Parametry kvality elektrické energie, Přechodná přepětí - impulzní rušení

6.3.4.16

Parametry kvality elektrické energie, Přechodná přepětí – impulzní rušení

Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv

 NahoruVšeobecně

Tato kapitola obsahuje aktualizované ustanovení o charakteristikách vlivů přechodných přepětí, která způsobují impulzní rušení elektronických spotřebičů, telekomunikačních zařízení a řídicích systémů energetiky. Cílem je vytvořit návod na utváření praxe, která by zajistila přijatelnou kvalitu dodávky energie tak, aby uvedená zařízení, pokud splňují požadavky na odolnost podle norem, nebyla nepříznivě ovlivňována..

Tato kapitola se týká charakteristik přechodných přepětí a stanovení požadavků na odolnost zařízení energetiky proti impulzům způsobeným přepětími od spínacích a atmosférických přechodných jevů a zohledňuje problematiku ochrany budov a zařízení před bleskem podle nových evropských norem řady EN 62305. Pro každý typ impulzů je v souladu se základními normami EMC uvedeno několik zkušebních úrovní týkajících se různých prostředí a podmínek instalace ohrožených zařízení.

Předmětem této kapitoly je vytvoření všeobecného podkladu pro vyhodnocování funkce zařízení, je-li vystaveno rušením impulzního charakteru vyskytujícím se na síťových a propojovacích přívodech.

Záměrem není hodnocení izolační pevnosti a odolnosti namáhání vysokým napětím síťového kmitočtu. V této kapitole není rovněž uvažován přímý úder blesku.

 NahoruCitované normy

ČSN IEC 50 (161) (33 4201) Mezinárodní elektrotechnický slovník – Kapitola 161: Elektromagnetická kompatibilita (idt IEC 50(161):1990)

ČSN EN 60071-1 (33 0419) Elektrotechnické předpisy – Koordinace izolace – Část 1: Definice, principy a pravidla

ČSN EN 60071-2 (33 0419) Elektrotechnické předpisy – Koordinace izolace – Část 2: Pravidla pro použití

ČSN EN 50160 Charakteristiky napětí elektrické energie dodávané z veřejné distribuční soustavy (idt EN 50160 :1999)

ČSN EN 61000-4-1 , ed. 2 (33 3432) Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 4-1: Zkušební a měřicí technika – Přehled o souboru IEC 61000-4

ČSN EN 61000-4-4 (33 3432) Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 4-4: Zkušební a měřicí techniky – Rychlé elektrické přechodné děje/skupiny impulzů – Zkouška odolnosti

ČSN EN 61000-4-5 (33 3432) Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 4-5: Zkušební a měřicí technika – Rázový impulz – Zkouška odolnosti

ČSN EN 61000-4-12 (33 3432) Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 4-12: Zkušební a měřicí techniky – Tlumená sinusová vlna – Zkouška odolnosti

ČSN EN 61000-4-18 (33 3432) Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 4-18: Zkušební a měřicí techniky – Tlumená oscilační vlna – Zkouška odolnosti (Připravuje se)

IEC 61000-5-1 Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 5: Směrnice o instalacích a zmírňování vlivů – Oddíl 1: Všeobecné úvahy (do ČSN zatím nezavedena)

ČSN EN 61000-5-5 (33 3432) Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 5: Směrnice o instalacích a zmírňování vlivů – Oddíl 5: Specifikace ochranných prvků pro rušení HEMP šířené vedením – Základní norma EMC

ČSN EN 62305-1 (34 1390) Ochrana před bleskem – Část 1: Obecné principy

ČSN EN 62305-2 (34 1390) Ochrana před bleskem – Část 2: Řízení rizika

ČSN EN 62305-3 (34 1390) Ochrana před bleskem – Část 3: Hmotné škody na stavbách a nebezpečí života

ČSN EN 62305-4 (34 1390) Ochrana před bleskem – Část 4: Elektrické a elektronické systémy ve stavbách

ČSN IEC 1000-2-3 (33 3431) Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 2: Prostředí – Oddíl 3: Popis prostředí vyzařovaných jevů a jevů šířených vedením nevztahujícím se k síťovému kmitočtu

ČSN IEC 816 (33 3445) Směrnice o metodách měření krátkodobých přechodných jevů na vedeních nízkého napětí a na signálních vedeních

ČSN EN 61000-4-30 (33 3432) Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 4-30: Zkušební a měřicí technika – Metody měření kvality energie (idt EN 61000-4-30:2003, idt IEC 61000-4-30:2003 )

IEC 61000-4-33 Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 4-33: Zkušební a měřicí technika – Metody měření parametrů přechodných jevů velkého výkonu (do ČSN nezavedena)

 NahoruDefinice

Pro účely této kapitoly se používají následující definice (viz též ČSN IEC 50(161) ).

