W artykule zaprezentowano nową serię ograniczników przepięć firmy Leutron przeznaczonych do ochrony systemów zasilania niskim napięciem. Pokazano przykłady aparatów typu 1, 2, 3 oraz ograniczników kombinowanych typu 1 + 2.

Obecny rozwój technologiczny powoduje, że zakłócenia elektromagnetyczne stanowią zagrożenie dla coraz większej liczby urządzeń. Minimalizacja urządzeń elektronicznych i obecność mikroprocesorowych układów pomiarowych i sterowania skutkuje obniżeniem progu odporności tych urządzeń na zagrożenia od strony obwodów zasilania elektrycznego. Źródłem zagrożeń są wyładowania atmosferyczne oraz operacje łączeniowe w sieci energetycznej. Inwestorzy zaczynają w dostrzegać, iż bardziej opłacalne jest zainwestowanie w środki ochrony przed przepięciami niż ponoszenie znacznie wyższych kosztów związanych z naprawą uszkodzonych lub wymianą zniszczonych urządzeń.

Rys. 1. Koncepcja strefowej ochrony przed przepięciami

Do stosowania środków ochrony przed przepięciami zobowiązują ponadto zalecenia normatywne, według których układy SPD należy stosować jeżeli wynika to z:
• analizy ryzyka zagrożeń powodowanych doziemnymi wyładowaniami atmosferycznymi, przeprowadzonej według zaleceń normy PN-EN 62305-2: Ochrona odgromowa – Zarządzanie ryzykiem [2] lub
• wymagań normy PN-HD 60364-4-443: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych – Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi – Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi [5].
Szeroka gama produktów różnych producentów powoduje, że wybór SPD nie jest zadaniem łatwym. Należy przede wszystkim pamiętać, że przy projektowaniu skutecznej ochrony nie cena, a jakość i parametry techniczne powinny być podstawowym kryterium wyboru. Urządzenia do ograniczania przepięć stosowane w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia (do 1000 V) wewnątrz obiektów budowlanych zgodnie z wymaganiami normatywnymi PN-EN 61643-11 [6], powinny być poddane próbom klasy I, II lub III. Ze względu na różne charakterystyki ograniczników przepięć określane podczas prób udarowych wyróżnia się:
• ograniczniki typu 1,
• ograniczniki typu 2,
• ograniczniki typu 3,
• ograniczniki kombinowane np. typu 1 + 2.
Prawidłowy dobór SPD danego typu pozwala na zaprojektowanie skutecznego, wielostopniowego systemu ochrony przed przepięciami zgodnie ze strefową koncepcją ochrony (rys. 1) opisaną w aktualnych normach odgromowych serii PN-EN 62305 [1-4].

Rys. 2. Nowa seria ograniczników przepięć firmy Leutron

Nowe ograniczniki przepięć firmy Leutron

Nowa seria ograniczników przepięć firmy Leutron posiada wiele interesujących cech funkcjonalnych (rys. 2). Są to w pełni modułowe aparaty z wymiennymi wkładkami, które mogą być szybko wymienione w przypadku uszkodzenia bez konieczności odłączania napięcia w sieci. Wymienne moduły posiadają mechaniczny wskaźnik pozwalający na optyczną kontrolę sprawności ogranicznika. Moduły posiadają ponadto zabezpieczenie przed włożeniem do niewłaściwej podstawy oraz ergonomiczne przyciski do zwolnienia blokady zabezpieczającej przed nieumyślnym wyjęciem wkładki. Na życzenie ograniczniki mogą być wyposażone w zestyki sygnalizacyjne (oznaczenie FM) umożliwiające zdalną kontrolę stanu SPD, co gwarantuje szybką reakcję personelu w razie stwierdzenia stanu awaryjnego. Wszystkie ograniczniki typu 1 firmy Leutron posiadają podwójne zaciski umożliwiające podłączenie SPD w układzie typu V, który eliminuje dodatkowe spadki napięć na przewodach łączących.

