Ograniczniki przepięć stanowią urządzenia zaprojektowane do ochrony aparatury elektrycznej przed przejściowymi przepięciami, ograniczające czas trwania oraz częstotliwość prądu następczego.

Fot. 1. Ogranicznik przepięć DS-HF typu 3 (D) z filtrem wysokich częstotliwości
do 30 MHzFot. 1. Ogranicznik przepięć DS-HF typu 3 (D) z filtrem wysokich częstotliwości do 30 MHz

Nie ma wątpliwości co do tego, że na bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych składa się system ochrony przed przepięciami. Niejednokrotnie są one bowiem przyczyną zniszczeń urządzeń elektrycznych i automatyki w instalacjach przemysłowych. Przyczyn powstania przepięć jest wiele. Wystąpić mogą one na przykład podczas załączania lub wyłączania nieobciążonej linii napowietrznej. Przepięcie może być również konsekwencją uderzenia pioruna w linię napowietrzną.

Skutki przepięć mogą być wyjątkowo dotkliwe na obiektach przemysłowych. Przestoje linii produkcyjnych, uszkodzenia urządzeń sterujących, utrata surowców (na przykład w przemyśle spożywczym) to tylko niektóre z nich. Stąd też pole do popisu dla ograniczników przepięć, stanowiących urządzenia mające na celu zapewnienie ochrony aparatury elektrycznej przed przejściowymi przepięciami i ograniczanie czasu trwania oraz częstotliwości prądu następczego.

Fot. 2. Ogranicznik przepięć klasy B+C czteropolowy z iskiernikiem FOTTON OBV26 B+C/NPE.Fot. 2. Ogranicznik przepięć klasy B+C czteropolowy z iskiernikiem FOTTON OBV26 B+C/NPE.

Rodzaje ograniczników przepięć

Do zabezpieczania urządzeń komputerowych i sprzętu audiowizualnego stosuje się ograniczniki typu 3 (dawnej klasy D), które chronią czułe odbiorniki przed przepięciami, zredukowanymi przez wyższy stopień ochrony. Urządzenia te są również stosowane w przypadku nieustalonej odporności udarowej aparatury oraz kilkudziesięciometrowej odległości między czułym urządzeniem a ostatnim stopniem ochrony.

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.

Fot. 3. RPBC-50/280/4 - czteropolowy ogranicznik warystorowy typu 1+2+3, prąd szczytowy 12,5 kA (10/350 µs)/biegun.Fot. 3. RPBC-50/280/4 - czteropolowy ogranicznik warystorowy typu 1+2+3, prąd szczytowy 12,5 kA (10/350 µs)/biegun.

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.

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. Ograniczniki przepięć typu 1 znajdują zastosowanie w przypadkach gdy budynek wyposażono w instalację piorunochronną lub gdy budynek ma przyłącze z zewnętrzną linią napowietrzną i instalacją piorunochronną. Oprócz tego ograniczniki tego typu stosuje się w przypadku gdy do budynku jest doprowadzona zewnętrzna linia napowietrzna i brak instalacji piorunochronnej lub budynek jest zasilany linią kablową, a odległość między budynkiem i stacją trafo jest niewielka.

Fot. 4. RPBC-12.5/280/1 - jednopolowy ogranicznik warystorowy typu 1+2+3, prąd szczytowy 12,5 kA (10/350 µs).Fot. 4. RPBC-12.5/280/1 - jednopolowy ogranicznik warystorowy typu 1+2+3, prąd szczytowy 12,5 kA (10/350 µs).

Charakterystyki działania ograniczników

Ograniczniki przepięć stanowią nieodzowny element systemów ochrony kluczowych elementów sieci elektroenergetycznej w tym transformatorów i generatorów. Ze względu na charakterystyki działania dostępne są ograniczniki odcinające, ograniczające i kombinowane. Ograniczniki nazwane odcinającymi, mają za zadanie zapewnienie gwałtownego spadku oporu wewnętrznego a następnie szybkie przejście ze stanu nie przewodzenia do stanu przewodzenia. Rzecz jasna do zjawiska takiego dochodzi w momencie przekroczenia pewnej wartości napięcia. Pamiętać należy, że ważną zaletą takiego rozwiązania jest prosta budowa, bowiem konstrukcja ograniczników odcinających bazuje na iskierniku. Zyskuje się więc zdolność przewodzenia dużych prądów udarowych, brak przepływu prądu podczas normalnej pracy oraz niezawodność systemu. Mówi się, że takie rozwiązanie ma również swoje wady. Wymienia się więc w tym zakresie silny wpływ czynników środowiskowych, a także dużą wartość napięcia zadziałania. Do wad zalicza się także możliwość wystąpienia tzw. prądu następczego.

