Elektrika.cz, reportážní portál instalační elektrotechniky, vyhlášky, schémata zapojení .

 
Oddíly
reklama
Bleskovky
Osobní nástroje
FUTURE okénko - V nejbližších dnech se zde dočtete ...
  • Svůj pohled na sousední megaveletrh Light+Building ve Frankfurtu popisuje český elektrikář. Nezůstává pouze u jednoho selfie o své přítomnosti v Německu a prozrazuje proč se vydal tak daleko. Čím ho to obohatilo? Jak se dívá na budoucnost veletržních ...
  • Pokud chceme studovat různé aspekty elektrických jevů, včetně teploty výbojů blesku, vlivu ionizace vzduchu a negativních účinků elektrického oblouku, pak se nabízí studium na VUT, ČVUT ... mnoho příležitostí k experimentům s různými kombinacemi ...

PHOENIX CONTACT: Přepěťová ochrana a EMC


Document Actions
PHOENIX CONTACT: Přepěťová ochrana a EMC
Přes několik desetiletí, po která jsou prvky ochrany proti přepětí a přepěťová ochrana jako součást EMC probírány a instalovány, dochází stále k opominutím a chybám. Tyto chyby, opomenutí a omyly často degradují ochranu a přispívají k obecnému názoru – ono vlastně není třeba ochranu proti přepětí budovat, jelikož nesplní předpokládanou funkci.
Edmund Pantůček, ze dne: 15.05.2012

Hlavně od "elektrikářů-praktiků" můžeme slyšet o neúčinnosti ochrany proti přepětí. A tento druh (existuje ještě jeden druh – "elektrikář-příštipkář", často pojmenovaný jako "soused-šikula"), který žije v době a ve vědomostech z doby vzniku Vyhlášky 50, a díky své nešikovnosti a jejím následkům – nedostatečné ochraně proti přepětí – výsledky své činnosti prezentuje větou "stejně to nebude fungovat". Je to záměna příčin a důsledků?

Ochrana proti přepětí je bezpečnostní systém, a jako systém je třeba ji chápat. Proto je třeba při návrhu i při realizaci znát nejen projekt elektrické instalace, ale skutečný projekt – včetně vzdáleností, směru vedení vodičů a kabelů, předpokládaného rozmístění strojů a přístrojů, vzdáleností od hromosvodů a silových vedení , případně dalších rozvodů, způsob uzemnění a vyrovnání potenciálů, ale třeba i bouřková aktivita v místě stavby (keraunická mapa podává průměrované, tedy orientační hodnoty pro oblast!).

Ochrana proti přepětí tedy je vytvářena ze svodičů přepětí jednoduchých nebo kombinovaných, umístěných na předem určených místech s potřebou zajištění optimálních provozních vlastností jednotlivých prvků i celého systému. Je účinná proti vlivům impulzního (tranzientního) nebo dlouhodobého (hladinového) přepětí. Přepěťová ochrana je termín používaný v energetice – proto je lepší vybavit přepěťovou ochranu svodičem přepětí, nikoli vybavit přepěťovou ochranu přepěťovou ochranou. V následujícím textu budou zmíněny také standardy IEC, v naší soustavě norem nezavedené. Laskavý čtenář se přes tuto obezličku určitě dostane.

Přepětí mohou vznikat v důsledku výboje blesku, spínacích pochodů nebo poruch v síti, případně přenosem kapacitní nebo induktivní vazbou přes transformátor ze sítí vysokého napětí – zde je předpokládána hodnota vzniklého přepětí jako 2% napětí mezi fázemi . Tato hodnota je informativní, značně se mění podle zátěže na výstupu transformátoru. Pro indukované přepětí do sítí nízkého napětí po výboji blesku v blízkosti vzdušného vedení platí odhad

  • U = 30 * k * (h / d) *I,
    kde I je proud výboje blesku,
    h je výška vedení nad zemí,
    d je vzdálenost od výboje,
    k je odvozeno od rychlosti zpětného výboje bleskovým kanálem – pohybuje se mezi 1,0 a 1,3.

