Přepěťové ochrany MINIA
Základní principy návrhu přepěťových ochran
Ing. Zdeněk Suchomel,
OEZ, s. r. o.
Postupně si všichni zvykáme na vyšší standardy v ochraně proti přepětí jak atmosférickému, tak i spínacímu. Používáme citlivé přístroje, které musíme proti okolním vlivům chránit, abychom omezili poruchové stavy. Logika ochrany proti přepětí je založena jednak na řízeném svedení bleskového proudu k zemi, aby způsobil co nejmenší škody, a zároveň na pospojování všech vodivých částí v objektu, které zamezí vzniku nebezpečného přepětí. Tam, kde není možné spojit vodivé části přímo (např. jednotlivé vodiče v sítích nn), je třeba použít právě přepěťové ochrany, které toto spojení při úderu blesku na potřebnou dobu zajistí.
OEZ se specializuje na sortiment přepěťových ochran proti impulznímu přepětí pro rozvody nn v modulárním provedení. Nalezneme je spolu s jističi, proudovými chrániči a ostatními přístroji v produktové řadě Minia.
Kde se používají přepěťové ochrany?
Do oblasti jejich použití je možné zařadit bytové aplikace, průmysl i infrastrukturu. Chránit lze přístroje v sítích nízkého napětí, informační technologie, měřicí nebo přenosovou techniku. Přepěťové ochrany OEZ jsou primárně zaměřeny na ochranu sítí nn 230/400 V AC, ale v nabídce OEZ je i ochrana do 1 000 V DC (např. ochrany pro solární elektrárny apod.) V budoucnu připravuje OEZ rozšíření i do ostatních oblastí.
Kdy je třeba přepěťovou ochranu použít?
V dříve platné vyhlášce č. 137/1998 Sb., o obecných technických požadavcích na výstavbu bylo možné v § 47 odst. a) nalézt požadavek na instalaci ochrany před bleskem u bytových domů. Nyní je tomu jinak! V nově platné Vyhlášce o technických požadavcích na stavby ze dne 12. srpna 2009 je v § 36 odst. 1a) uveden požadavek na ochranu před bleskem u staveb pro bydlení.
To znamená, že pro každý nový rodinný dům musí být proveden výpočet rizika podle ČSN EN 62305-2, porovnání s přípustným rizikem a následně instalace odpovídající ochrany před bleskem.
Je-li nutné na objekt instalovat vnější ochranu před bleskem (jímací soustava, soustava svodů a uzemňovací soustava), je třeba instalovat rovněž vnitřní ochranu před bleskem (ekvipotencionální pospojování proti blesku), jejíž součástí jsou i přepěťové ochrany.
Instalací hromosvodu se ochrání před úderem blesku vlastní objekt, ale paradoxně se tím umožní bleskovému proudu díky galvanickému propojení s elektroinstalací vniknout do objektu. Tím se zvýší riziko zničení elektrických zařízení nebo ohrožení lidských životů.
S instalací vnější ochrany před bleskem je tedy třeba instalovat i odpovídající přepěťové ochrany, a to u všech staveb uvedených ve zmíněné vyhlášce, včetně rodinných domů.
Volba konkrétního řešení
Ke správné volbě přepěťové ochrany je potřebné spárovat požadavky na ochranu s parametry konkrétních přístrojů. Parametry jsou odvozeny od vlastností prvků použitých při výrobě přepěťových ochran. Základními prvky jsou:
a) jiskřiště
- reaguje na přepětí náhlou změnou impedance na malou hodnotu,
- je schopné svést obrovské množství energie,
- doba odezvy řádově 100 ns,
- zajišťuje galvanické oddělení obvodu.
b) varistor
- v klidovém stavu má velkou impedanci, na přepětí reaguje plynulou změnou impedance,
- je schopen svést menší množství energie než jiskřiště,
- doba odezvy okolo 25 ns.
Dalšími prvky, které mohou být použity, jsou plynem plněné bleskojistky nebo suppressorové diody.
