Ograniczniki przepięć SN z tlenków metali (IEC 60099-4) — napięcie ciągłej pracy, napięcie resztkowe i margines ochrony

Przewodnik o SPD opisuje ograniczniki przepięć wewnątrz niskonapięciowej instalacji budynku. Ten artykuł opisuje odpowiednik dla średniego napięcia: ogranicznik przepięć z tlenków metali (MOSA), znormalizowany w IEC 60099-4 ("Surge arresters — Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems"), stosowany do ochrony transformatorów, rozdzielnic i głowic kablowych przed przepięciami piorunowymi i łączeniowymi w sieciach SN.

Bezszczelinowy tlenek metali, nie stary ogranicznik iskiernikowy

Starsze ograniczniki łączyły blok rezystora z węglika krzemu (SiC) z szeregowym iskiernikiem: iskiernik musiał najpierw ulec przebiciu, zanim rezystor mógł przewodzić prąd, co powodowało opóźnienie reakcji i starzejące się styki iskiernika jako dodatkowy mechanizm awarii. Nowoczesny MOSA nie ma iskiernika szeregowego — bloki warystorowe z tlenku cynku (ZnO) przewodzą silnie nieliniowy prąd bezpośrednio, gdy tylko napięcie na nich wzrasta, i wracają do stanu niemal izolacyjnego, gdy tylko przepięcie zanika. To bezszczelinowe, całkowicie półprzewodnikowe zachowanie sprawia, że czas reakcji jest praktycznie natychmiastowy i eliminuje mechanizmy starzenia związane z iskiernikiem.

Napięcie ciągłej pracy (Uc) a napięcie znamionowe (Ur)

Dwa parametry napięcia definiują ogranicznik, a ich pomylenie prowadzi do niewłaściwego doboru:

• Napięcie ciągłej pracy (Uc) — napięcie skuteczne, które ogranicznik może wytrzymać w nieskończoność w normalnych warunkach sieciowych. Należy je dobrać na poziomie lub powyżej maksymalnego ciągłego napięcia faza-ziemia, jakiego ogranicznik faktycznie doświadczy, uwzględniając normalne wahania napięcia sieci.
• Napięcie znamionowe (Ur) — napięcie skuteczne o częstotliwości sieciowej, które ogranicznik jest zaprojektowany wytrzymać przez określony krótki czas (zwykle 10 sekund) podczas testu przepięcia tymczasowego (TOV). Ur jest zawsze wyższe od Uc i jest wartością używaną do klasyfikacji i zamawiania, ale nie jest napięciem, jakie ogranicznik ma przenosić w sposób ciągły.

Napięcie resztkowe — rzeczywisty poziom ochrony

Parametrem decydującym o tym, jak dobrze ogranicznik chroni urządzenia za nim, jest napięcie resztkowe (Ures): napięcie pojawiające się na zaciskach ogranicznika podczas rozładowania określonego prądu udarowego (zwykle fala 8/20 µs przy znamionowym prądzie wyładowczym In, np. 10 kA dla typowego ogranicznika dystrybucyjnego SN). Niższe napięcie resztkowe przy danym prądzie wyładowczym oznacza mniejsze naprężenie napięciowe docierające do chronionego urządzenia — ale niższe napięcie resztkowe zazwyczaj oznacza także mniejszy margines dla innych ograniczeń projektowych, więc dobór ogranicznika zawsze jest decyzją skoordynowaną, a nie po prostu "wybierz najniższe dostępne Ures."

Klasa wyładowania linii — zdolność pochłaniania energii

IEC 60099-4 klasyfikuje ograniczniki na klasy wyładowania linii od 1 do 5, które opisują zdolność ogranicznika do pochłaniania energii wyładowania przepięcia łączeniowego bez uszkodzeń — wyższa klasa oznacza wyższą zdolność pochłaniania energii, istotną głównie dla ograniczników stosowanych na dłuższych liniach przesyłowych lub w miejscach narażonych na znaczną energię przepięć łączeniowych, a nie dla typowego krótkiego odejścia dystrybucyjnego SN.

