Nieścisłości normy PN-EN 61643-11 dla ograniczników przepięć

fot. Phoenix Contact

Norma PN-EN 61643-11 wprowadza zapisy mogące spowodować nieprecyzyjne i nieprzejrzyste dla odbiorców oznaczanie ograniczników przepięć. Wynika to m.in. z nakładających się na siebie klas testów ograniczników, braku prób klasy testu dla tzw. kombinacji ograniczników, a także braku wymaganych minimalnych wartości parametrów dla poszczególnych klas testów. Dodatkowo niezdefiniowany sposób podawania danych katalogowych o ogranicznikach również może wprowadzać w błąd, a jednocześnie tworzyć pole do nadużyć.

Uważny czytelnik normy PN-EN 61643-11 zapewne zauważy, że dla ograniczników poszczególnych typów zamieszczone w normie  klasy testów nakładają się na siebie. Na ograniczniku typu 1 przeprowadza się test klasy I prądem piorunowym I_imp (10/350), jak również test prądem wyładowczym I_n (8/20), którego wartość powinna być identyczna jak I_imp (w kA). Niekiedy jest również realizowany test napięciem U_oc, (1,2/50) – w kV. Na ograniczniku typu 2 przeprowadza się test klasy II prądem wyładowczym I_n (8/20), napięciem U_oc (1,2/50). Z kolei na ograniczniku typu 3 przeprowadza się test klasy III napięciem U_oc, (1,2/50) oraz prądem wyładowczym I_n (8/20). Jak widać z tego zestawienia, SPD typu 1 jest badany testami takimi jak SPD typu 2, a może być nawet weryfikowany testem klasy III.

W efekcie ogranicznik może być klasyfikowany przy pomocy większej liczby klas niż jedna. W tym przypadku powinny być przeprowadzone wszystkie klasy testów, aby zgodnie z wymaganiem normy opis na produkcie mógł zawierać taką informację. Jednakże, co bardzo istotne z punktu widzenia użytkownika, producent deklaruje tylko największą wartość uzyskanego poziomu ochrony i ta wartość pojawia się w danych ogranicznika.

Kolejnym problematycznym zapisem normy jest to, że to producent wybiera wartości prądów w poszczególnych testach, tak więc klasa testu tak naprawdę niewiele mówi o możliwościach ogranicznika typu 1. W skrajnym przypadku ogranicznik typu 1 może być badany prądem I_imp o wartości tylko 1 kA 10/350. Jednocześnie norma PN-HD 60364-5-534, wspierająca dobór takiego ogranicznika, mówi, że jeśli nie można ustalić wartości prądu piorunowego, to jego wartość I_imp nie powinna być mniejsza niż 12,5 kA dla każdego trybu ochrony, na jedno pole ogranicznika. Przy czterech polach jest to wartość 50 kA – na cały zestaw. Powstaje więc pytanie, z jakiego powodu norma PN-EN 61643-11 dopuszcza znacznie słabsze rozwiązania, jeśli dla obiektów o poziomie klasie ochrony III-IV (LPL, PN-EN 62305) wartość minimalna I_imp to właśnie 12,5 kA 10/350.

Testy aparatów firmy Phoenix Contact

Phoenix Contact, wychodząc z prostego założenia, że produkty mają być bezpieczne w każdej aplikacji, stosuje do testów prądy I_imp o wartościach 25, 35, 50 kA 10/350.

Rys.1. Ogranicznik typu 1 o prądzie I_imp 50kA 10/350µs dla każdego z pól ogranicznika

W nowej rodzinie ograniczników Safe Energy Control znajdują się aparaty typu 1 testowane właśnie w ten sposób. Zgodnie z sugestiami z naszego rynku, wartość I_imp nie mniejsza niż 25 kA wydaje się bezpiecznym minimum dla sieci pięcioprzewodowych na obszarze naszego kraju. Ograniczniki o takich parametrach uwalniają projektujących od żmudnego szacowania zagrożenia.

Ograniczniki o wielu klasach

Często zdarza się, że dla SPD typu 1 procedura badania opisana w normie jest wykorzystywana przez producentów tak, że mogą oni wykazać, zgodnie z prawdą, że aparat jest również ogranicznikiem typu 2. Jednak taki ogranicznik nie jest w pełni użytecznym urządzeniem typu 2 – należy pamiętać, że najważniejszym zadaniem ogranicznika typu 1 jest ochrona przed pożarem. Informacje te są jednak wykorzystywane przez działy marketingu, a w konsekwencji na rynku pojawiają się produkty określane jako „ograniczniki kombinowane”. Oferowane są nawet wersje „trzy w jednym”: SPD typu 1, SPD typu 2 i SPD typu 3 jako rozwiązanie uniwersalne, jednak nie są to tego rodzaju zabezpieczenia.

