Jak dobierać ograniczniki przepięć? Co jest ważne przy ich instalacji?

2018-08-07 12:30 dr inż. Dominik Duda, Instytut Elektroenergetyki i Sterownania Uładów, Politechnika Śląska
Ograniczniki przepięć
Autor: gettyimages W sieciach SN mogą być używane ograniczniki przepięć o klasie rozładowania 1 lub o znamionowym prądzie wyładowczym 5 kA

Wybór ograniczników przepięć uwarunkowany jest kilkoma czynnikami, a jeden z najistotniejszych to napięcie, jakie w sposób ciągły będzie występować na zaciskach urządzenia – jego wartość wpływa na tzw. napięcie trwałej (ciągłej) pracy Uc. Jak należy dobierać ograniczniki przepięć?

Dla ogranicznika przepięć włączonego między fazę a ziemię w sieciach, w których następuje automatyczne i szybkie wyłączanie zwarć doziemnych, powinno ono spełniać zależność (zgodnie z PN-EN 60099-5:2014 „Ograniczniki przepięć. Część 5: Zalecenia wyboru i stosowania”.):

Uc ≥ Um / √3

gdzie:

Um – największe napięcie sieci, w której instalowany jest ogranicznik.

W sieciach, w których możliwa jest długotrwała praca z doziemieniem jednej fazy (np. w systemach SN z izolowanym punktem neutralnym lub w liniach z kompensacją prądu zwarcia doziemnego) napięcie trwałej pracy powinno być określone z zależności:

Uc > Um.

Napięcia Uc wyznaczone według powyższych wzorów zapewniają zwykle wymagane piorunowe poziomy ochrony dla urządzeń i aparatury w sieciach SN, niezależnie od sposobu pracy punktu neutralnego, a także – co istotne – od rzeczywistego czasu, po upływie którego wyłączane są zwarcia jednofazowe. Prowadzi to do ujednolicenia i zmniejszenia liczby typów ograniczników przepieć.

Wcześniejsza wersja normy PN-EN 60099-5:2014 „Ograniczniki przepięć. Część 5: Zalecenia wyboru i stosowania” zalecała zastosowanie w podanych wcześniej wzorach współczynnika bezpieczeństwa na poziomie 1,05, co było uzasadnione obecnością wyższych harmonicznych w napięciu sieciowym. Jeśli jednak zachodzi potrzeba zagwarantowania lepszego poziomu ochrony i zapewnione jest wyłączenie zwarcia w określonym przedziale czasu t, to można dobrać urządzenie o niższym napięciu zarówno trwałej pracy, jak i jednocześnie lepszym poziomie ochrony.

Przepięcia dorywcze w miejscu zainstalowania ogranicznika nie powinny osiągać wartości większych niż iloczyn Uc i współczynnika Tc. Taki sam efekt uzyskuje się, gdy nie są one większe od iloczynu napięcia znamionowego ogranicznika Ur i współczynnika Tr, Tc i Tr odczytuje się dla czasu t z charakterystyk wytrzymałości ograniczników na przepięcia dorywcze (TOV, z ang. mtemporary overvoltage), określanych przez producentów. Dokładna analiza przepięć dorywczych w miejscu zainstalowania ograniczników może również wskazać na konieczność doboru urządzeń o wyższych wartościach Uc i Ur.

Ograniczniki przepięć o napięciu trwałej pracy niższym od wartości przepięć dorywczych likwidowanych w określonym krótkim czasie można zastosować dzięki możliwości zakumulowania pewnej porcji energii
w ograniczniku. Jeżeli energia dopuszczalna przez producenta (określona pośrednio przez charakterystyki TOV) nie zostanie przekroczona, nie wpłynie to negatywnie na jego trwałość i dalszą eksploatację.

Napięcia trwałej pracy i znamionowego nie wolno mylić. Uc wynika z napięcia długotrwale występującego na zaciskach ogranicznika, natomiast Ur jest najwyższą dopuszczalną wartością napięcia (skuteczną) częstotliwości sieciowej, używaną podczas próby działania ogranicznika przez 10 s (odwzorowuje ona warunki przepięcia dorywczego, a zatem napięcie znamionowe powinno się odnosić jedynie do spodziewanych wartości przepięć dorywczych w miejscu zainstalowania ogranicznika).

Patrz też: Jakość dostawy energii elektrycznej. Od czego zależy jakość energii elektrycznej?

