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

Svodiče B+C – svodiče blesku s jiskřištěm, nebo varistorem?

číslo 12/2006

Svodiče B+C – svodiče blesku s jiskřištěm, nebo varistorem?
Svod chybového proudu a zbytkové napětí svodičů pro třídy zkoušek T1 a T2

Holger Heckler, Edmund Pantůček,
Phoenix Contact, s. r. o.

Často se lze setkat s tvrzením, že svodiče proudu blesku na bázi varistoru mohou být jako plnohodnotné zařazeny mezi zařízení třídy zkoušek T1, zkoušená vlnou o průběhu 10/350 µs K argumentům patří kratší doba odezvy proti řešení s jiskřišti a také proud varistorovou skladbou je dostatečný k nahrazení řešení s jiskřištěm. Pro srovnání bylo použito řešení svodičů, zkoušených pro třídu T1, označované jako kombinovaný svodič, přičemž cílem bylo nabídnout požadovanou ochranu pro systémy elektrického napájení. V článku jsou porovnány charakteristiky svodičů s jiskřišti a svodičů s varistorovou kombinací vzhledem ke zbytkovému napětí při proudovém a/nebo napěťovém impulsu. Porovnání zbytkových napětí bez výjimky prokazuje, že zbytkové napětí na svodiči s jiskřištěm je výrazně nižší a znamená podstatně menší přetížení spotřebičů než při použití varistorů. Také časová odezva řízených výkonových jiskřišť je srovnatelná s odezvou varistorových řešení.

Pro stavbu účinných systémů je nezbytné použití výkonných svodičů proudu blesku třídy zkoušek T1. Svodiče na principu jiskřiště znamenají podstatně menší impedanci při odvádění chybových proudů. Zbytkové napětí na jiskřišti se pohybuje mezi 100 a 500 V. Svodiče na bázi varistorů vykazují diametrálně odlišné chování – po celou dobu průtoku chybového proudu je zbytkové napětí podstatně vyšší než u jiskřišťových svodičů. Jiskřiště jsou konstruována tak, aby odváděla opakované vysokoenergetické proudové impulsy bez poškození nebo změny funkce při zbytkovém napětí značně pod ochrannou úrovní elektrické instalace.

Svodová schopnost

Pro měření svodové schopnosti svodičů třídy T1 je použita rázová vlna o průběhu 10/350 µs odpovídá průběhu prvního výboje blesku. Tyto parametry a další podmínky – např. tvar a průběh vlny, náboj, energie výboje a podobně – jsou jako technické podmínky určeny v normách IEC 61312-1, EN 62305-1. Podle EN 62305-4 a IEC 60364-5-53 je minimální proud svodičem dán hodnotou 12,5 kA ve vlně 10/350 µs (pro čtyřvodičovou soustavu). Stanovený odvedený proud platí pro svodiče blesku třídy I v souladu s IEC 61312-1 a kumulativní hodnotu 100 kA (10/350 µs). Ve čtyřvodičové soustavě svodič odvádí nejméně 25 kA (10/350 µs) - pak vyhovuje požadavku na svodič třídy zkoušek T1.

Obr. 1.

Obr. 1. Zkušební impulsy proudových zkoušek

Svodiče třídy zkoušek II jsou ověřovány vlnou o průběhu 8/20 µs. Tvar a náboj vlny 8/20 µs jsou definovány v IEC 60060-1.

Rázové proudy s průběhem 8/20 µs „plnohodnotný„ výboj blesku, ale pouze nízkoenergetický výboj, který vzniká při spínacích pochodech nebo jako dílčí výboj blesku. Porovnání elektrického náboje při výboji 10/350 µs (IEC 61024-1, IEC 61312-1 a IES 62305-1) s nábojem pro výboj 8/20 µs (IEC 60060-1) dokazuje, že náboj (a energie) impulsu 10/350 µs je mnohonásobně větší než u impulsu s průběhem 8/20 µs.

Elektrický náboj Q zkušebního impulsu je určen:

  • nábojem impulsu 10/350 µs (25 kA): 12,5 C,
  • nábojem impulsu 8/20 µs (25 kA): 0,5 C.

    Tedy elektrický náboj impulsu s průběhem 10/350 µs je za podmínky stejného průběhu vlny 25krát větší než náboj impulsu 8/20 µs. Rozdíl se získá pouhým matematickým porovnáním, ale např. i srovnáním ploch uzavřených průběhy křivek zkušebních proudů (obr. 1).

    Obr. 2.

    Obr. 2. Svodič třídy T1 ve spolupráci se svodičem třídy T2 (Flashtrab Compact)

    Svodič třídy I na základě jiskřiště je schopen odvést energii impulsu (10/350 µs) bez těžkostí. Svodová schopnost svodičů třídy II na bázi varistorů je podstatně menší než u obdobných zařízení zkoušených pro třídu I svodiče blesku a přepětí.