Aparaty tego rodzaju są niewystarczające zwłaszcza w większych kubaturach, przekraczających rozmiarem małą rozdzielnię zasilania. Tego rodzaju „układy kombinowane” nie spełniają bowiem zalecenia normy PN-EN 62305, gdzie mówi się, że na początku każdej ze stref ochrony aparatów o określonej kategorii przepięciowej powinien być zainstalowany kolejny, odpowiedni dla tej strefy ogranicznik przepięć.

Rys. 2. Zalecana strefowa koncepcja ochrony wg PN-EN 62305 oraz Phoenix Contact, zalety

Taka struktura zabezpieczeń może być konieczna nawet w rozdzielni, w której jest zainstalowany komputer przemysłowy – może być wówczas niezbędne stworzenie kolejne strefy dla tego aparatu, o kategorii przepięciowej I. Takie rozwiązanie jest realizowane, aby usunąć wpływ pracy maszyn, styczników, przekaźników znajdujących się w pobliżu na działanie chronionego urządzenia. Dodatkowo, jeśli chroniona jest elektronika, należy pamiętać, że samodzielny iskiernik jest kilkakrotnie wolniejszym rozwiązaniem w stosunku do warystorów użytych jako ochrona przed przepięciami. Przy porównywaniu czasów reakcji iskierników i warystorów, konstrukcja iskiernikowa jest zawsze wolniejsza i jest również wrażliwa na kąt czoła udaru.

Ograniczniki złożone

W zakresie ograniczników złożonych norma PN-EN 61643-11 wprowadza kolejne zamieszanie. Brak klasy testu dla tzw. ograniczników złożonych, kombinowanych, jest wykorzystywany przez marketingowców. Problem wynika także z braku zalecanego połączenia wewnętrznego takiej kombinacji ograniczników czy też schematu połączeń. W efekcie ogranicznik typu 1 bywa nazywany kombinowanym, choć nie mieści się w definicji zgodnie z PN-EN 61643-11, gdzie zaznaczone jest, że w takim aparacie powinny być połączone dwa różne elementy aktywne, dwa ograniczniki: ucinający i ograniczający. Brak takich informacji niesie za sobą ważne konsekwencje – ogranicznik typu 1 bywa obecnie oferowany jako kombinowany, wbrew definicji.

Ograniczniki złożone Phoenix Contact

Phoenix Contact, aby wybrnąć z tej niejednoznacznej technicznie sytuacji, dla rozwiązania, gdzie w jednym wyrobie są połączone równolegle dwa różne ograniczniki przepięć używa zwrotu: kombinacja. W danych katalogowych dla wyróżnienia firma stosuje opis: T1+T2. 

Rys. 3. Rzeczywista kombinacja ograniczników typu 1 i typu 2.

Korzystnym elementem w tym rozwiązaniu jest warystor, w brew pozorom, niwelujący poziom napięcia na zespole i chroniący iskiernik przed niepotrzebnym załączaniem. Układ zawsze reaguje szybko na przepięcia, niezależnie od kąta czoła impulsu.

Warto pamiętać, że kombinacja ograniczników to są minimum dwa różne elementy, które współpracując chronią jedną fazę. Dobrze jest zwrócić uwagę na schematy ideowe takiego połączenia. W katalogu Phoenix Contact ogranicznik typu 1, dla odróżnienia od kombinacji, opisywany jest jako T1/T2 – jedynie dla przypomnienia, że aparat przechodzi również test klasy II. Rzeczywista kombinacja ograniczników ma tę zaletę, że jest szybsza w stosunku do samodzielnego iskiernika oraz jest niewrażliwa jak iskiernik na szybkość narostu impulsu.

Warto również wziąć pod uwagę, że odgromnik o konstrukcji tylko warystorowej przy przepływie prądu piorunowego utrzymuje na sobie napięcie resztkowe Ures tak długo, jak długo płynie przez warystor prąd. Oznacza to, że na aparatach chronionych, które zawsze mają odporność udarową opisywaną krzywą 1,2/50 µs, nadal utrzymuje się napięcie resztkowe przy prądzie 10/350. Gdzie dla krzywej 1,2/50 praktycznie poziom około zera woltów jest osiągany już po około 250 µs.

