Volba vhodné přepěťové ochrany

Článek ve formátu PDF je možné stáhnout zde

Souhra mezi normami VDE 0100-443, VDE 0100-534 a VDE 0185-305

z německého originálu časopisu de, 20/2009,

vydavatelství Hüthig & Pflaum Verlag GmbH München,

upravil Ing. Josef Košťál, redakce Elektro

Nové normy znamenají často pro uživatele nejistotu. Mnoho věcí se tím náhle stává komplikovanějším. Kromě toho různé normy popisují nezřídka stejnou věc. Vyskytnou-li se přitom ještě rozpory, není divu, že uživatel norem znejistí. Cílem tohoto příspěvku je vnést jasno do výběru nezbytných opatření přepěťové ochrany v souvislosti se třemi aktuálními německými normami, které se této problematiky týkají.

Problematikou ochrany před přepětím, resp. ochranou před bleskem pospojováním u zařízení nn, se zabývají aktuálně – a významně – normy:

VDE 0100 Část 534:2009-02¹⁾ [1],
VDE 0185-305:2006-10²⁾ [2],
VDE 0100 Část 443:2007-06³⁾ [3].

Tyto tři normy jsou vzájemně sladěny a umožňují elektroinstalatérovi a kvalifikovanému projektantovi elektro bezpečný výběr nezbytných řešení ochrany před přepětím.

Důležité je při používání těchto norem, aby uživatel dokázal správně rozlišit, kterou normu a na co aplikovat. Je-li toto nejprve vysvětleno a pochopeno, přestanou být konformní opatření přepěťové ochrany vyplývající z těchto norem strašákem.

Pro první přiblížení si lze zmíněné normy rozdělit podle oblastí, kterých se týkají:

norma [1] – definuje, jaká konkrétní opatření (ochrany) jsou nezbytná pro daný případ použití;
normy [2] a [3] – popisují (v závislosti na daném použití) příslušné cíle ochrany a opatření, která jsou nezbytná k jejich dosažení.

Norma [1] – Zařízení přepěťové ochrany

Tato norma objasňuje volbu třídy svodiče přepěťové ochrany. Přitom rozlišuje mezi budovami s vnější ochranou před bleskem a bez vnější ochrany před bleskem.

Budovy s vnější ochranou před bleskem

Zde je třeba zavést opatření podle normy [2]. Cílem je ochrana osob a budov před přímým úderem blesku. Jako konkrétní opatření musí být použit v hlavním rozvodu, resp. napájení minimálně svodič přepětí typu 1, nebo dokonce tzv. kombinovaný svodič. Dále jsou také nezbytná opatření přepěťové ochrany v případě, že je:

požadována ze strany zadavatele ochrana elektrických a elektronických přístrojů,
doplňkově aplikován požadavek podle [3].

Podrobnější informace k normě [2] jsou uvedeny v dalším textu.

Budovy bez vnější ochrany před bleskem

Zde je třeba aplikovat opatření podle [3] (obr. 1). Cílem je ochrana přístrojů před přepětími vznikajícími spínacími pochody a před vzdálenými údery blesku. Jako konkrétní opatření je třeba zde použít svodiče přepětí typu 2 a typu 3. Svodiče typu 1 nejsou u budov bez vnější ochrany před bleskem z hlediska norem nutné.

Přitom je třeba vzít v úvahu, že pojišťovny majetku doporučují u budov s napájením venkovním vedením nebo při vyčnívajících anténách doplňkově svodič přepěťové ochrany typu 1 – viz směrnice Svazu německých pojišťoven VdS 2031

(Ochrana před bleskem a přepětím v elektrických zařízeních – Směrnice k prevenci škod).

Konkrétní hodnoty jmenovitého svodového proudu (I_n) a bleskového proudu (I_imp)

V důsledku různých skutečností či požadavků zákazníka nevyžadují objekty vždy stejná opatření přepěťové ochrany. Aby bylo vyhověno těmto okolnostem, obsahuje norma [1] vhodná ochranná řešení uzpůsobená pro různé požadavky. U budov bez vnější ochrany před bleskem však velké rozdíly neexistují. Pro svodič typu 2 platí tyto mezní hodnoty jmenovitého svodového proudu (In):

I_n min. 5 kA (8/20 μs) na každou chráněnou větev,
I_n min. 20 kA (8/20 μs) N-PE u třífázových soustav,
I_n min. 10 kA (8/20 μs) N-PE u střídavých soustav.

Tyto hodnoty ukazují, že právě pro soukromý sektor smějí být nabízena menší řešení, která jsou svými vlastnostmi (43,5 mm, akustická signalizace poruchy a nižší cena) optimální pro tato použití (obr. 2).

Svodiče typu 1 u budov s třídou ochrany před bleskem III a IV

Norma [1] požaduje např. pro normální průmyslové, obytné a administrativní budovy, jakož i pro veřejné správní budovy pouze svodič bleskového proudu typu 1, popř. kombinovaný svodič, s celkovou svodovou schopností 50 kA (10/350 μs). Dosud se však používaly pouze velmi drahé až o sto procent předimenzované svodiče typu 1 se svodovou schopností 100 kA (10/350 μs), nebo dokonce s ještě většími hodnotami. Tyto svodiče jsou ve skutečnosti projektovány pro budovy s třídou

ochrany před bleskem I a II (např. výpočetní střediska, nemocnice, chemický nebo těžký průmysl apod.).

Avšak u budov s vnější ochranou před bleskem platí pro svodič bleskového proudu typu 1 podle [1] u třídy ochrany před bleskem III tyto hodnoty:

I_imp 12,5 kA (10/350 μs) na každou chráněnou větev,
I_imp 50 kA (10/350 μs) N-PE u třífázových soustav,
I_imp 25 kA (10/350 μs) N-PE u střídavých soustav.

Nové technologie v oblasti polovodičových varistorů na bázi oxidu zinečnatého umožňují používat nové svodiče bleskového proudu typu 1. Tyto svodiče jsou cenově výrazně výhodnější než dosavadní běžné svodiče typu 1 a jsou vhodné zvláště pro budovy s třídou ochrany před bleskem III a IV. Mohou proto významně zvýšit používání svodičů bleskového proudu typu 1 u menších objektů (obr. 3).

Koordinace ochrany před přepětím

Za problematickou je považována ochrana před přepětím u koncových přístrojů připojených k vedení, které je do budovy zavedeno zvenčí. Zde je třeba kombinovat různé typy svodičů takovým způsobem, aby zaručovaly ochranu před přepětím jako jednotný systém. Při nesprávném projektování svodičů není zajištěna jejich vzájemná energetická pevnost. Dříve se vyskytovaly problémy u kombinace se svodiči typu 1 a typu 2. Těmto problémům se lze vyhnout dodržováním těchto jednoduchých pravidel:

používat svodiče pouze od jednoho výrobce a řídit se příslušnými pokyny pro jejich kombinace,
alternativně lze kombinovat mezi sebou přístroje renomovaných výrobců.

V tomto případě se mohou podle VDE 0675 Část 6-11⁴⁾ kombinovat mezi sebou svodiče, které mají nízkou ochrannou hladinu U_p < 1,5 kV. Při použití svodičů typu 1 se proto doporučuje kombinovaný svodič. Přitom je důležité dbát na to, aby jmenovité napětí příslušných svodičů bylo identické (±10 %).

Potřebná zapojení svodičů

V závislosti na síťové soustavě (TN-C, TN-S, TN-C-S, TT nebo IT) jsou v normě [1] uvedeny pro svodiče různé varianty zapojení. Jako optimální se osvědčila varianta 3+1, která je díky zapojení odolnému proti poruchám univerzálně vhodná pro použití v sítích TN a TT (obr. 4). Právě u napájení TN-C-S je však důležité dbát na to, aby v případě výskytu vodičů PE a N s délkou > 0,5 m již byly použity čtyři svodiče.

Připojovací podmínky pro svodiče v kombinaci s proudovým chráničem

Svodiče přepětí propojují nízkoohmově při rozdílech napětí mezi aktivními vodiči a pospojováním. Tento svodový proces může být příčinou vzniku vyrovnávacích proudů tekoucích mezi těmito dvěma potenciály.

Jsou-li za proudovým chráničem (RCD – Residual Current Device) použity svodiče přepětí, může takovýto vyrovnávací proud způsobit vypnutí proudového chrániče, nebo ho dokonce zničit. Z tohoto důvodu nejsou zařízení přepěťové ochrany typu 2 za proudovým chráničem přípustná. Výjimka: jsou-li svodiče typu 2 použity již před proudovým chráničem, mohou být použity také na straně zátěže za proudovým chráničem další svodiče přepěťové ochrany typu 2 nebo typu 3.