Kolejnym parametrem istotnym z punktu widzenia jego doboru jest znamionowy prąd wyładowczy In. Jest to wartość szczytowa udaru prądowego o kształcie 8/20 (czas trwania czoła udaru równy 8 μs i czas do półszczytu 20 μs), stosowana do klasyfikacji ogranicznika i określania poziomu jego ochrony przy przepięciach piorunowych. Sama wartość znamionowego prądu wyładowczego jest czasami niewystarczająca do scharakteryzowania urządzenia lub jego wyboru do konkretnego użycia, dlatego wykorzystuje się inne parametry ogranicznika, związane ze znamionowym prądem wyładowczym. Jednym z nich jest klasa rozładowania linii, wybierana zwykle jako pierwsza, do której przypisany jest znamionowy prąd wyładowczy – odnoszące się do nich parametry podane są w tabeli.

Klasyfikacja ograniczników przepięć

klasa rozładowania linii - 1 2 3 4 5
In [kA] 5 10 10 10 20 20
Ihc [kA] 65 100 100 100 100 100
Isw [A] - 125 i 500 125 i 500 250 i 1000 500 i 2000 500 i 2000

Według PN-EN 60099-5:2014 „Ograniczniki przepięć. Część 5: Zalecenia wyboru i stosowania” ograniczniki chroniące aparaturę stacyjną wysokiego napięcia powinny charakteryzować się co najmniej 2. klasą rozładowania linii. Operator krajowego systemu przesyłowego wymaga, aby w sieciach od 110 do 400 kV miały klasę 3. lub 4.

W sieciach SN mogą być używane ograniczniki o klasie rozładowania 1 lub o znamionowym prądzie wyładowczym 5 kA. Jedynie w specjalnych zastosowaniach, takich jak ochrona maszyn wirujących, linii kablowych lub baterii kondensatorów, mogą być wymagane ograniczniki o wyższych klasach rozładowania linii. Z reguły na wybór klasy i znamionowego prądu wyładowczego mają wpływ: ważność sieci i niezbędny stopień ochrony, liczba dołączonych linii w czasie działania ogranicznika, wytrzymałości ich izolacji i właściwości piorunowe terenu, przez które przebiegają linie połączone z dobieranym urządzeniem.

W tabeli podano również parametr Ihc, czyli wartość szczytową granicznego udaru prądowego (o kształcie 4/10 lub 2/20), który jest wykorzystywany do badania odporności stosu warystorów ogranicznika na ekstremalne przypadki uderzeń pioruna (bezpośrednio w urządzenie) oraz udaru prądowego łączeniowego Isw. Urządzenia o wyższej klasie rozładowania linii są przystosowane do odprowadzania większych ładunków, stąd też do ich prób wykorzystuje się udary prądowe o większych wartościach szczytowych. Kolejnym parametrem jest znamionowy prąd zwarciowy Is, który może przepłynąć przez ogranicznik w czasie 200 ms w wyniku jego wewnętrznego uszkodzenia (kiedy sam jest przyczyną zwarcia) bez gwałtownego zniszczenia (rozerwania) obudowy lub jej zapalenia.
Przy doborze ogranicznika prąd Is powinien być zwykle skoordynowany z wartością prądu zwarcia jednofazowego w miejscu mjego zainstalowania.

Patrz też: Ochrona przepięciowa lokalnych sieci komputerowych

In oraz Isw, charakteryzujące klasę ogranicznika, są wykorzystywane do wyznaczania innych parametrów, takich jak piorunowy i łączeniowy poziom ochrony, określanych odpowiednio przy znamionowym prądzie wyładowczym oraz przy udarach prądowych łączeniowych. Są to najwyższe wartości napięć obniżonych ograniczników przy przepływie ww. prądów. Piorunowy (uwzględniający długości przewodów łączących ogranicznik z chronionym obiektem) oraz łączeniowy poziom ochrony (jeżeli wymaga się jego uwzględnienia – zgodnie z PN-EN 60071-1:2008 „Koordynacja izolacji. Definicje, zasady i reguły” jest istotny dla sieci o napięciach powyżej 245 kV) powinny być niższe niż znamionowy poziom izolacji zabezpieczanych urządzeń. Szczegółowy opis procedury doboru ograniczników ze względu na ich poziomy ochrony przedstawiony został w normie PN-EN 60099-5:2014 „Ograniczniki przepięć. Część 5: Zalecenia wyboru i stosowania”.

