Aby prawidłowo dobrać ochronnik przepięciowy, należy znać wartości znamionowe prądów i napięć związane z danym zastosowaniem.
Gdy w sieci energetycznej występuje przepięcie (udar napięciowy), to napięcie o wartości znacznie przekraczającej dopuszczalne poziomy wartości szczytowej może przedostać się przez obwody instalacji elektrycznej budynku do podłączonego sprzętu elektrycznego. Bez odpowiedniej ochrony przed przepięciami, sprzęt ten jest podatny na uszkodzenia lub awarie. Ochronnik przepięciowy (ogranicznik przepięć, ang. surge protective device – SPD) może stłumić te piki napięcia.
Dobranie ochronnika wymaga zidentyfikowania i zrozumienia wartości znamionowych związanych z jego zastosowaniem. Parametry i wartości znamionowe ochronników to: maksymalne napięcie trwałej (ciągłej) pracy Uc (ang. maximum continuous operating voltage – MCOV), napięciowy poziom ochrony Up (ang. voltage protection rating – VPR), znamionowy prąd wyładowczy In (ang. nominal discharge current, 8/20 μs – przyp. tłum.) oraz wytrzymałość zwarciowa ISCCR (ang. short circuit current rating – SCCR). Najbardziej niezrozumiałą przez użytkowników wartością znamionową jest wartość znamionowa prądu udarowego, zwykle podawana w kiloamperach (kA).
Norma UL1449 została opracowana w celu wyeliminowania niejednoznaczności z rynku i zapewnienia właściwej ochrony przepięciowej przy zachowaniu równych szans. Jednak na przestrzeni lat uległa ona wielu zmianom i wszelkie ochronniki (lub filtry) przepięciowe, zainstalowane w obiekcie lub urządzeniach przed rokiem 2009, powinny zostać sprawdzone pod kątem zgodności z aktualną wersją.
Wytyczne dotyczące ochronników przepięciowych
Istnieje niewiele opublikowanych danych lub nawet zaleceń, dotyczących właściwego poziomu znamionowego prądu wyładowczego Imax (podanego w kA) dla różnych lokalizacji ochronników przepięciowych. Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) podaje informacje na temat wartości znamionowych udarów napięciowych i prądowych, ale nie publikuje zaleceń odnośnie stosowania ochronników przepięciowych. Niestety, nie jest także dostępne żadne sprawdzone równanie lub kalkulator, który umożliwiłby wprowadzenie wymagań instalacji elektrycznej obiektu i otrzymanie rozwiązania. Wszelkie informacje podawane przez producenta ochronnika, uzyskane za pomocą obliczeń lub innych środków, są jedynie zaleceniami.
Istnieje tendencja do zakładania, że im większa rozdzielnica, tym większa wartość znamionowa prądu wyładowczego (w kA) urządzenia, potrzebnego do zainstalowana w niej w celu ochrony przed przepięciami. Innym błędnym założeniem jest to, że jeśli np. 200 kA jest dobrą wartością, to 400 kA musi być dwa razy lepszą. Jednak nie zawsze jest to prawdą. Na podstawie doświadczeń w branży elektrycznej firma Emerson opracowała pewne wskazówki dotyczące stosowania wartości znamionowych prądu wyładowczego przy doborze ochronników.
Koordynacja ochrony przed przepięciami
Aby zoptymalizować tłumienie przepięć w całym systemie, ochronniki przepięciowe powinny być instalowane na wszystkich poziomach systemu dystrybucji energii elektrycznej. Jest to określane w elektrotechnice jako stopniowanie lub koordynacja ochronników (ang. cascading, „kaskadowanie” lub layering, „warstwowanie”). IEEE określa to mianem „ochrony w głąb” (ang. protection in depth).
Skoordynowany układ ochronników przepięciowych zapewnia dodatkowe tłumienie dużych napięć przejściowych, które przedostają się z sieci energetycznej i rozdzielnicy licznikowej do instalacji obiektu, poprzez dalsze obniżenie wartości przepięcia. Tłumione są również częściej generowane wewnętrzne przebiegi przejściowe.
