Ograniczniki przepięć w instalacjach elektrycznych i elektronicznych zdecydowanie poprawiają niezawodność chronionego sprzętu. Aby być pewnym, czy funkcje ochronne są zachowane, powinny być prowadzone regularne badania ich parametrów technicznych. Sprawdzenie może być dokonane wewnętrznie w ograniczniku albo zewnętrznie, przy użyciu aparatury do testowania. Norma PN-EN 62305-3 zawiera informacje o wymaganiach dotyczących częstości badania instalacji piorunochronnej wraz z zainstalowanymi w niej ogranicznikami Typ 1 lub Typ1+Typ2.

Ograniczniki przepięć (ang. SPD – Surge Protective Device) są coraz częściej używane w instalacjach i systemach elektrycznych oraz elektronicznych. W określonym przedziale wartości ich parametrów technicznych, urządzenia te potrafią wielokrotnie odprowadzać prądy o wielkich energiach, bezpiecznie utrzymując w tym czasie przepięcia na dopuszczalnym poziomie. Częste zadziałania tych urządzeń jak i przepływające przez nie energie z pogranicza ich możliwości prowadzą jednak prędzej czy później do zmiany ich parametrów. Dla potwierdzenia przydatności, ograniczniki przepięć powinny być regularnie sprawdzane, zwłaszcza po wielokrotnych przeciążeniach.

Rys. 1. Nadzór nad nagrzewaniem się warystora:
1 – styki sygnalizacji zdalnej mechanicznie sterowane zabezpieczeniem termicznym,
2 – zarys podstawy wraz z zarysem wkładki ogranicznika: warystor z zabezpieczeniem termicznym

Parametry wyjściowe aparatów nie są stałe. Każdy z nich może się zmieniać w ramach tolerancji bez wskazania, że ogranicznik przepięć został przeciążony. Dla przykładu, dla obiektów chronionych w klasie I norma PN-EN 62305 tabela E.7 zaleca pełne sprawdzenie elementów instalacji co dwa lata. Dalej E.7.3.2 informuje o tym, że procedura konserwacji powinna zawierać postanowienia dotyczące sprawdzania SPD. Obiekty chronione w kasie I to te, które powinny posiadać najwyższą odporność na zjawiska zewnętrzne, co przekłada się na zdecydowanie dłuższy czas bezawaryjnej pracy.

Rys. 2. Checkmaster – urządzenie do badania ograniczników przepięć

Częstotliwość badań

Wielu użytkowników pyta producentów, jak często powinny być testowane zainstalowane ograniczniki przepięć. Jednak trudno jest udzielić precyzyjnej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ zbyt wiele czynników należy wziąć pod uwagę – np. specyfikę zastosowanego zabezpieczenia, dodatkowe szczególne okoliczności, międzynarodowe i krajowe normy, wewnętrzne normy krajowe oraz doświadczenie własne dostawcy. W przypadku ochrony odgromowej (LPS) system musi być badany zgodnie z ustalonymi zasadami według normy PN-EN 62305.
Definicja 3.40 PN-EN 62305-1 tej normy określa LPS jako kompletne urządzenie zastosowane do redukcji szkód struktury i jej zawartości przed skutkami wyładowań piorunowych. Zwykle składa się ono z zewnętrznego i wewnętrznego układu ochrony przed wyładowaniem.

