Ochranné vlastnosti různých typů svodičů přepětí

6.3.5.2.3

Ochranné vlastnosti různých typů svodičů přepětí

Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv

 NahoruHrotová jiskřiště

Hrotové jiskřiště je nejjednodušší přepěťové ochranné zařízení sestávající ze dvou kovových elektrod s definovanou vzdušnou vzdáleností (doskokem) a zhotovených z materiálu odolného proti zkratovým proudům. Přeskokové napětí hrotového jiskřiště s pevně nastaveným doskokem je tím vyšší, čím vyšší je strmost nárůstu přepětí (závislost přeskokového napětí na strmosti přepětí se nazývá rázová charakteristika). Při velmi strmých přepětích, např. při blízkých úderech blesku do vedení, je přeskokové napětí hrotového jiskřiště tak velké, že může dojít k průrazu vnitřní izolace chráněného zařízení. Druhou nevýhodou jiskřišť je, že nemají schopnost zhášení následného zkratového proudu a ten musí být vypnut ochranou. Zapůsobení ochranného jiskřiště tedy znamená výpadek.

 NahoruBleskojistky

Bleskojistky sestávají z jiskřišť sériově řazených s bloky nelineárních odporů SiC a paralelních hmotových odporů řídících potenciál podél bleskojistky. Zapalovací napětí vykazuje stejně jako u hrotových jiskřišť rázovou charakteristiku a při velmi strmých impulsech může být zapalovací napětí až o 30 % vyšší než při standardním atmosférickém impulsu 1,2/50. Nelineární bloky mají zhášecí funkci, tzn. že proud bleskojistkou po jejím zapálení musí zhasnout při prvním průchodu proudu 50 Hz nulou. Pokud proud v jiskřištích při prvním průchodu proudu nulou nezhasne, bloky SiC nevydrží další absorpci tepelné energie a bleskojistka exploduje. Bleskojistky vzhledem ke složité vnitřní struktuře jsou choulostivé na otřesy při přepravě. Případné proniknutí vlhkosti způsobuje korozi jiskřišť s následným snížením zapalovacího napětí a rizikem destrukce. Pro všechny uvedené nevýhody se bleskojistky s bloky SiC v sítích vn postupně nahrazují bezjiskřišťovými omezovači přepětí. Při rekonstrukcích a u nových zařízení se používají omezovače přepětí. V případě zničení jedné bleskojistky je nutno vždy nahradit celou trojici (sadu) omezovači přepětí.

 NahoruBezjiskřišťové omezovače přepětí

Bezjiskřišťové omezovače přepětí sestávají ze sloupce bloků nelineárních odporů ZnO. Bloky ZnO mají nelineární VA charakteristiku zobrazenou v semilogaritmickém grafu na obrázku 1. Napětí bloku vztažené na 1 mm jeho výšky je zde znázorněno v závislosti na proudu procházejícím 1 mm² plochy bloku v kolmém řezu. V grafu je též znázorněna též kapacitní složka proudu, která v oblasti malých proudů převažuje.

Obrázek 1 – Porovnání VA charakteristik bloku ZnO a SiC

Při provozním napětí jsou bloky ZnO zavřené a protéká jimi kapacitní proud řádu 1 mA a činná složka proudu je několik desítek mA. V grafu je znázorněna i poměrně velká závislost proudu na teplotě v oblasti malých provozních proudů. Zvyšuje-li se napětí, začne se blok (hmotový polovodič) otvírat a proud tekoucí omezovačem narůstá mnohem rychleji než přiložené napětí. Ve střední části lze nelinearitu VA charakteristiky vyjádřit vztahem mezi napětím a proudem I = AU^B, kde exponent B u kvalitních bloků je vyšší než 50, typicky B = 51. Znamená to, že zvýší-li se napětí o 20 %, proud naroste více než o 4 řády, např. ze 100 mA na 1 kA. Při proudech nad 1 kA se nelinearita otvírání bloků omezovače zmenšuje a proud již neroste tak rychle s rostoucím napětím. Největší využití omezovače k ochraně proti přepětí je ve střední části VA charakteristiky s proudy 1 A až 10 kA, kde je nelinearita největší. Nelinearita VA charakteristik (tzn. tvar křivky) je u různých typů bloků různá:

• je dána zejména vlastnostmi polovodiče ZnO. Čím je blok kvalitnější, tím větší je jeho nelinearita a tím je VA křivka plošší a blok plní lépe funkci přepěťové ochrany (různí výrobci dosahují různé hodnoty nelinearity).

