Ograniczniki przepięć odgrywają istotną rolę w instalacjach elektrycznych. To właśnie dzięki nim zyskuje się ochronę przed przepięciami urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Przepięcia mogą powstać nie tylko z powodu wyładowań atmosferycznych, ale również w następstwie awarii sieci elektroenergetycznych.

W budowie typowego ogranicznika przepięć uwzględnia się specjalnie zaprojektowane elektrody w kształcie cylindra. To właśnie dzięki nim jest możliwe opanowanie prądów udarowych o znacznych wartościach. W ogranicznikach o konstrukcji trójelektrodowej jedna z elektrod wymusza przeskok iskry gdy napięcie na ograniczniku przekroczy wartość zapłonu. Iskra powoduje powstanie łuku elektrycznego między elektrodami głównymi co jest równoznaczne ze stanem zwarcia. Po odprowadzeniu prądu piorunowego przez ogranicznik przepływa jeszcze prąd zwarciowy, którego przepływ musi zostać przerwany przez ogranicznik lub jego dobezpieczenie

Rodzaje ograniczników przepięć

Przepięcia mogą powstać w efekcie załączania lub wyłączania nieobciążonej linii napowietrznej lub na skutek uderzenia pioruna w linię napowietrzną.

Ograniczniki przepięć, dawniej nazywane odgromnikami, to urządzenia zaprojektowane z myślą o ochronie aparatury elektrycznej przed przepięciami przejściowymi oraz ograniczaniu czasu trwania i wartości prądu następczego. Przepięcia mogą powstać w efekcie załączania lub wyłączania nieobciążonej linii napowietrznej lub na skutek uderzenia pioruna w linię napowietrzną. Ograniczniki typu 1 (dawnej klasy B) zapewniają ochronę instalacji elektrycznej oraz odbiorników, które są do niej podłączone, w przypadku bezpośredniego uderzenia pioruna w linię zasilającą lub w instalację odgromową budynku. Jeżeli zastosowano ogranicznik iskiernikowy, to prąd może przepływać wielokrotnie, nie powodując jego zniszczenia. Istotne jest, aby połączenia były wykonane przewodami o minimalnym przekroju, nie mniejszym niż 16 mm². Ogranicznik tego typu najczęściej montuje się na początku instalacji, która zasilana jest z sieci napowietrznej lub z linii kablowej. Miejscem tym może być złącze kablowe lub rozdzielnica główna nn. Ograniczniki te mają również za zadanie odprowadzenie do uziomu prądu piorunowego, powstałego po bezpośrednim uderzeniu pioruna w sieć zasilającą. Hybrydowe ograniczniki typu „1+2” (dawnej klasy B+C) zapewniają ochronę przed przepięciami atmosferycznymi, spowodowanymi uderzeniem pioruna w obiekty znajdujące się w sąsiedztwie linii napowietrznych lub bezpośrednio w linię nn, w dużej odległości od miejsca zainstalowania ograniczników. Ponadto tego typu ograniczniki stanowią zabezpieczanie przed przepięciami łączeniowymi. Ograniczniki przepięć typu 1 oraz typu „1+2” instaluje się przed licznikiem, chroniąc tym samym układ pomiarowy.

Interesujące rozwiązanie stanowią ograniczniki przepięć zaprojektowane z myślą o ochronie instalacji fotowoltaicznych.

Ograniczniki typu 2 (dawnej klasy C) chronią instalację elektryczną przed skutkami przepięć, powstałych w wyniku pośrednich wyładowań atmosferycznych lub procesów łączeniowych w sieci elektrycznej. Chodzi przede wszystkim o załączanie urządzeń elektrycznych, takich jak silniki, transformatory czy też spawarki. Ograniczniki te redukują również przepięcia, które występują w wyniku zadziałania zabezpieczeń instalacji. Do zabezpieczania urządzeń komputerowych i sprzętu audiowizualnego stosuje się ograniczniki typu 3 (dawnej klasy D), które chronią czułe odbiorniki przed przepięciami, zredukowanymi przez wcześniejszy stopień ochrony. Urządzenia te są również stosowane w przypadku nieustalonej odporności udarowej aparatury oraz kilkudziesięciometrowej odległości między czułym urządzeniem a ostatnim stopniem ochrony.

