Andrzej Balcerzak URZĄDZENIA DO OGRANICZANIA

Andrzej Balcerzak
URZĄDZENIA DO OGRANICZANIA PRZEPIĘĆ W SIECIACH
ROZDZIELCZYCH NISKIEGO NAPIĘCIA
Interpretacja kontrowersyjnych pojęć i definicji
Zasady doboru parametrów technicznych do warunków pracy w sieci
(artykuł dyskusyjny)
1. Wstęp
W ciągu ostatnich dziesięciu lat nastąpił szybki rozwój w dziedzinie produkcji i stosowania
urządzeń ochrony przepięciowej w sieciach niskiego napięcia. Wynika to między innymi z powszechnego obecnie stosowania u odbiorców energii urządzeń elektronicznych. Większość
uszkodzeń komputerów, modemów układów do przetwarzania danych i mikroprocesorowych
układów sterowania powodowana jest przepięciami występującymi w sieci.
Zwiększyła się również znacznie liczba dokumentów normalizacyjnych krajowych
i międzynarodowych. Zawierają one nie zawsze jednoznacznie określone pojęcia i definicje co
powoduje nieraz trudności w prawidłowej interpretacji zawartych w nich postanowień. Celem
niniejszego opracowania jest omówienie parametrów urządzeń ochronnych i podstawowych
pojęć i definicji występujących w tych dokumentach, a następnie podanie zasad wyboru
parametrów technicznych urządzeń do ograniczania przepięć odpowiednio do przewidywanych warunków pracy w sieci.
2. Podstawowe pojęcia i definicje
·
Najwyższe napięcie sieci (Um) jest to najwyższa wartość skuteczna napięcia międzyprzewodowego jakie może wystąpić w sieci w normalnych warunkach w dowolnym
miejscu i czasie.1
Pojęcie nie wymaga komentarza.
Najwięcej wątpliwości i nieporozumień wywołują określenia napięcia trwałej pracy i napięcia znamionowego ogranicznika czy też urządzenia do ograniczania przepięć (SPD) w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia.
Do niedawna podstawowymi normami przedmiotowymi dotyczącymi ograniczników
przepięć były:
·
PN-IEC 99-1:1993 Ograniczniki przepięć - Iskiernikowe zaworowe ograniczniki
przepięć do sieci prądu przemiennego [1];
·
PN-IEC 99-4:1993 Ograniczniki przepięć - Beziskiernikowe zaworowe ograniczniki
przepięć z tlenków metali do sieci prądu przemiennego [2].
Normy te mają zastosowanie zarówno do ograniczników wysokiego jak i niskiego
napięcia.
Już wprowadzenie normy na ograniczniki beziskiernikowe (PN-IEC 99-4:1993) i powszechne zastępowanie w eksploatacji ograniczników iskiernikowych przez ograniczniki beziskiernikowe z tlenków metali spowodowało pewne zamieszanie we właściwym rozumieniu i interpretacji pojęcia i definicji napięcia znamionowego.
1
Autor doc. dr inż. Andrzej Balcerzak przez wiele lat kierował Zakładem Wysokich Napięć i Pracownią Odgromników
Instytutu Elektrotechniki, oraz przewodniczył Komisji Normalizacyjnej PKN do spraw odgromników
Będzie potrzebne przy omawianiu zasad doboru
64
Według PN-IEC 99-1:1991 [1]:
cytuję:
2.8 Napięcie znamionowe ogranicznika (Ur )
Najwyższa dopuszczalna wartość skuteczna napięcia o częstotliwości sieciowej
między zaciskami ogranicznika, przy której jest zapewnione jego poprawne działanie.
Napięcie to może być doprowadzone do zacisków ogranicznika w sposób ciągły bez
powodowania zmian jego charakterystyk działania.
koniec cytatu.
