacja i rodzaj SPD

Rodzaj SPD, który ma być zainstalowany na początku instalacji, zależy od tego, czy występuje system ochrony odgromowej. Jeśli budynek jest wyposażony w instalację odgromową (zgodnie z IEC 62305), należy zainstalować SPD typu 1.

W przypadku SPD zainstalowanego na wejściowym końcu instalacji, normy instalacyjne IEC 60364 określają minimalne wartości następujących 2 charakterystyk:

• Nominalny prąd wyładowczy I_n = 5 kA (8/20) µs;
• Poziom ochrony U_p (w I_n) <2.5 kV.

Liczba dodatkowych SPD do zainstalowania jest określona przez:

• wielkość miejsca i trudność instalacji przewodów łączących. W dużych lokalizacjach konieczne jest zainstalowanie SPD na wejściowym końcu każdej obudowy subdystrybucyjnej.
• odległość oddzielająca wrażliwe obciążenia, które mają być chronione, od urządzenia zabezpieczającego końcówkę wejściową. Gdy ładunki znajdują się w odległości większej niż 30 metrów od urządzenia zabezpieczającego końcówkę wejściową, konieczne jest zapewnienie dodatkowej dokładnej ochrony, jak najbliżej wrażliwych ładunków. Zjawiska odbicia fal narastają od 10 metrów (patrz rozdział 6.5)
• ryzyko narażenia. W przypadku bardzo odsłoniętego miejsca SPD końca wejściowego nie może zapewnić zarówno wysokiego przepływu prądu piorunowego, jak i wystarczająco niskiego poziomu ochrony. W szczególności SPD typu 1 zazwyczaj towarzyszy SPD typu 2.

Tabela na rysunku J21 poniżej przedstawia liczbę i rodzaj SPD, które należy ustawić na podstawie dwóch czynników określonych powyżej.

3.4 Wybór SPD typu 1

3.4.1 Prąd impulsowy I_chochlik

• W przypadku braku przepisów krajowych lub szczegółowych przepisów dotyczących typu chronionego budynku, prąd udarowy I._chochlik powinna wynosić co najmniej 12.5 kA (10/350 μs fali) na gałąź zgodnie z normą IEC 60364-5-534.

• Tam, gdzie istnieją przepisy: norma 62305-2 definiuje 4 poziomy: I, II, III i IV, Tabela na rysunku J31 przedstawia różne poziomy I_chochlik w przypadku regulacyjnym.

3.4.2 Samogasnący prąd następczy I_fi

Ta charakterystyka ma zastosowanie tylko do SPD z technologią iskiernika. Samogaszenie następuje po prądzie I_fi zawsze musi być większy niż spodziewany prąd zwarciowy I_sc w miejscu instalacji.

3.5 Wybór SPD typu 2

3.5.1 Maksymalny prąd rozładowania I_max

Maksymalny prąd wyładowczy Imax jest określany na podstawie szacowanego poziomu narażenia w odniesieniu do lokalizacji budynku.

Wartość maksymalnego prądu rozładowania (I_max) jest określana na podstawie analizy ryzyka (patrz tabela na rysunku J32).

3.6 Wybór zewnętrznego urządzenia zabezpieczającego przed zwarciem (SCPD)

Zabezpieczenia (termiczne i przeciwzwarciowe) muszą być skoordynowane z SPD, aby zapewnić niezawodne działanie, tj

• zapewnić ciągłość usług:

- wytrzymują fale prądu piorunowego;

- nie generować nadmiernego napięcia resztkowego.

• zapewniają skuteczną ochronę przed wszystkimi rodzajami przetężeń:

- przeciążenie po niekontrolowanej temperaturze warystora;

- zwarcie o małej intensywności (impedancyjne);

- zwarcie o dużym natężeniu.

3.6.1 Ryzyka, których należy unikać po zakończeniu okresu eksploatacji SPD

• Z powodu starzenia

W przypadku naturalnego końca życia w wyniku starzenia, ochrona ma charakter termiczny. SPD z warystorami musi mieć wewnętrzny odłącznik, który wyłącza SPD.

Uwaga: Koniec żywotności spowodowany niekontrolowaną temperaturą nie dotyczy SPD z gazową rurą wyładowczą lub hermetycznym iskiernikiem.

• Z powodu usterki

Przyczyny końca życia z powodu zwarcia to:

- Przekroczona maksymalna wydajność rozładowania.

Ta usterka powoduje silne zwarcie.

- Usterka spowodowana systemem dystrybucji (przełączenie zera / fazy, zero

odłączenie).

- Stopniowe niszczenie warystora.

Ostatnie dwa uszkodzenia powodują zwarcie impedancyjne.

Instalację należy zabezpieczyć przed uszkodzeniami wynikającymi z tego typu usterek: zdefiniowany powyżej odłącznik wewnętrzny (termiczny) nie ma czasu na rozgrzanie się, a tym samym na zadziałanie.