dočasné přepětí (temporary overvoltage): přepětí síťového kmitočtu s relativně dlouhou dobou trvání [ ČSN 33 0050-604 Změna Z1, čl. 604-03-12]

POZNÁMKA Dočasná přepětí vznikají obvykle při spínání nebo při poruchách (např. náhlé odpojení zátěží, z jednofázové poruchy) nebo v důsledku nelinearit (ferorezonance, harmonická rezonance).

přechodné přepětí (transient overvoltage): krátkodobé přepětí, oscilační nebo neoscilační, obvykle silně tlumené, netrvající déle než několik milisekund [ ČSN 33 0050-604 Změna Z1, čl. 604-03-13]

spínací přepětí (v síti) (switching overvoltage): přechodné přepětí, jehož tvar může být pro účely koordinace izolace pokládán za podobný normalizovanému spínacímu napěťovému impulzu [ ČSN 33 0050-604 , čl. 604-03-29]

atmosférické přepětí (lightning overvoltage): přechodné přepětí, jehož tvar může být pro účely koordinace izolace pokládán za podobný normalizovanému atmosférickému impulzu [ ČSN 33 0050-604 , čl. 604-03-30]

vnitřní přepětí (internal overvoltage): dočasné nebo přechodné přepětí v síti vyplývající ze spínání nebo poruch v této síti [ ČSN 33 0050-604 , čl. 604-03-31]

vnější přepětí (external overvoltage): dočasné nebo přechodné přepětí vyskytující se v síti a vyplývající z atmosférických výbojů nebo indukčního jevu [ ČSN 33 0050-604 , čl. 604-03-32]

rezonanční přepětí (resonant overvoltage): přepětí vyvolané rezonančním kmitáním vzniklým v síti [ ČSN 33 0050-604 , čl. 604-03-36]

bleskojistka; svodič přepětí (lightning arrester; surge diverter; surge arrester): prvek určený k ochraně elektrických přístrojů před vysokými přechodnými přepětími a pro omezení doby trvání a často i velikosti následného proudu [ ČSN 33 0050-604 , čl. 604-03-51]

rázový impulz (surge): přechodná vlna elektrického proudu, napětí nebo výkonu, která se šíří podél vedení nebo obvodu a která je charakterizována rychlým růstem a pomalejším poklesem [IEV 161-08-11 modifikováno] [ČSN EN 61000-4-5, čl. 4.13]

přechodný jev (transient): výraz pro jev nebo veličinu, které se mění mezi dvěma následnými stabilními stavy během časového intervalu, jenž je krátký ve srovnání s celým uvažovaným časovým obdobím [ ČSN IEC 50(161) , čl. 161-02-01]

skupina impulzů (burst): posloupnost omezeného počtu jednotlivých impulzů nebo oscilací s omezeným trváním [ ČSN IEC 50(161) , čl. 161-02-07]

doba náběhu (impulzu) (rise time (of a pulse)): časový interval mezi okamžiky, kdy okamžitá hodnota impulzu nejprve dosáhne zadanou spodní a potom zadanou horní úroveň [ ČSN IEC 50(161) , čl. 161-02-05]

doba čela normalizovaného atmosférického impulzu (virtual front duration of a lightning impulse): smluvně určená doba trvání nahrazující skutečné čelo normalizovaného atmosférického impulzu úsečkou, která prochází dvěma definovanými body tohoto čela [ ČSN 33 0050-604 , čl. 604-03-19]

doba čela spínacího impulzu (impuls time to crest of a switching impulse): časový úsek mezi skutečným počátkem spínacího impulzu a jeho maximem [ ČSN 33 0050-604 , čl. 604-03-21]

doba půltýlu (impulzu) (time to half value (of an impulse)): časový úsek mezi počátkem impulzního napětí a okamžikem v týlu, kdy napětí pokleslo na polovinu maximální hodnoty [ ČSN 33 0050-604 , čl. 604-03-22]

náběžná doba – rázový impulz napětí rázového impulzu (front time – surge voltage): náběžná doba T₁ rázového impulzu napětí je virtuální parametr definovaný jako 1,67 násobek intervalu T mezi okamžiky, kdy impulz má 30 % a 90 % vrcholové hodnoty (viz obrázek 7) [ČSN EN 61000-4-5, čl. 4.6]

náběžná doba – proudu rázového impulzu (front time – surge current) náběžná doba T1 proudu rázového impulzu je virtuální parametr definovaný jako 1,25násobek intervalu T mezi okamžiky, kdy impulz dosahuje 10 % a 90 % vrcholové hodnoty [ČSN EN 61000-4-5, čl. 3.11]

prostředek pro ochranu proti rázovému impulzu (SPD) (surge protection device (SPD)): prostředek pro potlačení přepětí a proudů šířených vedením

měřicí řetězec (measurement chain) jeden nebo více elektrických přístrojů navzájem spojených za účelem měření a záznamu elektromagnetického signálu

 NahoruCharakteristiky přechodných přepětí

Přechodná přepětí mohou být tříděna podle jejich původu:

1. způsobená atmosférickými vlivy, například bleskem;

2. způsobená elektrickým spínáním nebo poruchami.

