2024-05-24
Ochrona przed przepięciamiOgranicznik przepięć

Ogranicznik przepięć. Budowa i zasada działania.

Spis treści

Ogranicznik przepieć czy jest wymagany?

W Polsce zapewnienie ochrony przed przepięciami dla instalacji elektrycznych jest wymagane prawem. Wskazuje na to pośrednio Ustawa o prawie budowlanym z roku 1994 (wraz z późniejszymi zmianami) w kontekście ochrony odgromowej i przepięciowej.

W rozdziale 6, art. 61, ustęp 2 mówi o tym iż  „Właściciel lub zarządca obiektu budowlanego jest obowiązany zapewnić dochowując należytej staranności, bezpieczne użytkowanie obiektu w razie wystąpienia czynników zewnętrznych odziaływujących na obiekt, związanych z działaniem człowieka lub sił natury, takich jak: wyładowania atmosferyczne, (…) w wyniku których następuje uszkodzenie obiektu budowlanego lub bezpośrednie zagrożenie takim uszkodzeniem, mogące spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, bezpieczeństwa mienia lub środowiska.

Kolejnym aktem prawnym, który doprecyzowuje to zagadnienie jest Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (z późniejszymi zmianami).

Rozporządzenie to konkretyzuje wymaganą ochronę odgromową i przepięciową:

  • § 53 Ustęp 2: „Budynek należy wyposażyć w instalację chroniącą od wyładowań atmosferycznych. Obowiązek ten odnosi się do budynków wyszczególnionych w Polskiej Normie dotyczącej ochrony odgromowej obiektów budowlanych.”
  • § 180. Instalacja i urządzenia elektryczne, przy zachowaniu przepisów rozporządzenia, przepisów odrębnych dotyczących dostarczania energii, ochrony przeciwpożarowej, ochrony środowiska oraz bezpieczeństwa i higieny pracy, a także wymagań Polskich Norm odnoszących się do tych instalacji i urządzeń, powinny zapewniać: (…)
    • ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym, przepięciami łączeniowymi i atmosferycznymi, powstaniem pożaru, wybuchem i innymi szkodami.
  • § 183. Ustęp 1. W instalacjach elektrycznych należy stosować: (…)
    • połączenia wyrównawcze główne i miejscowe, łączące przewody ochronne z częściami przewodzącymi innych instalacji i konstrukcji budynku
    • urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej
ogranicznik przepięć EATON
Ogranicznik przepięć
schemat elektryczny z ogranicznikiem przepięć
Schemat elektryczny z ogranicznikiem przepięć

Co to jest ogranicznik przepięć?

Aby odpowiedzieć na pytanie co to jest ogranicznik przepięć, skorzystam z definicji zawartej w normie:

PN-EN 61643-11. Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 11: Urządzenia ograniczające przepięcia w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia.

Norma którą przywołuję swoim zakresem odnosi się do urządzeń ograniczających przepięcia pochodzące od bezpośrednich wyładowań piorunowych oraz od przepięć łączeniowych. Urządzenia te mają być przeznaczone do pracy w sieci 50-60Hz oraz cechować się napieciem pracy nie przekraczającym 1000V rms.

W owym dokumencie znajdziemy taką definicję urządzenia SPD (surge protective device) zwanym ogranicznikiem przepięć:

„urządzenie zawierające przynajmniej jeden nieliniowy komponent, którego przeznaczeniem jest ograniczenie przepięć i odprowadzenie przepięć.”

Dodatkowo norma przywołuje adnotację, iż mowa jest o gotowym do zamontowania urządzeniu z możliwością podłączenia do instalacji elektrycznej.

rozdzielnica elektryczna z ogranicznikiem przepięć
Rozdzielnica elektryczna z ogranicznikiem przepięć

Norma PN-EN 61643-11 wprowadza również podział konstrukcyjny ograniczników przepieć.