Należy zainstalować specjalne urządzenie zwane „zewnętrznym urządzeniem zabezpieczającym przed zwarciem (zewnętrzny SCPD)”, zdolne do wyeliminowania zwarcia. Można to zrealizować za pomocą wyłącznika lub bezpiecznika.

3.6.2 Charakterystyka zewnętrznego SCPD (zabezpieczenie przed zwarciem)

Zewnętrzny SCPD powinien być skoordynowany z SPD. Został zaprojektowany tak, aby spełniał następujące dwa ograniczenia:

Wytrzymałość na prąd piorunowy

Wytrzymałość na prąd piorunowy jest podstawową cechą zewnętrznego urządzenia zabezpieczającego przed zwarciem SPD.

Zewnętrzny SCPD nie może zadziałać po 15 kolejnych prądach impulsowych w I_n.

Wytrzymałość na prąd zwarciowy

• Zdolność wyłączania określają zasady instalacji (norma IEC 60364):

Zewnętrzny SCPD powinien mieć zdolność wyłączania równą lub większą niż spodziewany prąd zwarciowy Isc w miejscu instalacji (zgodnie z normą IEC 60364).

• Ochrona instalacji przed zwarciami

W szczególności zwarcie impedancyjne rozprasza dużo energii i powinno być bardzo szybko eliminowane, aby zapobiec uszkodzeniu instalacji i SPD.

Producent musi podać prawidłowe powiązanie między SPD a jego zewnętrznym SCPD.

3.6.3 Tryb instalacji dla zewnętrznego SCPD

• Urządzenie „w serii”

SCPD jest opisywane jako „szeregowe” (patrz Rys. J33), gdy ochrona jest wykonywana przez ogólne urządzenie zabezpieczające chronionej sieci (na przykład wyłącznik instalacyjny przed instalacją).

• Urządzenie „równolegle”

SCPD jest opisywane jako „równoległe” (patrz Rys. J34), gdy ochrona jest wykonywana konkretnie przez urządzenie zabezpieczające związane z SPD.

• Zewnętrzny SCPD nazywany jest „wyłącznikiem automatycznym”, jeśli funkcję tę pełni wyłącznik automatyczny.
• Wyłącznik automatyczny może, ale nie musi być wbudowany w SPD.

Uwaga: W przypadku SPD z rurą wyładowczą lub hermetycznym iskiernikiem, SCPD umożliwia odcięcie prądu natychmiast po użyciu.

Uwaga: Wyłączniki różnicowoprądowe typu S zgodne z normami IEC 61008 lub IEC 61009-1 spełniają to wymaganie.

3.7.1 Koordynacja z poprzedzającymi urządzeniami zabezpieczającymi

Koordynacja z zabezpieczeniami nadprądowymi

W instalacji elektrycznej zewnętrzny SCPD jest urządzeniem identycznym z aparatem ochronnym: umożliwia to zastosowanie technik dyskryminacji i kaskadowania w celu optymalizacji technicznej i ekonomicznej planu ochrony.

Koordynacja z wyłącznikami różnicowoprądowymi

Jeżeli SPD jest instalowane za urządzeniem zabezpieczającym przed upływem doziemnym, to powinno ono być typu „si” lub selektywne z odpornością na prądy impulsowe o wartości co najmniej 3 kA (fala prądowa 8/20 μs).

4 Instalacja SPD

Podłączenia SPD do odbiorników powinny być jak najkrótsze, aby zmniejszyć wartość poziomu ochrony napięciowej (zainstalowanej Up) na zaciskach chronionego sprzętu. Całkowita długość połączeń SPD do sieci i listwy zaciskowej nie powinna przekraczać 50 cm.

4.1 Połączenie

Jedną z zasadniczych charakterystyk ochrony urządzeń jest maksymalny poziom ochrony napięcia (zainstalowana U_p), że sprzęt może wytrzymać na swoich zaciskach. W związku z tym należy wybrać SPD z poziomem ochrony napięcia U_p przystosowany do ochrony sprzętu (patrz Rys. J38). Całkowita długość przewodów przyłączeniowych wynosi

L = L1 + L2 + L3.

W przypadku prądów o wysokiej częstotliwości impedancja na jednostkę długości tego połączenia wynosi około 1 μH / m.

Dlatego stosując prawo Lenza do tego związku: ∆U = L di / dt

Znormalizowana fala prądu 8/20 μs o amplitudzie prądu 8 kA powoduje odpowiednio wzrost napięcia o 1000 V na metr kabla.

∆U = 1 x 10^-6 x 8 x 10³ / 8x10^-6 = 1000 V

W rezultacie napięcie na zaciskach urządzeń, zainstalowanych Up, wynosi:

zainstalowany U_p =U_p + U1 + U2

Jeśli L1 + L2 + L3 = 50 cm, a fala ma 8/20 μs przy amplitudzie 8 kA, napięcie na zaciskach urządzenia wyniesie U_p + 500 V.

4.1.1 Połączenie w obudowie plastikowej

Rysunek J39a poniżej przedstawia sposób podłączenia SPD w plastikowej obudowie.