Każde uruchomienie ogranicznika skutkuje wydzieleniem się w nim określonej porcji energii, która jednak nie powinna powodować wzrostu temperatury warystorów ponad wartości, po przekroczeniu których mogłoby dochodzić do ich zniszczenia lub uszkodzenia innych jego elementów. Zdolność pochłaniania energii elektrycznej przez ograniczniki (podczas ich działania wydzielona energia jest praktycznie równa akumulowanej) musi być większa niż ta wytwarzana podczas likwidacji przepięć piorunowych i łączeniowych.

Energia związana z przepięciem piorunowym, wyrażona w kJ, może być oszacowana z zależności:

W = [2Uf - N · Upl · (I + In (2 · Uf / Upl))] Upl · TI / Z,

gdzie:

Upl – piorunowy poziom ochrony ogranicznika [kV],
Uf – napięcie przeskoku izolacji linii przy ujemnej biegunowości napięcia [kV],
Z – impedancja falowa linii [W],
N – liczba linii połączonych z ogranicznikiem,
Tl – zastępczy czas trwania wyładowania piorunowego, składającego się z pierwszego i kolejnych wyładowań zwrotnych – typowa wartość to 3 · 10–4 μs.

W zaleceniach IEEE Std C62.22-2009 „IEEE Guide for the application of metal-oxide surge arresters for alternating-current systems”.nie pr zedstawiono sposobu oszacowania energii związanej z wyładowaniem piorunowym, ale określono, jak ustalić wartość prądu wyładowczego. Dla ogranicznika o prądzie znamionowym wyższym od wyznaczonego, spełnione jest również kryterium zdolności do pochłaniania energii.
W przypadku operacji łączeniowych energię wyrażoną w kJ, związaną z jedną czynnością łączeniową, można oszacować według zależności (PN-EN 60099-5:2014 „Ograniczniki przepięć. Część 5: Zalecenia
wyboru i stosowania”):

W = Ups · Urp - Ups / Z · 2L/c,

gdzie:

Ups – poziom ochrony ogranicznika przy mniejszym łączeniowym udarze prądowym [kV],
Urp – poziom spodziewanych przepięć łączeniowych [kV],
L – długość linii [km],
c – prędkość światła (propagacji fali elektromagnetycznej).
W przypadku specjalnych zastosowań, np. do ochrony baterii kondensatorów, do określania energii wydzielonej w ograniczniku, należy posługiwać się normą PN-EN 60099-5:2014 „Ograniczniki przepięć. Część 5: Zalecenia wyboru i stosowania”.

Ważne!

Przy doborze ograniczników przepięć trzeba zwrócić uwagę na właściwości osłony, szczególnie gdy urządzenie ma być zainstalowane w warunkach napowietrznych. Oprócz wymaganych wytrzymywanych napięć probierczych, uzależnionych od napięcia sieci, w której ogranicznik ma być zainstalowany, należy jeszcze zwrócić uwagę na strefę zabrudzeniową, w jakiej będzie pracował.
Osłona powinna zapewniać poprawne działanie w określonych dla strefy warunkach zabrudzeniowych. Jest to istotne także dlatego, że oprócz kwestii związanych z wytrzymałością osłony w określonych warunkach zabrudzeniowych, przy zabrudzonej powierzchni zmienia się rozkład napięcia wzdłuż ogranicznika, który może spowodować powstanie wewnętrznych wyładowań niezupełnych degradujących zarówno osłonę, jak i same warystory.

Instalacja ograniczników przepięć

Dla prawidłowej pracy ograniczników nie bez znaczenia jest ich poprawna instalacja. Jeżeli nie zostaną np. zachowane właściwe odległości między poszczególnymi urządzeniami czy ogranicznikami a elementami uziemionymi lub nie zastosuje się dodatkowego osprzętu zalecanego przez producenta, w wyniku zmiany rozkładu napięcia mogą zmienić się (na ogół na niekor zyść) ich parametry zmniejszające trwałość. Miejsce zainstalowania ograniczników wpływa również na właściwości ochronne, gdyż zależą one nie tylko od parametrów samych urządzeń, ale również od długości połączeń i odległości od zabezpieczanych obiektów.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny”
Zobacz e-wydanie

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej