Přepěťová ochrana

Jaké jsou příčiny vzniku přechodných přepětí?

Přepětí v důsledku přímého zásahu bleskem

Pokud blesk přímo zasáhne budovu vybavenou hromosvodem, proud tohoto atmosférického impulzu je sveden do země. Přechodná přepětí se však mohou dále šířit po budově přes uzemnění elektrické instalace. Tento přímý zásah může způsobit požár, poškození elektroinstalace v budově a vybavení budovy, a v horším případě zranit osoby v budově. Totéž platí pro zásah blesku do připojeného venkovního vedení spojeného s budovou. Energie blesku se může po kabelech šířit dál, způsobit požár a zničení vnitřní elektrické instalace.

Přepětí způsobená nepřímým zásahem blesku

K přechodným přepětím může dojít také tehdy, když blesk udeří v blízkosti budovy, nebo v blízkosti venkovního vedení zavedeného do budovy. V takovém případě elektromagnetické pole, vytvořené proudem blesku, představuje odporovou a induktivní vazbu, která může způsobit narušení funkce nebo poškození vnitřní instalace nebo elektrického vybavení.

Přechodná přepětí vlivem spínacích operací

Spínací přepětí obsahují méně energie, a mají tedy méně destruktivní projevy v porovnání s přechodnými přepětími vlivem zásahu bleskem. Objevují se však daleko častěji a způsobují předčasné stárnutí zařízení. Tato přepětí mohou způsobit závažné poškození elektronického obvodu a je třeba jim účinně čelit, pokud se chceme vyhnout nejenom drahým výpadkům ve výrobě a drahým nákladům na údržbu.

Spínání jističů, transformátorů, motorů a induktivních zátěží obecně, případně náhlá změna zátěže způsobí rychlou změnu proudu (di/dt) a s tím související přechodné napěťové špičky. Tato napětí nemají sice takovou energii jako dynamická přepětí způsobená bleskem, ale zato se vyskytují daleko častěji a vznikají přímo v napájecí síti. Mají krátkodobé trvání, ostrou náběžnou hranu a vysokou vrcholovou hodnotu (která může dosáhnout i několika kV) a způsobují předčasné stárnutí/opotřebení elektronického zařízení.

Jakou má přepěťová ochrana životnost?

Vycházíme-li z definice IEC 62305 a ze zkoušek životnosti svodičů přepětí podle IEC 61643-11 a obyčejné statistiky, můžeme říci, že např. svodič přepětí pro jmenovitý vybíjecí proud 40 kA dosáhne konce své životnosti po 20 letech provozu. Některé svodiče však mohou mít životnost i 30 let, jiné třeba jen 5. Životnost svodiče přepětí závisí na odolnosti svodiče snést jmenovitý vybíjecí proud In, ale také na počtu zásahů bleskem v blízkosti systému, ve kterém je svodič instalovaný.

Co je technologie QuickSafe^®

Pokud se za normálních podmínek svodiče přepětí přiblíží ke konci své životnosti, začne se proud protékající varistorem progresivně zvyšovat a dochází k rychlému nárůstu teploty. Tento jev pak poškodí samotný varistor, až dojde k jeho zničení zkratem. Tento jev se nazývá "tepelné rozvrácení". Aby k němu nedošlo, přidali jsme do svodiče přepětí prvek pro tepelné odpojení, který detekuje zmíněný nárůst teploty a ohrožený obvod rozpojí.

Tento odpojovací prvek, pod názvem QuickSafe^®, je přímo navařen na povrch varistoru. Umožňuje velmi rychle zjistit nárůst teploty a zareagovat rozpojením obvodu v okamžiku, kdy teplota dosáhne úrovně, která je pro instalaci nebezpečná. Ke zmíněnému jevu dojde teprve po větším počtu (průměrně tisících) aktivací svodiče přepětí. QuickSafe^® je tedy něco jako definitivní ochranná pojistka při dosažení konečné životnosti svodiče.

Zóny bleskové ochrany podle IEC 62305-4

Norma IEC 62305-4 uvádí koncepci zón bleskové ochrany (angl. zkratka LPZ = Lightning Protection Zone), která je pomůckou pro výběr správného svodiče přepětí. Definuje etapy postupného snižování úrovní energie a přepětí vyvolaného atmosférickým impulzem nebo spínacími operacemi.

