 |
|
|
|
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).
Zasadnicze badania wykonano w konfiguracji przedstawionej na rys. 2, w której udary wprowadzano pomiędzy zaciski LI a PE instalacji. Zarejestrowane przebiegi napięć na poszczególnych układach urządzeń do ograniczania przepięć przedstawiono na rys. 4-8.
Wyniki pokazują, że wartości szczytowe przepięć na przyłączach zasilania chronionych urządzeń (SPD typu 3) w większości przypadków wynosiły ok. 600-800 V. Jedynie w przypadku monitora były nieco wyższe, ok. 900-1300 V. Wartości szczytowe tych przepięć nie przekroczyły wymaganych poziomów odporności przyłączy zasilania typowych urządzeń. Również w przypadku wprowadzania udarów pomiędzy zaciski LI a N instalacji przepięcia na przyłączach zasilania urządzeń kształtowały się w podobny sposób. Otrzymane wyniki pokazują, że reaktancyjny charakter przyłączy zasilania urządzeń chronionych za pomocą trójstopniowego systemu układów SPD ma wpływ na kształt przepięć pojawiających się na tych przyłączach. Zaobserwowano, że wartości szczytowe przepięć nie przekroczyły poziomów dopuszczalnych. Jednak wydaje się celowe prowadzenie dalszych szczegółowych badań laboratoryjnych i symulacyjnych tych zjawisk dla jeszcze innych systemów sieci i innych konfiguracji SPD oraz weryfikowanie wyników tych badań w rzeczywistych instalacjach obiektów budowlanych.
Rys. 4. Napięcia zmierzone na pierwszym stopniu SPD (SPD typu 1) pomiędzy: a) Ll-PE, b) Ll-N
Rys. 5. Napięcia zmierzone na SPD typu 2 pomiędzy: a) Ll-PE b) Ll-N
Rys. 6. Napięcia zmierzone na SPD typu 3 chroniącym odbiornik TV pomiędzy: a) Ll-PE, b) Ll-N
Rys. 7. Napięcia zmierzone na SPD typu 3 chroniącym komputer pomiędzy: a) Ll-PE, b) Ll-N
Rys. 8. Napięcia zmierzone na SPD typu 3 chroniącym monitor pomiędzy: a) Ll-PE, b) Ll-N
LITERATURA:
[1] Sowa A.W.: Ochrona urządzeń oraz systemów elektronicznych przed narażeniami piorunowymi. Rozprawy Naukowe 2011 nr 219
[2] Sowa A.W., Augustyniak L.: Voltage surges at the power supply inputs of devices protected by me- tal-oxide surge arresters, Vilnius 2012
[3] Kisielewicz T. et al.: Selected problems of sens- itive apparatus protection against lightning over- voltages by means of SPD. XXI International Conference on Electromagnetic Disturbances, Białystok 2011
[4] Hoidalen H.K., Dahlslett F.: Characterization of lightning-induced overvoltages in isolated neutral low-voltage systems. 29thInternational Conference on Lightning Protection. Uppsala, Sweden 2008
[5] Birkl J., Zahlmann P.: Lightning currents in low- voltage power installation. 29th International Conference on Lightning Protection, Uppsala, Sweden 2008
[6] PN-EN 62305-1:2011 Ochrona odgromowa - Część 1: Zasady ogólne
[7] PN-HD 603644-443:2006 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi (oryg.)
[8] PN-EN 55014-2:1999 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Wymagania dotyczące przyrządów powszechnego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń
[9] PN-EN 55024:2000 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Urządzenia informatyczne. Charakterystyka odporności. Metodyka pomiaru i dopuszczalne poziomy
[10] Markowska R., Sowa A.W.: Ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych. Zeszyty dla elektryków 2011 nr 9
[11] PN-EN 62305-4:2011 Ochrona odgromowa - Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach (oryg.)
[12] PN-HD 60364-5-534:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-53: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Odłączanie izolacyjne, łączenie i sterowanie. Sekcja 534: Urządzenia do ochrony przed przepięciami (oryg.)
[13] Bassi W., Burani G.F., Janiszewski J.M.: Impe- dance freąuency characteristics and modeling of residential appliances for lightning transient analysis. VIII International Symposium on Lightning Protection. Sao Paulo, Brazil 2005
| 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]")