Według PN-IEC 99-4:1993 [2]:
cytuję:
2.8 Napięcie znamionowe ogranicznika (Ur )
Najwyższa dopuszczalna wartość skuteczna napięcia o częstotliwości sieciowej
między zaciskami ogranicznika, przy której jest zapewnione jego poprawne działanie
w warunkach chwilowego przepięcia 2 tak jak to określono w próbach działania, patrz
7.5. Napięcie znamionowe jest wykorzystywane jako parametr odniesienia do określenia charakterystyk działania 3.
UWAGA - Napięcie znamionowe zdefiniowane w niniejszej normie jest 10-sekundowym napięciem o częstotliwości sieciowej stosowanym w próbie działania, po
udarach prądu granicznego lub długotrwałych. Badania służące do ustalenia
napięcia znamionowego opisane w IEC 99-1, jak również w niektórych normach
narodowych wymagają powtarzalnego przykładania udarów prądu znamionowego
jednocześnie z przyłożeniem napięcia o częstotliwości sieciowej. Zwraca uwagę fakt,
że te dwie metody stosowane do ustalenia wartości znamionowej niekoniecznie dają
w wyniku równoważne wartości. (Rozwiązanie tej nieścisłości jest w fazie opracowywania).
2.9 Napięcie trwałej pracy ogranicznika (UC )
Napięcie trwałej pracy jest to określona dopuszczalna wartość skuteczna napięcia
o częstotliwości sieciowej, która może być trwale przyłożona między zaciski ogranicznika.
koniec cytatu.
Ponieważ w eksploatacji znajdują się wciąż ograniczniki iskiernikowe, a obydwa wyżej
wymienione dokumenty są normami do stosowania, należy zwrócić uwagę na zasadniczą
różnicę w znaczeniu pojęcia „napięcie znamionowe” dla ograniczników iskiernikowych i beziskiernikowych:
Napięcie znamionowe ogranicznika iskiernikowego w świetle normy PN-IEC 99-1 jest
to najwyższa wartość napięcia przemiennego przy której ogranicznik zapewnia w pełni
poprawne działanie. Napięcie to może być doprowadzone trwale do ogranicznika iskiernikowego, jednak nie może być przekroczone w warunkach eksploatacji nawet przez bardzo
krótki okres czasu.
Napięcie znamionowe ogranicznika beziskiernikowego w świetle normy PN-IEC 99-4
jest umowną wartością napięcia probierczego stosowanego w próbie działania
ogranicznika. Określa poprawne działanie w zdefiniowanych warunkach przepięcia
dorywczego. Napięcie to nie może być doprowadzone trwale do ogranicznika beziskierni2
3
Według aktualnej nomenklatury - przepięcia dorywczego (temporary overvoltage) (przyp. A.B.)
Obecnie, zgodnie z PN-IEC 61643-1: 2000 r. jako parametr odniesienia stosowane jest największe napięcie trwałej
pracuj Uc (przyp. A.B.)
Nr 44
65
kowego w warunkach eksploatacji, a podstawowym parametrem technicznym ogranicznika beziskiernikowego jest napięcie trwałej pracy, które może być trwale doprowadzone
do zacisków ogranicznika w eksploatacji. Napięcie to może być przekroczone krótkotrwale, przy czym wartość podwyższonego napięcia i dopuszczalny czas jego trwania
określa podawana dla każdego typu ogranicznika charakterystyka wytrzymałości na
przepięcia wolnozmienne (zwykle napięcie to może być przekroczone o ok. 30% w czasie
nie przekraczającym 10 s).
Opracowany i wprowadzony do stosowania dokument normalizacyjny:
PN-IEC 61643-1: 2000 r., Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych
niskiego napięcia. Wymagania techniczne i metody badań (IEC 61643-1:1998+AC:1998,
IDT)
stał się aktualnie podstawową normą dla urządzeń do ograniczania przepięć w sieciach
niskiego napięcia.
Według PN-IEC 61643
cytuję:
3.11 Największe napięcie trwałej pracy UC
Największa wartość skuteczna napięcia przemiennego lub największa wartość
napięcia stałego jakie może być w sposób trwały doprowadzane do gałęzi ochrony
SPD. Jest ono równe napięciu znamionowemu 4
koniec cytatu.
Tak więc w świetle normy PN-IEC 61643-1: 2000 r. urządzenie do ograniczania przepięć
w sieciach niskiego napięcia charakteryzuje się najwyższym napięciem trwałej pracy UC, które
może być traktowane jako napięcie znamionowe. Przestaje więc obowiązywać dla tych
urządzeń odrębne pojęcie napięcia znamionowego różniącego się wartością od UC
W praktyce nadal jeszcze istnieje możliwość nieporozumień dotyczących napięcia
znamionowego, jeżeli odniesie się właściwości urządzenia do różnych norm (PN-IEC 99-1,
PN-IEC 99-4 lub PN-IEC 61643).