Vnější zóny:

• LPZ 0A: nechráněná zóna vně budovy, vystavená účinkům přímého zásahu bleskem. Musí zvládnout plný bleskový proud a plnou intenzitu elektromagnetického pole atmosférického výboje.
• LPZ 0B: zóna chráněná proti přímému zásahu bleskem. Ochrana je zajištěna tyčovým jímačem (hromosvodem). Hrozbu zde představuje plná intenzita elektromagnetického pole atmosférického výboje.

Vnitřní zóny:

• LPZ 1: zóna vystavená částečným účinkům blesku nebo dynamických proudů. Na rozhraní mezi LPZ 0A a LPZ 1 se instaluje svodič přepětí typu 1, který sníží velikost proudů způsobených atmosférickým impulzem a tekoucích napájecím vedením.
• LPZ 2...n: zóna, kde dynamický proud je omezen sdílením a kde energie elektrického impulzu, je dále redukována přídavnou nadproudovou ochranou, např. svodiči přepětí. Svodiče typu 2 se instalují na rozhraní každé zóny, tedy LPZ 1 a LPZ 2, LPZ 2 a LPZ 3, atd.

Jak vybrat správný typ svodiče přepětí

Volba typu svodiče přepětí závisí na velikosti impulzního proudu a riziku zásahu bleskem, které se stanoví analýzou rizik podle IEC 62305-2. Pokud hrozí riziko přímého zásahu bleskem do budovy, bude potřeba na provozním vstupu instalovat svodič přepětí typu 1 a dále svodič přepětí typu 2 a typu 3 v podružných distribučních rozváděčích, co nejblíže k chráněnému zařízení.

Pokud nehrozí riziko přímého zásahu bleskem do konstrukce (žádná vnější ochrana, žádná připojená nadzemní vedení), můžete na provozním vstupu systému a v podružných distribučních rozváděčích instalovat svodič přepětí typu 2.

Typ 1 se vybírá podle maximálních impulzních proudových charakteristik (Iimp) svodiče, typ 2 se volí podle jmenovitého proudu (In) a maximálního vybíjecího proudu (Imax).

Příklad výpočtu svodiče typ 1 (IEC 62305-4):

Vypočtená úroveň ochrany proti blesku (Lightning Protection Level):  LPL I

• Maximální vrcholový proud: I=200 kA
• Předpoklad: dokonalé sdílení proudu (current sharing)
• Počet připojených systémů (zemnění, vodovodní potrubí): m = 2
• Konfigurace sítě: 3 fázová + nula (n = 4).
• Celkový proud (Iimp)/phase = I x 0.5 / (m x n) = 200 x 0.5 / (2 x 4) = 12.5 kA

Historie výroby přepěťovek v ABB

• 1862 - François Soulé zakládá firmu Soulé.
• 1932 - Je založena firma Hélita, která nabízí výrobky na ochranu proti vnějšímu zásahu bleskem.
• 1960 - První svodič přepětí od Soulé, s využitím karbidu křemíku.
• 1980 - První svodič přepětí pro montáž na lištu DIN, s varistorem na bázi oxidu kovu.
• 1984 - Vynález prvního terminálu ESE typu Pulsar, u firmy Hélita a CNRS.
• 1989 - Soulé kupuje společnost Hélita, aby mohla nabízet kompletní řešení ochrany proti blesku a přepětí.
• 1990 – Na trh uvedena přepěťová ochrana s tepelným odpojením a indikací konce životnosti.
• 1999 - Rozdělení na aktivity vysokého, velmi vysokého a nízkého napětí. Design typu "New Wavy" a verze fáze+nula.
• 2000 - Soulé zakoupena firmou Entrelec®.
• 2001 – ABB kupuje Entrelec®. Soulé & Hélita se v ABB stávají experty v oboru svodičů přepětí připojených k nízkonapěťovým distribučním systémům.
• 2004 - První výrobek pod značkou ABB typu 1 s technologií jiskřiště.
• 2009 - Svodič přepětí s vlastní ochranou malým jističem nebo pojistkou.
• 2010 – Uvádíme na trh řady System Pro M Compact®, s volitelnou možností Safety Reserve System.
• 2014 – Uvádíme na trh svodiče přepětí na ochranu proti úderu blesku do pouličního osvětlení.
• 2015 – Uvádíme technologii QuickSafe®.