Urządzenia ograniczające przepięcia dzielimy na:

  1. Ogranicznik przepięć ucinający napięcie – urządzenie o wysokiej impedancji w warunkach normalnych, która to dynamicznie i szybko dąży do zera podczas przepięcia. Konstrukcja oparta zazwyczaj na iskierniku, możliwy tyrystor. Norma nie precyzuje z jakiego elementu ma się składać urządzenie.
  2. Ogranicznik przepięć ograniczający napięcie – urządzenie o wysokiej impedancji w warunkach normalnych, która to stopniowo dąży do zera wraz ze wzrostem napięcia. Konstrukcja oparta zazwyczaj na warystorze – norma nie precyzuje z jakiego elementu ma się składać urządzenie.
  3. Ogranicznik przepięć typu kombinowanego – zawierający element ucinający napięcie i ograniczający napięcie.
symbol elektryczny ogranicznika przepięć symbol elektryczny iskiernika symbol elektryczny warystora
Symbole elektryczne ograniczników przepięć

Typy ograniczników przepięć

Ograniczniki przepięć klasyfikowane są:

  • na klasy zgodnie z normą IEC 61643-11:2011 lub
  • typy zgodnie z normą EN 61643-11:2012.

Klasa I, typ T1 – to ograniczniki przepięć badane impulsem 10/350 us, które przeszły taką próbę. Urządzenia zgodne z tą klasą są montowane zwykle na granicy stref LPZ 0B i LPZ 1, w rozdzielnicy głównej obiektu. Zazwyczaj konstrukcja oparta na iskierniku i/lub warystorze.

Klasa II, typ T2 –  to ograniczniki przepięć badane impulsem 8/20 us, które przeszły taką próbę. Urządzenia II, T2 zwykle służą do tłumienia przepięć pośrednich i komutacyjnych, montowane w podrozdzielnicach. Zazwyczaj konstrukcja oparta na warystorze.

Klasa III, Typ T3 – to ograniczniki warystorowe lub w układach 1+1 z iskiernikiem sumującym. Urządzenia III, T3 zwykle służą do dalszego tłumienia przepięć pośrednich i komutacyjnych, montowane w odległości do 5m od chronionych odbiorników. Konstrukcja oparta zwykle na warystorze.

UWAGA: Oznakowanie ograniczników przepięć B,C,D jest błędne!

Oznakowanie ograniczników literami B,C,D, które do tej pory funkcjonuje w branży w mowie potocznej jest błędnym oznaczeniem ograniczników przepięć. Znakowanie literami pochodzi z norm niemieckich VDE, które nie obowiązują obecnie w Polsce. Polski komitet normalizacyjny zharmonizował normy EN oraz IEC, które nie stosują takich oznaczeń. 

Zarówno ogranicznik przepięć znakowany wyłącznie B,C lub D oraz zapis na projekcie technicznym i lub budowlanym jest błędny i w praktyce oznacza możliwość zastosowania byle czego.

Ściągawka przypisania starych oznaczeń do obecnie obowiązujących:

  1. Ogranicznik przepięć typu B – obecnie klasy I, typu T1
  2. Ogranicznik przepięć typu c – obecnie klasy II, typu T2
  3. Ogranicznik przepięć typu D – obecnie klasy III, typu T3

 

 

Norma

Typ / Oznaczenie

EN 61643-11:2012

IEC 61643-11:2011

Ogranicznik przepięc typu 1 /  typu 1+2 / ogranicznik kombinowany

SPD typu 1

SPD klasy I

Ogranicznik przepięć typu 2 do rozdzielnic, podrozdzielnic, instalacji stałych

SPD typu 2

SPD klasy II

Ogranicznik przepięć typu 3 do gniazd elektrycznych / urządzeń końcowych

SPD typu 3

SPD klasy III

Tabela Klasyfikacja urządzeń ochronnych zgodnie z normami seri IEC i EN

Próby udarowe ograniczników przepięć
Próby udarowe ograniczników przepięć

UWAGA

Na powyższym wykresie zestawiono próby udarowe ograniczników przepięć.

Czerwony wykres – przebieg 10/350 us – próba wytrzymałościowa ograniczników klasy I, typu T1

Żółty wykres – przebieg 8/20 us – próba wytrzymałościowa ograniczników klasy II, typu T2

Zamiana aparatu klasy I, typu T1 na aparat klasy II, typu T2 przy wyładowaniu bezpośrednim spowoduje uszkodzenie takiego aparatu. Zazwyczaj kończy się to wybuchem aparatu, czasami pożarem rozdzielnicy. 

Nie wolno zamieniać bez projektowego uzasadnienia aparatu mocniejszego słabszym urządzeniem!