Poziom ochrony ogranicznika Up (ang. let-through voltage) to wartość napięcia pojawiającego się na ochronniku po stronie odbiornika (stronie obciążenia), gdy napięcie/prąd impulsowy o określonym kształcie fali i amplitudzie pojawia się w linii zasilającej na wejściu ochronnika (czyli jest to napięcie, do którego ochronnik ogranicza przepięcie). Parametr ten można wykorzystać do porównania zdolności różnych ochronników do obniżania wartości przepięć przy doborze urządzeń SPD dla sprzętu wymagającego ochrony przed przepięciami.
Norma IEEE 1100 zaleca stopniowanie ochronników przepięciowych – od rozdzielnicy licznikowej/głównej do rozdzielnic obwodowych i tablic rozdzielczych w instalacji obiektu, a nawet ochronę poszczególnych odbiorników o kluczowym znaczeniu. Im bliżej miejsca wprowadzenia zasilania do budynku, tym wyższe powinny być parametry ochronnika (prąd wyładowczy). Taka strategia ochrony przed przepięciami zapewnia ochronę obiektu oraz kluczowych odbiorników energii elektrycznej. Przy zalecaniu wartości znamionowej prądu In w kA na fazę stosuje się ogólną zasadę „3-2-1”: Rozdzielnica licznikowa/główna powinna posiadać ochronniki o prądzie In = 300 kA, rozdzielnice obwodowe 200 kA, natomiast końcowe tablice rozdzielcze 100 kA na fazę.
Rodzaje lokalizacji SPD
Wielkość rozdzielnicy (prąd znamionowy) nie odgrywa głównej roli przy wyborze wartości znamionowej prądu wyładowczego w kA. Znacznie ważniejsza jest tu lokalizacja rozdzielnicy w obiekcie. Norma UL1449 definiuje następujące typy ochronników przepięciowych ze względu na ich lokalizację w obiekcie:
Typ 1. Przeznaczone do stałego zainstalowania w rozdzielnicy licznikowej (skrzynce bezpiecznikowej, złączu kablowym, ang. service entrance). Mogą być podłączone nawet przed głównym odłącznikiem zasilania obiektu. Ochronniki typu 1 wg UL1449 mogą być zainstalowane w rozdzielnicy głównej budynku lub przy pierwszym odłączniku (w Polsce jest to typ 1 – 1. stopień ochrony – lub klasa B; przyp. tłum).
Typ 2. Przeznaczony do zainstalowania po stronie obciążenia w rozdzielnicach obwodowych instalacji obiektu (typ 2 – 2. stopień ochrony – lub klasa C).
Typ 3. Przeznaczony do zabezpieczania urządzeń określanych w normie jako „punkty wykorzystania” (ang. point of utilization; typ 3 – 3. stopień ochrony lub klasa D, montowany w gniazdkach lub puszkach instalacyjnych).
Typ 4. Przeznaczony do zainstalowania jako element większego zespołu. Nie jest zatwierdzony do wykorzystania jako samodzielnego urządzenia bez wykonania dodatkowej oceny bezpieczeństwa. Należy zachować ostrożność w przypadku otrzymania oferty na ochronnik typu 4, który ma być zainstalowany w szafie/skrzynce sterowniczej. Projektant takiej szafy/skrzynki będzie odpowiedzialny za uzyskanie certyfikatu bezpieczeństwa od strony trzeciej, w przeciwnym razie nie będzie ona objęta ochroną w przypadku katastrofalnej awarii.
Typ 5. Ochronnik, którego podstawowym elementem jest warystor z tlenku metalu (ang. metal oxide waristor – MOV), krzemowa dioda lawinowa lub lampa wyładowcza (neonówka). Te elementy na pewno nie mogą być bezpośrednio instalowane w obiekcie.
Zalecane wartości znamionowe ochronników przepięciowych
Wybór odpowiedniej wartości znamionowej przepięć dla ochronnika sprowadza się do dwóch kwestii:
- Lokalizacji ochronnika w instalacji elektrycznej obiektu.
- Położenia geograficznego obiektu.