 NahoruPřechodná přepětí způsobená atmosférickými vlivy

Tyto jevy vznikají úderem blesku. Nejvíce se projevují na venkovních vedeních a na úsecích nestíněných kabelů. V místech nejbližších k místu, kde přechodný jev vznikl, může být doba náběhu velmi krátká a amplituda velká. Při šíření přechodného jevu podél vedení se může doba náběhu a poklesu výrazně prodloužit, amplituda se může zmenšit. Typické hodnoty těchto přechodných jevů jsou mikrosekundy pro doby náběhu a 50 μs až 50 ms pro doby poklesu. U stíněných kabelů a kabelů uložených v místech s nízkým odporem půdy se účinky na vnitřní vodiče redukují. Tato přepětí mohou být jak jednosměrné impulzy (rázový impulz), tak i impulzy oscilačního charakteru.

Přechodné jevy jsou bleskem způsobeny jak přímo tak i nepřímo (při následných spínacích operacích). Byla provedena měření a výpočty účinků blesku tak, aby byla získána data o tom, jaké úrovně mohou být očekávány, i když přesný mechanismus pro jakoukoliv konkrétní řadu impulzů není znám (viz ČSN IEC 1000-2-3).

Četnost výskytu přechodných jevů se mění do značné míry v závislosti na konkrétní síti. Předpověď pro konkrétní síť je vždycky obtížná a mnohdy nemožná. Četnost je vztažena k úrovni řady impulzů; nízkoúrovňové řady impulzů jsou převládající nad vysokoúrovňovými řadami impulzů.

Je podstatné rozlišovat, že řady impulzů napětí pozorované v síti mohou být buď budícím napětím nebo napětím omezeným nějakou přeskokovou vzdáleností v síti. Termínem "nechráněný obvod“ se rozumí, že se jedná o obvod, v kterém nebyl instalován žádný ochranný prvek, ale v kterém přeskoková vzdálenost případně omezí maximální napětí.

Rozložení úrovní řady impulzů je proto ovlivněno jednak mechanismem generujícím řadu impulzů a jednak úrovní přeskokových vzdáleností v síti. Toto rozlišení mezi skutečným budícím napětím a napětím omezeným přeskokem je zejména důležité na rozhraní mezi venkovními a vnitřními zařízeními. Venkovní zařízení má obecně větší vzdálenosti, a proto i větší přeskokové úrovně: typicky 10 kV, ale možných je až 20 kV. Na rozdíl od toho většina vnitřních instalací v sítích nn má přeskokové úrovně asi 6 kV; tato úroveň 6 kV může být proto vybrána jako mezní pro výskyt řad impulzů ve vnitřních rozvodných sítích.

 NahoruMechanismy, kterými blesk vytváří impulzy napětí

Většina mechanismů, kterými blesk vytváří rázové impulzy napětí, je podle ČSN EN 61000-4-5 následující:

1. přímý úder blesku do venkovního obvodu způsobující vysoké proudy, které buď průchodem přes zemní odpor nebo průchodem přes impedanci obvodu vytvářejí napětí;

2. nepřímý úder blesku (tj. úder mezi mraky nebo uvnitř mraků nebo úder do okolních objektů, který vytváří elektromagnetická pole), který indukuje napětí/proudy na vodičích vně a/nebo uvnitř budovy (viz obrázek 1);

3. průchod zemního proudu blesku, který je výsledkem spojení přímého zemního výboje se společnou zemní cestou uzemňovacího systému instalace (viz obrázek 1).

Při funkci ochrany se může vyskytnout rychlá změna napětí a průchod proudu, které mohou mít vazbu na interní obvody.

Pro venkovní vedení typickým reprezentantem bleskem způsobeného tvaru vlny je jednosměrný rázový impulz s náběžnou dobou asi 1 mikrosekunda a dobou trvání až desítky mikrosekund (odpovídající normalizovaný impulz 1,2/50 μs). Proudová vlna vyvolaná touto napěťovou vlnou aplikovanou na nelineární přepěťový ochranný prvek je typicky 8/20 s (a je nazývána "hybridní“ nebo "kombinovanou“ jednosměrnou vlnou).

