Właśnie z tego powodu, że są to zjawiska incydentalne, najczęściej przepięcia w sieciach energetycznych nn i związane z nimi zagrożenie dla urządzeń w instalacji elektrycznej odbiorcy końcowego kojarzone są przepięciami pochodzenia atmosferycznego. Do podstawowych mechanizmów powstawania przepięć w wyniku wyładowania atmosferycznego należą [2]:
- bezpośrednie uderzenie pioruna w obwód zewnętrzny (znajdujący się na wolnym powietrzu) wywołujące duże prądy, które wytwarzają napięcia w wyniku przepływu przez rezystancję ziemi lub w wyniku przepływu przez impedancję obwodu zewnętrznego;
- pośrednie uderzenie pioruna (tzn. wyładowanie między chmurami lub w ich obrębie albo wyładowanie do pobliskich obiektów, wytwarzające pola elektromagnetyczne), które indukuje napięcia / prądy w przewodach na zewnątrz i/lub wewnątrz budynku;
- przepływ w ziemi prądu wyładowania atmosferycznego w wyniku pobliskich, bezpośrednich wyładowań doziemnych, sprzęgającego się ze wspólnymi trasami uziomowymi systemu uziemienia instalacji.
Zagrożenie dla czułych urządzeń elektronicznych mogą również stanowić łączeniowe stany przejściowe które związane są z:
- zjawiskami łączeniowymi w głównych systemach zasilania, na przykład takimi jakie występują podczas łączenia baterii kondensatorów;
- wykonywaniem łączeń o mniejszym znaczeniu blisko aparatury lub ze zmianami obciążenia w elektroenergetycznej sieci rozdzielczej;
- obwodami rezonansowymi dołączonymi do takich elementów łączeniowych jak tyrystory;
- różnymi zakłóceniami w systemie, takimi jak zwarcia i wyładowania łukowe do uziemienia instalacji.
Wygląd typowych przepięć atmosferycznych i łączeniowych pokazano na rysunku 1.
Zjawisko przepięć jako ryzyko ubezpieczeniowe jest przyjmowane do ubezpieczenia przez Towarzystwa ubezpieczeniowe [8] . Ale jak na razie jest ono różnie definiowane i nie zawsze odbywa się bezwarunkowo ze strony zakładów ubezpieczeń. Np. definicja przepięcia w ogólnych warunkach ubezpieczenia obejmuje tylko przepięcia pochodzące od wyładowań atmosferycznych. W warunkach gospodarstwa domowego producenci urządzeń i zakłady ubezpieczeń mogą wymagać ograniczników przepięć, instalacji z przewodem ochronnym, listwy przepięciowej, urządzenia chroniącego przed skokami napięcia lub jego brakiem – tzw. UPS, uzależniając od tego swoją odpowiedzialność.
W normie PN-EN50160- grudzień 2002 dotyczącej jakości energii elektrycznej można znaleźć definicję:
„Przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej między przewodami pod napięciem a ziemią.”
Przepięcie dorywcze o częstotliwości sieciowej występuje głównie w czasie trwania zwarcia z ziemią w publicznej sieci rozdzielczej lub w instalacji odbiorcy i zanika po usunięciu zwarcia. Przepięcie może zwykle osiągnąć wartość napięcia międzyprzewodowego ze względu na przesunięcie punktu neutralnego trójfazowego układu napięć.
W pewnych okolicznościach zwarcie występujące w sieci po stronie pierwotnej transformatora wytworzy w czasie, w którym przepływa prąd zwarcia, przepięcie dorywcze po stronie niskiego napięcia. Wartości skuteczne takich przepięć nie przekraczają z reguły 1,5 kV.
Dlatego patrząc na problematykę przepięć występujących w instalacji elektrycznej typowego gospodarstwa domowego, nie należy zapominać, że zagrożenie przepięciami to nie tylko przepięcia atmosferyczne, ale przepięcie może również pojawić się w samej instalacji na skutek procesów łączeniowych lub stanów awaryjnych. Towarzystwa ubezpieczeniowe coraz częściej zwracają uwagę na zagrożenia spowodowane przez przyczyny inne niż wyładowanie atmosferyczne - np. upalenie się przewodu neutralnego (zerowego), awarie w instalacji elektrycznej, próby nielegalnego podłączenia się do instalacji, naprawy „domorosłych elektryków”. [8] Warto też zwrócić uwagę na zagrożenie pożarowe wynikające z występowania niewłaściwych parametrów energii zasilającej odbiorniki elektryczne.