Doplňkově lze v normě [1] nalézt pokyny pro průřezy vodičů, délky vedení a potřebné předjištění, popř. odolnost proti zkratu.

Norma [2] – Opatření z hlediska ochrany před bleskem

Tato norma platí pouze pro objekty s vnější ochranou před bleskem. Zde lze obecně rozlišovat dvě ochranné úlohy, které jsou popsány v dalším textu.

Ochranná úloha 1: Jen osoby a budova

Zde platí ustanovení Části 3 normy [2]. Toto konkrétně znamená, že v případě přímého úderu blesku nesmí být energie blesku, která má vazbu se zemí přes zemnicí zařízení, příčinou žádných přeskoků, jež by ohrožovaly osoby nebo budovu.

Toto nebezpečí lze zažehnat svodičem přepěťové ochrany typu 1, který je propustný pro bleskový proud, umístěním přímo

u vstupu do budovy. Podrobnosti k provedení (jmenovitý proud, jmenovité napětí svodiče, ochranná hladina, zapojení svodiče atd.) jsou uvedeny v [1].

Ochranná úloha 2: Osoby, budova, elektrická a elektronická zařízení

Zde platí ustanovení Části 4 normy [2]. Toto pro většinu aplikací konkrétně znamená koordinované použití svodičů přepěťové ochrany typu 1 podle Části 3 normy [2] a doplňková opatření přepěťové ochrany v podružných rozváděčích a u koncových přístrojů. Kromě toho se tato norma zabývá také rozdělením budovy na zóny ochrany před bleskem (LPZ – Lightning Protection Zone), které vyžadují stínicí opatření u stěn, základů a stropů. Na jednotlivých přechodech zón musí být

aplikována, resp. zohledněna přiměřená opatření přepěťové ochrany. Podrobnosti k provedení (jmenovitý proud, jmenovité napětí svodiče, ochranná hladina, zapojení svodiče atd.) jsou uvedeny v [1].

Důležité pro obě ochranné úlohy je respektovat toto pravidlo: varianty uspořádání svodičů typu 1 lze volit pouze s ohledem

na jejich svodovou schopnost podle stanovené třídy ochrany před bleskem. Proto ani v tomto bodu není norma [2] v rozporu

s normou [1].

Norma [3] – Ochranná opatření aneb Ochrana při rušivých napětích a elektromagnetickém rušení

Norma [3] popisuje konkrétní opatření přepěťové ochrany, a poskytuje tak podklady pro výpočty, kterými lze stanovit skutečně nezbytná opatření přepěťové ochrany. Cílem těchto opatření je ochrana před přepětími vznikajícími spínacími pochody a před vzdálenými údery blesku.

Tato podoba přepětí má menší potenciál ohrožení než přepětí vznikající v důsledku přímého úderu blesku. Proto již svodiče

typu 2 a typu 3 poskytují účinnou ochranu před přepětími vznikajícími spínacími pochody a před vzdálenými údery blesku.

Obecné rozhodnutí pro ochranu před přepětím

Jsou-li požadována opatření ochrany před přepětím ze strany zadavatele, resp. Jeho pojišťovny majetku, je třeba uvést do praxe příslušné požadavky normy [3], popř. [1]. Pro případ, kdy nejsou k dispozici konkrétní implicitní hodnoty, existuje možnost pro tato opatření přepěťové ochrany vypočítat potřebné svodiče typu 2 a typu 3 pomocí normy [3].

Výpočet potřebných opatření přepěťové ochrany

Tento výpočet je založen na analýze rizik. Přitom je třeba respektovat tyto možné účinky na:

lidský život (např. nemocnice),
veřejná zařízení,
řemeslné a průmyslové činnosti,
shromažďování osob (např. úřady, školy apod.),
jedince (např. obytná budova).

Očekávají-li se účinky na případy uvedené pod bodem 1 až 3, musí se instalovat příslušná zařízení přepěťové ochrany.

U účinků, které jsou uvedeny pod body 4 a 5, lze vycházet při výpočtu potřebné ochrany před přepětím podle dále uvedených pokynů. Ochrana před přepětím je nutná, je-li:

d > d_c

kde

d je délka napájecího vedení (max. hodnota = 1 km),

d_c kritická délka.