Typickým reprezentantem tvaru vlny pro přechodné jevy vyskytující se na vnitřních nízkonapěťových vedeních je tlumená oscilační vlna, i když původní vlna blesku je jednosměrná. Uvnitř budovy je počáteční rušení modifikováno přirozenými oscilacemi prvků obvodu a vícenásobnými odrazy. V závislosti na rozměrech obvodu je kmitočet oscilací v rozsahu od asi 5 kHz až asi do 500 kHz, s počáteční náběžnou dobou zlomek mikrosekundy.

Na předávacím místě distribuční soustavy do budovy by reprezentativní popis přechodného jevu měl zahrnovat jak tlumenou oscilační vlnu, tak i kombinovanou jednosměrnou vlnu. Druhotný jev způsobený přeskokem v síti se může vyskytnout a může hlavně modifikovat náběžnou dobu a v menším rozsahu i trvání.

Obvody vystavené nepřímému účinku blesku (induktivní vazbou mezi vedeními) jsou hlavně ovlivněny strmostí náběhu primárního impulzu. Vazební mechanismus, počínaje jeho původním kmitočtovým spektrem, dává vznik oscilacím, jejichž charakteristiky závisí na impedanci uzemňovacích obvodů, na kovových konstrukcích podílejících se na vedení proudu blesku a dále na šíření po příslušném vedení nízkého napětí. Typickým oscilačním impulzem tohoto typu je tlumená sinusová vlna.

Četnost opakování tohoto přechodného jevu je přímo závislá na četnosti výskytu primárního jevu; je četnější, kdykoliv je primární příčinou spínání zatížení ovládacích vedení a méně časté v případě poruch a blesku; výskyt může být v rozsahu od 1/s do 1/měsíc nebo 1/rok.

Doba náběhu a doba trvání přepěťové vlny závisí na prostředí a cestě šíření.

Šíření čelní vlny po vedeních je vždy vystaveno odrazům způsobeným nepřizpůsobeními impedance. Tyto odrazy vytvářejí oscilace, jejichž kmitočet je vztažen k rychlosti šíření. Parazitní parametry (rozptylové kapacity motorů, vinutí transformátorů atd.) jsou dalšími podmiňujícími parametry.

Strmosti náběhu se zpomalují vlivem charakteristik propustnosti vyšších kmitočtů vedením, po němž probíhá šíření přepěťové vlny; tato alternativa je závažnější pro kratší doby náběhu (řádově 10 ns) a méně závažná pro hodnoty náběžných dob v rozsahu zlomku ms.

Přechodná přepětí způsobená elektrickým spínáním nebo poruchami

Přechodná přepětí způsobená elektrickým spínáním nebo poruchami vznikají ze tří základních příčin:

1. funkcí mechanického nebo polovodičového spínače;

2. zapnutím proudu závislého na sycení transformátorů se železným jádrem nebo záběrovým proudem motorů;

3. poruchou v zařízení.

Přechodné jevy způsobené sepnutím nebo poruchou se mohou projevovat jak jednoduchým přepětím nebo poklesem napětí, tak velmi složitými tvary vln způsobenými opakovaným zhasínáním oblouku při vzdalování se mechanických kontaktů od sebe. Nejzávažnější přechodné jevy vznikají obvykle jako důsledek přerušení obvodu s induktivní zátěží, např. vypnutím pojistky. V mnoha případech lze použitím speciálních metod, jako překlenutím kontaktů kondenzátory, snížit amplitudy přechodných jevů. Jindy může být dosaženo potlačení užitím polovodičových zařízení. Přechodné jevy mohou mít doby náběhu řádu několika nanosekund v bezprostřední blízkosti spínače, což jsou zlomky metru. Ve vzdálenosti několika metrů od spínače však budou doby náběhu výrazně prodloužené vlivem útlumu vedení pro vyšší kmitočtové složky. Zapínání transformátorů generuje přechodné jevy, které mohou být řádově několikanásobkem špičkového síťového napětí, mají však doby náběhu řádu desítek mikrosekund (viz ČSN IEC 816).

 NahoruSpínání v distribuční soustavě

Pro objasnění charakteru impulzního rušení při spínání je účelné nejprve vysvětlit používané termíny. Předpokládejme, že uvažované časové období uvedené v definici je doba trvání spínacího procesu. Je-li spínán nezatížený obvod, potom během uvažovaného časového období dochází v každé půlperiodě síťového napětí ke vzniku skupiny impulzů uvedených v definici. Přitom skupina impulzů je posloupnost omezeného počtu jednotlivých impulzů nebo oscilací, které se souhrnně nazývají přechodné jevy. Je-li spínán zatížený obvod, potom během spínacího procesu dochází k hoření oblouku, které prostřednictvím ionizovaných plynů zajišťuje vodivé spojení mezi kontakty a útlum impulzního rušení.