Należy zwrócić uwagę iż formalnie nazwa urządzenie do ograniczania przepięć (SPD)
dotyczy urządzeń ochronnych niskiego napięcia objętych tą normą a nazwa ogranicznik
przepięć dotyczy urządzeń ochronnych objętych normami PN-IEC 99-1 oraz PN-IEC 99-4.
Innym istotnym dokumentem funkcjonującym w Polsce i dotyczącym stosowania ograniczników niskiego napięcia jest opracowanie:
OCHRONA SIECI ELEKTROENERGETYCZNYCH OD PRZEPIĘĆ
Wskazówki wykonawcze. Część II. Sieci o napięciu znamionowym 230/400 V
Wydane przez Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej w 1999 r.
Zawarte w nim sformułowania i wymagania dotyczące granicznego prądu wyładowczego
oraz wartości trwałego napięcia pracy są w świetle wymagań normy PN-IEC 61643-1 oraz
stosowanych obecnie zasad ochrony nieaktualne.
Wskazówki wymagają np. aby napięcie trwałej pracy Uc ogranicznika w sieci niskiego
napięcia było nie mniejsze niż 500 V, tymczasem PN-IEC 61643-1 podaje cały szereg zalecanych wartości napięcia trwałej pracy, dając użytkownikowi szeroką możliwość wyboru.
Definicja granicznego prądu wyładowczego jest zbędna gdyż w świetle PN-IEC 61643-1
wytrzymałość na przepływ prądów udarowych piorunowych określana jest w inny sposób.
Wskazówki te, będące roboczym dokumentem dla szerokiej rzeszy energetyków wymagają pilnej nowelizacji dla dostosowania ich do wymagań normy PN-IEC 61643-1 i do współczesnych zasad ochrony przeciwprzepięciowej. Z inicjatywą taką wystąpił już Instytut
4
Wytłuszczenie przez A.B.
66
Energetyki do Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej. Zakłada się
że zostaną one znowelizowane w I półroczu 2002.
Podsumowanie
Wyżej przytoczone cytaty i komentarze do nich mają na celu pokazać wybiórczo na jakie
trudności w interpretacji wymagań może napotkać użytkownik urządzeń do ochrony od
przepięć jeżeli właściwości urządzeń odnoszone są przez producentów i dostawców do
różnych dokumentów normalizacyjnych.
Aktualnie jedyną normą której postanowienia powinny być stosowane dla urządzeń do
ograniczania przepięć SPD 5 jest norma PN-IEC 61643-1 [3]. Jest to norma bardzo obszerna,
obejmująca swoim zakresem zarówno urządzenia stosowane przez energetykę w sieci rozdzielczej niskiego napięcia jak i szeroki wachlarz typów urządzeń stosowanych do selektywnej
ochrony wielostopniowej w instalacjach budynków.
Dokumentem uzupełniającym jest norma międzynarodowa (w fazie zatwierdzania) IEC
61643-12 Ed. 1: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems
- Part 12: Selection and application principles (FDIS). Jest to również norma bardzo obszerna
(120 stron).
Te obszerne dokumenty są niezbędne dla konstruktorów i producentów oraz laboratoriów
przeprowadzających badania i wydających atesty na wyroby, określają bowiem zakres
koniecznych prób i badań, metody ich prowadzenia oraz stawiają wymagania na parametry
techniczne różnorakich urządzeń do ochrony od przepięć w sieciach niskiego napięcia.
Normy te odnoszą sie zarówno do układów ochrony przeciwprzepieciowej w instalacjach
budynków i tu zwykle poszczególne przypadki rozpatrywane są indywidualnie pod katem
potrzeb odbiorcy energii jak i do urządzeń instalowanych w sieci energetycznej. Jedynie
niewielka część tych dokumentów będzie bezpośrednio przydatna energetyce.
Dla zastosowania w sieci energetycznej niskiego napięcia urządzeń do ochrony od przepięć
(SPD), nie ma potrzeby studiowania i analizowania tych dokumentów. Należy posiadać
umiejętność rozsądnego i prostego wyboru parametrów eksploatacyjnych urządzenia
ochronnego w zależności od parametrów sieci w której urządzenie ma być zainstalowane
(energetyka stosuje w sieci rozdzielczej niskiego napięcia w zasadzie jedynie SPD typu
ograniczającego napięcie).
