|
|
|
Mike Nager, Phoenix Contact, Inc. |
Czy współczesny człowiek, oglądając burzę z piorunami, czuje respekt i podziw dla tego naturalnego zjawiska pirotechnicznego, czy raczej obawia się, że może ono być powodem awarii w jego zakładzie? Wiele zakładów jest zabezpieczonych przed uderzeniami pioruna lub innymi elektrycznymi przepięciami tylko na „słowo honoru”. Nie do końca uzasadnione jest mniemanie, że Ameryka Północna należy do najlepiej zabezpieczonych obszarów przed uderzeniami pioruna na całej planecie. Niewiele tłumaczy fakt, że istnieje wiele innych niż naturalne źródeł przepięć, włączając w to również działanie urządzeń łączeniowych (rozdzielczych), urządzeń przeciwzakłóceniowych, uszkodzeń linii i innych urządzeń, które są źródłem niepożądanych skoków mocy w sieci.
Nie musi tak być. Postęp naukowy i techniczny w zakresie ochrony przepięciowej jest z roku na rok coraz większy. Sprawdzone i niezawodne technologie chronią zakłady przemysłowe i ich wyposażenie równie skutecznie jak jest chroniony komputer domowy.
W Polsce o konieczności stosowania ochrony przepięciowej stanowi decyzja ministra spraw wewnętrznych i administracji z roku 1997 (Dz. U. Nr 132, poz. 878).
Sprawy te są też odpowiednio regulowane przez ministra obrony narodowej (obiekty służące obronności), ministra gospodarki (sieci gazowe), prezesa zarządu TP SA (obiekty telekomunikacyjne). W przypadku instalacji elektrycznej w obiektach budowlanych podstawowe informacje dotyczące ochrony przepięciowej znajdują się w normie: PN-IEC 60364-4-443:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi. Normę tę powołuje Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 września 2002 zmieniające rozporządzenie w sprawie obowiązku stosowania niektórych Polskich Norm dla budownictwa.
Szeroko na temat ochrony odgromowej i przepięciowej pisaliśmy w grudniowym wydaniu Inżynierii i Utrzymania Ruchu.
Rys. 1. Typowy moduł I/O zawiera wiele przewodów elektrycznych — każdy z nich jest potencjalną ścieżką przepięciową. Ten potencjał ulega zwielokrotnieniu przy montażu każdej kolejnej karty I/O w systemie. Podatność na przepięcie modułu I/O rozciąga się na każdy przewód elektryczny w każdym układzieOchrona systemów komunikacji i I/O
Ochrona przepięciowa linii zasilania i linii dystrybucji energii elektrycznej w zakładzie jest sprawą zasadniczą. Ale nie wolno zapominać o innych obiektach. Każdy przewodnik elektryczny jest potencjalną ścieżką do powstania przepięcia – nie tylko przewody prądu przemiennego. Zespoły sterowania przemysłowego, automatyka zakładowa oraz elektroniczne systemy komunikacji standardowo stosują przewody miedziane. Na przykład typowy układ I/O zawiera wiele przewodów elektrycznych (rys. 1).
Programowalne sterowniki PLC – mózgi wielu zastosowań w automatyce i zespołach sterowania – komunikują się z czujnikami, siłownikami i innymi przyrządami za pomocą dyskretnych sygnałów cyfrowych (ON/OFF) lub za pomocą sygnałów analogowych (4 – 20 mA i 0 – 10 V). W zastosowaniach przemysłowych te niskonapięciowe sygnały komunikacyjne są tak samo podatne na napięcia udarowe jak kable zasilania prądem przemiennym. W tradycyjnych przemysłach przetwórczych (chemiczny, systemy dostawy wody, oczyszczania ścieków, petrochemiczny, gazowniczy i przesyłu gazu) podatność jest nawet większa z powodu długich kabli zewnętrznych i skutków pobliskich lub bezpośrednich uderzeń piorunów.
Zagrożone są również różne systemy komunikacyjne, takie jak RS-232, RS-485, telefony i Ethernet. W systemach tych stosowane są sygnały niskonapięciowe, które powodują, że zespoły elektroniczne znajdujące się w urządzeniach są szczególnie podatne na krótkotrwałe skoki napięcia.