Odciążenie ciśnieniowe — przetrwanie awarii ogranicznika

Jeśli MOSA ulegnie wewnętrznej awarii (na przykład wskutek długotrwałego wnikania wilgoci degradującego bloki ZnO), może stać się niemal zwarciem dla prądu o częstotliwości sieciowej, dopóki nadrzędna ochrona nie usunie zwarcia. IEC 60099-4 definiuje klasę odciążenia ciśnieniowego (znamionowy prąd zwarciowy, jaki obudowa musi wytrzymać bez gwałtownego, rozrywającego zniszczenia), aby uszkodzony ogranicznik bezpiecznie upuszczał ciśnienie zamiast eksplodować — ważna cecha bezpieczeństwa, biorąc pod uwagę, że ograniczniki SN są często montowane blisko dostępnych dla personelu rozdzielnic.

Umiejscowienie: długość przewodów ma znaczenie

Ochrona jest tak dobra, jak dobre jest połączenie między ogranicznikiem a chronionym urządzeniem. Stroma fala udarowa pioruna przechodząca przez przewody przyłączeniowe powoduje dodatkowy spadek napięcia indukcyjnego (proporcjonalny do szybkości narastania prądu i indukcyjności przewodów) ponad własne napięcie resztkowe ogranicznika — więc długi lub pętlowy przewód przyłączeniowy skutecznie podnosi napięcie, jakiego faktycznie doświadcza chronione urządzenie, nawet przy ograniczniku o niskim Ures. Ograniczniki należy więc montować jak najbliżej chronionego urządzenia, z możliwie najkrótszymi i najprostszymi przewodami.

Okresowy monitoring: prąd upływu

MOSA degraduje się stopniowo, a nie ulega nagłej awarii: wnikanie wilgoci lub powtarzające się obciążenia wyładowcze zwiększają niewielki rezystancyjny prąd upływu, który płynie w sposób ciągły przy normalnym napięciu pracy, na długo zanim ogranicznik zbliży się do niebezpiecznej awarii. Licznik udarów z miernikiem prądu upływu, zainstalowany w przewodzie uziemiającym ogranicznika, śledzi ten trend w czasie — rosnący rezystancyjny prąd upływu, okresowo monitorowany, jest wczesnym ostrzeżeniem o starzeniu się ogranicznika, którego czysto wizualna kontrola nie jest w stanie wykryć.

Częste błędy

1. Dobór Uc na podstawie napięcia znamionowego sieci bez marginesu — napięcie ciągłej pracy musi pokrywać rzeczywiste maksymalne napięcie faza-ziemia, jakiego doświadczy ogranicznik, wliczając normalne wahania napięcia sieci, a nie tylko wartość znamionową.
2. Wybór ogranicznika o najniższym dostępnym napięciu resztkowym bez sprawdzenia koordynacji izolacji — poziom ochrony jest tylko jednym z kilku parametrów wejściowych; musi być skoordynowany z wytrzymałością udarową chronionego urządzenia i resztą instalacji.
3. Montaż ogranicznika z długimi lub pętlowymi przewodami przyłączeniowymi — indukcyjny spadek napięcia w samych przewodach dodaje się bezpośrednio do napięcia resztkowego, osłabiając skądinąd poprawnie dobrany ogranicznik.
4. Traktowanie monitoringu prądu upływu jako opcjonalnego — MOSA, który starzeje się wewnętrznie, nie wykazuje żadnego zewnętrznego sygnału aż do awarii; okresowe śledzenie trendu prądu upływu jest jedynym praktycznym sposobem wczesnego wykrycia degradacji.

Powiązane

• Ochrona przeciwprzepięciowa (SPD)
• Kategorie przepięć CAT I–IV (IEC 60664)
• Koordynacja energetyczna SPD typ 1/2 (IEC 61643)
• §442 — Przepięcie tymczasowe wskutek zwarcia doziemnego po stronie wysokiego napięcia