4.1.2 Połączenie w metalowej obudowie

W przypadku zestawu rozdzielnicy w obudowie metalowej, rozsądne może być podłączenie SPD bezpośrednio do obudowy metalowej, przy czym obudowa pełni rolę przewodu ochronnego (patrz Rys. J39b).

Taki układ jest zgodny z normą IEC 61439-2 i producent ZESPOŁU musi upewnić się, że charakterystyka obudowy umożliwia takie zastosowanie.

4.1.3 Przekrój przewodu

Zalecany minimalny przekrój przewodu uwzględnia:

• Normalne świadczone usługi: Przepływ fali prądu piorunowego przy maksymalnym spadku napięcia (reguła 50 cm).

Uwaga: W przeciwieństwie do zastosowań przy 50 Hz, gdzie zjawisko wyładowań atmosferycznych jest wysoką częstotliwością, zwiększenie przekroju przewodu nie zmniejsza znacząco jego impedancji dla wysokich częstotliwości.

• Wytrzymałość przewodów na prądy zwarciowe: Przewód musi wytrzymywać prąd zwarciowy przez maksymalny czas wyłączenia systemu ochronnego.

IEC 60364 zaleca minimalny przekrój na wejściu do instalacji:

- 4 mm² (Cu) do podłączenia SPD typu 2;

- 16 mm² (Cu) do podłączenia SPD typu 1 (obecność instalacji odgromowej).

4.2 Zasady okablowania

• Zasada 1: Pierwszą zasadą, której należy przestrzegać, jest to, że długość połączeń SPD między siecią (przez zewnętrzny SCPD) a listwą uziemiającą nie powinna przekraczać 50 cm.

Rysunek J40 przedstawia dwie możliwości podłączenia SPD.

• Zasada 2: Przewody chronionych pól odpływowych:

- należy podłączyć do zacisków zewnętrznego SCPD lub SPD;

- powinny być fizycznie oddzielone od zanieczyszczonych przewodów doprowadzających.

Znajdują się one po prawej stronie zacisków SPD i SCPD (patrz Rys. J41).

• Zasada 3: Doprowadzające przewody fazowe, neutralny i ochronny (PE) powinny przebiegać obok siebie w celu zmniejszenia powierzchni pętli (patrz Rys. J42).
• Zasada 4: Przewody doprowadzające SPD powinny być oddalone od chronionych przewodów odpływowych, aby uniknąć ich zanieczyszczenia przez sprzężenie (patrz Rys. J42).
• Zasada 5: Kable powinny być przypięte do metalowych części obudowy (jeśli występują), aby zminimalizować powierzchnię pętli ramy, a tym samym skorzystać z efektu ekranowania przed zakłóceniami EM.

We wszystkich przypadkach należy sprawdzić, czy ramy rozdzielnic i obudów są uziemione bardzo krótkimi połączeniami.

Wreszcie, jeśli stosowane są kable ekranowane, należy unikać dużych długości, ponieważ zmniejszają one skuteczność ekranowania (patrz Rys. J42).

Aplikacja 5

5.1 Przykłady instalacji

Rozwiązania i schemat ideowy

• Przewodnik doboru ograniczników przepięć umożliwił określenie dokładnej wartości ogranicznika na wejściowym końcu instalacji oraz powiązanego wyłącznika odłączającego.
• Ponieważ wrażliwe urządzenia (U_p <1.5 kV) znajdują się w odległości większej niż 30 m od urządzenia zabezpieczającego na wejściu, dokładne ograniczniki przepięć muszą być instalowane jak najbliżej odbiorników.
• Aby zapewnić lepszą ciągłość obsługi obszarów chłodni:

- Wyłączniki różnicowoprądowe typu „si” będą stosowane w celu uniknięcia uciążliwego wyzwalania spowodowanego wzrostem potencjału ziemi podczas przechodzenia fali pioruna.

• Do ochrony przed przepięciami atmosferycznymi:

- zainstalować ogranicznik przepięć w rozdzielnicy głównej

- zainstalować dokładny ogranicznik przepięć w każdej rozdzielnicy (1 i 2) zasilającej czułe urządzenia znajdujące się w odległości większej niż 30 m od wchodzącego ogranicznika przepięć

- zainstalować ogranicznik przepięć w sieci telekomunikacyjnej w celu ochrony dostarczanych urządzeń np. Alarmów pożarowych, modemów, telefonów, faksów.

Zalecenia dotyczące okablowania

- Zapewnić ekwipotencjalność zakończeń uziemienia budynku.

- Zmniejszyć zapętlone obszary kabli zasilających.

Zalecenia dotyczące instalacji

• Zainstalować ogranicznik przepięć Imax = 40 kA (8/20 μs) i wyłącznik odłączający iC60 o obciążalności znamionowej 20 A.
• Zainstaluj precyzyjne ograniczniki przepięć, Imax = 8 kA (8/20 μs) i powiązane wyłączniki iC60 o wartości znamionowej 20.