Ograniczniki Typu 1  

Podstawowym elementem do ograniczania przepięć w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia są ograniczniki przepięć typu 1 (rys. 2), przeznaczone do stosowania zgodnie ze strefową koncepcją ochrony odgromowej na granicy stref LPZ 0A/1, np. w rozdzielnicy głównej jako pierwszy stopień ochrony przed przepięciami. Ich zadaniem jest ograniczenie przepięć o dużej energii i niedopuszczenie do wnikania przepięć i prądu pioruna do instalacji wewnątrz budynku. Źródła tych zagrożeń to m.in. częściowe prądy pioruna, które mogą pojawić się w przypadku bezpośredniego uderzenia w zewnętrzne linie energetyczne lub w przypadku uderzenia pioruna w obiekt wyposażony w instalację odgromową. Elementem ochronnym ograniczników jest iskiernik czyli element ucinający napięcie, na którego elektrodach, oddzielonych mieszaniną gazów szlachetnych, po nadejściu udaru napięciowego następuje przeskok iskrowy przechodzący w wyładowanie łukowe. Iskierniki badane są prądem udarowym Iimp, symulującym prąd piorunowy (określonym przez wartość szczytową Iimp, ładunek Q oraz energię W/R, np. udar o kształcie 10/350 µs).
Przykładem zaawansowanego technologicznie urządzenia typu 1 jest ogranicznik przepięć prądów piorunowych CT-T1/3+1-350-FM będący reprezentantem nowej serii ograniczników przepięć Leutron Power. Jest to aparat zbudowany na bazie hermetycznych iskierników wypełnionych gazem szlachetnym. Układy iskiernikowe mają szereg zalet, w porównaniu do warystorowych ograniczników przepięć. Charakteryzują się brakiem prądów upływu, nie ulegają procesom starzenia, a przede wszystkim są zdolne do odprowadzania prądów piorunowych o wartościach do 25 kA (na pole). Do innych zalet hermetycznych iskierników można zaliczyć brak wpływu czynników atmosferycznych, w tym ciśnienia i wilgotności powietrza na parametry znamionowe ogranicznika. Niezależnie od miejsca instalacji ograniczniki serii CT-T1 pracują niezawodnie, zapewniając wysoki poziom ochrony zabezpieczonym urządzeniom.
Ogranicznik CT-T1/3+1-350-FM przeznaczony jest do zastosowań w trójfazowych systemach zasilania TT i TN-S na granicach stref LPZ 0A/1. Ogranicznik charakteryzuje się bardzo dużą odpornością na prądy udarowe (I_imp = 100 kA / układ) i jednocześnie zapewnia niski napięciowy poziom ochrony U_p < 2,5 kV. Podwyższone napięcie trwałej pracy do 350 V zapewnia dłuższą żywotność i bezawaryjność w sieciach o dużej niestabilności parametrów napięciowych. Ogranicznik jest dostępny również w wykonaniu do zastosowania w 1-fazowych systemach zasilania TT i TN-S.

Rys. 3. Ogranicznik przepięć Typu 2: CT-T2/4+0-350-VA

Ograniczniki Typu 2  

Jako drugi stopień ochrony stosowane są ograniczniki typu 2, których zadaniem jest ochrona przed przepięciami indukowanymi oraz ograniczanie przepięć resztkowych za ogranicznikami typu 1. Aparaty przeznaczone są do stosowania wewnątrz stref LPZ 1 i wyższych oraz na granicach stref LPZ 0B/1 pod warunkiem, że wszelkie obwody zewnętrzne zawierają się w strefie ochronnej LPZ 0B. Do budowy ograniczników przepięć typu 2 najczęściej stosowane są warystory – elementy wykorzystujące półprzewodniki polikrystaliczne realizowane na bazie ZnO. Ograniczniki te badane są prądem udarowym o kształcie 8/20 µs symulującym prądy indukowane.
Do ochrony przed przepięciami w rozdzielnicach lokalnych wewnątrz budynków (rozdzielnice piętrowe, rozdzielnice pomieszczeń specjalnych) bardzo dobrym rozwiązaniem jest ogranicznik CT-T2/4+0-350-VA (rys. 3) przeznaczony do trójfazowych sieci TNS. Podobnie jak opisane wyżej ograniczniki typu 1 jest to dwuczęściowy ogranicznik z wymiennymi modułami. Dzięki zastosowaniu układów ochronnych zbudowanych z iskierników gazowych połączonych szeregowo z warystorami ogranicznik CT-T2/4+0-350-VA charakteryzuje się zwiększoną żywotnością w stosunku do typowych ograniczników warystorowych ze względu na brak prądu upływu. Znamionowy prąd wyładowczy ogranicznika wynosi I_n = 15 kA (I_max = 25 kA). Ogranicznik ten zapewnia napięciowy poziom ochrony U_p < 1,3 kV przy udarze 5 kA 8/20 µs (U_p < 1,7 kV przy I_n).