– účinek podle bodu 4: d_c = 1/N_g

– účinek podle bodu 5: d_c = 2/N_g

kde N_g je četnost blesků na kilometr čtvereční a rok (hustota zemních blesků).

Hustota zemních blesků je zdokumentována v příloze 1 normy VDE 0185-305-2 podle oblastí odpovídajícím německým poznávacím značkám vozidel.

Závěr

Lze poměrně snadno zjistit, kterou ze tří zmiňovaných norem je třeba brát při volbě potřebných opatření přepěťové ochrany v úvahu. Důležité je přitom samozřejmě také nezapomínat respektovat další legislativní požadavky (např. stavební řád).

V dalším textu jsou uvedeny některé otázky, které by měly pomoci identifikovat aplikovatelné normy s ohledem na výběr vhodných opatření přepěťové ochrany:

Je požadována vnější ochrana před bleskem (např. stavebním řádem)?
⇒ ochrana před bleskem a přepětím podle VDE 0185-305-3 (odpovídá ČSN EN 62305-3 Ochrana před bleskem – Část 3: Hmotné škody na stavbách a nebezpečí života),
Jsou možné účinky na lidský život (např. nemocnice)?
⇒ ochrana před bleskem a přepětím podle VDE 0185-305-3 (odpovídá ČSN EN 62305-3 Ochrana před bleskem – Část 3: Hmotné škody na stavbách a nebezpečí života),
⇒ doplňková ochrana před přepětím podle VDE 0100-443 (odpovídá ČSN 33 2000-4-443 ed. 2:2007-02 Elektrické instalace budov – Část 4-44: Bezpečnost – Ochrana před rušivým napětím a elektromagnetickým rušením – Kapitola 443: Ochrana proti atmosférickým nebo spínacím přepětím),
Jsou možné účinky na veřejná zařízení (např. telekomunikace)?
⇒ ochrana před přepětím podle VDE 0100-443 (odpovídá ČSN 33 2000-4-443 ed. 2:2007-02 Elektrické instalace budov – Část 4-44: Bezpečnost – Ochrana před rušivým napětím a elektromagnetickým rušením – Kapitola 443: Ochrana proti atmosférickým nebo spínacím přepětím),
Jsou možné účinky na průmysl nebo živnosti (např. hotely nebo banky)?
⇒ analýza rizik podle VDE 0185-305-2 (odpovídá ČSN EN 62305-2:2006-11 Ochrana před bleskem – Část 2: Řízení rizika) a podle VDE 0100-443 (odpovídá ČSN 33 2000-4-443 ed. 2:2007-02 Elektrické instalace budov – Část 4-44: Bezpečnost – Ochrana před rušivým napětím a elektromagnetickým rušením – Kapitola 443: Ochrana proti atmosférickým nebo spínacím přepětím),
⇒ ověřit požadavky stavebního řádu (ochrana před bleskem),
Jsou možné účinky na shromažďování osob (např. úřady, školy)?
⇒ analýza rizik podle VDE 0185-305-2 (odpovídá ČSN EN 62305-2:2006-11 Ochrana před bleskem – Část 2: Řízení rizika) a podle VDE 0100-443 (odpovídá ČSN 33 2000-4-443 ed. 2:2007-02 Elektrické instalace budov – Část 4-44: Bezpečnost – Ochrana před rušivým napětím a elektromagnetickým rušením – Kapitola 443: Ochrana proti atmosférickým nebo spínacím přepětím),
⇒ ověřit požadavky stavebního řádu (ochrana před bleskem),
Jsou možné účinky na jednotlivce (např. obytné budovy, malé úřadovny či kanceláře)?
⇒ analýza rizik podle VDE 0100-443 (odpovídá ČSN 33 2000-4-443 ed. 2:2007-02 Elektrické instalace budov – Část 4-44: Bezpečnost – Ochrana před rušivým napětím a elektromagnetickým rušením – Kapitola 443: Ochrana proti atmosférickým nebo spínacím přepětím).