3. PODSTAWOWE ZASADY DOBORU PARAMETRÓW URZĄDZEŃ DO
OCHRONY OD PRZEPIĘĆ W SIECI ROZDZIELCZEJ NISKIEGO NAPIĘCIA
Dla dokonania wyboru SPD należy rozpatrzyć jego trzy główne parametry elektryczne:
·
napięcie trwałej pracy Uc
·
napięciowy poziom ochrony Up
·
zdolność pochłaniania energii
Ponadto powinno się znać konfigurację sieci niskiego napięcia i stosowany system
uziemień. Istnieje szereg metod zapewnienia połączeń z ziemią w sieciach niskiego napięcia.
Poniżej podano różne systemy i związane z nimi znormalizowane oznaczenia. Każdy z systemów jest oznaczony kodem literowym, gdzie:
- T: bezpośrednie połączenie z ziemią
- N: neutralny
- C: kombinowany
- S: oddzielony
·
TN-S sieć zasilająca ma połączenie przewodu neutralnego z przewodem uziemiającym
jedynie przy transformatorze zasilającym (rysunek 1 a);
5
Poprawna nazwa dla dawnego określenia ogranicznika przepięć niskiego napięcia.
Nr 44
67
·
TN-C przewody neutralny i uziemiający są wspólne (PEN) i uziemione przy transformatorze lub blisko niego (rysunek 1 b);
·
TN-C-S przewód neutralny jest uziemiony przy transformatorze i w innych punktach
sieci (rysunek 1 c);
·
TT punkt neutralny transformatora jest bezpośrednio uziemiony, a instalacja odbiorcy
jest uziemiona przy pomocy odrębnego uziomu (rysunek 1 d);
·
IT w tym układzie nie ma bezpośredniego połączenia czynnych części sieci z ziemią,
a uziemione są dostępne części przewodzące elementów instalacji (rysunek 1 e).
Na rysunku 1 podano również typowe rozmieszczenie ograniczników (SPD).
W niektórych specjalnych przypadkach ograniczniki mogą być również instalowane
pomiędzy przewodami faza-faza.
a)
b)
c)
d)
e)
Rysunek 1. Typowe gałęzie ochrony w sieci trójfazowej niskiego napięcia
Oznaczenia:
A - ochrona transformatora Tr,
K - kadź transformatora,
Ro - uziemienie SPD,
- SPD (ogranicznik),
68
B - ochrona przyłącza,
Rn - uziemienie punktu neutralnego
transformatora,
Rs - uziemienie ochronne stacji.
3.1.
Dobór Uc
Największe napięcie trwałej pracy Uc powinno być dobrane z uwzględnieniem najwyższego napięcia sieci (Um) i powinno być nie mniejsze od najwyższego napięcia mogącego wystąpić
w miejscu zainstalowania ogranicznika:
UC ³
Um / 3
dla SPD włączonych między fazę a przewód neutralny
UC ³
Um
dla SPD włączonych faza-faza lub między fazę a przewód uziemiający
Jako napięcia znormalizowane (zalecane) dla sieci 220/380 V oraz 240/400 V można proponować następujące wartości Uc:
- UC = 280 V dla ochrony faza-przewód neutralny oraz przewód neutralny-ziemia
(układy TT i TN)
- UC = 440 V dla ochrony faza-faza (układy TT, TN, TI)
- UC = 440 V dla ochrony faza-przewód neutralny oraz przewód neutralny-ziemia
(układ TI)
SPD o takich parametrach pokrywają praktycznie wszystkie mogące wystąpić w sieci
niskiego napięcia zagrożenia przepięciami dorywczymi,6 zapewniając jednocześnie wymagany poziom ochrony.
3.2.
Dobór wytrzymywanej energii
Zdolność pochłaniania energii przez SPD jest w zasadzie zdefiniowana przez znamionowy
prąd wyładowczy In i przez prąd impulsowy Iimp dla ograniczników klasy I lub przez Imax dla
ograniczników klasy II. Typowymi wartościami znamionowego prądu wyładowczego dla
klasy II są 5 kA i 10 kA. Jak wynika z danych statystycznych ponad 90% prądów pioruna ma
wartość nie większą niż 60 kA.