Každý z prvků použitých v přepěťových ochranách je vyráběn v řadách s rozdílnými parametry. Díky tomu je na trhu velké množství typů výrobků, které se liší v mnoha udávaných parametrech. Jak se v tom vyznat? Jaký parametr je důležitý pro vlastní funkci a jaký ne? Tyto otázky každému, kdo se touto problematikou z jakéhokoliv důvodu zabývá, zcela jistě již hlavou proběhly.
Pro usnadnění volby jsme vybrali nejdůležitější parametry, které jsou potřebné pro základní výběr ochrany v sítích nn 230/400 V:
a) Up(napěťová ochranná hladina)
Charakterizuje účinek přepěťové ochrany při omezování napětí na jeho svorkách. Up je definována a zjišťuje se zkouškou dle normy ČSN EN 61643-11. Volba správného Up svodiče by měla zabezpečit, aby napětí v místě instalace nepřesáhlo napěťovou pevnost zařízení a nedošlo k jeho poškození. Je zde návaznost na normu ČSN EN 60664-1, kde jsou definována impulzní výdržná napětí Uimp v jednotlivých částech instalace (kategoriích přepětí). Je třeba dodržet, aby Up přepěťové ochrany ≤ Uimp v dané části instalace.
b) Iimp(impulzní proud), In/Imax(jmenovitý/maximální výbojový proud)
Jsou definovány a zjišťují se zkouškou podle normy ČSN EN 61643-11. Parametry udávají, jak výkonný svodič je. Výkonností se myslí schopnost svést určitou velikost proudu v daném čase, což je u svodičů vyjádřeno vrcholovou hodnotou proudu a tvarem vlny – např. 25 kA (10/350 μs) nebo 20 kA (8/20 μs). Spolu s těmito informacemi jsou udávány i hodnoty náboje Q a energie W/R (především u svodičů T1). Norma ČSN EN 62305-1 stanovuje očekávané velikosti rázových vln nadproudu v závislosti na příčinách poškození stavby. Je třeba, aby hodnota Iimp (resp. Imax) přepěťové ochrany byla větší než očekávaná hodnota rázové vlny nadproudu způsobená bleskem.
Výše uvedené parametry určují, jakou ochranu prvky poskytují a kolik jsou schopny svést impulzního nebo bleskového proudu. Pro správný výběr je třeba znát i další skutečnosti, které mají vliv na požadované parametry.
Jsou jimi např.:
- umístění objektu (souvislost s příčinou poškození, resp. s požadavkem na Iimp),
- instalace exponovaných kovových částí na objektu (možnost zavlečení bleskového proudu do instalace),
- připojení objektu (možnost zavlečení bleskového proudu prostřednictvím venkovního vedení),
- volby zóny ochrany před bleskem (LPL) (souvislost s požadavkem na Iimp).
V tab. 1 jsou uvedeny parametry bleskového proudu v závislosti na LPL a pravděpodobnost úderu takového blesku. Aby bylo možné na základě těchto parametrů vybrat správný přístroj, je nutné definovat, jaký typ ochrany je potřebný.
Druhy přepětí a odpovídající ochrana
Přepětí je obecně definováno jako napětí přesahující hodnotu provozního napětí v elektrickém obvodu. Existuje několik druhů přepětí. V souvislosti s přepěťovými ochranami mluvíme o přechodném přepětí (někdy se uvádí transientní či impulzní). Je to přepětí trvající řádově nanosekundy až milisekundy a je způsobováno:
a) spínacími pochody v síti (spínací přepětí),
b) údery blesku (atmosférická přepětí).
K ochraně proti spínacímu přepětí je dostačující druhý stupeň přepěťové ochrany (T2). Výběr je tedy poměrně jednoduchý.
