Technologia ograniczników przepięć oferuje elastyczne rozwiązania dla aplikacji związanych z procesami technologicznymi.
Przestrzeń w szafach sterowniczych, zwłaszcza w przemysłowych systemach sterowania, od zawsze była jednym z podstawowych problemów. Nie inaczej jest i obecnie. We współczesnych aplikacjach duże systemy sterowania procesami technologicznymi mogą zarządzać jednocześnie tysiącami sygnałów cyfrowych. Odpowiednio duża liczba kabli i przewodów z urządzeń obiektowych często jest podłączona do szafek sterowniczych o dużym zagęszczeniu aparatury.
Z kolei aparatura łączeniowa i zabezpieczająca, w tym ograniczniki przepięć (ochronniki przepięciowe, ang. surge protective device, SPD) muszą być odporne na trudne warunki otoczenia, które zwykle panują w przemyśle przetwórczym. Współczesne konstrukcje tych urządzeń są odporne na takie właśnie warunki, a jednocześnie charakteryzują się coraz mniejszymi gabarytami i wymiarami zewnętrznymi. To bardzo istotne wziąwszy pod uwagę, że każda nowa generacja sprzętu technologicznego w przemyśle powoduje, że zmniejsza się dostępna dla zainstalowania ochronników przestrzeń w szafach sterowniczych.
Ponieważ dostępna przestrzeń kurczy się, zaś inne wymagania dotyczące odporności i wytrzymałości stają się coraz ostrzejsze, przemysłowe ograniczniki przepięć przeszły ewolucję, w celu sprostania tym wyzwaniom. Dziś przynajmniej jeden producent ochronników dla linii sygnałowych pomiarów i sterowania oferuje te urządzenia w ultra wąskiej obudowie o szerokości zaledwie 3,5 mm. Inne ochronniki, oferowane w obudowach o szerokości 6 mm, spełniają specyficzne wymagania dotyczące dużych prądów, wysokich częstotliwości oraz przestrzeni zagrożonych wybuchem.
Ocena źródeł zagrożeń
Wyładowania atmosferyczne często są źródłem przepięć powodujących uszkodzenia sprzętu elektrycznego i elektronicznego. Nawet odległe uderzenie pioruna może niekorzystnie wpłynąć na te urządzenia. Natomiast w pobliżu uderzenia pioruna powstaje zawsze wzrost potencjału ziemi, spowodowany przepływem prądu indukowanego wyładowaniem przez rezystancję gruntu. Ten wzrost potencjału ziemi przenosi się do instalacji przez uziemienie i przewód ochronny, co może spowodować uszkodzenia izolacji komponentów urządzeń oraz kabli.
Pole elektromagnetyczne powstałe podczas krótkiego impulsu wyładowania atmosferycznego może indukcyjnie sprzęgać się z liniami sygnałowymi, co zagraża przesyłowi danych i uszkadza wrażliwe obwody elektroniczne. Szczególnie narażone na ryzyko są komponenty połączone do kabli z żyłami miedzianymi biegnącymi na dużych dystansach, poza budynkami i w otwartych przestrzeniach. Ale nawet wewnątrz budynków linie sygnałowe są wrażliwe na wyładowania atmosferyczne, szczególnie gdy ich tolerancje elektromagnetyczne nie zostały określone w czasie instalowania.
Procesy łączeniowe w obwodach o charakterze indukcyjnym, które generują najwięcej przepięć, mogą wprowadzić też energię przepięć do linii sygnałowych, które biegną równolegle z liniami zasilającymi. Powoduje to zakłócenia pracy sprzętu i jego uszkodzenia. Instalowanie ochronników we wszystkich liniach sygnałowych pomiarów i sterowania, narażonych na wystąpienie przepięć, przez długi czas było sprawdzonym sposobem na zwiększenie niezawodności sprzętu oraz dyspozycyjności systemu. Jednak ograniczniki przepięć mogą spełniać jeszcze inne funkcje.
Obecnie ograniczniki przepięć, przeznaczone dla obwodów pomiarowych i sterowania, mogą mieć często postać zwykłych złączek na szynę DIN, instalowanych w szafach sterowniczych. Takie rozwiązanie wnosi ze sobą wiele dodatkowych zalet i usprawnień. Może ono zarówno uprościć instalowanie kabli i procesy uruchamiania obwodów sygnałowych, jak i ułatwić w późniejszym okresie prace konserwacyjne. Użytkownicy sprzętu technologicznego w przemyśle wymagają obecnie ochronników przepięciowych o kompaktowej, oszczędzającej przestrzeń konstrukcji.
Na przykład kilka tysięcy sygnałów i wynikająca stąd duża ilość przewodów sygnałowych z urządzeń obiektowych w dużych systemach sterujących procesami technologicznymi, często jest podłączona do szafek sterowniczych o dużym zagęszczeniu aparatury. Jednak dzięki postępowi do najnowszej technologii ochronników przepięciowych, możliwe jest podłączenie dwóch przewodów sygnałowych do jednego modułu ochronnika o szerokości obudowy zaledwie 3,5 mm. Przy zastosowaniu tych ultra wąskich ochronników, zamontowanych na szynie DIN o długości zaledwie jednego metra, można zabezpieczyć przed przepięciami aż 572 linie sygnałowe (fot.2).