Termíny kmitočet, četnost a opakovací kmitočet byly použity pro rozlišení následujících jevů takto:

• kmitočet oscilací přechodného jevu

• četnost opakování impulzů ve skupině impulzů

• opakovací kmitočet skupin impulzů je dvojnásobkem kmitočtu sítě

 NahoruZapínání distribučních vedení

Zapínání distribučních vedení spínacími přístroji způsobuje přechodné jevy se strmou náběžnou vlnou s dobou náběhu řádově od desítek nanosekund do několika mikrosekund. Přesná hodnota a polarita odpovídá okamžiku v cyklu, v kterém se vyskytne sepnutí. V případě, že nejsou předem vloženy odpory, může amplituda přechodného jevu dosáhnout špičkové hodnoty fázového napětí v síti. Kdykoliv proběhne sepnutí vedení bez zatížení, může největší amplituda na konci vedení dosáhnout dvojnásobku špičkové hodnoty fázového napětí.

Vlivem šíření a odrazy přepěťových vln na vedení je první přechodný jev následován, s časovým odstupem závislým na vzdálenosti bodů impedančního nepřizpůsobení, dalšími nižší amplitudy. Tyto přechodné jevy tvoří skupinu impulzů. Přitom každý impulz může mít tlumený oscilační tvar vlny. Na vyhlazování náběhu vlny má značný vliv skinefekt. Jestliže se nevyskytne porucha izolace vedení, odvozená napětí nikdy nepřekročí rychlost náběhu prvního napěťového přechodného jevu.

 NahoruSpínání transformátorů a reaktorů

Spínání výkonových transformátorů a reaktorů způsobuje přepětí vlivem rozptylové kapacity vysokonapěťových složek, která je řádově nanofarady. Amplituda vzniklých přepětí může být dostatečná k tomu, aby způsobila zafungování pojistek proti přepětí a výsledná oscilace může mít kmitočtový rozsah od 100 Hz do několika kHz. Funkce ochrany proti přepětí způsobuje velké přechodné proudy ve vysokonapěťových obvodech a v uzemňovací síti (špičková hodnota desítky kA s rychlostí náběhu až desítky kA za mikrosekundu).

 NahoruSpínání vedení

Spínání vedení způsobuje strmé přechodné náběžné vlny s náběžnou dobou řádově desítky nanosekund vlivem malých kapacit v blízkosti zdroje (ve srovnání s vypínačem obvodu). Přechodné jevy šířené na přípojnicích VN a VVN jsou vyhlazovány kapacitami konstrukcí (izolátorové podpěry atd.) a vysokonapěťových zařízení (kapacitní transformátory napětí, proudové transformátory atd.). Mohou však také vzniknout tlumené oscilace. Kmitočet oscilace závisí na indukčnosti připojených vysokonapěťových obvodů (délka přípojnice) a na kapacitách přípojnice, transformátorů napětí a ostatních prvků a kmitočtové rozsahy jsou od 100 kHz do několika MHz.

Impulzní rušení generované během spínání má typicky opakující se charakter po dobu řádově sekund, přičemž trvání každé elementární oscilace nepřekročí 100 s. Četnost opakování impulzů ve skupině impulzů je proměnná a je funkcí vzdálenosti mezi kontakty. Skupiny impulzů se opakují v každé půlperiodě síťového napětí. Opakovací kmitočet skupin impulzů je dvojnásobkem kmitočtu sítě a amplituda může dosáhnout dvojnásobku špičkové hodnoty fázového napětí distribuční soustavy.

Pro spínání ve venkovních rozvodnách VVN/VN je reprezentativním typem impulzu tlumená oscilační vlna.

Spínání určitých prvků distribuční soustavy (transformátorů, kondenzátorů atd.) může způsobit skokový pokles napětí až na 60 % jmenovitého napětí trvající několik desítek milisekund. Přechodné jevy napětí mají obvykle původ ve funkcích jako jsou přetavení pojistky, funkce vypínače nebo funkce stykačů motorů domácích elektrických spotřebičů, atd.

Důležitým parametrem pro popis přechodného jevu je rychlost náběhu napětí, která je závislá na vzdálenosti zdroje přechodného jevu. Špičky, které jsou způsobeny v nízkonapěťové instalaci odběratele, mají někdy vliv na straně vysokého napětí a ovlivňují hlavně sousední distribuční soustavy nízkého napětí napájené ze stejného transformátoru.

 NahoruSpínání kapacitní zátěže

Největší rušení jsou způsobena spínáním kapacitních zatížení a vypínáním induktivních zatížení.

1. Spínání kapacitní zátěže
   Spínání kapacitní zátěže, např. zářivek s kondenzátorovou kompenzací, způsobuje v distribuční soustavě krátkou proudovou špičku. Průběh síťového napětí se odchyluje od sinusovky a následkem je tlumená oscilace. Špičkové napětí způsobeného přechodného jevu může dosáhnout dvojnásobku špičkové hodnoty síťového napětí. Kmitočet oscilace je typicky mezi 5 kHz a 10 kHz. V některých případech se mohou vyskytnout i vyšší kmitočty.