Rys. 3. Budowa wczesnego odgromnika iskiernikowego o wymuszonym zapłonie

Jednym ze szczególnych zadań w przypadku zastosowania wewnętrznej ochrony przed wyładowaniem jest ograniczenie skutków elektromagnetycznych przepływu prądu w chronionej instalacji. Zgodnie z E.7.2.1 normy PN-EN 62305-3 badanie powinno zapewniać, aby wszystkie elementy systemu ochrony odgromowej (LPS) były w dobrej kondycji technicznej. Innymi słowy: celem sprawdzania jest upewnienie się, czy LPS odpowiada pod każdym względem niniejszej normie. W punkcie E.6.2.5 PN-EN 62305-3 stwierdza się, że SPD są konieczne, jeżeli spodziewane przepięcia przekraczają wytrzymałość linii i przyłączonych urządzeń.
W zależności od typu konstrukcji badanie powinno być przeprowadzane na stałych zasadach. Musi mieć też miejsce zawsze po wyładowaniu w obiekt. Wspomniana norma PN-EN 62305-3 określa bardziej konkretne warunki badania ograniczników zastosowanych w systemie ochrony odgromowej. Zgodnie z nią, badanie systemu ochrony odgromowej oraz systemu ochrony obwodów sygnałowych powinno dać odpowiedź, czy zastosowane elementy są zdolne do wypełniania swoich zadań, w tym przeprowadzenia niezbędnych badań. Częstotliwość regularnych badań powinna być określona w zależności od lokalnych warunków środowiskowych oraz zgodnie z zastosowaną metodą ochrony.
Prócz regulacji obowiązujących w Polsce, więcej informacji na ten temat można znaleźć w dokumentach Niemieckiego Komitetu Badań nad Wyładowaniami i Ochroną Odgromową (VDE/ABB). Instytucja ta opracowała dokument dotyczący koordynacji ochrony odgromowej i ochrony przed przepięciami. W opracowaniu zamieszczono przegląd niezbędnych testów oraz sposób ich dokumentowania.
Wizualne sprawdzenie stanu aparatury powinno m.in. określić, czy są widoczne jakiekolwiek ślady uszkodzenia (lub podejrzenia zmiany parametrów), tak na ograniczniku, jak i na ewentualnym chroniącym go bezpieczniku.

Rys. 4. Zespół FLT-CP-3S-350 potwierdzony ogranicznik Typ1+Typ2 do pięcioprzewodowych układów sieci

Badanie stanu ograniczników w obwodach zasilania

Wszystkie ograniczniki są przeznaczone do przejęcia znacznych obciążeń prądowych. Odgromniki Typ1 (dawne B) zamontowane w złączu kablowym rozdzielnicy głównej budynku lub w instalacji wewnątrz obiektu są szczególnie narażone na działanie zewnętrznych wyładowań piorunowych, ponieważ są podłączone do instalacji ochrony odgromowej poprzez główną szynę wyrównania potencjałów. W tym miejscu najlepiej sprawdzają się konstrukcje iskiernikowe. Ograniczniki drugiego stopnia Typ2 (warystory) również są narażone na działanie pełnej energii wyładowania aż do chwili, gdy odgromnik odprowadzi energię pioruna zgodnie z koordynacją energetyczną ograniczników.

Metody sprawdzenia stanu ogranicznika

Dzięki właściwościom temperaturowym ograniczników warystorowych od dawna istniała możliwość kontroli ich stanu. Jest to metoda podstawowa, podobnie jak zdalna kontrola statusu, przez styki bezpotencjałowe. Na rys. 1 pokazano schemat wewnętrzny takiej przykładowej instalacji monitorującej. Ten rodzaj informacji jest często w zupełności wystarczający.

Badanie urządzeniem testującym
W instalacjach szczególnie ważnych informacja może być bardziej szczegółowa, poprzez badanie warystora prądem o wartości 1 mA zewnętrznym urządzeniem testującym. Dzięki temu możliwe jest również uchwycenie kierunku zmian w ograniczniku. Przykładem takiego urządzenia testującego (rys. 2) jest Checkmaster firmy Phoenix Contact. Oprócz źródła prądu i generatora wysokiego napięcia aparat przechowuje informacje z badań i może być obsługiwany przez osoby niemające szczególnej wiedzy specjalistycznej.