Kluczowe parametry ograniczników przepięć

UC – największe napięcie trwałej pracy. Maksymalne napięcie, które może być przyłożone do zacisków ogranicznika przepięć. Powyżej tej wartości, ogranicznik może zadziałać. Uc dobiera się na napięcie sieci, w której ogranicznik będzie pracować. Dla sieci 230/400V max. UC wynosi 230V +10% = 253V (układy TN i TT)

Iimp – Piorunowy prąd udarowy (prąd impulsowy) o kształcie 10/350 μs, określony przez szczytową wartość prądu, ładunek Q i energię właściwą W/R, jest stosowany w testach ograniczników przepięć typu 1, odpowiada wpływowi bezpośredniego wyładowania

In – Znamionowy prąd wyładowczy, jest to prąd o kształcie (8/20) μs – odpowiada on pośredniemu efektowi wyładowania atmosferycznego i przepięciu łączeniowemu, jest stosowany w testach ograniczników przepięć typu 2

Imaks. – maksymalna wartość prądu udarowego, którą ogranicznik musi odpriwadzić, ale może przy tym ulec uszkodzeniu

Napięciowy poziom ochrony UP – wskazuje maksymalną wartość napięcia, do której ogranicznik przepięć jest w stanie ograniczyć przepięcie.

Maksymalne dopuszczalne dobezpieczenie – zabezpieczenie, które może być podłączone przed ogranicznikiem przepięć w celu zabezpieczenia go przed długotrwałym narażeniem na prądy zwarciowe

Zdolność gaszenia prądów następczych Ifi przy UC – wartość nietłumionego prądu następczego sieci elektrycznej, który może być samodzielnie wygaszany przez ogranicznik przepięc przy napięciu UC. Ograniczniki montowane między przewodami N a PE i przy których może wystąpić prąd następczy (np. iskierniki) muszą wykazywać zdolnośc gaszenia prądów następczych na poziomie Ifi ≥ 100Arms

Przepięcie dorywcze TOV (z ang. temporary overvoltage) – przejściowe, czasowe przepięcia o częstotliwości sieciowej, powstające wskutek zwarć wewnątrz sieci średniego i niskiego napięcia. Ogranicznik przepięć powinien wytrzymywać przepięcie 440VAC symulujące przerwanie przewodu N przez 120minut.

Technologie wykonania ograniczników przepięć

Najczęstsze rynkowe rozwiązania bazują na dwóch technologiach: iskiernikach lub warystorach, albo połączeniu tych dwóch w jednym urządzeniu.

Ogranicznik przepięć oparty na iskierniku cechuje wysoka żywotność i wytrzymałość. Natomiast działa on dużo wolniej od aparatów opartych o warystor, potrzebuje też dużo wyższego napięcia przyłożonego do zacisków, aby rozpocząć pracę. Dlatego dużo gorzej radzi sobie z ochroną wrażliwych urządzeń. Sam iskiernik zwykle składa się aparatu wypełnionego gazem z trój-elektrodowym układem powodującym wyładowanie wewnątrz aparatu po podaniu odpowiednio wysokiego napięcia na jego zaciski. Jako że aparat wypełniony jest gazem, który przewodzi dopiero po osiągnięciu odpowiedniego poziomu napięcia, zapewnia separację galwaniczną. Jest to pożądane w instalacjach o układzie sieci IT oraz tam, gdzie chcemy zniwelować efekt starzenia się warystorów (układy 3+1 z iskiernikiem sumującym).

 

iskiernik budowa
iskiernik budowa
iskiernik zasada dzialania

a) Przepięcie na zaciskach głównych (elektrody 1 i 2)
b) Jonizacja iskiernika przez szczyt napięcia, generowanego przez moduł elektroniczny (elektrodę sterującą)
c) Zapłon łuku elektrycznego i następująca po nim zmiana drogi przewodzenia pomiędzy złączami przewodów
zasilających.

Warystor to element półprzewodnikowy, którego rezystancja w warunkach normalnych dąży do nieskończoności, przez co taki aparat przewodzi szczątkowe prądy. Po przyłożeniu do zacisków wyższego napięcia, jego rezystancja wewnętrzna stopniowo dąży do zera, odprowadzając tym samym udar prądowy. Warystory dużo szybciej reagują na wzrost napięcia od iskierników, stąd są wykorzystywane do ochrony bardziej wrażliwych odbiorników. Ich wadą jest to, że mają mniejszą odporność od iskierników oraz nie zapewniają separacji galwanicznej.