Teoria ochrony przepięciowej
|
|
|
Rys 2. Urządzenie ochrony przepięciowej pracuje podobnie jak stały przełącznik, który zamyka się przy przepięciu, bocznikując w ten sposób prąd od chronionego urządzenia do ziemi |
Zadaniem modułów (układów) ochrony przepięciowej jest ograniczanie udarów napięciowych do poziomów niegroźnych dla urządzeń. Powody powstawania przepięć są znane od dawna, od dawna są też stosowane ograniczniki przepięć, jednak dopiero powszechne stosowanie półprzewodników w wielu urządzeniach na przestrzeni ostatnich lat spowodowało, że ochrona przepięciowa stała się koniecznością w urządzeniach przemysłowych. Większość zespołów ochrony przepięciowej jest typu bocznikowego, w których są stosowane warystory tlenkowe, diody lub rurki gazowe. Urządzenia bocznikujące nie absorbują, nie blokują, nie wsysają ani nie zatrzymują udarów napięciowych. Są one alternatywną ścieżką uziemienia energii z udaru napięcia, w ten sposób udar zamiast uderzenia w urządzenie jest odprowadzany (bocznikowany).
Tego typu układy ochrony przepięciowej są nieliniowe. Oznacza to, że pod wpływem przepięcia ich impedancja zmienia się z wysokiej (układ prawie otwarty) w niską (układ prawie zwarty), ograniczając napięcie wpływające na urządzenie. Zapewnia to również bezpieczną ścieżkę ujścia dla skoku napięcia, nie pozwalając przepłynąć przez urządzenie. Teoretycznie, urządzenie jest chronione przed skutkami wynikającymi z wysokiego napięcia oraz skojarzonego udaru prądowego (rys. 2).
Jednakże w praktyce należy bardzo ostrożnie podchodzić do zagadnienia, w jaki sposób udar prądowy należy uziemić oraz jak zapewnić ochronę układu.
Urządzenie ograniczające przepięcia pełni trzy funkcje:
1. Chroni urządzenia elektryczne przed skutkami wynikającymi ze skoku napięcia.
2. Zapewnia, że prąd przepięcia nie przepływa przez urządzenie.
3. Zapobiega wtórnemu, indukowanemu napięciu (powstającemu z udaru prądowego), które może uszkodzić urządzenie. (patrz ramka: Jak obliczyć indukowane napięcie).
Na efektywność trzeciej funkcji ma większy wpływ metodologia uziemienia niż samo urządzenie ograniczające przepięcie.
Rys. 3. Podczas przepięcia powstaje różnica napięcia między dwoma punktami uziemienia, poddając PLC działaniu znacznych skoków napięcia
Rys. 4. Skutki indukowanego napięcia są mniejsze, jeżeli ścieżki uziemienia urządzenia ograniczającego przepięcie i PLC są połączone w jednym punkcie. Jednak chociaż jest to lepsze rozwiązanie niż dwa punkty uziemienia, PLC wciąż doświadcza skoku napięcia
Rys. 5. Jednopunktowe uziemienie eliminuje połączenie uziemień pomiędzy poszczególnymi urządzeniami, a urządzenie ograniczające napięcie eliminuje również spadek napięcia wytwarzany przez uziemienieSkutki udaru prądowego
Precyzyjne układy drukowane, wyposażone w typowe urządzenia ograniczające przepięcia, wymagają prawidłowego podłączenia do uziemienia przy użyciu grubego kabla, który powinien być możliwie prosty, ponieważ ograniczniki przepięć ograniczają wysokie napięcia, tworząc krótko zwarte obwody z uziemieniem (do celów niniejszego rozumowania możemy pominąć typową ochronę przepięciową). Udar prądowy powinien być odprowadzony do uziemienia przez urządzenie ograniczające przepięcie – nie powinien wystąpić w żadnym innym miejscu.
Zasadnicze znaczenie dla prawidłowej pracy urządzenia ograniczającego przepięcia ma ścieżka o niskiej impedancji. Typowym skutkiem stosowania uziemienia o wysokiej impedancji jest uszkodzenie urządzenia bez uszkodzenia samego urządzenia ograniczającego przepięcie (patrz ramka: Jak obliczyć indukowane napięcie).
Prawidłowa instalacja urządzenia ograniczającego przepięcie
Równie ważna jest ścieżka udaru prądowego, ponieważ spadek napięcia powstaje zawsze, gdy prąd przepływa przez przewodnik. Jeden z najgorszych przypadków ilustruje rys. 3 – prąd udarowy płynie inną ścieżką uziemieniową niż ścieżka dla PLC. Podczas udaru powstaje różnica potencjału między dwoma punktami uziemienia, wskutek czego PLC jest poddane działaniu znacznego udaru napięciowego.
Na rysunku 4 przedstawiono lepsze rozwiązanie. Podłączenie ścieżek uziemienia urządzenia ograniczającego przepięcie i PLC w jednym miejscu redukuje skutki indukowanego napięcia. Przy takim usprawnieniu PLC będzie nadal doświadczać skoków napięcia.