Problem zagrożenia dla urządzeń włączonych spowodowany przerwaniem przewodu neutralnego N został też omówiony w dokumencie IEC dotyczącym przepięć w publicznych sieciach zasilających. [6]
Dla obwodu pokazanego na rys.3. wartość napięcia jakie pojawi się na poszczególnych odbiornikach , zależy od wartości impedancji ZA i ZB odbiorników.
Zależnie od wzajemnych wartości ZA i ZB napięcie na odbiorniku UA może zmieniać od wartości bliskich zero prawie wartości napięcia UL1-L2.
Zdarza się, że uszkodzenie urządzeń elektrycznych i elektronicznych powstaje w budynkach wielorodzinnych, gdzie mamy część wspólną instalacji dla wszystkich lokali i instalację elektryczną indywidualną w każdym mieszkaniu. Jeżeli w części wspólnej instalacji nastąpi przerwa przewodu zerowego, wówczas w każdym lokalu powstanie przepięcie. W indywidualnym ubezpieczeniu mieszkania, w definicji przepięć wskazane jest zazwyczaj źródło jego powstania, trudno szukać odpowiedzialności zakładu ubezpieczeń w przypadku przepięcia, którego źródłem jest przerwa przewodu zerowego w części wspólnej instalacji, za którą odpowiedzialność ponosi ubezpieczający. W takiej sytuacji spółdzielnia / wspólnota mieszkaniowa, która jest ubezpieczającym, może ubezpieczyć na zasadzie dodatkowej klauzuli ryzyko przepięć, ale jako ubezpieczenie odpowiedzialności cywilnej spółdzielni / wspólnoty mieszkaniowej względem jej członków. [8]
Czy stosowane w instalacji elektrycznej ograniczniki przepięć są w stanie zapobiec uszkodzeniu sprzętu w wyniku przepięć o częstotliwości sieciowej? W normie PN-EN 60364-5-534:2012
zawarto zapisy dotyczące wyboru SPD ze względu na przepięcia dorywcze (TOV). Zgodnie z nim SPD, wykonane zgodnie z wymaganiami normy EN 61643-11 oraz zainstalowane zgodnie z instrukcjami wytwórców, powinny w stopniu akceptowalnym znosić naprężenia wynikające ze spodziewanych oddziaływań TOV. Jednocześnie w uwadze zapisano, że przerwanie przewodu neutralnego nie jest objęte niniejszymi wymaganiami normy na badanie SPD, ale oczekuje się, że SPD ulegną uszkodzeniu w sposób nie stwarzający zagrożenia.
Dlatego eliminację tego typu zagrożeń można zrealizować stosując w instalacji elektrycznej specjalne urządzenia zapewniające ochronę przed przepięciami o częstotliwości sieciowej. Wymóg stosowana tego typu zabezpieczeń jest rekomendowany lub wymagany przez niektórych dostawców energii elektrycznej w Hiszpanii. Urządzenia chroniące przed przepięciami o częstotliwości sieciowej powinny spełniać wymagania normy europejskiej PN-EN 50550:2011.
Jeżeli napięcie zasilania ( o częstotliwości sieciowej) przekroczy określoną wartość, urządzenie POP (Power frequency Overvoltage Protection) rozłącza obwód w określonym czasie w celu uniknięcia uszkodzeń. W przypadku wystąpienia przesunięcia punktu neutralnego trójfazowego układu napięć (jak pokazano na rys. 4) urządzenie POP powoduje wyłączenie obwodu w czasie określonym przez zapisy normy PN- EN 50550. Wyłączenie obwodu następuje zgodnie z charakterystyką pokazaną na rys.5, chroniąc przed uszkodzeniem i zapewniając bezpieczne funkcjonowanie urządzenia.
Na polskim rynku dostępne są urządzenia firmy DEHN służące do ochrony przed przepięciami o częstotliwości sieciowej. [7]
Ograniczniki te oznaczone są jako SPD+POP+MCB i łączą w jedno urządzenie następujące moduły:
- ogranicznik przepięć typu 2 - SPD (Surge Protective Device),
- moduł wyłącznika POP (Power frequency Overvoltage Protection),
- wyłącznik nadprądowy MCB (Miniature Circuit Breaker).
Taki aparat stanowi jedną funkcjonalną całość i nie może być rozdzielany na poszczególne moduły.
Ogranicznik typu 2 (SPD) realizuje ochronę przed przepięciami łączeniowymi (przepięcia przejściowe o krótkim czasie trwania ) i zapewnia napięciowy poziom ochrony < 1,5 kV.
Moduł POP zapewnia wyłącznie obwodu w czasie zgodnym z tabelą pokazaną na rys. 5. Z modułem POP sprzężony jest wyłącznik naprądowy posiadający charakterystykę C
Aparat SPD+POP+MCB występuje w dwóch wersjach do instalacji:
- jednofazowej – wyposażony w dwubiegunowy wyłącznik MCB o charakterystyce C25, C32, C40,
- trójfazowej – wyposażony w czterobiegunowy wyłącznik MCB o charakterystyce C25, C32, C40, C63.
Podstawowe dane techniczne aparatów zestawiono w tablicach poniżej.
Tab. 1. Podstawowe dane techniczne urządzenia SPD+POP 2 255 C... jednofazowego
Tab. 2. Podstawowe dane techniczne urządzenia SPD+POP 4 255 C... trójfazowego
Aparat SPD+POP+MCB stanowi idealną kombinację zabezpieczenia przepięciowego w postaci SPD typu 2, elementu ochrony przed przepięciami o częstotliwości sieciowej oraz zabezpieczenia nadprądowego. Aparat oferuje on użytkownikom wielorakie zalety, wymieniając chociażby mniejsze zapotrzebowanie na miejsce i łatwość montażu.
Więcej informacji na temat aparatów SPD+POP+MCB znajdujących się w ofercie handlowej firmy DEHN można znaleźć na stronie www.dehn.pl.
Bibliografia:
[1] Hanzelka Z., Jakość dostawy energii elektrycznej. Zaburzenia wartości skutecznej
napięcia. Wydawnictwa AGH Kraków 2013
[2] PN-EN 6100-4-5:1998 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Metody badań i pomiarów. Badania odporności na udary
[3] Biuletyn techniczny Power Quality nr 1, “Understanding Power Quality”, University of Wollongong, czerwiec 1998
[4] PN-EN 50160 grudzień 2002, „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach
rozdzielczych
[5] Schneider Electric, Electrical installation guide 2008 – part J: Protection against voltage surges in LV
[6] TECHNICAL REPORT IEC TR 61000-2-14:2006-12. Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 2-14: Environment – Overvoltages on public electricity distribution networks
[7] DS 310 „Ochrona przed przepięciami o częstotliwości sieciowej” – druk dostępny na stronie www.dehn.pl
[8] Hanusiak J., Przepięcia w gospodarstwie domowym, Bankier.pl, 28.06.2008
[9] PN-EN 50550 maj 2011, „Urządzenia zabezpieczające przed przepięciami o częstotliwości sieciowej dla sprzętu do użytku domowego i podobnego”
Rysunki:
Rys. 1. Wygląd typowych przepięć występujących w instalacjach elektrycznych nn: a) przepięcie atmosferyczne, b) przepięcie łączeniowe [3]
Rys. 2. Wygląd przepięcia dorywczego o częstotliwości sieciowej [5]
Rys. 3. Zagrożenie przepięciami o częstotliwości sieciowej spowodowane przerwaniem przewodu neutralnego
Rys. 4. Wzrost napięcia na odbiornikach w poszczególnych fazach spowodowane przesunięciem punktu neutralnego
Krzysztof Wincencik, DEHN POLSKA
DEHN POLSKA sp. z o.o. we współpracy z ISE.pl ma przyjemność zaprosić użytkowników portalu na szkolenie pt. "Ochrona odgromowa i przepięciowa nowoczesnych obiektów budowlanych oraz instalacji PV". Więcej informacji...