Naopak v případě přepěťové ochrany proti atmosférickému přepětí jsou potřebné podrobnější informace o chráněném objektu (typ sítě, poloha, připojení inženýrských sítí apod.). V některých případech je dostačující druhý stupeň (T2), v jiných případech je nutné použít spojení prvního i druhého stupně (T1+T2), a to buď čistě varistorové provedení, nebo spojení varistoru a jiskřiště.
Pokud je třeba chránit citlivé elektronické přístroje, doplní se výše uvedené stupně ještě stupněm třetím (T3). Tento by měl být umístěn co nejblíže chráněnému zařízení.
Pro ulehčení výběru přepěťových ochran byl vydán dokument Přepěťové ochrany – aplikační příručka (viz obr. 2). Zde jsou aplikace rozděleny do tří hlavních skupin a jedné speciální (zvýšené požadavky). Tyto skupiny jsou:
- malé ohrožení instalace,
- střední ohrožení instalace,
- velké ohrožení instalace,
- průmyslové a speciální aplikace.
Hlavní skupiny jsou určeny podle toho, jakým způsobem se může přepětí (resp. impulzní proud) dostat do instalace. Bližší specifikaci popisuje tab. 2.
Typy objektu:
A) Dochází k přímému zavlečení bleskového proudu do objektu prostřednictvím kovových částí na objektu. Může se jednat jak o jímací soustavu, tak i o uzemněnou anténu, solární články apod.
B) Dochází k přímému zavlečení impulzního proudu do objektu díky úderu blesku do venkovní přípojky sítě nn.
C) Nedochází k přímému zavlečení bleskového či impulzního proudu do objektu. Jde pouze o indukci napětí na kovových částech z důvodu vzniklého elektromagnetického pole.
Velké ohrožení instalace – použije se provedení SJBC.
Tento přístroj kombinuje první stupeň (jiskřiště) a druhý stupeň (varistor) ochrany v jedné základně. Je schopen svádět bleskové proudy až 25 kA (10/350 μs) na pól.
Do této skupiny patří objekty s uzemněnými exponovanými vodivými částmi zařazené do hladin ochrany před bleskem LPL I nebo LPL II.
Střední ohrožení instalace – použije se provedení SVBC.
Přístroj je konstruován čistě na bázi varistoru, který je schopen svádět i bleskové proudy až do 12,5 kA (10/350 μs) na pól.
Do této skupiny patří objekty bez hromosvodu s nadzemním přívodem nn bez ohledu na LPL, objekty s uzemněnými exponovanými vodivými částmi v LPL III a LPL IV a objekty, kde se bleskový proud rozděluje do více větví (např. bytové domy).
Malé ohrožení instalace – použije se provedení SVC.
Přístroj je konstruován na bázi varistoru.
Do této skupiny patří objekty, kde nehrozí přímé zavlečení bleskového proudu ani z uzemněných exponovaných vodivých částí, ani z nadzemního přívodu nn apod.
Pro názornost byly vybrány tři příklady možných aplikací. Další případy jsou popsány ve výše zmíněné příručce.
Příklady aplikací
1. Rodinný dům s vnější ochranou před bleskem nebo s instalovanou exponovanou vodivou částí, která je uzemněna (obr. 3). Hladina ochrany před bleskem LPL = I nebo II (velké ohrožení instalace).
Velikost bleskového proudu Iimp = 200 kA (10/350 μs), dle normy se tento proud dělí zhruba v poměru 50 % do země a 50 % do instalace. Dále dochází k dělení do jednotlivých vodičů. Pro síť TN-C vychází na jeden vodič Iimp = 25 kA (10/350 μs), tedy: Iimp = max. 200 kA, z toho do instalace 100 kA, do země 100 kA. TN-C obsahuje čtyři vodiče, do každého vodiče Iimp= 25 kA.
Nainstaluje se tedy přepěťová ochrana T1+T2 na bázi kombinace jiskřiště a varistoru:
- SJBC-25E-3-MZS pro síť TN-C nebo
- SJBC-25E-3N-MZS pro síť TN-S.