W sieci napowietrznej niskiego napięcia uderzenie pioruna w linię skutkuje zwykle
porażeniem wszystkich trzech faz z uwagi na małe odległości między przewodami. Zakładając
iż prąd pioruna rozpływa się w trzech fazach w obu kierunkach, prąd pioruna może być
w pierwszym przybliżeniu podzielony przez 6. Tak więc dla ponad 90% przypadków bezpośredniego uderzenia pioruna w linie prąd w ograniczniku jest nie większy niż 10 kA.
SPD klasy II o prądzie:
In = 5 kA oraz Imax = 15 kA
powinien zadawalająco pełnić swą rolę ochronną w sieci niskiego napięcia.
W rejonach o dużym zagrożeniu burzowym (wysoki poziom izocerauniczny) można
zalecać stosowanie SPD klasy II o prądzie:
In = 10 kA oraz Imax = 40 kA
Szczególne przypadki gdy ograniczniki stosowane są do ochrony urządzeń mogących
gromadzić duże energie (np. baterie kondensatorów), powinny być rozpatrywane indywidualnie pod względem doboru środków ochrony przeciwprzepięciowej.
3.3.
Wybór poziomu ochrony
Poziom ochrony SPD określany jest zwykle jako stosunek Up/Uc (Up - wartość szczytową
napięcia na zaciskach SPD przy przepływie znamionowego prądu wyładowczego In). Dla
różnych typów ograniczników beziskiernikowych i różnych producentów zawiera się on w granicach 3 do 5. Przy doborze typu ogranicznika należy zwrócić uwagę na wartość tego stosunku.
Im mniejszy stosunek Up/Uc, tym większy margines ochronny izolacji urządzeń chronionych.
6
angielskie „temporary overvoltages”
Nr 44
69
4. Wykaz ważniejszych norm
1.
PN-IEC 99-1:1993 Ograniczniki przepięć - Iskiernikowe zaworowe ograniczniki
przepięć do sieci prądu przemiennego
IEC 60099-1:1991 Surge Arresters: Part 1: Gapped Surge Arresters Without Gaps For
ac Systems
2.
PN-IEC 99-4:1993 Ograniczniki przepięć - Beziskiernikowe zaworowe ograniczniki
przepięć z tlenków metali do sieci prądu przemiennego
IEC 60099-4:1991 Surge Arresters: Part 4: Metal-Oxide Surge Arresters Without Gaps
For ac Systems
3.
PN-IEC 61643-1:2000 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania techniczne i metody badań (IEC 61643-1:1998+
+AC:1998, IDT
IEC 61643-1:1998:02 Surge Protective Devices Connected To Low-Voltage Power
Distribuition Systems - Part 1: Performance requirements and testing methods
4.
PN-EN 60099-5:1999 Ograniczniki przepięć Arkusz 5: Zalecenia wyboru i stosowania
(IEC 99-5:1996, zmodyfikowana)
5.
IEC 61643-12 Ed. 1: Surge protective devices connected to low-voltage power
distribution systems - Part 12: Selection and application principles (FDIS)
6.
PN-IEC 60664-1:1998 Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach
niskiego napięcia - Zasady, wymagania i badania
IEC 60664-1:1992, Insulation coordination for equipment within low-voltage systems
Part 1: Principles, requirements and tests
7.
PN-IEC 60364-4-442:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych - Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochrona instalacji
niskiego napięcia przed przejściowymi przepięciami i uszkodzeniami przy
doziemieniach w sieciach wysokiego napięcia
IEC 50364-4-442:1993, Electrical installations of buildings - Part 4: Protection for
safety - Section 442: Protection of low voltage installations against faults between
high-voltage systems and earth
8.
PN-93/E-05009/443: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona
zapewniająca bezpieczeństwo. Ochrona przed przepięciami. Ochrona przed
przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi (Idt IEC 364-4-443 (1990).
9.
PN-IEC 364-442: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona zapewniająca bezpieczeństwo. Ochrona przed przepięciami. Ochrona instalacji niskiego
napięcia przed uszkodzeniami przy doziemieniu w sieci wysokiego napięcia (projekt).
(Przedruk z nr 3/2002 „Energetyki” za zgodą Redakcji)
70