    NahoruSpínání induktivní zátěže

2. Spínání induktivních zatížení
   Opětný průraz mezi kontakty spínače vedení způsobuje opakovaná dočasná přepětí s velmi krátkou dobou náběhu a trváním, např. náběžná doba < 1 ns a trvání 10 ns.

Přechodný jev při spínání, všeobecně nazývaný jako rychlý přechodný jev, může být celkově popsán jednak trváním skupiny impulzů, určeným hlavně energií akumulovanou v indukčnosti před sepnutím, a dále četností opakování jednotlivých přechodných jevů a proměnnou amplitudou přechodných jevů tvořících skupinu impulzů. Tato amplituda je určena hlavně mechanickými a elektrickými charakteristikami spínacích kontaktů (rychlost kontaktů při rozpínání, napěťová pevnost kontaktů při jejich rozepnutí).

Je třeba vzít na vědomí, že špičková napětí překračující 5 kV mohou být v blízkosti zdroje s četností opakování impulzů každých 15 s. Lze očekávat, že typická napětí na straně vedení mohou dosáhnout 2,5 kV. Jak se vzdálenost od zdroje zvětšuje, tvar vlny je modifikován ztrátami šíření, rozptylem a odrazy způsobenými zkreslením na připojených zatíženích.

 NahoruSpínací přepětí

Vnitřní přepětí mohou nastat z různých důvodů. Jedním možným případem je zkrat způsobený výbojem blesku, který často vede k dočasným a spínacím přepětím. Z tohoto důvodu je oprávněné zvažovat ochranu proti vnitřním přepětím.

Ve většině případů jsou spínací přepětí méně škodlivá než přepětí atmosférická a prostředky ochrany (jmenovitě SPD) účinné pro ochranu před výboji blesku účinně chrání také před spínacím přepětím. Proto rozhodnutí o ochraně zařízení před údery blesku postihuje obecně i otázku potřeby ochrany před spínacími přepětími.

Je-li analýza spínacích přepětí vhodná, je postup ocenění rizika velmi blízký postupu používanému v případě rázových vln indukovaných bleskem do vedení, protože účinky na zařízení jsou velmi podobné. Je však rozdíl týkající se počtu N_S přepětí za rok.

 NahoruOpakovaná spínací přepětí

Spínací přepětí mohou být rozdělena na dva druhy:

• Opakovaná přepětí (činnost vypínačů, spínání baterií kondenzátorů, atd.). Toto nastává poměrně často z důvodů běžného rozhodnutí lidí nebo častěji z důvodu automatické funkce zařízení. Četnost výskytu je v rozmezí od jednoho nebo dvou za den do mnoha výskytů za den, například v případě strojů na obloukové sváření. Četnost výskytu a velikost těchto přepětí (a jejich účinku na elektrická zařízení) jsou obecně dobře známé. Analýza rizika často není pro rozhodnutí o potřebě ochrany zařízení v takových případech užitečná.

 NahoruNáhodná přepětí

• Náhodná přepětí (například činnost vypínačů nebo pojistek při vypínání poruchy). V tomto případě je podle definice jejich četnost neznámá a jejich amplituda a účinek na elektrické zařízení mohou být také neznámé. V tomto případě může analýza rizika pomoci při rozhodnutí o ochraně před touto příčinou poškození.

Velikost spínacích přepětí může být stanovena pouze podrobnými měřeními v určitých elektrických instalacích a statistickým zpracováním dat. Obecně četnost výskytu spínacích přepětí klesá s jejich velikostí a splňuje zákon třetí mocniny (pravděpodobnost je nepřímo úměrná třetí mocnině velikosti přepětí).

V sítích nízkého napětí se předpokládá, že spínací přepětí jsou nižší než 4 kV a pouze 2 z 1 000 mají amplitudu přesahující 2,5 kV. Na základě celkového odhadnutého nebo změřeného počtu spínacích přepětí, která mohou nastat za rok (n_S), můžeme odvodit celkový počet N_S za rok, která jsou větší než 2,5 kV (ale nižší než 4 kV) podle následující rovnice:

N_S = 0,002 × n_S

Pravděpodobnost poškození P a následné ztráty L jsou stejné jako ty při přepětích indukovaných bleskem.

 NahoruParametry přechodných přepětí

Parametry přechodných přepětí jsou definovány v části terminologie. V normě ČSN IEC 816 jsou uvedeny následující charakteristické parametry.