Rys. 5. Zespół FLT-CP-Plus-3S-350, czteropolowy ogranicznik Typ 1 ze zdolnością odprowadzania prądu pioruna do 100 kA (10/350 µs). Wszystkie elementy ograniczające są wtykane do gniazd podstawy, co jest szczególnie korzystne podczas eksploatacji

Sygnalizacja zdalna
Wprowadzenie aktywnego nadzoru nad energią (AEC) w ogranicznikach w 1998 r. spowodowało, że po raz pierwszy było możliwe uzyskanie informacji, czy ogranicznik Typ1 jest sprawny. W tego typu konstrukcjach utracona funkcja zapłonu wywoływała zanik świecenia zielonej diody LED. Nie było jednak możliwości zdalnego wskazywania jej statusu. Układ wyzwalający zapłon i wskaźnik są widoczne na rys. 3. Obecne odgromniki nowej generacji, dzięki którym jest możliwe zbudowanie rzeczywistego (i potwierdzonego) zestawu Typ1+Typ2 w jednym module (rys. 4), umożliwiają zdalną sygnalizację statusu ograniczników Typ1. Urządzenia te mają również wbudowany wskaźnik statusu. Oznacza to, że wszystkie ograniczniki, zarówno w rozdzielnicach głównych, podrozdzielniach, szafach zasilających oraz w innych instalacjach i systemach zasilających mogą być nadzorowane zdalnie w sposób ciągły, np. poprzez przekaźnik SMS.

Rys. 6. Budowa mechanicznego wskaźnika sprawności

Mechaniczny wskaźnik statusu
Zasada pracy mechanicznego wskaźnika statusu opiera się na specyficznym pomyśle (rys. 6), gdzie w układzie zapłonowym znajduje się iskiernik gazowany i warystor. Cały układ nie wymaga zewnętrznego zasilania i umożliwia zastosowanie odgromników lub zespołu Typ1 wraz z Typ2 w wersji VF nawet przed licznikiem energii na wejściu, ponieważ praktycznie nie pobiera energii.

Rys. 7. Ogranicznik Typu 3 Plugtrab PT

Ograniczniki Typ3
Ograniczniki zaprojektowane do odprowadzania energii przepięć przed końcowymi urządzeniami elektronicznymi dostępne są w różnych wersjach. Produkowane są zarówno gniazda wtykowe z wewnętrznym ogranicznikiem, jak i ograniczniki montowane na szynie, które spełniają warunki dla Typ3 (rys. 7). Są one projektowane i testowane zgodnie z normą PN-IEC 61643-1. Posiadają nie tylko standardowe, wewnętrzne elementy nadzorujące. Aparaty o konstrukcji podstawka+wkładka mogą być również testowane urządzeniem Checkmaster, tak aby usterka mogła być wykryta wcześniej. Ograniczniki Typ3 z (opcjonalną) zdalną sygnalizacją również są dostępne na rynku.

Badanie sprawności ograniczników w systemach transmisji danych

Zastosowanie ograniczników do ochrony obwodów transmisji danych jest wymagane przez PN-EN 62305-4 w punkcie 7. o skoordynowanym układzie ograniczników. W regulacji zapisano, że ochrona urządzeń wewnętrznych przed udarami może wymagać systematycznego podejścia składającego się ze skoordynowanych SPD zarówno dla obwodów zasilania jak i obwodów sygnałowych. Parametry ograniczników przepięć dla systemów transmisji danych są opisane w PN-IEC 61643-21. Nie zawsze jest możliwe monitorowanie tych ograniczników w sposób ciągły, kiedy pracują w systemie transmisji danych. Powodem może być brak wystarczającej do sygnalizacji ich uszkodzenia energii, a i zasilanie zewnętrzne nie może być użyte z powodów technicznych. Jeśli ograniczniki nie zapewniają bezprzerwowego wyjmowania, utrzymywanie specjalnych cykli przerw testowych może być bardzo kosztowne, często też oznacza zatrzymanie pracy całego systemu. Dlatego aparaty od początku konstrukcyjnie muszą być do tego przygotowane.
Stosowane w ogranicznikach elementy nieliniowe typu fail-safe-short (pośredni efekt: wskaźnik błędu poprzez zwarcie) przekazują szybką informację jako wskaźniki ich statusu. Innymi słowy, uszkodzony ogranicznik transmisji danych wyrównuje potencjały z obwodem ochronnym, a w efekcie otrzymuje się brak sygnału użytecznego. Wcześniej, przed zastosowaniem ograniczników do transmisji danych należy określić, czy zwarcie w obwodzie nie wywoła niedopuszczalnych stanów nieustalonych w obwodach chronionych.