2. Rodinný dům s vnější ochranou před bleskem nebo s instalovanou exponovanou vodivou částí, která je uzemněna. Hladina ochrany před bleskem LPL = III nebo IV (střední ohrožení instalace).
Velikost bleskového proudu Iimp = 100 kA (10/350 μs). Dle stejné logiky jako v předchozím případě vychází pro síť TN-C na jeden vodič Iimp= 12,5 kA (10/350 μs), tedy (50% ze 100 kA)/čtyři vodiče.
Nainstaluje se přepěťová ochrana T1+T2 na bázi varistoru:
- 3× SVBC-12,5-1 pro síť TN-C nebo
- 3× SVBC-12,5-1 + 1× SVBC-50-N pro síť TN-S.
3. Bytový dům s vnější ochranou před bleskem (obr. 4). V hlavním rozváděči není instalován první stupeň ochrany T1. Nezávisí na hladině ochrany před bleskem (střední ohrožení instalace).
Protože je v tomto případě instalována vnější ochrana před bleskem a bleskový proud není sveden v hlavním rozváděči, musí se toto zajistit v podružném rozváděči.
V těchto případech je obvykle bleskový proud rozdělen do více větví a nedosahuje tak velkých hodnot. Doporučuje se jako v předchozím případě instalovat do bytových rozvodnic přepěťovou ochranu T1+T2 na bázi varistoru:
- 3× SVBC-12,5-1 pro síť TN-C, nebo
- 3× SVBC-12,5-1 + 1× SVBC-50-N pro síť TN-S.
Pro všechny případy platí, že další stupeň (T3) se instaluje dle potřeby buď do podružného rozváděče, nebo přímo do zásuvek (co nejblíže k chráněnému zařízení).
Podrobněji je problematika probrána v aplikační příručce, která je ke stažení na internetových stránkách OEZ nebo ji lze objednat prostřednictvím e-mailu na adrese: dokumentace.cz@oez.com.
Jištění přepěťových ochran
Mezi parametry přepěťových ochran lze najít i informaci o hodnotě maximální předřazené pojistky. Není však nutné v každé aplikaci instalovat tu největší možnou pojistku. Je-li v některém z rozváděčů ze strany napájení použita pojistka stejné nebo menší hodnoty než předepsaná maximální, není třeba přepěťovou ochranu znovu předjišťovat, a tím je možné uspořit finanční prostředky.
Jsou-li v HDS například pojistky 250 A a zvolí se přepěťová ochrana T1+T2 pro instalaci do hlavního rozváděče s předepsaným předřazeným jištěním 160 A, automaticky se musí počítat s instalací dalšího pojistkového odpínače včetně pojistek. Toto přináší nejen navýšení hodnoty vlastních přístrojů (zhruba 1 000,- Kč), ale také ostatních nákladů, jako je práce apod. Dále mohou nastat i jiné problémy (např. s místem v rozváděči).
Ne vždy se při návrhu řešení berou v potaz i tyto skutečnosti a vlastní projekt se zbytečně prodražuje.
Závěr
Vždy je třeba rozhodnout, kolik finančních prostředků budeme investovat do ochrany proti přepětí s přihlédnutím k faktům, jakou potenciální škodu by mohl úder blesku v objektu způsobit. V mnoha případech je velice těžké navrhnout správné řešení, jelikož není o chráněném objektu dostatek informací. Zcela jistě se vyplatí tyto informace obstarat, zařadit chráněný objekt do jedné z uvedených skupin a instalovat přepěťovou ochranu přiměřenou možným škodám a rizikům.
Obr. 1. První i druhý stupeň ve společné základně
Obr. 2. Přepěťové ochrany - aplikační příručka
Obr. 3. Rodinný dům s vnější ochranou před bleskem
Obr. 4. Bytový dům s vnější ochranou před bleskem
Tab. 1. Parametry bleskového proudu v závislosti na LPL a pravděpodobnost úderu blesku
Tab. 2. Ohrožení instalace v závislosti na typu objektu a hladině ochrany před bleskem