1. Doba náběhu
   Doba náběhu charakterizuje přechodný jev v jeho amplitudově – spektrálním vztahu (viz rozvoj do Fourierových řad). Čím kratší je doba náběhu, tím rozsáhlejší jsou rušivé účinky ve spektrální oblasti. Kromě jiného, běžně je riziko zhoršení činnosti zařízení citlivého na rušení závislé na šířce pásma. Uvádí se, že v praxi vztah doba náběhu/amplituda ukazuje, že 5 % rušení má významné složky kolem 10 MHz a pouze 1 % nad 30 MHz. (I velmi nízké hladiny v pásmu VHF však mohou rušit rozhlasový příjem.)

2. Amplituda
   Amplituda je obzvlášť významná pro dlouhé přechodné jevy (například > 1 μs). Může to být nejdůležitější veličina ve vztahu ke zhoršení vlastností nebo destrukci polovodičových zařízení.

3. Energie
   Energie přechodného jevu, ačkoliv se vztahuje k amplitudě, je také závislá na vnitřní impedanci zdroje rušení a je důležitou veličinou s ohledem na destrukci součástek.

4. Doba trvání
   Důležitost této veličiny závisí na časové konstantě uvažovaného citlivého zařízení. U logických systémů může být zvýšená pravděpodobnost překlopení obvodů řízených synchronizačními hodinami.

5. Kmitočtový rozsah
   Jak je uvedeno v odstavci a), spektrum rušení nemusí být významné nad 10 MHz až 30 MHz (maximum).

6. Četnost opakování impulzů ve skupině impulzů
   Znalost četnosti opakování impulzů je obecně důležitá pro odhad rušivých účinků přechodných jevů. U analogových systémů důležitost závisí na časové konstantě citlivého zařízení a může zahrnovat integrační fenomén. U logických systémů může být riziko poruchy podstatně větší, je-li přechodný jev a řídicí signál ve fázi.

 NahoruVýskyt parametrů přechodných přepětí

S ohledem na závislost parametrů přechodných přepětí na příliš velkém množství okolností není možné jejich úrovně generalizovat, a proto se jejich úrovně také v normách neuvádějí. V EN 50160 je pouze uvedeno, že přechodná přepětí nebudou všeobecně překračovat 6 kV špičkových, náhodně se však vyskytují vyšší hodnoty. Doby náběhu pokrývají široké pásmo od milisekund až po nejkratší méně než mikrosekundu.

 NahoruMěření přechodných přepětí a proudů

Přechodné jevy se mohou vyskytnout ve všech střídavých napájecích soustavách. Tradičně byly charakterizovány jako "Přechodná přepětí“; v mnoha případech však přechodné proudy mohou být důležitější.

Norma IEC 61000-4-33 poskytuje základní popis metod a prostředků (např. přístrojové vybavení) pro měření odezev na parametry elektromagnetických jevů velkého výkonu. Tyto odezvy mohou zahrnovat: elektrická (E) a/nebo magnetická (H) pole (např. dopadající pole nebo dopadající plus rozptýlená pole uvnitř zkoušené soustavy) a proud I (např., indukovaný přechodným polem uvnitř vedení zkoušené soustavy);

Tyto měřené veličiny jsou všeobecně komplikované časově závislé tvary vln, které je možno popsat přibližně několika skalárními parametry nebo "sledovanými veličinami“. Tyto parametry zahrnují:

• největší amplitudu odezvy,

• dobu náběhu tvaru vlny,

• dobu poklesu tvaru vlny (nebo dobu trvání),

• šířku impulzu.

 NahoruSouhrnné koncepce a požadavky na měření

Měření veličin přechodných odezev se realizuje použitím několika prvků zpracování signálů přechodných jevů spojených způsobem následujícím po sobě. Odkazuje se na ně jako na "měřicí řetězec“ (viz obrázek 1), přitom tento soubor zařízení detekuje, zpracovává, přenáší a zaznamenává měřené odezvy přechodných jevů tak, aby se po zkoušce mohly použít k analýze měřené veličiny nebo elektrického chování zkoušeného systému.

Obrázek 1 znázorňuje typický přístrojový řetězec, který se použije pro měření odezev přechodných jevů velkého výkonu (např. elektromagnetického pole od blesku).

Obrázek 1 – Znázornění typického přístrojového řetězce používajícího koaxiální kabely a optická vlákna

Kromě čidel elektromagnetického pole v oblasti výskytu blesku se mohou také použít čidla pro měření přechodného proudu tekoucího vodiči vedení v této oblasti. To se provádí měřením místního magnetického pole obklopujícího vodič a pak jeho vztažením k proudu vodiče. Základní koncepce tohoto typu čidla je znázorněna na obrázku 2 a vhodnou volbou parametrů se může vytvořit odezva přímo na proud.

