 |
|
|
|
ARTYKUŁY Elektrotechnika Rozchodzenie się przepięć atmosferycznych w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym |
|
Zapewnienie bezawaryjnego działania urządzeń elektrycznych i elektronicznych w obiekcie budowlanym wymaga ograniczenia przepięć atmosferycznych i wewnętrznych do-chodzących do przyłączy zasilających i sygnałowych tych urządzeń do poziomów bezpiecznych. W instalacji elektrycznej zadanie to spełniają wielostopniowe układy urządzeń do ograniczania przepięć SPD (surge protective device).
Wyniki badań laboratoryjnych i symulacyjnych [1-3] wskazują jednak, że pomimo zastosowania układów SPD istnieje możliwość pojawienia się w przyłączach urządzeń przepięć o wartościach przekraczających ich udarowe napięcie wytrzymywane.
W świetle tych wyników, niezbędne wydaje się prowadzenie prac, w celu dokładnego poznania zjawisk zachodzących w instalacjach elektrycznych i opracowanie zasad pewnej i efektywnej ochrony przed przepięciami urządzeń elektrycznych i elektronicznych. W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych rozchodzenia się przepięć pochodzenia atmosferycznego w modelu fizycznym instalacji elektrycznej obiektu budowlanego wyposażonej w SPD, z uwzględnieniem reaktancyjnego charakteru przyłączy typowych urządzeń AGD i RTV oraz obecności transformatora SN/nN w linii zasilającej doprowadzonej do budynku.
Opracowanie skutecznego systemu ochrony przed przepięciami dochodzącymi do urządzeń z instalacji elektrycznej wymaga wiedzy dotyczącej:
Podstawowym źródłem informacji o wartościach szczytowych i kształtach przepięć w instalacji elektrycznej są wyniki pomiarów prowadzonych w obiektach budowlanych i sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia podczas naturalnych wyładowań piorunowych oraz podczas wyładowań prowokowanych [4,5]. Informacje takie zbierane są często w uporządkowanej postaci krzywych przedstawiających liczby przepięć o dowolnej wartości szczytowej, które mogą wystąpić w ciągu roku w instalacji. Parametry reprezentatywnych napięć i prądów udarowych, które mogą powstawać w układach przewodów wewnątrz obiektów budowlanych podczas bezpośrednich i pobliskich wyładowań piorunowych zawarto także w normie ochrony odgromowej PN-EN 62305-1 [6].
Urządzenia do ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej powinny być dostosowane do kategorii wytrzymałości udarowej instalacji [7]. Wymagany poziom odporności przyłączy zasilania typowych urządzeń AGD i RTV na udary napięciowo-prądowe 1,2/50-8/20 jlis wynosi [8,9]:
W instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym wyposażonym w urządzenie piorunochronne stosowane są zazwyczaj jedno- lub dwustopniowe systemy układów urządzeń do ograniczania przepięć (SPD) [10]. Wyniki badań laboratoryjnych i symulacyjnych pokazują, że w przypadku rozległych obiektów budowlanych dwustopniowy system składający się z układów SPD typu 1 i 2 może być niewystarczający [1,2]. Związane jest to ze zjawiskami falowymi zachodzącymi w odcinku instalacji pomiędzy ostatnim stopniem ochrony a urządzeniem chronionym oraz z pojemnościowym charakterem przyłącza zasilania urządzenia [11].
W pracach [1, 2] badano rozchodzenie się przepięć w instalacji elektrycznej systemu sieci TN-C-S z dwu- i trójstopniowym systemem układów SPD z uwzględnieniem obecności transformatora SN/nN w linii zasilającej doprowadzonej do budynku. W badaniach tych nie uwzględniano reaktancyjnego charakteru przyłączy zasilania chronionych urządzeń dołączonych na krańcach odgałęzień instalacji. Przyłącza zasilania tych urządzeń reprezentowano rezystancją 100 Q lub obwodem otwartym. W wyniku badań stwierdzono przekroczenie dopuszczalnych poziomów przepięć pomiędzy zaciskami L-N urządzeń w przypadku zastosowania dwustopniowego systemu składającego się z układów SPD typu 1 i 2 (rys. 1). W systemie trójstopniowym, składającym się z układów SPD typu 1, 2 i 3, przepięcia na zaciskach urządzeń - zarówno L-N jak i L-PE - zostały ograniczone poniżej poziomów wytrzymywanych [1].