Ograniczniki przepięć dla przemysłu

Ograniczniki przepięć, które uwzględnia się w instalacjach przemysłowych cechuje przede wszystkim możliwość pracy na liniach sygnałów sterowania zgodnych ze standardami Fieldbus Foundation, HART®, Profibus DP, Profibus PA czy też Modbus. Na rynku są oferowane ograniczniki przeznaczone do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. Nabyć można modele ograniczników montowane bezpośrednio w miejsce dławika obiektowego urządzenia pomiarowego. W wersjach wkręcanych przewidziano możliwość równoległego podłączenia ochronnika umieszczonego w wolnym wejściu przewodów, dzięki czemu nie występuje dodatkowa rezystancja w obwodzie. Jeden moduł zabezpieczający jest w stanie zapewnić ochronę zarówno liniom sygnałowym, jak i dodatkowym liniom zasilającym. Szereg urządzeń oferuje się z myślą o ochronie wyłącznie linii sygnałowych. W szczególności chodzi o skuteczne zabezpieczanie w aspekcie wpływu napięć, które indukowane są na linie przesyłu informacji. Niektóre rozwiązania bazują na topologii obwodu składającej się z wielostopniowych zabezpieczeń zapewniających zarówno wspólną (wzdłużną) ochronę modułów od każdej linii do uziemienia ochronnego oraz ochronę różnicową (poprzeczną). Niejednokrotnie dla ochrony zgrubnej przewiduje się trójbiegunowy iskiernik gazowy, a ochronę dokładną zapewnia szybki krzemowy stopień. Istotną rolę odgrywa koordynacja pomiędzy tymi stopniami bez występowania miejsc nieczułych na napięcie lub prąd udarowy.

Co jeszcze?

Wybierając określony ogranicznik przepięć warto również zwrócić uwagę na akcesoria.

O odpowiednich ogranicznikach przepięć warto pamiętać w domowych i przemysłowych instalacjach monitoringu. Właściwie dobrane urządzenia zabezpieczające są szczególnie istotne w kontekście zagrożenia uszkodzeniem sprzętu elektronicznego, które może być spowodowane działaniem pola elektromagnetycznego wytworzonego przez bliskie uderzenie pioruna. Stąd też oferuje się chociażby ograniczniki przepięć sygnałów wideo linii symetrycznej. Typowe urządzenie tego typu cechuje napięcie ochrony (żyła/żyła) >2,4 V oraz napięcie ochrony doziemnej (żyła/uziom) o wartości 16,4 V. Czas zadziałania wynosi z kolei 15 ns. Maksymalna wartość impulsu prądu może osiągnąć 30 A. Interesujące rozwiązanie stanowią ograniczniki przepięć zaprojektowane z myślą o ochronie instalacji fotowoltaicznych. Za podstawę w tym zakresie można uznać kombinowane ograniczniki przepięć typu 1. Typowe urządzenie tego typu jest w stanie odprowadzić prąd piorunowy o wartości do 50 kA, poprzez ogranicznik iskiernikowy z możliwością przerwania łuku w obwodach stałoprądowych. W ramach ochrony instalacji fotowoltaicznych uwzględnić można modułowe ograniczniki przepięć typu 2 wykonane jako kompletne urządzenie przeznaczone do ochrony systemów fotowoltaicznych w układzie połączeń „Y” z trójstopniowym systemem zabezpieczeń. W rozwiązaniach tego typu niejednokrotnie przewiduje się wielofunkcyjny rozłącznik z rozdzieleniem gałęzi przeciążeniowej i zwarciowej wewnątrz modułu ochronnego.

Dobór ograniczników przepięć

Wybierając odpowiedni ogranicznik przepięć należy uwzględnić przynajmniej kilka parametrów. Przede wszystkim istotne pozostaje maksymalne napięcie stałej pracy zależne od napięcia obecnego pomiędzy przewodem fazowym i neutralnym. Nie bez znaczenia pozostaje układ sieci oraz wytrzymałość udarowa związana z udarami prądowymi, które pochodzą od wyładowań atmosferycznych. Przy wyborze zwraca się uwagę na kształt fali pierwszego prądu udarowego odpowiadający przebiegowi 10/350 μs zgodnie z zapisami normy PN-IEC 61312. Kluczową rolę odgrywa zdolność wyłączania zwarciowych prądów następczych o częstotliwości sieciowej. Wybierając określony ogranicznik przepięć warto również zwrócić uwagę na akcesoria. Stąd też przydatne mogą okazać się styki pomocnicze pozwalające na sygnalizowanie przepalenia wkładek ograniczników. Warto również zwrócić uwagę na przepusty łączeniowe, które ułatwiają łączenie i oszynowanie ograniczników przepięć. Oferowane są również mostki łączeniowe usprawniające montaż ograniczników.