Częstym błędem w projektach elektrycznych jest umieszczanie ogólnego symbolu ogranicznika przepięć bez wskazania technologii oraz kluczowych parametrów. Prowadzi to do tego, że głównym kryterium doboru staje się aspekt ekonomiczny, a skuteczna ochrona jest celem drugorzędnym.

warystor budowa
warystor budowa
warystor charakterystyka czasowo prądowa
warystor charakterystyka czasowo prądowa

Ogranicznik przepięć jak działa?

wpływ prądu piorunowego na instalację elektryczną

W przypadku wyładowania piorunowego w obiekt, w instalacji elektrycznej dochodzi do pojawienia się różnych potencjałów na częściach normalnie nieprzewodzących oraz na instalacji elektrycznej. Skutkiem tej różnicy potencjałów może być iskrzenie i pożar rozdzielnicy elektrycznej oraz w jego następstwie pożar całego budynku. Ponadto wyładowaniu piorunowemu towarzyszy ogromna energia wyrażona wysokim napięciem, która to może uszkodzić każdy odbiornik elektryczny (niska odproność na udar prądowy).  Na koniec nie należy zapominać o LEMP czyli o impulsie elektromagnetycznym, który uszkadza odbiorniki elektryczne.

działanie ogranicznika przepięć w instalacji elektrycznej

Ogranicznik przepięć jest włączony równolegle w obwodzie zasilania urządzeń, które mają być chronione. Zadaniem ogranicznika przepięć jest ograniczenie krótkotrwałych przepięć atmosferycznych oraz odprowadzenie prądów udarowych do ziemi. Dzięki temu zmniejszamy amplitudę przepięcia do wartości, którą są w stanie wytrzymać chronione urządzenia elektryczne.

Ponadto ograniczniki przepięć podczas przepięcia wyrównują potencjał między przewodami, aby nie doszło do niebezpiecznego iskrzenia między nimi ze względu na różnicę potencjałów, co może prowadzić do pożaru.

Gdy tylko przepięcie na zaciskach danego ogranicznika przepięć przekroczy zdefiniowaną wartość, ogranicznik przepięć znacznie zmniejszy swoją impedancję, a tym samym umożliwi wyrównanie potencjału do dopuszczalnej granicy.

Koordynacja ograniczników przepięć

Ograniczniki przepięć ogólna zasada montażu. Koncepcja skoordynowanej ochrony SPD
Ograniczniki przepięć ogólna zasada montażu. Koncepcja skoordynowanej ochrony SPD

Ograniczniki przepięć działają w grupie i każdy stopień (typ, klasa) obniża wartość przepięcia do coraz niższych wartości. Z poprzedniej części tekstu wiemy, że na początku instalacji montuje się  ograniczniki przepięć typu 1 aby przyjąć bezpośrednie wyładowanie, a kolejne typy 2 i 3 obniżają to napięcie do poziomów wytrzymywanych przez czułe urządzenia.

Do zagwarantowania selektywnego (wybiórczego) działania ograniczników przepięć wymagana jest koordynacja energetyczna urządzeń. Główna zasada jest taka, że każdy stopień ochrony odprowadza tyle energii na jaką został dobrany. Jeśli energia ta przekracza jego możliwości, to poprzedni ogranicznik musi mu niejako „pomóc” i odprowadzić ten prąd. Koordynacja wynika z zapisów norm IEc 62305-4 oraz IEC 60364-5-53.

Prawidłowe oznakowanie ogranicznika przepięć

Prawidłowe oznakowanie ogranicznika przepięć
Prawidłowe oznakowanie ogranicznika przepięć. Źródło: KIGEIT
ogranicznik przepięć z wymiennymi wkładami
Ogranicznik przepięć wersja z wymiennymi wkładami

Artykuł ten jest elementem szerszego cyklu poświęconego ochronie przed przepięciami.

Zachęcam Cię do komentowania oraz do zapoznania się z pozostałymi materiałami!

Facebook
Twitter
LinkedIn
Email

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *