| 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. 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. 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. 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. |