• omezovače vyšší energetické třídy (s větší plochou bloků v kolmém řezu) mají plošší křivku než omezovače nižší třídy.

Ve střední a horní části charakteristiky bloky ZnO snesou pouze impulsní zátěž, protože na rozdíl od ochranných jiskřišť a bleskojistek omezovače absorbují celou energii přepětí. (Na ochranných jiskřištích po zapálení klesne napětí téměř na nulu a energie přepětí se částečně odrazí do sítě a částečně rozptýlí do země. Na bleskojistce po zapálení napětí klesne na hodnotu napětí bloků SiC a část energie pohltí bloky, část se odrazí do sítě a část se rozptýlí v zemi).

Výhodou bloků ZnO je, že reagují na přepětí téměř okamžitě a proud začne protékat v čase několik desítek ns. Pro vyšší strmosti přepětí je na omezovači stejně jako u bleskojistky vyšší napětí, ale tento nárůst je mnohem menší než u bleskojistky, tzn. že rázová charakteristika omezovače je mnohem plošší a je dána víceméně indukčností sloupce bloků.

 NahoruOmezovače přepětí s jiskřišti

Sestávají ze sériové kombinace jiskřiště a sloupce bloků ZnO. Bloky ZnO se dimenzují stejně jako u bezjiskřišťového omezovače. Po překročení určité hladiny přepětí a po sepnutí jiskřiště je funkce omezovače stejná jako funkce bezjiskřišťového omezovače. Omezovačem s jiskřištěm při provozním napětí neteče svodový proud a není namáhán dočasnými přepětími, tím se zvyšuje jeho životnost. Nevýhodou je strmější rázová charakteristika než u omezovačů bezjiskřišťových.

 NahoruZásady dimenzování omezovačů přepětí

Omezovače se dimenzují podle konkrétního umístění v síti, tzn. podle toho, zda budou chránit např. transformátor, vývod vedení nebo přechod vedení do kabelu. V každém umístění mají omezovače specifické podmínky namáhání přepětími a specifické požadavky na ochranu.

 NahoruVolba trvalého provozního napětí Uc

 NahoruVšeobecně

Trvalé provozní napětí omezovače U_c je úměrné výšce sloupce bloků stejně jako všechny ostatní napěťové parametry a celá VA charakteristika omezovače. Naopak volbou určité hodnoty napětí U_c (U_r) se volí všechny napěťové parametry včetně ochranné hladiny omezovače pro impulsní přepětí, znázorňuje to obrázek 2.

Nesprávná volba napětí U_c omezovače může mít negativní vliv na jeho funkci a tím také na spolehlivost dodávky dvojím způsobem:

• Pokud se zvolí nízké U_c, budou ochranná hladina U_res a s ní i riziko poruchy chráněného zařízení příznivě nízké. Na druhé straně ale bude vyšší riziko tepelného namáhání omezovačů dočasnými přepětími, takže pravděpodobnost jejich poruchy bude vysoká.

  
  Obrázek 2 – Vzájemná závislost parametrů omezovače přepětí

• Pokud se zvolí vysoké U_c, bude riziko poruchy omezovačů z důvodu dočasných přepětí bezvýznamné, ale vysoká ochranná hladina U_res bude znamenat vyšší pravděpodobnost zničení chráněných zařízení.

Správná volba trvalého provozního napětí U_c omezovačů by měla znamenat optimální parametry ochrany, tedy vyvážené riziko ohrožení spolehlivosti dodávky z obou příčin.