Je-li vedení provedeno kabelem, má větší vliv rozdíl potenciálu mezi místem zásahu blesku a místem sledování. Pokud dojde k přímému zásahu blesku do objektu, dělí se jeho účinek do čtyř vodičů napájení, navíc v poměru odpovídajícím poměru zemního odporu hromosvodu k paralelní kombinaci zemních odporů uzlu transformátoru a zemních odporů odběrných míst větve. Předpokládaná hodnota 25kA jako přepětí v jednom vodiči , s tvarem vlny deformovaným proti tvaru vlny proudu výboje blesku – vlivem proměnných parametrů sítě. Dočasná přepětí jako důsledky zemních zkratů na straně vn pak zatěžují nn stranu v trvání od desítek milisekund po jednotky hodin – bližší popis dává norma ČSN 332000-4-444.

Obecně jsou přípustná přepětí U0+250 Vstř pro dobu nad 5s, nebo U0 + 1200 Vstř pro přepětí trvající do 5 sekund.
Spínací přepětí ohrožují především oscilacemi a harmonickými. Velikost a průběh takového přepětí jsou odvozeny od typu obvodu, procesu (spínání, odpojování, pulzní řízení atd.), dalšími činiteli jsou možnost rezonance okruhu, počet a druh připojených zdrojů.

K základním parametrům ochrany proti přepětí patří provozní napětí UC, ochranná hladina UP, typ ochrany T1, T2 nebo T3, zkratový proud při poruše SPD, prostředí pro instalaci SPD (vnitřní nebo venkovní), počet připojovacích bodů, stupeň krytí (kód IP), jmenovitý proud svodičem In pro svodiče Typ 1 a Typ 2, chování při dočasném (hladinovém) přepětí, chování SPD při poruše. K důležitým parametrům patří také doporučený průřez připojovacích vodičů.

Zemnění, vyrovnání potenciálu.
Především je důležité si uvědomit, že ochrana před vlivem přepětí je často slučována s ochranou před nebezpečným dotykem. Jedná se o dvě části dobré elektrické instalace – musíme brát v úvahu především zkratovou odolnost – soustava vyrovnání potenciálu je vystavena mnohonásobně vyšší impulzní zátěži než ochranný vodič. Úlohou ochranné soustavy je zajistit bezpečné automatické odpojení od zdroje, současná úloha vyrovnání potenciálu může zhoršit její účinnost. Obecně by měl objekt být spojen s uzemněním v jediném bodě, aby nedocházelo k parazitním proudovým trasám bludných nebo vyrovnávacích proudů. Pokud je soustava vyrovnání potenciálu v rozvaděči na přepěťové ochraně spojena s ochranným vodičem, jde o stabilizaci uzemnění objektu. Soustava uzemnění/vyrovnání potenciálu může být samostatně hvězdicová – kruhová – mřížová, případně může být tvořena kombinací uvedených. Provedení hvězdicové soustavy není doporučeno pro riziko rozdílu potenciálu mezi jednotlivými větvemi hvězdice a vzniklých vyrovnávacích parazitních proudů. Preferována je soustava pospojená ve všech místech křížení uzemňovací sítě a v místech setkání sítě a zařízení, včetně využití přípustných spojů s kovovou konstrukcí objektu. Dojde tak k rozdělení rušení do více cest a ke snížení účinku rušivých vlivů. Zapojení konstrukce budovy do ochranného systému navíc vytváří základ Faradayovy klece účinné proti vlivu především výboje blesku.


Obr. 1 Soustava vyrovnání potenciálu je samostatná část instalace.

Parazitní přepětí, vzdálenosti a účinnost.
Jedná se o jev způsobený nevhodným rozmístěním přístrojů v instalaci nebo v rozvaděči. Standardy IEC stanoví pro odhad vlastní indukčnosti vedení 1 mikroHenry/metr, běžnou změnu proudu v důsledku tranzientních jevů pak 1 kiloAmpér za mikrosekundu. Při těchto parametrech a ze známého vzorce u=L*di/dt vychází indukované napětí 1kV na každý metr vedení. Odtud jsou dále odvozeny důležité parametry délky přívodů k dvojpólovému svodiči, vzdálenosti mezi jednotlivými stupni i mezi jednotlivými přístroji stejného typu ochrany. Také je třeba brát v úvahu napěťovou odolnost instalace a citlivost elektronických přístrojů, stejně jako riziko vzniku oscilací na vedení. Oscilace mohou vznikat na volných koncích vedení, v důsledku spínacích pochodů, přenosem ze souběžných větví, respektive z jiných důvodů – zde je na místě analýza rizika. Každá instalace obsahuje riziko, a analýza ve smyslu standardu 62305 je pouze částečná.