    Ochranná úroveň moderních svodičů třídy I s řízením výboje je výrazně pod hodnotou napětí 1,5 kV i při průchodu vysokoenergetického proudového impulsu. Takové svodiče zaručují velmi dobrou ochranu instalace za nimi i zařízení a přístrojů, které jsou součástí této instalace. Má tedy smysl používat kromě svodičů třídy I také varistorové svodiče T2? Odpovědí může být porovnání průběhů zbytkového napětí na jednotlivých modelech:

  • svodič třídy T1,
  • svodič třídy T1 (výkonové jiskřiště s řízením zážehu) ve spolupráci s varistorovým svodičem T2.

    Pro měření byl použit impuls 8/20 µs, protože strmější hrany impulsu vyvolávají výraznější odezvy oproti impulsu s průběhem 10/350 µs se stejným vrcholovým proudem.

    Při výboji impulsu přepětí 25 kA (8/20 µs) přes varistor svodiče třídy II (Uc = 350 V AC, Imax = 40 kA, 8/20 µs) je zbytkové napětí 1 300 V (obr. 3, horní křivka). Typické pro varistor je to, že při svodu přepěťového impulsu zbytkové napětí dlouho zůstává vysoké. Tento jev může způsobit průraz elektrické izolace a vést k poškození přepětím právě těch přístrojů, které mají být chráněny.

    Obr. 3.

    Obr. 3. Zbytková napětí svodiče třídy T2 a kombinace svodičů třídy T1 a T2 na impuls 25 kA (8/20 µs)

    Kombinací svodiče třídy I (Uc = 350 V AC, Iimp = 25 kA, 10/350 µs – jiskřiště) se svodičem třídy II (Uc = 350 V AC, Imax = 40 kA, 8/20 µs – varistor) lze získat průběh zbytkového napětí s vrcholovou hodnotou 1 140 V (obr. 3, dolní křivka). Také spínací napětí kombinace svodičů třídy I a třídy II SPD (obr. 3, dolní křivka) se nachází výrazně pod spínacím napětím svodiče třídy II na bázi varistoru (obr. 3, horní křivka). Po zážehu a otevření cesty jiskřištěm zbytkové napětí velmi rychle klesá pod hodnotu 500 V. Kombinace svodiče třídy I na principu jiskřiště a svodiče třídy II s varistorem v jednom přístroji představuje efektivní cestu k zaručení nízkého zbytkového napětí nejen při rychle rostoucím náběhu přepětí, ale také při přetrvávající dlouhé vlně přepětí.

    Doba odezvy

    V mezinárodních standardech pro zařízení ochrany před vlivy přepětí nejsou přesně stanoveny procedury testů. Proto je velmi složité porovnávat parametry a technické údaje uvedené jednotlivými výrobci v jejich datových listech. Každý výrobce může stanovit a používat vlastní proceduru zkoušek a také definici odezvy. Obvykle je zvýrazněna kratší odezva varistorových svodičů oproti odezvě svodičů využívajících jiskřiště. Má ale doba odezvy skutečně takový vliv na jakost ochrany před přepětím? Pro odpověď je vhodné analyzovat zkušební impuls, který je popsán standardy pro zkoušky elektrických a elektronických zařízení.

    Obr. 4.

    Obr. 4. Zkušební impuls s průběhem 1,2/50 µs

    Dielektrická pevnost izolantů a koordinace izolací jsou určeny normou IEC 60364-4-44. Pro testování elektrické koordinace je určen napěťový impuls s průběhem 1,2/50 µs. Systémy s provozním napětím 400/230 V AC jsou zkoušeny impulsy s napětím 1,5, 2,5, 4,0 a 6,0 kV (1,2/50 µs – obr. 4).

    Doba náběhu impulsu napětí 1,2/50 je 1,2 µs a doba poklesu zkušebního napětí je na polovinu (doba půltýlu) 50 µs. Dielektrická pevnost izolačního materiálu závisí jak na maximální hodnotě, tak i na průběhu zkušebního napětí.

    Testování materiálů napěťovým impulsem 1,2/50 µs probíhá ve dvou fázích: zkouškou odolnosti proti průrazu strmým nárůstem napětí a zkouškou chování při dlouhodobém přetížení. Ve skutečnosti k většině průrazů materiálu dochází až při dlouhodobém přetížení, tedy v klesající části zkušebního impulsu.

    Pro porovnání odezvy svodiče přepětí třídy I využívajícího jiskřiště a varistorový svodič třídy II byly použity impulsy napětí se strmou náběhovou hranou ve tvaru 1,2/50 µs. Pro výstup těchto impulsů je používán tzv. hybridní generátor. K základním vlastnostem hybridního generátoru patří tvar impulsu – průběh 1,2/50 µs při vysoké impedanci na zkoušeném zařízení. Pokud zařízení během testu přejde do stavu malé impedance, na výstupu generátoru je zkušební proudový impuls s tvarem vlny 8/20 µs.