[1] VDE 0100 Část 534:2009-02 (mod IEC 60364-5-53:2001/A1:2002; ČSN 33 2000-5-534:2009-05 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-53: Výběr a stavba elektrických zařízení – Odpojování, spínání a řízení – Oddíl 534: Přepěťová ochranná zařízení)

[2] VDE 0185-305:2006-10 (idt IEC 62305-2:2006, ČSN EN 62305-2:2006-11 Ochrana před bleskem – Část 2: Řízení rizika)

[3] VDE 0100 Část 443:2007-06 (idt HD 60364-4-443:2006, mod IEC 60364-4-44:2001/A1:2003, ČSN 33 2000-4-443 ed. 2:2007-02 Elektrické instalace budov – Část 4-44: Bezpečnost – Ochrana před rušivým napětím a elektromagnetickým rušením – Kapitola 443: Ochrana proti atmosférickým nebo spínacím přepětím)

Obr. 1. Přiřazení norem [2] a [3] při řešení opatření přepěťové ochrany

Obr. 2. Svodič přepětí typu 2 pro soukromé podružné rozvody

Obr. 3. Svodič přepětí (kombinovaný svodič) typu 1 a typu 2 podle [1] – použití v budovách s třídou ochrany před bleskem III (např. obchodní místnosti, obytné nebo administrativní budovy)

Obr. 4. Zapojení svodičů v soustavě TN-S a TT

¹⁾ VDE 0100 Část 534:2009-02 odpovídá české harmonizované normě ČSN 33 2000-5-534:2009-05 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-53: Výběr a stavba elektrických zařízení – Odpojování, spínání a řízení – Oddíl 534: Přepěťová ochranná zařízení, která byla zavedena do české normalizace jako modifikace IEC 60364-5-53:2001/A1:2002. Tento oddíl obsahuje opatření týkající se omezení napětí pro dosažení koordinace izolace v případech popsaných v ČSN 33 2000-4-443 (HD 60364-4-443), ČSN EN 60664-1 a ČSN EN 62305-4. Pro ochranu před přepětími mohou být použita přepěťová ochranná zařízení (SPD – nazývaná někdy též přepěťové ochrany), určité izolační transformátory, filtry nebo kombinace těchto prvků. Tento oddíl uvádí požadavky na volbu a umístění přepěťových ochranných zařízení (SPD) v elektrických instalacích budov tak, aby se omezila přechodová přepětí atmosférického původu přenášená napájecí distribuční sítí, aby se omezila spínací přepětí i přepětí způsobená přímými údery blesku do budov chráněných hromosvodem. V národní vysvětlující příloze je uvedeno porovnání různých označení používaných pro SPD a způsoby jejich připojení.

²⁾ Německá norma VDE 0185-305:2006-10 odpovídá české harmonizované normě ČSN EN 62305-2:2006-11 Ochrana před bleskem – Část 2: Řízení rizika, která je identická s mezinárodní normou IEC 62305-2:2006. Tato Část IEC 62305 platí pro ocenění rizika u staveb a inženýrských sítí způsobeného údery blesku do země. Jejím účelem je poskytnout postup pro vyhodnocení takovéhoto rizika. Jakmile je vybrána horní mez rizika, umožňuje tento postup volbu vhodných ochranných opatření, které se musí přijmout pro snížení rizika na přípustnou mez nebo pod ní.

³⁾ VDE 0100 Část 443:2007-06 odpovídá české harmonizované normě ČSN 33 2000-4-443 ed. 2:2007-02 Elektrické instalace budov – Část 4-44: Bezpečnost – Ochrana před rušivým napětím a elektromagnetickým rušením – Kapitola 443: Ochrana proti atmosférickým nebo spínacím přepětím, která je identická s harmonizačním dokumentem HD 60364-4-443:2006 a byla zavedena do české normalizace jako modifikace IEC 60364-4-44:2001/A1:2003. Tato norma se zabývá ochranou elektrických instalací proti přechodným přepětím atmosférického původu, která jsou přenášena napájecí distribuční soustavou a proti spínacím přepětím, a poskytuje návod tam, kde je ochrana proti přepětí zajištěna vlastním řízením přepětí nebo řízením přepětí ochranou. Není-li zajištěna ochrana v souladu s touto normou, není zajištěna koordinace izolace a musí být vyhodnoceno riziko spojené s výskytem přepětí. V tomto novém vydání je provedena adaptace k novým mezinárodním a evropským normám. Článek Řízení přepětí ochranou založené na ocenění rizika byl doplněn a v tab. 1 byly stanoveny hodnoty požadovaných impulzních výdržných napětí pro zařízení pro sítě se jmenovitým napětím 1 000 V.