Wielokrotne zaciski na ogranicznikach przepięć – fanaberia czy potrzeba?

fot. Phoenix Contact

Próby obłaskawienia niewiedzy w praktyce w końcu sprowadzają się do jedynego kryterium jakim jest cena wyrobu. Takim dobrym przykładem eliminacji są zaciski wielokrotne na biegunach ograniczników przepięć.

W praktyce inwestycyjnej instalujący wybiera wersję oczywiście najtańszą, wybór której niestety obciąża długofalowymi nieuświadomionymi kosztami użytkownika instalacji. Są to zwykle wersje bez wielokrotnych zacisków, wersje monobloków, bez możliwości badania elektrycznego.

Zacznijmy od początku: Dlaczego powinny być stosowane ograniczniki przepięć?

W kilku normach znajdziemy podstawową informacje o wymaganiach dotyczących odporności urządzeń instalowanych w różnych obszarach. Dokładnie chodzi o znamionowe napięcie udarowe wytrzymywane Uw.  Dla przykładu PN-HD 60364-5-534:2016  zajmuje się praktycznie ochroną sprzętu o kategoriach przepięciowych II oraz I.  Zgodnie z jej Tabelą 534.1 dla sprzętu instalowanego w instalacjach zasilania 230/400 oznacza to znamionowe napięcie udarowe wytrzymywane Uw  pomiędzy obwodem PE a obwodem czynnym na poziomie nie gorszym niż 2,5kV.  Dla wrażliwego sprzętu ta wartość wynosi zaledwie 1,5kV. Pamiętamy,  że to napięcie opisywane jest krzywą napięciową 1,2/50µs. Oznacza to tylko tyle, że jeśli docierające udary mieszczą się pod tą krzywą, urządzenie powinno przetrwać bezpiecznie zagrożenie. Jeśli ją przekraczają, mogą je zniszczyć a na pewno powodują wewnętrzne naprężenia w konsekwencji degradujące urządzenie chronione.

Przykład wielokrotnych zacisków na rzeczywistej kombinacji ograniczników typ 1+typ 2: FLT-SEC-T1+T2-3S-350/25-FM – 2905470, linii COMPLETE line.

Wspomniana norma wymaga też aby oferowany poziom ochrony Up przez zastosowany przed chronionym urządzeniem ogranicznik nie przekraczał 80% wymaganego udarowego napięcia wytrzymywanego wg kategorii opisanej we wspomnianej tabeli 534.1. Ten margines już nie jest wymagany, jeśli już układ ochrony uwzględnia pokazane poziomy, czy też ogranicznik jest wpięty bezpośrednio na zaciski przyłączeniowe chronionego urządzenia. 

Nie bez powodu użyłem powyżej zwrotu „układ ochrony”. Na ten zwrot składa się bowiem zarówno budowa SPD, w tym wewnętrze połączenie elementów czynnych jak i zewnętrzny sposób przyłączenia ogranicznika przepięć. Patrz rysunek (1) poniżej.

Rys. 1

W tym miejscu docieramy do wspomnianych powyżej zacisków aby nie pozwalać na psucie ochrony naszej instalacji.

Konsekwencje jedynego kryterium oraz ignorancji są niezmiernie ważne przede wszystkim dla użytkowników instalacji, ponieważ budowa i sposób włączania ograniczników przepięć, (najlepiej certyfikowanych), zdecydowanie wpływa na zwartość ich kieszeni w skali czasu pracy inwestycji.

Sposób włączania SPD w nasze instalacje istotnie wpływa na czas życia aparatów w tej instalacji. Kontynuując główny wątek, należy wspomnieć o ostrzeżeniu, które jest zawarte w normach, w tym mojej ulubionej PN-HD 60364-5-534: 2016. Mowa w nim o tym, że przy przepływie prądu o amplitudzie 10 kA (8/20) spadek napięcia na odcinku jednego metra przewodu wyniesie około 1 000V. Oczywiście będzie on większy przy większych amplitudach.

I w tym miejscu zaczyna się problem, ponieważ bardzo często nikt nie zwraca uwagi na długości przewodów przyłączających organicznik do chronionej instalacji, czy przed chronionym urządzeniem.