Prąd wyładowczy In ochronnika według lokalizacji:
– Rozdzielnica licznikowa/główna: 300 kA/fazę
– Rozdzielnice pozostałe 200 kA/fazę
– Tablice rozdzielcze: 100 kA/fazę
Firma Emerson zaleca stosowanie powyższych wartości znamionowych prądu wyładowczego w zależności od umiejscowienia urządzeń SPD w instalacji elektrycznej obiektu, przy wykorzystaniu wspomnianej wcześniej praktycznej reguły „3, 2, 1”.
Większe, wywołujące poważniejsze uszkodzenia, udary prądowe występują głównie na przyłączu zasilania obiektu. W rzadkich przypadkach, gdy np. poziom narażenia na przepięcia jest „ekstremalny”, jak np. w stanie Floryda, rozsądne może być zwiększenie wartości znamionowych prądu udarowego. W takich przypadkach urządzenie SPD będzie częściej narażone na większe przepięcia. Przy prawidłowej wartości znamionowej prądu udarowego dla danego zastosowania ochronnik może być narażony na większą liczbę przepięć, zanim będzie wymagał wymiany na nowy.
Doświadczenie z produktami SPD pokazuje, że urządzenie o wartości znamionowej prądu udarowego pomiędzy 240 a 250 kA dla rozdzielnicy licznikowej/głównej lub kluczowego obciążenia zapewnia wiele lat pracy w miejscach o „wysokim i średnim” narażeniu na przepięcia.
Uwagi końcowe dotyczące doboru ochronników przepięciowych
Zadaniem urządzenia przeznaczonego do ochrony przed przepięciami jest odprowadzanie do ziemi i tłumienie napięć przejściowych, wprowadzanych do systemu dystrybucji energii elektrycznej ze źródła zewnętrznego lub wewnętrznego. Dobór właściwego urządzenia SPD o odpowiedniej wartości prądu udarowego w całym systemie dystrybucji energii elektrycznej zapewnia najdłuższą żywotność urządzeń elektrycznych podłączonych do tego systemu. Przy wyborze ochronnika przepięciowego należy pamiętać o następujących kluczowych kwestiach:
- Zapewnienie właściwej ochrony przepięciowej obiektu i jego wyposażenia wymaga więcej niż tylko jednego ochronnika, zainstalowanego w punkcie przyłączenia do sieci dostawcy energii. Zalecana jest koordynacja ochronników przepięciowych w postaci zainstalowania ochronników o odpowiedniej wartości znamionowej prądu udarowego dla każdej lokalizacji. Zapewnia to lepsze tłumienie przepięć dla rozdzielnic lub kluczowych odbiorników energii. Pojedynczy ochronnik przepięciowy, niezależnie od swoich parametrów i ceny, nie zapewni takiego samego poziomu ochrony instalacji.
- Przewymiarowanie ochronnika przepięciowego dla danego zastosowania nie może zaszkodzić systemowi, jednak niedowymiarowanie może spowodować jego przedwczesną awarię
- W przypadku bezpośrednich uderzeń pioruna same ochronniki przepięciowe nie zastępują kompleksowej ochrony odgromowej (patrz certyfikaty specjalistów od ochrony odgromowej UL96A, Master Lightning Certification).
Przestrzeganie wytycznych dotyczących doboru parametrów i rozmieszczenia ochronników przepięciowych w całym systemie dystrybucji energii elektrycznej eliminuje konieczność zgadywania oraz maksymalizuje tłumienie przepięć w każdym punkcie systemu. Należy pamiętać, że większe nie zawsze znaczy lepsze. Należy dobrać odpowiednie parametry ochronników do obciążenia i chronić kluczowe rozdzielnice i tablice rozdzielcze oraz podłączone odbiorniki energii, aby zapewnić maksymalny zwrot z inwestycji w ochronniki.
Mark Dziedzic jest starszym menedżerem ds. marketingu produktu w firmie SolaHD. Zajmuje się produktami związanymi z jakością energii elektrycznej. SolaHD jest częścią grupy Appleton firmy Emerson, zajmującej się automatyką i sterowaniem. Produkty elektrotechniczne marki Appleton można znaleźć w zakładach przemysłowych na całym świecie.
