Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Principy konstrukce a funkce varistorových svodičů přepětí

číslo 5/2006

Principy konstrukce a funkce varistorových svodičů přepětí

RNDr. Jozef Dudáš, CSc. – konzultant v oboru EMC, ochrany proti blesku a přepětí

Nejčastěji používaným svodičem (SPD) je svodič typu 2 (třída C). Jako prvek omezující přepětí se u něho téměř výhradně používá varistor ZnO. Tyto varistory jsou vyráběny ze spékaného granulátu ZnO s příměsmi. Na hranicích zrn se vytvoří polovodivé rozhraní a voltampérová charakteristika takového varistoru je složena z příspěvků mnoha tisíc sério-paralelně a antiparalelně zapojených „diod„. Správným složením materiálu a vhodnou technologií výroby se dosáhne charakteristiky s ostrým přechodem mezi málo vodivým stavem a stavem, kdy odpor prudce klesá. Charakteristika je symetrická, a proto u varistorových svodičů nezáleží na směru zapojení ani u střídavých, ani u stejnosměrných rozvodů. Na obr. 1 je voltampérová charakteristika varistoru používaného pro svodiče typu 2 v sítích se jmenovitým napětím 240 V AC.

Obr. 1.

Obr. 1. Voltampérové charakteristiky varistorů používaných pro svodiče typu 2 (třída C) (převzato z katalogu EPCOS); pro jmenovité napětí sítě 240 V AC se používá varistor s maximálním pracovním napětím 275 V AC: část A charakteristiky do 1 mA ukazuje unikající proudy, část B svedené proudy; napětí i proud jsou v logaritmickém měřítku (u lineárního měřítka by se oblouk na charakteristice jevil jako ostrý zlom)

Svodiče typu 2 se vyrábějí z varistorů ZnO ve tvaru destičky, zpravidla o rozměrech 33 × 33 mm. Plochy určené pro pájení elektrod jsou opatřeny stříbrnou vrstvou. Elektrody tvarem kopírují obrys varistoru a bývají odlehčeny otvory nebo jsou tvořeny pouze páskem. Tvar elektrod má zajistit rovnoměrné proudové zatížení varistoru a umožnit tak naplno využít jeho kapacitu. Měděné elektrody jsou zpravidla pájeny ponorem do roztavené cínové pájky. Varistor s takto napájenými elektrodami musí být nakonec pokryt kvalitní izolací, která zamezí povrchovým výbojům při přiložení impulsních napětí s vysokými amplitudami (obr. 2).

Svodiče jsou dodávány v kompaktní krabičce nebo v dvoudílném provedení. V dvoudílném provedení výměnný (varistorový) modul obsahuje varistor, odpojovač, mechanickou nebo optickou signalizaci, pohyblivý trn pro ovládání dálkové signalizace, pevný klíč pro rozlišení jmenovitého napětí, pro které je modul určen, a dva nožové kontakty pro elektrické připojení varistoru ke konektorům v základním dílu. Základní díl, kromě svorek pro připojení vodičů nebo propojovacích hřebínkových lišt, obsahuje přepínač dálkové signalizace, svorky pro připojení vedení signalizace a kovový nebo plastový držák či zarážku na lištu DIN.

Obr. 2.

Obr. 2. Schematický řez varistorem svodiče

Výstupní kontrola hotových varistorů kontroluje několik bodů voltampérové charakteristiky. Stejně může být varistorový svodič zkontrolován i po určité době používání. Nejběžnějším kontrolním bodem voltampérové charakteristiky je tzv. miliampérový bod. Ten udává hodnotu napětí DC, které ve varistoru vyvolá proud 1 mA. Tento bod je považován za reprezentativní pro určení možnosti dalšího použití svodiče (u varistorů s maximálním pracovním napětím 275 V AC je tento bod okolo 430 V DC). Dalšími kontrolními body mohou být 10 µA a 300 A. Takovéto dodatečné měření bodů voltampérové charakteristiky varistoru se však používá pouze při podrobném statistickém měření nebo při výběru skupin varistoru pro paralelní zapojení při výrobě varistorových svodičů typu 2 + 3 (B + C), jak je vysvětleno na jiném místě.

Trvalým sváděním unikajícího proudu asi 0,2 mA při jmenovitém napětí a sváděním impulsního proudu při omezování přepětí varistor postupně „stárne„. Protékající proud poškozuje polovodivé přechody na rozhraní jednotlivých zrn materiálu, z kterého je varistor vyroben. Téměř pravoúhlá voltampérová charakteristika nového varistoru se postupně „napřimuje„, zvětšuje se unikající proud při jmenovitém napětí a varistor se začne zahřívat. Zahřátí varistoru proces stárnutí ještě urychlí. Aby v konečné fázi nedošlo k zahoření, je varistor opatřen tepelným odpojovačem, tepelně spojeným s elektrodou varistoru. Teplota elektrody přibližně sleduje teplotu varistoru a zajistí ohřátí odpojovače na stejnou teplotu. Vlastní odpojení je zajištěno roztavením nízkoteplotní pájky při teplotě asi 120 °C. Pružina zajistí oddálení rozpojovacích kontaktů. Zároveň se posune terčík optické nebo mechanické signalizace přímo spojené s rozpojovacím mechanismem. Přitom se změní zabarvení signalizačního okna nebo se vysune signalizační trn. Je-li svodič opatřen kontaktem dálkové signalizace, část rozpojovacího mechanismu zatlačí na trn přepínače (vypínače) a způsobí přepnutí (rozepnutí) kontaktu signalizace. U svodičů s výměnným varistorovým modulem bývá elektrická signalizace součástí základního dílu trvale osazeného na liště DIN a připojeného k propojovacím vodičům. Signalizace poruchy lze zpravidla dosáhnout i vytažením varistorového modulu ze základny.

Při dlouhodobém nebo trvalém překročení maximálního provozního napětí začne unikající či svodový proud varistor ohřívat. To způsobí posun voltampérové charakteristiky a další nárůst svodového proudu. Postupným zvyšováním teploty varistoru a zvětšováním svodového proudu se varistor přehřeje a zničí. Svodiče SPD typu 2 pro rozvody nn (svodiče třídy C podle VDE) jsou zkoušeny proudovou vlnou tvaru (8/20) – jmenovitým svedeným proudem In opakovaným dvacetkrát – zpravidla 20 kA (8/20), maximálním svedeným proudem Imax, jednorázově (zpravidla 40 kA (8/20)). Při jednorázovém svedení impulsního proudu s vysokou amplitudou, která překročí povolené maximum, může varistor prasknout (explodovat), poškodí se izolace a v poškozeném místě vznikne nízkoohmový zkrat nebo zde dochází k opakovaným povrchovým výbojům. Zkratovým proudem se varistor nemusí zahřát, proto tepelný odpojovač nereaguje. Reagují předřazené jističe a pojistky. Aby se tomuto stavu předešlo, bývají některé typy svodičů opatřeny i dynamickým odpojovačem, který reaguje na impulsní proudy s vysokou amplitudou.

Obr. 3.

Obr. 3. Schéma zapojení varistoru a pojistek předjištění

Materiálem a dimenzováním elektrod rozpojovacího mechanismu a připojovacích svorek je určena zkratová odolnost varistorového svodiče. Ta je zpravidla udávána pro varistorový svodič instalovaný v sérii s pojistkami s určenou maximální hodnotou předjištění. Hodnota předjištění se běžně pohybuje mezi 60 a 160 A u pojistek s charakteristikou typu gL nebo gL/gG. Například zkratová odolnost svodiče s předřazenou pojistkou 125 A gL/gG je 25 kA. Maximální předjištění svodiče znamená, že v přívodním vedení k varistoru nebudou pojistky vyšší hodnoty, než je povoleno. Jestliže je přívod dimenzován na vyšší hodnotu, musí být pojistky nainstalovány do přívodů vlastních svodičů (obr. 3). Aby při případné poruše varistoru a přerušení pojistek nebylo přerušeno napájení chráněných spotřebičů, volí se hodnota těchto dodatečně instalovaných pojistek 1,4 a menší, než je hodnota jištění přívodů. V případě nedodržení maximální hodnoty předjištění se při poškození varistoru mohou přívody elektrod zkratovým proudem rozžhavit (i odpařit) a způsobit škody v okolí svodiče, popř. i požár.

Nejčastější chyby vedoucí k okamžitému zničení varistoru:

  • připojení varistoru pro jmenovité napětí 240 V AC ke sdruženému napětí 400 V AC (záměna vodiče PE(N) a fázového vodiče),

  • uvolnění vodiče N, popř. PEN, v síti s nesymetrickým odběrem,

  • nepřipojení nulového vodiče u čtyřpólového svodiče v zapojení 3 + 1 (tři póly mezi L a A, jeden pól mezi N a PE).

Co zkracuje životnost varistorových svodičů:

  • dlouhodobě nebo trvale zvýšené napětí (nad hodnotu Uc),

  • kolísání napětí spojené s překračováním hodnoty Uc,

  • vysoký podíl harmonických, které zvyšují maximální hodnoty napětí v síti,

  • časté svádění impulsních proudů, např. v blízkosti neošetřených (vadných) stykačů, neošetřených a často spínaných indukčních zátěží, blízkost neodrušených měničů apod.,

  • časté bouřky a vzdálené i blízké údery blesků,

  • trvale zvýšená provozní teplota,

  • nedodržení technologie výroby varistoru a svodiče (nečistoty, nedostatečná izolace, nízký varistorový bod apod.).

Jsou-li popsané negativní vlivy eliminovány a nedojde ani k jednorázovému přetížení varistoru, může jeho životnost skutečně dosáhnout deseti let, slibovaných mnohými výrobci. Může tomu být tak i přesto, že v síti se běžně vyskytují přepětí několikrát denně v bytových jednotkách a mnohem častěji v administrativních objektech. Každé sepnutí spotřebiče znamená přechodový jev s přepětím různé amplitudy a energie. V průmyslu může v některých případech značné množství a amplituda přepěťových pulsů vést i ke zkrácení životnosti svodičů. Svodiče zde doplácejí na to, že povolené meze rušení pro průmysl jsou nastaveny výše než u jiných sítí.