Idąc za najprostszą myślą, ogranicznik przeważnie jest włączany gałęziowo, w poprzek chronionej instalacji, jak na rysunku. Czasem, w  porywie szkodliwej tradycji, z dodatkowym, niewielkim,  zapasem, na każdym z przewodów.  W tym miejscu pozdrawiam również  miłośników zwiniętych przewodów PE  w gustowną sprężynkę, co jest wręcz zabójcze.
W efekcie końcowym cały układ ochronny, który miał przedłużać życie instalacji dzięki minimalnym poziomom napięć na jego końcach, zupełnie może nie spełniać założeń.
Przy zastosowaniu przewodów o długości jeden metr każdy, przy wspomnianym prądzie (10kA 8/20µs),  uzyskiwany poziom ochrony Up pomiędzy punktami A oraz B jest sumą spadków napięć na wszystkich szeregowo połączonych elementach łącznie, patrz rysunek (2).

Rys. 2

Razem, przy tych warunkach brzegowych, wszystkie elementy razem mogą wymusić napięcie Up_eff powyżej 4 kV  tam, gdzie znana odporność urządzeń Uw może być zdecydowanie mniejszą.
W tym miejscu norma wymaga aby przewody były prowadzone prostoliniowo, należy unikać pętli,  a co najboleśniejsze, wszelkie połączenia ogranicznika do instalacji łącznie nie powinny być dłuższe niż 0,5 metra.  Wszystko to jest po to, aby zastosowany układ ( jak na rysunku (2)) zapewnił poziom zgodny, dla przykładu, kategoria przepięciową II. 
Wcześniej wspomniane wymaganie 80% oznacza to, że ogranicznik nie powinien oferować poziomu ochrony Up większego niż 2kV ( Up= 0,8x2,5kV =2kV). Pamiętając o tym, że każdy metr przewodu przy 10kA (8/20)  to około 1000 V to suma długości przewodów dodatkowych nie powinna generować więcej niż 500V, co daje tylko te 0,5 metra razem. To jest wymaganie z punktu 534.4.8 wspominanej tutaj normy.
Jak można poprawić efekt pracy układu ochrony z ogranicznikiem, należy po pierwsze zastosować ograniczniki, które przy znacznych wartościach prądach In (niż wspomniane 10kA 8/20µs) będą oferowały bardzo niskie poziomy Up. Tutaj, dla dobra instalacji, bezwzględnie musimy porównywać i eliminować produkty tak, aby stosować jedynie te ograniczniki typu 2, które przy bardzo dużych prądach In uzyskują znakomicie niskie Up . Tanie produkty, zwykle pozbawione również precyzyjnych danych elektrycznych, z definicji powinniśmy eliminować z naszej listy.
To zdecydowanie pomaga tam,  gdzie musimy łączyć ograniczniki dłuższymi przewodami. Jeśli będzie to trudne lub niemożliwe kolejną wskazówką w razie konieczności jest instalacja dodatkowego ogranicznika przepięć, którego Up nie przekroczy Uw bezpośrednio chronionego urządzeniu.

Rzecz w tym, że i konstrukcje szaf automatyki czy rozdzielnic dystrybuujących zasilanie, jak również ortodoksyjne podejście inspektorów, ogranicza pole do inwencji pozytywnej aby usunąć problem.
Pojawia się drugie pytanie, jak też ograniczając ludzką niewiedzę czy kryterium niskiej ceny ogranicznika, uzyskać jednak  poprawne poziomy ochrony gdy nawet najlepsze ograniczniki o najniższym Up nie są w stanie pomóc.
Odpowiedź jest prawie oczywista. Tutaj z pomocą przychodzą nielubiane zwielokrotnione zaciski na biegunach ograniczników przepięć jak i rysunek 534.9 z tej samej normy, patrz rysunek (3).

Rys. 3

Dla szaf automatyki, gdzie często jest to możliwe ze względu na mały pobór prądu, warto zastosować układ tzw. przelotowy, zwany też układem „V”. Niwelujemy tym sposobem spadek napięcia na jednym z przewodów.

To już zdecydowanie poprawia poziomy ochrony. W szczególnym przypadku cały prąd roboczy szafy  można przeprowadzić poprzez podwójne zaciski nie tylko fazowe ale również wielokrotne zaciski PE/PEN. Istotnym ograniczeniem jest tutaj jedynie maksymalny prąd roboczy takiego podwójnego zacisku. Wartości tej NIE WOLNO przekraczać, dlatego też nie zawsze można to rozwiązanie zastosować.