Rys. 4. Kombinowany ogranicznik przepięć typ 1 + 2: CT-T1+2/3+1-350-FM

Kombinowane ograniczniki Typ 1 + 2

W niektórych przypadkach zalecanym rozwiązaniem są kombinowane ograniczniki typu 1 + 2 charakteryzujące się właściwościami typowymi dla ograniczników typu 1 (I_imp = 100 kA/układ) oraz obniżonym napięciowym poziomem ochrony Up. Przykładem takiego ogranicznika jest urządzenie typu CT-T1+2/3+1-350-FM (rys. 4) o bardzo niskim poziomie ochrony U_p < 1 kV. Ograniczniki kombinowane typ 1 + 2 zalecane są do stosowania na granicach stref LPZ 0A/1 i wyższych w obiektach, w których znajdują się wrażliwe układy elektroniczne (systemy teleinformatyczne lub aparatura automatyki i kontrolno-pomiarowa). Są również dobrym rozwiązaniem w obiektach o niewielkich rozmiarach, w których mogą występować problemy z prawidłowym skoordynowaniem 1 i 2 stopnia ochrony ze względu na małe odległości pomiędzy nimi, mierzone wzdłuż żył kabla zasilającego. Ich zastosowanie eliminuje konieczność zapewniania tzw. odległości odprzęgających. Aparaty mogą samodzielnie zapewnić pełną ochronę. Do obiektów tego typu można zaliczyć między innymi: stacje bazowe GSM, kontenery telekomunikacyjne i inne, stacje ochrony katodowej, małe obiekty budowlane z jedną rozdzielnicą główną itp.

Rys. 5. Ograniczniki przepięć typ 3: CT-T3/Y1-230 (u góry) i CT-T3/Y3-230

Ograniczniki Typu 3  

Do bezpośredniego zabezpieczenia urządzeń elektrycznych przeznaczone są ograniczniki typu 3 stanowiące trzeci stopień ochrony. Zapewniają one ochronę urządzeń przed skutkami bezpośrednich, pobliskich i odległych wyładowań atmosferycznych (kilkaset metrów od obiektu) indukujących udary przepięciowe w wewnętrznych instalacjach obiektów budowlanych oraz przed przepięciami łączeniowymi powstającymi w instalacji elektrycznej wewnątrz obiektu budowlanego. Poddawane są próbom udarem kombinowanym: udar napięciowy obwodu otwartego 1,2/50 µs, udar prądowy obwodu zwartego 8/20 µs. Ich stosowanie jest szczególnie zalecane w przypadku znacznych długości tras kablowych pomiędzy drugim stopniem ochrony, a urządzeniem poddawanym ochronie.
Przykład takich ograniczników do ochrony urządzeń zasilanych z sieci jednofazowych (CT-T3/Y1-230) i trójfazowych (CT-T3/Y3-230) przedstawiono na rysunku 5. Ograniczniki te badane są udarem kombinowanym: 6 kV 1,2/50 µs – 3 kA 8/20 µs. Zapewniają napięciowy poziom ochrony U_p < 1,25 kV pomiędzy przewodami fazowymi i przewodem neutralnym (L-N) oraz U_p < 1,5 kV pomiędzy przewodami fazowymi lub neutralnym, a przewodem PE (L/N-PE).
Ograniczniki serii CT-T3/Y1 dostępne są w wersjach dla różnych napięć znamionowych z zakresu od U_N = 24 V do U_N = 230 V. Napięciowy poziom ochrony dostosowany jest do poziomu napięcia znamionowego i przykładowo dla ogranicznika CT-T3/Y1-24 o napięciu znamionowym U_N = 24 V wynosi U_p < 0,18 kV pomiędzy przewodem fazowym i neutralnym (L-N) oraz U_p < 0,63 kV w stosunku do przewodu ochronnego (L/N-PE).

Podsumowanie

Jedynie stosowanie ograniczników przepięć spełniających wymagania normatywne zapewnia skuteczne zabezpieczenie obiektu przed skutkami oddziaływania wyładowań atmosferycznych i przepięć łączeniowych. Ograniczniki przepięć powinny być zawsze instalowane w miejscach stosownych do ich przeznaczenia. Przy projektowaniu wielostopniowej ochrony przed przepięciami zawsze należy brać pod uwagę odpowiednią koordynację energetyczną ograniczników przepięć i chronionych urządzeń. Nowa seria ograniczników przepięć firmy Leutron przeznaczonych do ochrony systemów zasilania niskim napięciem łączy  funkcjonalność i bardzo dobre parametry techniczne. Kombinowane ograniczniki przepięć typu 1 + 2 są rozwiązaniem zapewniającym skuteczną i skoordynowaną ochronę.

dr inż. Mirosław Zielenkiewicz
dr inż. Tomasz Maksimowicz
Autorzy są pracownikami firmy RST