Zalety stosowania ochronników przepięć

Przepięcie jest zjawiskiem, do którego zazwyczaj nie przywiązuje się wielkiej wagi, dopóki nie wyrządzi gdzieś dużej szkody. Zabezpieczając się przed nim za pomocą odpowiednich środków, będzie można spać spokojniej. Skuteczny plan może mieć nawet wpływ na wyniki firmy. Faktycznie, jedno z zastosowań ochronnika przepięć przyniosło 80% rocznych wydatków na naprawę sprzętu poprzez wygładzanie udarów podczas operacji łączeniowych.

 Ograniczniki są zaprojektowane tak, aby zapobiegały uszkodzeniom, przebiciom i starzeniu się wyposażenia elektronicznego i elektrycznego, działając na takiej zasadzie, na jakiej pracują ciśnieniowe zawory bezpieczeństwa bocznikujące szkodliwe prądy udarowe do ziemi

Zagrożenia płynące z zewnątrz i zagrożenia wewnętrzne

Przepięcie jest czasowym i nieustalonym przebiegiem napięcia, charakteryzującym się wysoką amplitudą i występującym w jednej lub więcej fazach systemu. Wartość przepięcia może osiągać 20 000 V lub więcej. Pomimo tego, że trwa zaledwie dwie milisekundy lub mniej, to zniszczenia, które może spowodować, bywają znaczące i usuwanie ich może potrwać stosunkowo długo.

Przepięcia są zazwyczaj postrzegane jako zagrożenie przychodzące z zewnątrz. W czasie gdy wiele z nich wywołują źródła zewnętrzne (w większości wyładowania atmosferyczne, a także zwarcia linii energetycznych, załączanie dużych odbiorów i baterii kondensatorów), to realnie 80% powstaje wewnątrz zakładu.

Przepięcia wewnętrzne mogą w rzeczywistości być spowodowane załączaniem lub wyłączaniem odbiorów; przez rozruch i hamowanie silników, przez kserokopiarki, spawarki, oświetlenie fl uorescencyjne, a nawet przez regulatory światła.

Chwilowe przepięcia stanowią obecnie większe zagrożenie niż dotychczas. Niebezpieczeństwo ich powstawania nie leży tylko w obszarze linii energetycznych prądu zmiennego, ale także we wszystkich elementach przewodzących. Sieć komunikacyjna musi być także zabezpieczona przed przepięciami. Wszechobecność sprzętu elektronicznego wyposażonego w mikroprocesory jest dużym wyzwaniem dla dzisiejszych linii energetycznych. Mikroprocesory stają się coraz mniejsze, szybsze, bardziej czułe i wymagają energii bez zakłóceń. Aparaty bez elementów elektronicznych mogą pracować bez zakłóceń w środowisku, w którym występują małe i średnie przepięcia. Urządzenia takie jak silniki elektryczne, lampy żarowe i grzejniki elektryczne są mniej narażone na uszkodzenia spowodowane przez małe i średnie przepięcia.

Elementy elektroniczne, a w szczególności mikroprocesory, pracują na niskich poziomach napięcia i z tego powodu są bardziej podatne na przepięcia. Odbiorniki z wbudowanymi procesorami często występują w jednym obwodzie z aparatami generującymi przepięcia, takimi jak przełączalne źródła zasilania, tablice oświetleniowe i odbiorniki o charakterystyce nieliniowej.

Identyfikacja źródła przepięć

Z uwagi na to, że przepięcia powstają bardzo szybko – trwając od 50 nanosekund do 2 milisekund – nie mogą być więc wykryte przez większość konwencjonalnych aparatów pomiarowych, które można znaleźć w urządzeniach służących do dystrybucji energii lub za pomocą większości mierników prądu i napięcia. Urządzeniami zdolnymi do wykrycia szybkich przebiegów napięcia są mierniki laboratoryjne i oscyloskopy. Mogą one jednak kosztować dziesiątki tysięcy złotych i dlatego nie znajdują zastosowania.

Nie trzeba jednak wydawać dużo pieniędzy, aby zidentyfi – kować problem przepięć. Taką informację często uzyskujemy, obserwując znaki ostrzegawcze, które pokazują negatywny wpływ tego zjawiska na system elektryczny i urządzenia.

Takie znaki to np.:

• uszkodzenia aparatów,
• przebicia izolacji na elementach przewodzących,
• przedwczesne zużycie się wyposażenia elektronicz- nego i elektrycznego,
• przerwa w procesie,
• strata danych lub ograniczenie przesyłanych danych.

Nieustalone przebiegi napięcia mogą wpływać na sygnały logiczne w urządzeniach elektronicznych.

Zakłócenie takie może zostać uznane za sygnał dozwolony, co w rzeczywistości spowoduje wygenerowanie błędu w procesie i wyłączenie go na jakiś czas.

Niestety, wielu użytkowników postrzega takie wypadki jako nieuniknione koszty biznesowe lub normalne koszty utrzymania urządzeń. W rzeczywistości skutki przepięć można łatwo i niedrogo zredukować do dających się opanować przebiegów napięciowych, oszczędzając czas i pieniądze oraz zapobiegając utracie danych.

Rozwiązaniem są środki ochrony przeciwprzepięciowej, których podstawowym zadaniem jest zapobieganie uszkodzeniom i degradacji urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Ochronniki działają na takiej zasadzie, na jakiej działają ciśnieniowe zawory bezpieczeństwa, bocznikując szkodliwe prądy udarowe do ziemi. W większości ograniczników przepięć wykorzystuje się warystory metalowo- tlenkowe, zbudowane głównie z cząstek tlenków cynku w postaci jednolitego rdzenia do ograniczania udarów.

W normalnych warunkach pracy pod napięciem ochronnik jest praktycznie niewidoczny dla systemu elektrycznego. Może przepuszczać niewielki prąd rzędu kilku miliamperów do obwodów kontrolujących przepływ energii, ale poza tym nie wpływa na system dystrybucji energii elektrycznej. Kiedy z powodu nieustalonego przebiegu napięcia w sieci pojawia się wysoki jego poziom, wtedy do akcji wkracza ogranicznik, zmieniając swój stan w bardzo małą impedancję. Przy wysokim poziomie napięcia przejmuje on na siebie najbardziej szkodliwą część przebiegu, bocznikując dziesiątki tysięcy amperów do ziemi.

Podstawowym zadaniem środków ochrony przeciwprzepięciowej jest zapobieganie uszkodzeniom i degradacji urządzeń elektrycznych i elektronicznych.

Nowoczesne ograniczniki przepięć mogą wielokrotnie przyjmować udary napięciowe przez okres swojej pracy. Wiele ograniczników jest testowanych w laboratoriach wysokonapięciowych w warunkach przyspieszonego zużycia. Udowodniono, że potrafią znieść tysiące przepięć rzędu 20 kV, 10 kA. Jeśli ogranicznik został dobrany poprawnie do warunków w sieci, to jego żywotność może przekroczyć 30 lat. Ograniczniki są dostępne w wielu wykonaniach napięciowych i wymiarach, mając zdolność przenoszenia prądów udarowych rzędu kA.

Nie ma uniwersalnego ogranicznika do wszystkich zastosowań

Ogranicznik wysokiej jakości charakteryzuje się: długą żywotnością, szybkim czasem reakcji, odpornością na czynniki mechaniczne i stosunkowo niewysoką ceną. Może on zawierać dodatkowe wyposażenie, takie jak filtr zakłóceń wysokich częstotliwości, bezpiecznik (w sposób bezpieczny odłącza uszkodzoną warstwę ogranicznika w warunkach końca okresu żywotności), kontrola (pokazuje stan zużycia ogranicznika) i wyjścia sygnałowe (wysyła sygnał do systemu kontroli w razie uszkodzenia).

 Rys.1 Przepięcie jest czasowym i nieustalonym przebiegiem napięcia charakteryzującym się wysoką amplitudą i występującym w jednej lub więcej fazach systemu. Wartość przepięcia może osiągać 20 000 V lub więcej. Przepięcia są zazwyczaj postrzegane jako zagrożenie przychodzące z zewnątrz. W rzeczywistości 80% z nich powstaje wewnątrz organizacji. Źródłem przepięć mogą być kserokopiarki, spawarki łukowe, oświetlenie, a nawet operacje łączeniowe wyłączników

Ogranicznik odpowiedni do jednego zastosowania może nie być tak samo dobry w innej aplikacji. Aby właściwie łagodzić skutki przepięć, należy odszukać dostawcę, który, znając szczegóły możliwych skutków udaru, pomoże dobrać odpowiedni aparat. Przy takim postępowaniu oszczędności mogą być zadziwiające.

Poniżej znajduje się kilka przykładów, kiedy firmy działające w różnych dziedzinach przemysłu zyskały na zastosowaniu rozwiązań z ogranicznikami:

• Przedsiębiorstwo produkujące olej i gaz wydawało 700 dolarów miesięcznie na koszty serwisowania pięciu jednostek napędowych o zmiennej częstotliwości. Po zainstalowaniu ogranicznika firma zanotowała spadek tych kosztów o 80%.
• Projekt renowacji fabryki zajmującej się montażem samochodów wart 275 milionów dolarów był zagrożony. Płytki drukowane w zautomatyzowanych spawarkach przepalały się w tempie od czterech do ośmiu kart na jeden robot w ciągu jednego dnia. Koszty naprawy wahały się w okolicach 55 000 dolarów miesięcznie na jedną spawarkę. Po zainstalowaniu ograniczników nastąpił ogromny spadek uszkodzeń. Płytki drukowane przestały się przepalać, a praca spawarek była ciągła i bez zakłóceń.
• Firma zajmująca się uzdatnianiem wody miała problem z urządzeniami psującymi się z powodu przepięć. Przedsiębiorstwo zainstalowało ograniczniki w wielu punktach, tj. pompach, oprzyrządowaniu, liniach komunikacyjnych oraz tablicach rozdzielczych, obsługi i pulpitach operatorskich. Odkąd 4 lata temu zainstalowano system ograniczników, nie zanotowano już żadnych uszkodzeń urządzeń lub przestojów.
• Skomplikowane systemy komunikacyjne i systemy prowadzenia działań wojennych zainstalowane na statkach transportowych kosztowały amerykańską marynarkę wojenną ponad 100 roboczogodzin poświęconych na naprawę jednego systemu w ciągu roku oraz miliony dolarów na zakup części i elementów obwodów elektrycznych. Tylko w jednym systemie po zastosowaniu systemu ograniczników przepięć liczba roboczogodzin została zredukowana ze 124,8 do 4,8, a rozwiązanie zwróciło się w okresie krótszym niż 4 miesiące.

Zwróć się do sprawdzonego producenta

Kompletne rozwiązanie zabezpieczeń przed przepięciami zmniejsza liczbę uszkodzeń urządzeń elektrycznych i koszty utrzymania oraz wydłuża czas pracy aparatury i urzeczywistnia oszczędności kosztów operacyjnych. System ochrony przepięciowej może być zainstalowany dla kompleksowej ochrony przedsiębiorstwa – zaczynając od silników mocy poprzez skomplikowane systemy sterowania oświetleniem do sterowników opartych na czułych podzespołach elektronicznych.

Zabezpieczanie zaczyna się w polach zasilających i rozszerza się na obszary rozdziału energii, wyłączniki polowe, miejsca pracy, a nawet na pojedyncze urządzenia. Te rozwiązania cechuje to, że każde zastosowanie układu ograniczników napięcia uwzględnia wiele szczegółów, włączając czułość urządzeń, krytyczność zabezpieczanego procesu oraz lokalizację elementów przewodzących i urządzeń rozdzielczych. Rozwiązania ograniczników są dostępne dla różnych wartości prądów znamionowych, opcji filtrów i innych dodatków po to, aby spełniać wymagania poszczególnych aplikacji.

UR

Artykuł pod redakcją Marka Olszewika

Carey Mossup jest menedżerem linii produktowej systemów ograniczania przepięć w Eaton Electrical. Ma ponad 25-letnie doświadczenie w przemyśle elektrycznym.

Autor: Carey Mossop, Eaton Corp.