Nowoczesne urządzenia zabezpieczające cechuje estetyczna obudowa.

Kontrola ograniczników przepięć

Nowoczesne ograniczniki przepięć znajdują zastosowanie zarówno w budownictwie mieszkaniowym, jak i przemysłowym.

Zaleca się aby ograniczniki przepięć poddawać okresowej kontroli przynajmniej raz w roku, natomiast dodatkowe sprawdzenie trzeba przeprowadzić po wystąpieniu wyładowania piorunowego w obiekt. W takim przypadku wykonywana jest ocena stanu ogranicznika, a w razie potrzeby wymienia się go na nowy. Interesujące rozwiązania stanowią systemy, dzięki którym jest możliwe szybkie sprawdzenie znacznej ilości ograniczników w bardzo krótkim czasie. Systemy tego typu często uwzględnia się w instalacjach przemysłowych, gdzie zastosowanie znajduje nawet kilkaset ograniczników przepięć. Urządzenia przeznaczone do przeprowadzania kontroli bazują na technologii RFID, stąd też chcąc uwzględnić możliwość szybkiego sprawdzenia należy również zastosować specjalne ograniczniki. Bezdotykowy i szybki test ogranicznika wykonuje się za pomocą przenośnego przyrządu pomiarowego. W urządzeniach tego typu istotną rolę odgrywa port USB, dzięki czemu można zarządzać bazą kontrolowanych zabezpieczeń. Oczywiście istnieje możliwość wydrukowania protokołów sprawdzenia. Przyrząd jest w stanie zapisać datę pomiaru w module ogranicznika. W rozbudowanych instalacjach można zastosować urządzenia do stałej kontroli ograniczników. O konieczności wymiany ogranicznika użytkownik jest informowany za pomocą sygnalizatorów optycznych. Do instalacji sygnalizującej konieczność wymiany ogranicznika użyć można również styku bezpotencjałowego.

Podsumowanie

Do konieczności ograniczania przepięć w instalacjach elektrycznych nie trzeba nikogo przekonywać. Przepięcia są szczególnie groźne dla urządzeń elektronicznych. Uszkodzenia obwodów elektronicznych, niewłaściwa praca układów sterujących, zatrzymania pracy urządzeń komputerowych, resetowanie pamięci urządzeń cyfrowych czy też błędy i zakłócenia w przesyle informacji to tylko najważniejsze skutki, jakie mogą wystąpić w efekcie wystąpienia przepięć. Przepięcia, które występują w sieciach elektroenergetycznych, mają różne źródło. Może być nim bowiem bezpośrednie oddziaływanie prądu piorunowego, wprowadzanego do instalacji elektrycznej na kilka sposobów. Prąd może pojawić się bowiem w efekcie bezpośredniego wyładowania w napowietrzną linię zasilającą niskiego napięcia, wyładowania w instalację odgromową lub wyładowania w instalacje uwzględnione na zewnątrz budynku. Instalacjami zewnętrznymi mogą być chociażby systemy monitoringu, klimatyzacyjne i oświetleniowe. Bardzo często przepięcia powstają w efekcie pośredniego oddziaływania prądu piorunowego. W takim przypadku do powstania przepięć przyczyniają się wyładowania atmosferyczne w obiekty, które znajdują się w sąsiedztwie chronionego budynku oraz w odległe linie zasilające nn. Zwraca się uwagę, że przepięcia mogą być indukowane przez wyładowania powstające nawet do 2 km od obiektu. Nie bez znaczenia pozostają również przepięcia komutacyjne. W szczególności chodzi o operacje łączeniowe podczas obsługi niektórych maszyn przemysłowych. Bez wątpienia źródło przepięć mogą stanowić urządzenia takie jak szybko nawrotne napędy elektryczne, silniki, piece indukcyjne i spawarki.

Damian Żabicki

Bibliografia
Materiały informacyjne firm:
„ „ABB - www.abb.pl,
„ Dehn Polska - www.dehn.pl,
„ Eaton Electric - www.moeller.pl,
„ Endress+Hauser Polska - www.pl.endress.com,
„ Fotton - www.fotton.eu,
„ Hager Polo - www.hager.pl,
„ Legrand Polska - www.legrand.pl,
„ Relpol - www.relpol.pl
„ Simet - www.simet.com.pl.