Przykład przedstawiony na rysunku 5 wykorzystuje jednopunktowe uziemienie celem eliminacji problemów związanych z kilkoma ścieżkami uziemieniowymi. W poprzednim przykładzie wspólne uziemienie – chociaż jest to pojedynczy punkt – jest niezależne od sprzętu i od urządzenia ograniczającego przepięcie, co wciąż stwarza możliwość powstania spadku napięcia. Jednakże, jeśli instalacja jest uziemiona w samym urządzeniu ograniczającym przepięcie, jej ścieżka uziemieniowa zapewnia, że spadek napięcia nie powstaje, a sprzęt ma ochronę.
Wniosek
Oceniając urządzenia ograniczające przepięcia, należy upewnić się, czy producent podał klarowne zalecenia z zakresu uziemienia. Specjalną uwagę należy zwrócić na praktyczność rozwiązania systemu uziemienia. Na przykład, w przemysłowych pomieszczeniach sterowniczych do zamontowania elementów sytemu kontroli typowo jest stosowana szyna DIN. Szyna DIN często służy równocześnie jako uziemienie. Przy instalacji urządzeń ograniczających przepięcie, tam, gdzie to jest tylko możliwe, należy wykorzystać mechaniczne i elektryczne udogodnienia, wynikające ze stosowania szyny DIN.
Urządzenia ograniczające przepięcia umożliwiają bezpieczną pracę zakładu. Przepięcia wędrują przez przewody elektryczne – nie tylko linie zasilania AC – powodując uszkodzenie podłączonych czułych zespołów elektronicznych. Stosowanie urządzeń ograniczających napięcie jest szczególnie zalecane na najważniejszych liniach komunikacyjnych i w systemach I/O. Jeśli urządzenie znajduje się na zewnątrz, ochrona przepięciowa jest konieczna. Prawidłowa instalacja urządzenia ograniczającego przepięcie oraz prawidłowe podłączenie elektryczne mają zasadnicze znaczenie dla przyszłej eksploatacji.
Mike Nager jest przemysłowym kierownikiem marketingu w Phoenix Contact Inc. Ma 15-letnie doświadczenie w kontroli przemysłowej.
Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej
|
Jak obliczyć indukowane napięcie Celem ochrony przepięciowej jest odprowadzenie energii przepięcia od chronionego urządzenia. Nie mniej ważne jest zapewnienie, aby indukowane napięcie, działające na urządzenia od udaru prądowego, było wszędzie jednakowe. Innymi słowy, jeśli urządzenie ograniczające przepięcie i urządzenie chronione doświadczą razem 500 V wzrostu napięcia, nie powstanie różnica napięć, która powoduje uszkodzenia. Indukowane napięcia powodowane przez udary prądowe mogą powstać z trzech powodów:
1.Charakterystyki stabilizacji samego elementu ogranicznika przepięcia. Przy zastosowaniu jako elementu stabilizującego rurki gazowej powstaje stałe napięcie rzędu 20 — 60 V, niezależnie od wielkości prądu. Przy innych urządzeniach, np. warystorach z tlenków metali, napięcie wytwarzane przez udar prądowy jest proporcjonalne do wielkości przepływającego przez nie prądu:
Velementu= 20 V (rurka z gazem)
2. Rezystancji dc samego przewodu — zakładając, że prąd udarowy 10 000 A przepływa przez przewód (np. 1 m), rezystancja wyniesie wtedy 0,0062 Ω. Napięcie indukowane przez rezystancję dc można obliczyć według wzoru:
Vod rezystancji = I prądu udarowego x Rrezystancjadc = = 10 000 A x 0,006 Ω= 60 V
Chronione urządzenie doświadczy 60 V skoku indukowanego napięcia z powodu rezystancji przewodu. Przepięcie 60 V nie jest zwykle uważane za duży problem, chociaż może mieć znaczenie przy czułych układach.
3. Rezystancji AC lub, dokładniej, induktancji przewodu przy wysokiej częstotliwości — udar napięciowy na początku, czołowy, szybko narasta, tj. osiąga 90% swojej wartości w ciągu 8 µs. Induktancja przewodu nie zmienia się znacznie wraz ze średnicą. Zwykle się zakłada, że jest to 1 µH/m dla dowolnego przewodu. Tak więc takie przepięcie spowoduje następujące skutki:
Vindukowane = L induktancja przewodu x di (przepięcie)/dt = 0,000001H x 9000 A/0,000008 s = 720 V
Całkowite indukowane napięcie jest sumą trzech składowych wymienionych powyżej:
Vcałkowite = Velementu + Vrezystancji + Vinduktancji
Vcałkowite = 20 V + 60 V + 720 V = 800 V
Stosowanie jednopunktowego uziemienia powoduje, że zarówno urządzenie ograniczające przepięcie, jak i urządzenie chronione mogą być doświadczone wzrostem napięcia 800 V, co nie pozwala na popłynięcie prądów, które mogą spowodować uszkodzenia. |
Autor: Mike Nager, Phoenix Contact, Inc.