Kolejny krok to skrócenie długości przewodu PE poprzez wprowadzenie „wirtualnej” szyny PE. Zwłaszcza w przypadku ograniczników typu 2 jest to ze wszech miar pożądany zabieg  aby w tym celu wykorzystać połączenie z blachą ściany, która jest za „plecami” ogranicznika. Blacha ściany jest galwanicznie połączona z PE.

Jak pokazują badania laboratoryjne, nie należy demonizować faktu że blacha może być nie za gruba. Testy nawet z ogranicznikami typu 1 nie wykazały istotnych zmian fizycznych na takim połączeniu przewód-śruba-blacha.

Ważną i krytyczną w takim układzie, jak opisywany i na rysunku (4), jest długość przewodu pomiędzy ogranicznikiem a „nową” szyną numer „3”.  Jak było to wspomniane, nie może ona być dłuższa niż 0,5 metra. Na rysunku (4) element  „1” to lokalna rzeczywista szyna wyrównania potencjałów, „2” dodatkowa „wirtualna” szyna, „4” i”5” połączenia galwaniczne, których długość nie wpływa na poziom ochrony.

Rys. 4

I jak to było już poruszane, przy przepływie prądów wyładowczych efektywny poziom ochrony Up_eff  (pomiędzy A oraz B) urządzeń za ogranicznikiem będzie składał się z sumy spadków na wspomnianym odcinku przewodu „3” oraz na ograniczniku.

Jeśli jest realizowana koncepcja strefowej ochrony to jest wymagane aby dodatkowo przewodem połączyć z punktem uziemiania czasem gdy to możliwe lub  lokalną szynę wyrównania potencjałów, rysunek (5). Nie musi już on być wtedy koloru żółto-zielonego.

Rys. 5

Przykład przyłączenia ogranicznika typu 2 VAL-MS 230/3+1 - 2838209, jak na rysunku (6). Podstawowym dla SPD typu 2 jest połączenie galwaniczne z PE. Jego zadaniem jest stworzenie optymalnej ochrony izolacji strefy którą on poprzedza, zwykle szafa automatyki i jej zawartość czy dystrybucji zasilania.

Rys. 6

Jest to szczególne wymagane połączenie dla ograniczników typu 1, gdzie połączenia muszą być zrealizowane przewodem o przekroju nie mniejszym niż 16mm² z głównym zaciskiem lub szyną uziemiającą.

Obwód PE podobnie może być zrealizowany poprzez połączenie z blachą ściany za ogranicznikiem przekrojem przewodu wynikającym z zastosowanych ostatnich zabezpieczeń nadprądowych przed tym ogranicznikiem. Taki przykład przedstawia rysunek (7) obok, natomiast dane należy odszukać w instrukcji instalacyjnej dla montowanego ogranicznika.

Rys. 7

Użyteczne wskazówki

Oto przykład na rysunku (8) fragmentu instrukcji instalacyjnej dla SPD typu 1/2 : FLT-SEC-P-T1-3S-350/25-FM – 2905421, kolejnego produktu z linii COMPLETE line:

Rys. 8

Na stronie wyrobu Phoenix Contact noszą one nazwę „ulotki do opakowania” ponieważ w postaci papierowej są dodawane do pudełka z ogranicznikiem.

Jak widać pokazane są dwie możliwe aplikacje: połączenie przelotowe - układ „V” oraz połączenie gałęziowe. W tabeli nr 2 pokazane są optymalne przekroje przewodów łączących ogranicznik z lokalnym punktem uziemiającym oraz z obwodem ochronnym PE. 

Jest to pokazane na kolejnym schemacie ze wspomnianej instrukcji, patrz schemat (9):

Rys. 9

Norma: PN-HD 60364-5-534: 2016-04 Instalacje elektryczne niskiego napięcia Część 5-534: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego  Odłączanie izolacyjne, łączenie i sterowanie Urządzenia do ochrony przed przejściowymi przepięciami

Przydatne linki:
1) Katalog ochrony przed przepięciami nr 4 PHOENIX CONTACT, link: https://www.phoenixcontact.com/online/portal/pl?1dmy&urile=wcm%3apath%3a/plpl/web/main/products/catalog_pages/product_catalog_4/cae6cec0-d352-4fed-9b57-e674ec0ae09e
2) System COMPLETE line: wiodące technologicznie i dostosowane do siebie produkty w zakresie sprzętu i oprogramowania, usług doradztwa i rozwiązań systemowych do optymalizacji procesów w produkcji szaf sterowniczych. Więcej na https://phoe.co/completeline