Rys. 8. Ograniczniki do systemów transmisji danych Plugtrab PT

Praktyczne rozwiązanie stosowane do strategicznych aplikacji to np. bezprzerwowo wtykane ograniczniki z rodziny Plugtrab (rys. 8), które mogą być badane urządzeniem zewnętrznym, jak wspomniany Checkmaster. W przypadku konstrukcji ograniczników Plugtrab istotne jest, że transmisja sygnału przebiega bez zakłóceń niezależnie od tego, czy wkładka jest, czy jej nie ma w podstawce.
Nowością w tej grupie jest nowa gałąź ograniczników Plugtrab PT-IQ (rys. 9). Ograniczniki te dzięki swej konstrukcji umożliwiają trójstopniowe monitorowanie statusu. Odbywa się to przy pomocy systemu określającego stan elementów wewnętrznych zasilanego z zewnątrz. System optycznie, trzema kolorami, określa status oraz, przy pomocy dwóch styków, umożliwia komunikację zdalną. Jest to szczególnie ważne w przypadku obiektów bezobsługowych i trudnodostępnych.

Rys. 9. Inteligentny ogranicznik Plugtrab PT-IQ z trójstanowym wskaźnikiem statusu

Dokumentowanie badań ograniczników i pracy obsługi

Zgodnie z PN-EN 62305-4 rezultaty badań elementów instalacji powinny być dokumentowane, np. pisemnie albo gromadzone w komputerze. Przechowywanie w komputerze jest korzystne, ponieważ można wykonywać szybkie porównania wyników z wcześniejszymi badaniami. Dzięki temu łatwo też można dostrzec zmiany parametrów ograniczników lub miejsca szczególnie narażone. Przy użyciu urządzenia Checkmaster protokół z badań jest tworzony automatycznie. Wyniki mogą być drukowane lub przetwarzane później. Jeśli jest wskazywane uszkodzenie lub wyniki badań sugerują, że ogranicznik nie może dłużej skutecznie pracować, powinien być on natychmiast wymieniony na pełnosprawny.

Podsumowanie

W przypadku pełnego systemu ochrony odgromowej ograniczniki muszą być badane w stałych odstępach czasu. Częstotliwość badań jest określona w obowiązujących normach lub przez użytkownika systemu ochrony. Jest to szczególnie ważne w strategicznych obiektach, gdzie przypadkowe przerwy lub awarie są niedopuszczalne. Współczesne ograniczniki przepięć stosowane w układach zasilania zgodnie z wymaganiem norm powinny posiadać cechę samomonitorowania. Często jest to jednak tylko wskaźnik dwustanowy. Możliwa więc jest sytuacja, gdy ogranicznik ze statusem „dobry” pracuje już na granicy swoich parametrów i kolejne silne przepięcie czy wyładowanie zniszczy go kompletnie. Stosowanie osobnego urządzenia do badań daje wartościową informację, zapewniającą szybkie określenie stanu technicznego aparatów przed uszkodzeniem.
Komplementarną ofertę pod względem ochrony i monitoringu tworzą ograniczniki przepięć o konstrukcji podstawka + wkładka firmy Phoenix Contact, włącznie z urządzeniem testującym Checkmaster. W przypadku najnowszych ograniczników do transmisji danych z trójstopniową sygnalizacją statusu, można sprawnie wyprzedzająco wymienić ogranicznik, gdy tylko jego stan świadczy o kończeniu się zdolności ochronnych. W tym przypadku jednak raport z okresowego sprawdzenia trzeba wykonać własnoręcznie.

mgr inż. Mieczysław Ludwików
Autor jest pracownikiem
firmy Phoenix Contact

Literatura
[1] PN-EN 61643-11: Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć – Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia – Wymagania i próby;
[2] PN-EN 62305-3: Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia;
[3] PN-EN 62305-4: Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach;
[4] PN-EN 61643-11: Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć – Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia – Wymagania i próby;
[5] Katalog Trabtech 2011/2012
 ochrona przed przepięciami firmy Phoenix Contact;
[6] www.phoenixcontact.pl