Umístění, jištění.
Známý je požadavek standardů – každé kovové vedení prostupující hranicí sousedních zón ochrany před bleskem má být v místě prostupu (nebo co nejblíže tomuto místu) uzemněno buď přímo nebo přes vhodný ochranný prvek. Před několika lety byla řešena – v souvislosti s projednáváním standardu 62305 na úrovni IEC a EU – také otázka předjištění svodičů přepětí. Řešena byla také otázka předjištění vzhledem k následnému proudu jiskřištěm a předjištění vzhledem k energii proudového impulzu svodičem. Zatímco předjištění vztažené k následnému proudu může být nižší než 32A gL/gG (jedná se o ochranu instalovanou před elektroměrem) předjištění vztažené k proudovému impulzu je při tvaru vlny 8/20 dáno vzorcem I
2*t = 14,01*Icrest2, při tvaru vlny 10/350 pak I2*t = 256,3*Icrest2. Odtud pro impulz 12,5kA (10/350) vychází I2t nožové pojistky gG 40046 A2t, tedy hodnota pojistky NH nejméně 100A. Obdobně pak je nutno dimenzovat přívodní vodiče – pro svodič Typ 1 je předpokládaný průřez vodiče 25mm2 Cu lanko, pro svodič Typ 2 je předpokládaný průřez 16mm2 Cu lanko.


Obr. 2 Zemnění a soustava vyrovnání potenciálu

Koordinace činnosti svodičů.
Pokud jsou třídy zkoušek nebo typ ochrany odděleny lomítkem (znakem / ), musí ochrana zároveň splňovat podmínky všech zmíněných kategorií a může být zařazena do jedné z tříd, nikoli do více tříd najednou. Pokud jsou třídy zkoušek odděleny logickým and (znaménko + ), musí ochrana samostatně a koordinovaně splňovat požadavky obou tříd zkoušek a ochranný přístroj plní zároveň požadavek na více ochranných tříd. Ochrana třídy zkoušek I dle ČSN EN 61643-11 článek 3.35 /Typ1 musí splňovat požadavky na ochrany pro kategorii ohrožení I – schopnost odvést impulzní proud 100kA ve vlně 10/350 µs. Předpokládá se jiskřišťová varianta svodiče přepětí. Ochrana třídy zkoušek II dle ČSN EN 61643-11 / Typ2 musí splňovat požadavky na ochrany pro kategorii ohrožení I - schopnost odvést impulzní proud 40kA ve vlně 8/20µs s ochrannou napěťovou hladinou 1,5kV. Ochrana Typ1 + Typ2 spojuje vlastnosti obou výše uvedených ochran, tedy jiskřiště se schopností odvést impulzní proud 100kA ve vlně 10/350 µs a varistorového svodiče se schopností odvést impulzní proud 40kA ve vlně 8/20 µs s ochrannou napěťovou hladinou 1,5kV, v paralelní synchronizované kombinaci. Ochrana Typ1 / Typ2 musí splňovat požadavky na ochrany pro kategorii ohrožení IV ve smyslu daném ČSN EN 62305-4 - schopnost odvést impulzní proud 12,5kA ve vlně 10/350 µs s ochrannou napěťovou hladinou 1,5kV, na varistorové technologii. Ochrana třídy zkoušek III dle ČSN EN 61643-11 / Typ3 představuje přístrojovou ochranu s rychlými varistory mezi pracovními vodiči a bleskojistkou k vodiči ochrannému. Ochrana je bipolární, v případě potřeby vybavená filtrem rušivých frekvencí. Předpokládá se funkce sine-wave-tracking, tzn. Takové nastavení ochrany, že sleduje velikost přepětí proti průběhu veličiny, nikoli proti srovnávacímu potenciálu.