Rys. 4. Porównanie zachowania FLT-SEC-T1+T2-1C-350/25 oraz ogranicznika z szeregowym połączeniem warystora i iskiernika w odniesieniu do kategorii przepięciowej II (2,5 kV 1,2/50)

Innymi słowy konstrukcja warystorowa przy prądzie piorunowym naraża aparaty chronione w instalacji na szybszą degradację i jest to główna wada tego rozwiązania. Kolejną jest to, że im większy prąd I_imp, tym U_res jest wyższe. Dlatego zwłaszcza w przypadku rozwiązań warystorowych wiedza, przy jakiej wartości prądu Iimp określono U_p może mieć kluczowe znaczenie.

Sposób połączenia warystora i iskiernika

Niestety także szeregowe połączenie warystora i iskiernika w ograniczniku kombinowanym przenosi tę wadę, patrz Rys 4. Rozwiązanie eliminuje co prawda prąd upływu, lecz tak samo jak poprzednio wysokie U_res powoduje przyspieszone starzenie chronionych przez nie aparatów w instalacji. Z tego powodu tylko konstrukcja równoległa jest w stanie odpowiednio chronić, nie wywołując jednocześnie procesów starzenia przez działanie długotrwałym i wysokim napięciem resztkowym U_res. Pomimo możliwego znikomego prądu upływu jest to rozwiązanie korzystniejsze. Jest to kolejny ważny powód, aby zwracać uwagę na schematy połączeń kombinacji ograniczników przepięć.

Opisy ograniczników

Jednym z osobliwych braków w  normie  jest  brak wskazań dotyczących sposobu informowania na stronach katalogowych / w danych technicznych o typie ogranicznika. Jest to brak istotny, ponieważ zgodnie z normą badany SPD typu 1 można też nazywać typem 2  jak i 3, t1+t2+t3, SPD typu 1 + SPD typu 2 + SPD typu 3, T1/T2 i nie ma tu ograniczeń, co do inwencji. Oczywiście, w takim przypadku powinny być przeprowadzone wszystkie klasy testu. Jednak w efekcie końcowym ostateczny użytkownik czytający strony katalogowe różnych dostawców nie jest w stanie ocenić parametrów aparatów. Przy okazji sytuacja taka prowadzi też do nieuprawnionego wniosku, że jednym elementem można zbudować skuteczną ochronę, o czym była mowa wcześniej.
 

Ocena ograniczników przepięć

Przy samodzielnej ocenie ograniczników warto zwracać uwagę na wartości prądów, zarówno Iimp jak I_n, przy których prowadzone są badania aparatów. Dotyczy to szczególnie wersji warystorowych. Przy małych I_imp istnieje możliwość zastosowania zbyt słabego odgromnika, który wybuchnie w rozdzielnicy. Natomiast mniejsza wartość prądu I_n dla warystorów sugeruje niższe, czyli bardziej oczekiwane poziomy ochrony U_p . Przy większych prądach w tak chronionej instalacji poziom ochrony U_p może szybko przekroczyć odporność sprzętu, prowadząc do jego uszkodzenia. Aby wykazać takie, doskonałe acz mylące wartości parametrów można wybrać stosownie niską wartość prądu In dla ograniczników warystorowych typu 2 a to  po to, aby wykazać korzystny, ponieważ  niski poziom ochrony U_p. W ten sposób można też ukryć słabszej jakości warystory użyte w ograniczniku. Klient otrzymuje w efekcie pozornie znakomity, tani lecz słaby energetycznie ogranicznik.

Szukając skutecznego SPD typu 2 należy zwracać uwagę nie tylko na U_p lecz również, przy jakim prądzie I_n opisanym krzywą 8/20 jest on uzyskany. Im większy I_n, tym lepszy ogranicznik przy podobnym U_p. Warto zachować dystans do różnych „uniwersalnych” produktów. Współczesna wersja ogranicznika typu 2 z rodziny SEC to przy In równym 20 kA 8/20 poziom ochrony U_p nie większy niż 1,5 kV.

Rys. 5. Ogranicznik typu 2 z I_max nawet 40kA 8/20µs

Więcej informacji o rozwiązaniach serii Safe Energy Control firmy Phoenix Contact można znaleźć na stronie www.phoenixcontact.pl/sec.

Warto też sprawdzić potwierdzenie świadectwem z akredytowanego laboratorium, np. Dekra, GL, spełnianie wymagań opisywanej normy przy wybranych wartościach parametrów testów.

Podsumowanie

Przedstawione problematyczne obszary stworzone przez twórców normy są mylące i mogą sprzyjać nieuczciwym praktykom rynkowym. Jest to też obraz pola bitwy, gdzie im bardziej mgliście tym lepiej dla niektórych dostawców. W efekcie norma PN-EN 61634-11 może doprowadzić do napływu produktów, które wprowadzają w błąd niczego niepodejrzewających użytkowników, chcących chronić swoje mienie.