Parametry ochrany lze zlepšit:

• výběrem omezovačů s plošší VA charakteristikou (kvalitnější bloky, vyšší třída),

• připojováním omezovačů co nejblíže k chráněnému zařízené co nejkratšími propojovacími vodiči.

Při volbě trvalého provozního napětí omezovače U_c a odpovídajícího jmenovitého napětí U_r je určující tepelné namáhání omezovače při dočasných přepětích vyskytujících se během provozu a v mimořádných provozních stavech. Obecně se postupuje tak, že se nejprve vyšetří, jaká dočasná přepětí s jakou velikostí a po jakou dobu budou tepelně namáhat omezovače přepětí v daném místě sítě a zapojení. Určí se nejhorší kombinace dočasných přepětí, která se mohou vyskytnout současně nebo v krátkém časovém intervalu. Pro každou složku se určí velikost napětí a doba jeho působení na omezovač.

Tepelné účinky dočasných přepětí jsou úměrné součinu napětí, proudu procházejícího omezovačem a času. Jak bylo uvedeno, proud tekoucí omezovačem je úměrný přibližně 51. mocnině napětí. Proto tepelné účinky jsou též úměrné této mocnině. Pro každou složku dočasného přepětí se vypočte její tepelný účinek, tepelné účinky jednotlivých složek se sečtou a pro součtový tepelný účinek se vypočte takové napětí, které by tento tepelný účinek způsobilo za dobu 10 sekund (tzv. desetisekundové napětí U_10s). Výrobce udává v technické dokumentaci omezovače buď číselně přípustné U_10s pro daný omezovač, nebo graf závislosti přípustného dočasného přepětí (jako násobku U_c nebo násobku U_r) na době jeho působení, ve kterém lze tuto hodnotu nalézt. V těchto grafech jsou zakresleny zpravidla dvě závislosti: a – přípustné přepětí bez předchozí absorpce energie impulsu a b – s předcházející absorpcí energie impulsu. Příklad takového grafu je na obrázku 3. Z hlediska dočasných přepětí musí omezovač vyhovět podle závislosti b, protože dočasná přepětí mohou nastat právě po úderu blesku, jehož energii omezovač absorboval.

Obrázek 3 – Velikost přípustného dočasného přepětí U_d v závislosti na době jeho trvání t.

V distribučních sítích dochází k největšímu tepelnému namáhání omezovačů při nepřerušovaném jednofázovém zemním spojení, ale především při přerušovaném zemním spojení (PZS).

Nepřerušované zemní spojení

Nepřerušované zemní spojení znamená trvalé propojení fázového vodiče se zemí v místě poruchy (někdy označované také jako kovové spojení). Napětí na zdravých fázích dosahuje hodnoty maximálního sdruženého napětí sítě U_m.

Přerušované zemní spojení (PZS)

Při přerušovaném zemním spojení dochází k zemnímu spojení, následnému částečnému obnovování izolace a jejímu opětovnému prorážení. Zemní spojení nastává opakovaně a v krátkých časových intervalech. Při PZS vznikají přechodné napěťové složky vyšší než sdružené napětí, které namáhají tepelně omezovače po dobu trvání přerušovaného zemního spojení. Je-li přitom překročena jejich tepelná kapacita, může dojít k poruše omezovačů.

Z hlediska tepelného namáhání je velmi důležitá doba působení přerušovaného zemního spojení. Ta může být několik sekund u rychle vypínaných sítí, ale může být i několik hodin. Když není určeno jinak, omezovače se dimenzují pro nejhorší variantu jejich namáhání dočasnými přepětími, tj. pro dlouhodobě působící přerušované zemní spojení.

Ferorezonance

Ferorezonance je oscilace LC obvodu, při níž dochází k přesycování jádra magnetického obvodu indukčnosti L. V distribučních sítích s neúčinně uzemněným středem se za určitých podmínek vyskytují například ferorezonance přístrojových transformátorů napětí s kapacitou fázových vodičů proti zemi.

Při ferorezonanci…