Obr. 3 Umístění svodičů na přechodu zón

Při koordinaci činnosti svodičů jsou uvažovány dva průběhy vlny – krátký 8/20 µs, případně dlouhý – užívaný pro simulaci výboje blesku. V dalším bude uvažován příklad spolupráce dvou zinkoxidových varistorů s rozdílnými proudovými parametry svodiče. První krok představuje analýzu sítě v místě a určení možného stresu svodiče. Svodič SPD1(Typ 1) by měl být nastaven tak, že úsek mezi miliampérovým bodem a lomem charakteristiky by odpovídal požadavku na svodič při hladinovém přepětí, úsek za lomem pak požadavku na svodič při impulzním přepětí. Svodič SPD2 (Typ 2) může být volen s delším úsekem vyrovnání hladinových přepětí a strmější částí charakteristiky omezení krátkodobých přepětí, vždy ale s tím, že maximální napětí za svodičem nepřekročí 80% izolační odolnosti za svodičem přepětí. Vždy je důležité vybírat svodiče tak, aby svodič Typ1 ochránil před přetížením svodič Typ2. V úvahu je nutno vzít napěťovou a energetickou koordinaci svodičů Typ1 a Typ2, především to, aby svodič Typ1 (jiskřišťového typu) zažehl výboj při náběžné hraně impulzu přepětí. Energetickou koordinaci uvažujeme zvlášť pro krátký impulz 8/20µs a pro dlouhý impulz 10/350µs.
 

Ochrana telekomunikačních, signálových a anténních systémů
Za ochranu instalace v objektu, od předávacích rozhraní operátora dovnitř instalace, nese zodpovědnost provozovatel systému. Při analýze rizika jsou zvažovány indukce od silových rozvodů, výboje blesků, vyrovnání zemních potenciálů a přímý kontakt se silovými vedeními. Proti nim jsou uvažovány náklady na opravu a nápravu škod, zasažená aplikace, požadavky na ochranu v systému, požadavky na nepřerušené služby, obsloužitelnost těžko přístupných zařízení. Svodiče se dělí podle konstrukce do tří kategorií – spínající, omezující a odpojující chybové napětí, omezující odpojující a zkratující chybový proud

  • Ochrana třídy zkoušek B2 dle ČSN EN 61643-21 předpokládá zkrat na napájecí vedení a velmi pomalý průběh impulzu. Zkouška je provedena impulzem až 4kV tvaru 10/700µs a 100A (5/300µs).
  • Ochrana třídy zkoušek C1 dle ČSN EN 61643-21 uvažuje ostrou strmost čela impulzu. Zkouška je provedena impulzem až 2kV ve tvaru 1,2/50µs a 1kA ve tvaru 8/20µs.
  • Ochrana třídy zkoušek C2 dle ČSN EN 61643-21 uvažuje ostrou strmost čela impulzu. Zkouška je provedena impulzem až 10kV ve tvaru 1,2/50µs a 5kA ve tvaru 8/20µs.
  • Ochrana třídy zkoušek C3 dle ČSN EN 61643-21 uvažuje ostrou strmost čela impulzu. Zkouška je provedena impulzem 1kV s gradientem růstu 1kV/µs tvaru 1,2/50µs a 100A ve tvaru 10/1000µs.
  • Ochrana třídy zkoušek D1 dle ČSN EN 61643-21 uvažuje velkou energii impulzu. Zkouška je provedena impulzem nad 1kV a 0,5kA až 2,5kA ve vlně 10/350µs.
  • Ochrana třídy zkoušek B2/C1/C2 dle ČSN EN 61643-21 znamená, že jediný ochranný prvek zároveň splňuje předpis všech zadaných tříd zkoušky.