Fot. 5. Ogranicznik przepięć VPU Varitector PU.Fot. 5. Ogranicznik przepięć VPU Varitector PU.

Budowa ograniczników ograniczających bazuje na elemencie nieliniowym, który bardzo często wykonany jest w postaci warystora tlenkowego ZnO. Jako zalety takiego rozwiązania wymienia się przede wszystkim brak prądu następczego, a także możliwość precyzyjnego nastawienia napięcia zapłonu (tzw. zadziałania ochronnika). Zaletą niewątpliwie jest również stosunkowa nieduża wartość napięcia zapłonu, a także brak opóźnienia zapłonu ochronnika. Rozwiązanie to nie jest jednak bez wad. Mniejsza (w porównaniu z iskiernikiem) zdolność odprowadzania prądu piorunowego, przepływ prądu podczas normalnej pracy, a także znaczna pojemność wewnętrzna to podstawowe wady ograniczników ograniczających.

Fot.
6. DS44VG 4-polowy ogranicznik przepięć typu 2+3 (C+D)Fot. 6. DS44VG 4-polowy ogranicznik przepięć typu 2+3 (C+D)

Producenci oferują również ograniczniki kombinowane. Łączą one w sobie wymienione wcześniej rozwiązania. Połączenie może mieć formę szeregowego połączenia urządzeń tzw. ograniczniki zaworowe lub połączenia kaskadowego. W przypadku szeregowego połączenia ograniczników nie dochodzi do występowania przepływu prądu podczas normalnej pracy. Oprócz tego prąd następczy jest znacznie ograniczony. Podkreśla się jednak, że do wad takiego rozwiązania zaliczyć należy problemy z zapłonem iskiernika. Najczęściej uwzględnia się kilka stopni ochrony tym samym budując układy kolejno łączonych ograniczników z uwzględnieniem coraz niższych napięć. Pamiętać należy aby pomiędzy kolejnymi stopniami ochrony była zachowana pewna odległość.

Fot. 7. RP-DC ogranicznik przepięć dla linii zasilających DC, Maks. napięcie trwałej pracy 15 V DC, Maks. prąd wyładowczy 20kA, zawiera
czujnik termiczny, iskiernik gazowy oraz diodę lawinową TVSFot. 7. RP-DC ogranicznik przepięć dla linii zasilających DC, Maks. napięcie trwałej pracy 15 V DC, Maks. prąd wyładowczy 20kA, zawiera czujnik termiczny, iskiernik gazowy oraz diodę lawinową TVS

Z myślą o wymianie danych

O pewnych zasadach należy pamiętać podczas doboru ograniczników przepięć przeznaczonych do portów sygnałowych. Stąd też w pierwszej kolejności trzeba wziąć pod uwagę znamionowe i maksymalne warunki pracy urządzenia. Nie mniej ważny jest przy tym maksymalny prąd w liniach przesyłu, częstotliwość graniczna, a także rodzaj elementu lub układu ochronnego, który zastosowano bezpośrednio w urządzeniu. Podczas wyboru ogranicznika należy wziąć pod uwagę stopień zagrożenia udarowego urządzeń od strony wejść sygnałowych. Chodzi przede wszystkim o przeanalizowanie zagrożenia stwarzanego przez przepływ części piorunowego oraz zagrożenia pochodzące od wszelkiego rodzaju przepięć. Przy wyborze zwraca się uwagę na odporność portów sygnałowych na udary przepięciowo-prądowe, niepowtarzalne tłumienia przebiegów sinusoidalnych oraz powtarzalne szybkie elektryczne zakłócenia impulsowe. Kluczową rolę odgrywa przy tym układ przesyłu sygnałów. Ważny jest więc sposób przesyłu sygnałów (układy symetryczne lub niesymetryczne), impedancja falowa linii oraz dopuszczalne tłumienie linii przesyłowych. Oprócz tego analizując układ przesyłu sygnałów bierze się pod uwagę dopuszczalną impedancję jaką można wstawić w tor sygnałowy oraz rodzaj złącz stosowanych w systemie. Na podstawie uzyskanych w ten sposób danych określa się wymagane właściwości ochronne ograniczników przepięć.