Rys. 1. Przebiegi napięć na zaciskach przyłączy zasilania urządzeń bez i z zastosowaniem SPD typu 3: a) napięcia pomiędzy przewodami L i N, b) napięcia pomiędzy przewodami L i PE [1]
W artykule podjęto próbę uzupełnienia przedstawionych badań przede wszystkim w zakresie uwzględniającym reaktancyjny charakter przyłączy zasilania urządzeń chronionych oraz możliwe konfiguracje urządzeń do ograniczania przepięć.
Uwzględniając powyższe wyniki badań - w artykule przyjęto model instalacji elektrycznej z trójstopniowym systemem SPD. Cały układ pomiarowy wraz z modelem instalacji składał się z następujących elementów (rys. 2):
Podstawowe parametry SPD zastosowanych w badaniach:
Parametr | SPD typu 1 | SPD typu 2 | SPD typu 3 |
Napięcie znamionowe | 230/400 | 230/400 | 230 |
| Największe napięcie trwałej pracy AC [V] | 255 | 275 (L-N) 255 (N-PE) | 255 |
| Prąd udarowy 10/350 μs [kA] | 25 (L-N) 100 (N-PE) | – 12 (N-PE) | – |
| Znamionowy prąd wyładowczy 8/20 μs [kA] | 25/100 | 20 | 3 5 (całkowity) |
| Napięciowy poziom ochrony [kV] | ≤ 1,5 (L-N) ≤ 1,5 (N-PE) | ≤ 1,25 (L-N) ≤ 1,5 (N-PE) | ≤ 1,25 (L-N) ≤ 1,5 (L/N-PE) |
W układzie zastosowano SPD typu 1 i 2 w tzw. konfiguracji 3+1, w której występują trzy elementy ograniczające przepięcia pomiędzy przewodami fazowymi a przewodem neutralnym oraz iskiemik pomiędzy przewodem neutralnym a przewodem ochronnym. Zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-5-534 [12] taka konfiguracja może być stosowana w systemie sieci TN-S. Podstawowe dane techniczne zastosowanych SPD typu 1 i 2 zestawiono w tabeli. W badaniach rozważano możliwość występowania przepięć pomiędzy jednym z przewodów fazowych a przewodem ochronnym (Ll-PE) oraz pomiędzy przewodem fazowym a przewodem neutralnym (Ll-N). Należy zaznaczyć, że jest to przewód fazowy, do którego dołączone były wszystkie chronione urządzenia. Przyłącza zasilania urządzeń chronionych modelowano w postaci pasywnych dwójników RLC, których schematy określono na podstawie wyników badań impedancji typowych odbiorników AGD i RTV w zakresie częstotliwości do 5 MHz [13]. Zbudowane obwody RLC dołączano pomiędzy przewody Ll-N instalacji (rys. 3). Założono, że przewód PE jest izolowany od obwodu dwójnika.
Rys. 2. Schemat układu do badania rozchodzenia się przepięć w instalacji elektrycznej
Rys. 3. Schematy zastępcze reprezentujące przyłącza zasilania chronionych urządzeń [13]
W przedstawionym układzie badawczym (rys. 2 i 3) przeprowadzono pomiary przepięć występujących na poszczególnych stopniach systemu układów SPD pomiędzy przewodami L1 -PE i L1 -N. Badania wykonano dla różnych wartości napięcia ładowania kondensatora gromadzącego energię w generatorze udarowym, odpowiadających wartościom szczytowym udaru napięciowego na otwartych zaciskach generatora (od 1 do 6 kV).
|
|
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
![Rys. 1. Przebiegi napięć na zaciskach przyłączy zasilania urządzeń bez i z zastosowaniem SPD typu 3: a) napięcia pomiędzy przewodami L i N, b) napięcia pomiędzy przewodami L i PE [1]](http://www.elektroonline.pl/img/media/8437 "Rys. 1. Przebiegi napięć na zaciskach przyłączy zasilania urządzeń bez i z zastosowaniem SPD typu 3: a) napięcia pomiędzy przewodami L i N, b) napięcia pomiędzy przewodami L i PE [1]")
![Schematy zastępcze reprezentujące przyłącza zasilania chronionych urządzeń [13]](http://www.elektroonline.pl/img/media/8438 "Schematy zastępcze reprezentujące przyłącza zasilania chronionych urządzeń [13]")
wstecz