Kabelové rozvody v budově
Předpis stanoví, že v budově by neměl být používán jiný systém rozvodu napájení, než TN-S (respektive TN-C-S). Předpis EMC stanoví, e emise systému zůstávají pod přijatelnými mezemi určenými normou, a že instalovaný systém vykazuje požadovanou odolnost. Bezpečnost instalace se vždy upřednostňuje před EMC a ochranou. Stínění kabeláže vytváří bariéru mezi vnějším EM prostředím a přenosovou linkou. Fukčnost stínění závisí na účinnosti stínicích prvků a na způsobu jejich spojení navzájem a s pracovní zemí. Důležitá je činnost stínění coby Faradayovy klece, pokud je spojeno se zařízením na obou svých stranách. Pokud je stínění spojeno se zemí jen na jedné straně, je účinné proti elektrickým polím. Dále je nutno vzdáleností nebo stíněním zajistit vzájemné oddělení mezi kabely napájení a kabely informační techniky. Křížení je nutno provádět v pravém úhlu a na obou stranách souběhů. Oddělení napájecích a datových linií je požadováno při souběhu delším než 35 metrů. Souběžné trasy mohou být odděleny vzájemným stíněním nebo vhodným uložením. Pokud jsou kabely uloženy v nosných systémech – drátěný rošt není považován za EMC vhodný, děrovaný kabelový kanál je přípustný, plný ocelový je uvažován jako přednostní úložný systém. Kabely mají být ukládány v rozích kanálů, v kolektorech pak nejníže citlivé datové přenosy, pak kabeláž IT, přídavné obvody a nakonec v nejvyšším patře napájecí kabely. EMC nosné systémy mají být celistvé, plošně uzavřené. Dělení a propojení jednotlivými vodiči je z pohledu EMC považováno za nedostatečné.


Obr. 4 Systém TN-S jako základ EMC řešení

Z pohledu EMC je nutné omezit dlouhé, především svislé smyčky. Rázové pole je většinou vodorovné, indukuje tedy napětí především ve svislých smyčkách. Jejich vzniku lze předejít mnohonásobným propojením kovových částí také v sousedících podlažích, vytvářením mřížové soustavy vyrovnání potenciálu. Dostačující je mříž s okem 3 metry. Dalším přínosem je využití nosného systému výkonových kabelů jako paralelního zemního vodiče – to funguje, pokud je zaručena spojitost systému a jeho dostatečný průřez. Stínění výkonových kabelů se za paralelní zemní vodič nepovažuje – jeho průřez nebývá dostatečný pro odvedení velkých chybových proudů.

Napájení by mělo být opatřeno vhodnými filtry, případně oddělovacími transformátory. Filtry a pouzdra transformátorů pak spojeny se stínicím systémem. V žádném případě nesmí filtry a transformátory porušit ochrannou uzemňovací soustavu a soustavu vyrovnání potenciálu, pokud se nejedná o izolovanou část zařízení.

Elektronická zařízení v blízkosti výkonových částí
V systému bývá provedeno funkční uzemnění a ochranné uzemnění – mohou se navzájem prolínat – nebezpečí se projeví při vícenásobném spojení se zemí u kombinovaného systému. Funkční uzemnění má za úkol především blokovat nežádoucí elektromagnetická pole. Patří sem stínění kabelů, kovové nosné systému (lišty, trubky, oplechování), referenční vodiče, stínicí pouzdra a blokovací kondenzátory, vysokofrekvenční filtry. Především stínění by mělo být provedeno velkoplošně a tak, aby pokrývalo možný rozsah rušivých frekvencí. Spoje je nutno provést velkoplošně, bezindukčními prvky (například měděnými spojovacími pásky o velkém průřezu).

Elektrické a elektronické prvky mají být zvláště odolné vůči poklesům napájecího napětí, dále vůči harmonickým a meziharmonickým napětím – zde podle standardu ČSN EN 61000 by měl odpovídat průmyslové třídě 3. Vedle rušení v napájecí síti má být uvažována odolnost k elektrostatickým výbojům, burstu a sršení, tranzientním rázům, elektromagnetickým emisím a rušení zpětným vyzařováním do vedení.

Použity byly standardy řady ČSN 332000-1, ČSN 332000-4, ČSN EN 50173, ČSN EN 50174, ČSN EN 50178, ČSN EN 50310, ČSN EN 60071, ČSN EN 60099, ČSN EN 60728-11, ČSN EN 61000, ČSN EN 61643, IEC 61643

 

Tento článek vyšel také v časopise EvP 1-2/2012

 


 

 
 

 

Diskutující k tomuto článku

   (počet diskutujících: 1)
TEXT Z OBLASTÍ SOUVISEJÍCÍ KONTAKT
PHOENIX CONTACT, s.r.o.
Zaslání vizitky
Zobrazit záznam v adresáři


Terminolog
Týdenní přehled
Přihlašte si pravidelné zasílání týdenního přehledu
Vyhledávání
Hledaný text zadávejte prosím s diakritikou



Panacek
reklama
Tiráž

Neomezený náklad pro česky a slovensky hovořící elektrotechnickou inteligenci.

ISSN 1212-9933