    Příklad:
    Hybridní generátor s výstupem 6 kV (1,2/50 µs) na velké impedanci zkoušeného zařízení poskytuje impuls 3 kA (8/20 µs) zkušebního proudu při nízké impedanci zkoušeného zařízení.

    Obr. 5.

    Obr. 5. Odezva na jiskřišti třídy I a na varistoru třídy II při zkušebním impulsu 6 kV (1,2/50 µs)

    Svodič přepětí třídy II – Valvetrab Compact (Uc = 350 V AC, Imax = 40 kA, 8/20 µs), omezuje impuls napětí 6 kV (1,2/50 µs – hybridní generátor) na 840 V. Impulsy přepětí s vysokou amplitudou a strmým náběhem jsou účinně omezovány na úroveň, která je bezpečná pro provoz elektrických a elektronických zařízení napájených z elektrické sítě.

    Svodič přepětí třídy I (s řízením přeskoku na jiskřišti) omezí impuls napětí 6 kV (1,2/50 µs – hybridní generátor) na 1 410 V. Po dosažení úrovně sepnutí dojde k rychlému omezení zbytkového napětí na přibližně 650 V. Činnost řídicího obvodu jiskřiště umožňuje okamžitou reakci celého modulu. Také při rychlém náběhu impulsu 1,2/50 µs spínané jiskřiště zajišťuje odvod přepětí přes hlavní elektrody řízené sestavy. Vhodnou konstrukcí obvodu řízení zážehu a hlavních elektrod jiskřiště Flashtrab Compact je elektrický obvod chráněn proti přepětí i v době, kdy ještě nenastal plný přeskok mezi oběma hlavními elektrodami.

    Při testu kombinace svodičů tříd I a II v souběhu byl rovněž použit hybridní generátor 6 kV (1,2/50 µs). Kombinace jiskřiště a varistoru v přístroji Flashtrab Compact účinně omezuje impuls 6 kV z hybridního generátoru na 840 V. Při testu byly v provozu varistor a zážehové jiskřiště. Vzhledem k délce a energii výboje nebylo zapotřebí využít kapacitu hlavního jiskřiště prvku Flashtrab Compact.

    Shrnutí a závěr

    Výsledky měření dokazují, že svodiče třídy I prokazují nárok na zařazení této konstrukce mezi plnohodnotná zařízení třídy zkoušek I – mezi svodiče pro ochranu zařízení před vlivem výboje blesku, zkoušené proudovou vlnou 10/350 µs. Svodiče třídy I s varistory nejsou plnohodnotnou náhradou moderních svodičů s jiskřišti, které poskytují záruku nízkého zbytkového napětí také při dlouhé vlně přepětí.

    Kombinace svodiče s řízeným výbojem v jiskřišti (svodič T1) a varistoru (svodič T2) představuje velmi účinnou cestu k ochraně elektrických a elektronických zařízení. Vysoká svodová schopnost s nízkými zbytkovými napětími a rychlá odezva zařízení jsou sloučeny v jediném přístroji.

    Literatura:
    [1] EN 62305-1: Protection against lightning – Part 1: General principles.
    [2] IEC 60364-4-44: Low voltage electrical installations – Part 4-44: Protection for safety – Protection against voltage disturbances and measures against electromagnetic influences.
    [3] IEC 60364-5-53: Electrical installations of buildings – Part 5-53: Selection and erection of electrical equipment – Isolation, switching and control.
    [4] IEC 62305-4 (2006-01): Protection against lightning – Part 4: Electrical and electronic systems within structures.
    [5] IEC 61643-1 (2005-03): Low-voltage surge protective devices – Part 1: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems – Requirements and tests.
    [6] SCHIMANSKI, J. – SCHEIBE, K. – WETTER, M.: Coordination of varistors. In: International Conference on Lightning Protection, Rhodes, Řecko, září 2000.
    [7] WETTER, M. – WOSGIEN, J. – DURTH, R.: A new technology of triggered lightning current arresters. In: International Conference on Lightning Protection, Krakov, Polsko, září 2002.
    [8] WETTER, M. – SCHIMANSKI, J. – SCHEIBE, K.: High performance triggered lightning current arresters. In: International Conference on Lightning Protection, Avignon, Francie, září 2004.
    [9] HECKLER, H. – SCHIMANSKI, J. – WETTER, M.: Ableitvermögen und Ansprechzeit von Blitzstromableitern. Etz, Heft 8/2005.
    [10] SCHIMANSKI, J.: Überspannungsschutz – Theorie und Praxis. 2., nově přepracované vydání. Hüthig Verlag, Heidelberg, Německo, 2003.