Dzięki swoim innowacyjnym obwodom zabezpieczającym, ogranicznik przepięć o szerokości zaledwie 3,5 mm może spełniać wymagania wszystkich trzech klas C1, C2 i D1 ochrony przed przepięciami według normy EN 61643-21 [1] .
Ułatwienie prac konserwacyjnych
Nieco szersze niż omówione poprzednio, ograniczniki przepięć o szerokości 6 mm oferują wiele dodatkowych funkcji ułatwiających wykonywanie prac konserwacyjnych. Ochronniki te mogą posiadać zintegrowane odłączniki nożowe, które izolują sterownik od przewodów sygnałowych po stronie obiektu. Funkcja ta jest nie tylko praktyczna dla prac konserwacyjnych, ale także ułatwia lokalizację uszkodzeń. Jeżeli na przykład w okablowaniu obiektowym podejrzewane jest zwarcie, to technik może po prostu odłączyć kable od sterownika za pomocą nożowego mechanizmu ochronnika i zmierzyć rezystancję obwodu okablowania obiektowego bezpośrednio na zaciskach ochronnika. Gdy odłącznik nożowy jest otwarty, ułatwione jest również wykonywanie wszelkich pomiarów diagnostycznych instalacji. Przy takim rozwiązaniu same przewody sygnałowe nigdy nie muszą być fizycznie odłączone od ogranicznika przepięć.
Regularne testowanie ograniczników przepięć jest nie tylko zalecane, ale także wymagane w wielu obszarach aplikacji. Ograniczniki z wkładką wymienną ułatwiają ten proces. Jeśli komponenty ograniczające napięcie są umieszczone we wtykowej części ochronnika, to mogą one być łatwo odblokowane i wyjęte z elementu bazowego, co pozwala na pozostawienie linii sygnałowych podłączonych do elementu bazowego. Obwód sygnałowy nie zostaje przerwany gdy wkładka ochronnika zostaje wyjęta ze swojego elementu bazowego, tak więc system może działać nieprzerwanie podczas przeprowadzania okresowego testu ochronnika.
Zabezpieczenie przed przeciążeniem i zdalna sygnalizacja stanu ograniczników
Niektóre nowoczesne ograniczniki przepięć często oferują zintegrowane zabezpieczenie przed przeciążeniem (dobezpieczanie za pomocą wyłącznika nadprądowego). Jeśli zabezpieczenie zadziała, to jest to zdalnie sygnalizowane za pomocą zintegrowanego wskaźnika stanu ogranicznika. Funkcja ta nie wymaga żadnego dodatkowego zasilania lub oprzewodowania. Ponadto możliwy jest jednoczesny monitoring stanu do 40 ochronników przepięciowych. Zdalny monitoring ochronników może być łatwo zintegrowany z centralnym systemem sterowania w zakładzie.
Poza istniejącymi starszymi analogowymi i dyskretnymi protokołami sygnałowymi, w nowoczesnych systemach sterowania procesami technologicznymi niebagatelną rolę odgrywają również systemy sterowania i monitoringu korzystające z komunikacji danych w magistrali obiektowej (fieldbus). Dlatego też ochronniki przepięciowe w aplikacjach technologicznych muszą spełniać wymagania klasycznych form sygnałów oraz ponadto wymagania dotyczące szeregowej transmisji danych z dużą prędkością, szczególnie gdy są one zainstalowane w otoczeniu zagrażającym wybuchem.
Aprobaty ATEX, IEC Ex oraz Klasy I, Dywizji 2 (Class I, Division 2, system klasyfikacji wprowadzony w USA przez Narodowy Związek Ochrony Przeciwpożarowej, ang. National Fire Protection Association, NFPA) dopuszczają ograniczniki przepięć do wykorzystywania w aplikacjach iskrobezpiecznych. Ochronnik przepięciowy, który posiada wszystkie trzy międzynarodowe aprobaty, może być zainstalowany niemal w każdym otoczeniu zagrażającym wybuchem na całym świecie. Ta potrójna aprobata może uprościć wymagania inwentarzowe dla firm, które działają w wielu krajach.
Współczesne niewielkie gabarytowo i co ważne wąskie ograniczniki przepięć spełniają z nadmiarem wymagania dotyczące podstawowej ochrony przepięciowej, pochodzące z lat ubiegłych. Obecnie istnieje rozwiązanie zabezpieczenia przed przepięciami niemal dla każdej aplikacji związanej z pomiarami i sterowaniem. Minimalna szerokość obudów ultra wąskich ograniczników przepięć, nie tylko oszczędza przestrzeń w małych i średnich systemach sterowania, ale przyczynia się również do redukcji liczby szaf sterowniczych, które są wymagane w większych aplikacjach.
Jack Coghlan jest specjalistą d/s marketingu produktów związanych z ochroną przepięciową w firmie Phoenix Contact USA.
[1] Norma DIN EN 61643-21. Ograniczniki przepięć w instalacjach niskiego napięcia. Część 21. Ograniczniki przepięć podłączone do sieci telekomunikacyjnych i sygnałowych – wymagania dotyczące działania oraz metody testowania.