Fot. 8. Czteropolowy ogranicznik przepięć DUT250VG typu 1+2+3 do 100 kA prądu udarowego
10/350 µµs. Jest to jeden z najmniejszych/najwęższych ograniczników na taki prąd na świecieFot. 8. Czteropolowy ogranicznik przepięć DUT250VG typu 1+2+3 do 100 kA prądu udarowego 10/350 µµs. Jest to jeden z najmniejszych/najwęższych ograniczników na taki prąd na świecie

Przy montażu

Instalując ograniczniki przepięć należy zwrócić uwagę przede wszystkim na dokładny montaż przewodów. Jest to szczególnie istotne w aspekcie dużych prądów, jakie mogą płynąć podczas wyładowań atmosferycznych. Ważne jest przy tym aby uwzględnić możliwie najkrótsze przewody łączeniowe. Fot. 9. Ogranicznik przepięć klasy B+C trójpolowy do systemów fotowoltaicznych FOTTON OBV26 PV. Fot. 8. Czteropolowy ogranicznik przepięć DUT250VG typu 1+2+3 do 100 kA prądu udarowego 10/350 µµs. Jest to jeden z najmniejszych/najwęższych ograniczników na taki prąd na świecie Fot. 7. RP-DC ogranicznik przepięć dla linii zasilających DC, Maks. napięcie trwałej pracy 15 V DC, Maks. prąd wyładowczy 20kA, zawiera czujnik termiczny, iskiernik gazowy oraz diodę lawinową TVS Fot.: Fotton Fot.: Jean Müller Fot.: Relpol Fachowy Elektryk 33 PORADY - - - Untitled-1 12013-06-04 14:06:00 REKLAMA Konieczność ta wynika z indukcyjności przewodów, na której podczas odprowadzania impulsów do ziemi odkładają się dodatkowe napięcia. Dzięki możliwie najkrótszym przewodom zmniejszone jest ryzyko wystąpienia wysokich napięć dodatkowych.

Fot. 9. Ogranicznik przepięć klasy B+C trójpolowy do systemów fotowoltaicznych
FOTTON OBV26 PV.Fot. 9. Ogranicznik przepięć klasy B+C trójpolowy do systemów fotowoltaicznych FOTTON OBV26 PV.

Pamiętać należy, że w odniesieniu do pozostałej aparatury zabezpieczającej ograniczniki klasy B, B+C oraz C należy instalować przed wyłącznikami różnicowoprądowymi od strony zasilania oraz za głównymi zabezpieczeniami nadmiarowo-prądowymi.

Tym sposobem zyskuje się wyeliminowanie wyzwalania prawidłowo działającego wyłącznika różnicowoprądowego przy zadziałaniu ogranicznika. Oprócz tego wyłączniki różnicowoprądowe mają zapewnioną ochronę przed udarem prądowym w momencie powstania przepięcia. Odporność udarowa typowych wyłączników różnicowoprądowych jest mniejsza od odporności ograniczników przepięć i wynosi 250 A.

Fot. 10. RPC-160/280/3N - wielobiegunowy ogranicznik warystorowo-
iskiernikowy, Imax = 40 kA (8/20 µs)/biegun, zawiera trzy ograniczniki RPC-40/280/1 i ogranicznik iskiernikowy
RPC-N-PE.Fot. 10. RPC-160/280/3N - wielobiegunowy ogranicznik warystorowo- iskiernikowy, Imax = 40 kA (8/20 µs)/biegun, zawiera trzy ograniczniki RPC-40/280/1 i ogranicznik iskiernikowy RPC-N-PE.

W ramach podsumowania warto przypomnieć, że ograniczniki przepięć typu 1 (klasy B) mają za zadanie zapewnienie ochrony przed bezpośrednim i bliskim uderzeniem pioruna. Z kolei ograniczniki przepięć typu 2 (klasy C) zabezpieczają większość odbiorników elektrycznych przed przepięciami komutacyjnymi i przepięciami zredukowanymi przez ograniczniki przepięć typu 1. Ograniczniki przepięć typu 3 (klasy D) dodatkowo zabezpieczają szczególnie czułe i kosztowne urządzenia elektryczne i elektroniczne. Zestawy ograniczników przepięć typu 1+2 (klasy B+C) montowane w jednej rozdzielnicy oferowane są w dwu wersjach: do domów jednorodzinnych i obiektów przemysłowych.

Damian Żabicki

Bibliografia

Materiały informacyjne firmy Dehn Polska,
Materiały informacyjne firmy Legrand Polska,
Materiały Hager Polo,
Materiały informacyjne firmy Relpol,
Materiały informacyjne firmy Simet,
Materiały informacyjne firmy ABB,
Materiały firmy CENTROPOL - właściciela marki FOTTON,
Materiały informacyjne firmy Eaton Electric,
Materiały informacyjne firmy Endress+Hauser Polska.