Koordynacja energetyczna między ograniczników przepięć Typu 1 i Typu 2 — 'reguła 10 metrów' i impedancja odsprzęgająca

Przewodnik o ochronie przeciwprzepięciowej (SPD, §443) omawia, kiedy SPD jest obowiązkowy oraz różnicę między Typem 1, 2 i 3. Ten artykuł omawia kolejne pytanie, istotne przy łączeniu kilku SPD w tej samej instalacji: dlaczego SPD Typu 1 (u źródła instalacji, przeznaczony do odprowadzania bezpośredniego prądu piorunowego) i SPD Typu 2 (dalej w rozdzielnicy, przeznaczony do ograniczania pozostałego napięcia do bezpiecznego poziomu) nie mogą być po prostu umieszczone obok siebie bez uwzględnienia ich wzajemnej koordynacji energetycznej.

Problem: oba SPD mogą zacząć przewodzić jednocześnie

SPD Typu 1 jest zaprojektowany do odprowadzania dużej części bezpośredniego lub pobliskiego prądu piorunowego (fala 10/350 µs), podczas gdy SPD Typu 2 dalej w instalacji musi ograniczyć pozostałe, szybsze przepięcia łączeniowe i indukowane (fala 8/20 µs) do poziomu bezpiecznego dla urządzeń. Te dwa SPD muszą więc działać kolejno: najpierw Typ 1 (który odprowadza największą energię), dopiero potem Typ 2 (który obsługuje pozostałą, mniejszą energię). Jeśli oba SPD są umieszczone zbyt blisko siebie — ze zbyt małą długością kabla, a więc zbyt małą indukcyjnością własną między nimi — mogą przewodzić niemal jednocześnie. SPD Typu 2 musi wtedy obsłużyć część energii, na którą nie jest dobrany, z ryzykiem przedwczesnego zużycia lub nawet destrukcyjnego uszkodzenia tego urządzenia.

'Reguła 10 metrów' jako praktyczna wskazówka

Kabel instalacyjny ma indukcyjność własną rzędu 1 µH na metr. Przy około 10 metrach długości kabla między SPD Typu 1 i Typu 2 daje to około 10 µH indukcyjności własnej — wystarczający spadek napięcia (przez L·di/dt) podczas stromego zbocza prądowego przepięcia, aby SPD Typu 1 zaczął przewodzić wcześniej niż Typ 2. Ta reguła praktyczna jest jednak informacyjna, pochodząca z wytycznych stosowania IEC 61643-12, a nie wymogiem normatywnym samym w sobie — rzeczywistym wymogiem jest koordynacja energetyczna między obydwoma SPD, którą można spełnić także w inny sposób.

Alternatywa: cewka odsprzęgająca

Jeśli 10 metrów kabla między obydwoma SPD nie jest osiągalne w praktyce (na przykład w kompaktowej rozdzielnicy), ten sam efekt można osiągnąć za pomocą osobnej cewki odsprzęgającej (decoupling inductor) o wartości zazwyczaj około 10-20 µH w połączeniu między obydwoma SPD. Przy zestawach SPD skoordynowanych fabrycznie — gdzie producent wyraźnie określa Typ 1 i Typ 2 jako skoordynowaną parę — może wystarczyć już znacznie mniejsza impedancja odsprzęgająca (rzędu około 1,5 µH), ponieważ producent wykazał już koordynację danymi z badań zamiast polegać na ogólnej regule praktycznej.

Najprostsze rozwiązanie: urządzenie kombinowane Typu 1+2

Fabrycznie skoordynowany kombinowany SPD (jedna obudowa zawierająca zarówno komponenty ochrony Typu 1, jak i Typu 2, wewnętrznie dopasowane do siebie) czyni zbędną zarówno regułę 10 metrów, jak i osobną cewkę odsprzęgającą: koordynacja energetyczna jest wtedy nieodłączną częścią konstrukcji samego urządzenia, zwalidowaną przez producenta.

Praktyczne znaczenie

Przy projektowaniu instalacji zarówno z SPD Typu 1, jak i Typu 2 (na przykład budynku z własnym systemem ochrony odgromowej, zob. przewodnik o odstępie izolacyjnym LPS) zawsze należy sprawdzić, czy spełniony jest wymóg koordynacji energetycznej — poprzez wystarczającą długość kabla, osobną cewkę odsprzęgającą lub urządzenie kombinowane. Pominięcie tego może spowodować przedwczesne uszkodzenie SPD Typu 2 podczas przepięcia, mimo pozornie prawidłowego doboru.

Najczęstsze błędy

1. Umieszczanie SPD Typu 1 i Typu 2 obok siebie w kompaktowej rozdzielnicy bez sprawdzenia koordynacji energetycznej — zbyt mała długość kabla bez cewki odsprzęgającej pozostawia nierozwiązane ryzyko koordynacji.
2. Traktowanie reguły 10 metrów jako twardego wymogu normatywnego zamiast praktycznej wskazówki — rzeczywistym wymogiem jest koordynacja energetyczna, którą można osiągnąć także przez cewkę odsprzęgającą lub urządzenie skoordynowane fabrycznie.
3. Stosowanie ogólnej cewki odsprzęgającej bez wykorzystania wartości podanej i przetestowanej przez producenta dla konkretnej pary SPD — koordynacja jest walidowana inaczej dla każdego producenta i kombinacji produktów.
4. Zakładanie, że każda kombinacja SPD Typu 1 i Typu 2 od różnych producentów jest automatycznie skoordynowana — musi to zostać wyraźnie wykazane (danymi z badań lub jednym z powyższych środków), a nie założone.

Powiązane

• Ochrona przeciwprzepięciowa (SPD) — §443
• Kategorie przepięć CAT I-IV (IEC 60664)
• Odstęp izolacyjny systemu ochrony odgromowej (IEC 62305-3)
• Przepięcie dorywcze wskutek zwarcia doziemnego w sieci wysokiego napięcia