V kmitočtové oblasti je indukované napětí naprázdno ve snímací smyčce dáno

kde , Ĩ (ω) je proud vodičem a M je vzájemná impedance mezi vodičem a snímací smyčkou. U tohoto typu čidla výstup je všeobecně nesymetrická zátěž 50 Ω, takže symetrizační člen není nutný.

Obrázek 2 – Zjednodušená koncepce čidla pro měření proudů ve vodiči

Kmitočtové a amplitudové charakteristiky přechodných jevů v distribučních soustavách

Přechodné jevy ve střídavých distribučních soustavách se vyskytují v širokém rozsahu tvarů vln, amplitud, a dob trvání. Je obtížné je popsat jednoduchým souborem parametrů, avšak získání jejich grafických znázornění umožňuje roztřídit je do několika typických tvarů vln podle ČSN EN 61000-4-30 , které se používají pro účely zkoušky. Obrázek 3 znázorňuje kmitočtové spektrum několika reprezentativních zkušebních tvarů vln všeobecně používaných. Tato informace je užitečná při vývoji algoritmů nezbytných pro vhodnou redukci analogových signálů do digitálních záznamů a zpracování dat těchto jevů.

Obrázek 3 – Kmitočtové spektrum typických reprezentativních zkušebních tvarů vlny přechodných jevů

Pro napětí i proud obsahují spektra společných zkušebních tvarů vlny přechodných jevů ve střídavých distribučních soustavách kmitočty, které jsou v rozsahu do přibližně 10 MHz (trvající 200 μs) s velkými amplitudami do 1 MHz (trvající 2 ms). Pro připojení uživatele na konci střídavé distribuční soustavy jsou amplitudy obvyklých zkušebních tvarů vlny v rozsahu do 6 kV a do 5 kA.

Frekvence vzorkování musí být alespoň dvojnásobkem maximálního kmitočtu ve tvaru vlny; anti-aliasing filtr musí mít odpovídající vhodné charakteristiky.

 NahoruMetody detekce a místo měření

Výsledky měření přechodného jevu závisí jak na skutečném charakteru přechodného jevu, tak i na parametrech vybraných uživatelem v souladu s možnostmi přístroje. Pokud hlavním předmětem zájmu je izolace, provádí se měření přechodného jevu všeobecně mezi fází a uzemněním. Pokud hlavním předmětem zájmu je poškození přístroje, provádí se měření přechodného jevu všeobecně mezi fázemi nebo mezi fázovým a nulovým vodičem.

Některé metody detekce a příklady aplikace zahrnují

• komparativní metodu: pokud se překročí pevná absolutní prahová hodnota, přechodný jev se detekuje, například ochranné prostředky proti rázovému impulzu (SPD) (surge protective devices), které jsou citlivé na celkové napětí;

• metodu obálky: podobně jako při komparativní metodě, avšak s odstraněnou základní složkou před analýzou, například v případech kapacitně vázaných přechodných jevů;

• metodu klouzajícího okna: okamžité hodnoty se porovnávají s odpovídajícími hodnotami předcházejícího cyklu, například nízkofrekvenční spínací přechodné jevy souvisící s kondenzátorovými bateriemi používanými pro kompenzaci účiníku;

• metodu du/dt: pokud se překročí pevná absolutní prahová hodnota d/dt, například chybným spouštěním obvodů výkonové elektroniky nebo nelineárním rozložením na vinutí indukčnosti;

• metodu efektivní hodnoty: použitím velmi rychlého vzorkování se vypočte efektivní hodnota pro intervaly mnohem menší než je perioda základní složky a porovná se s prahovou hodnotou, například pokud jsou žádoucí další výpočty, jako je rozptyl energie v SPD nebo přenos náboje;

• jiné metody včetně kmitočtově – amplitudových měření (rychlá Fourierova transformace, wavelet (vlnková) transformace atd.).

 NahoruKlasifikační metody a parametry

Byl-li přechodný jev uvedenými metodami detekován, může se klasifikovat. Některé klasifikační metody a parametry zahrnují

• vrcholové napětí a/nebo proud. Vrcholová hodnota je také ovlivněna intervalem měření;

• napětí překmitnutí;

• strmost nárůstu (du/dt nebo di/dt) čela impulzu;

• parametry kmitočtu;

• doba trvání. Tento parametr se pro tlumení, nepravidelnost tvaru vlny atd. obtížně definuje;

• tlumení;

• kmitočet výskytu;

• energie a výkon, dostupný nebo předávaný;

• nepřetržité přechodné jevy (každou periodu jako krátkodobý pokles) nebo jednorázové přechodné jevy (nepředvídatelné).

Všechny tyto číselné parametry jsou užitečné při vývoji klasifikačního systému pro statistický popis prostředí přechodného jevu.

Naproti tomu, zejména pokud se jedná o odstraňování poruch, grafické znázornění může popsat mnohé z těchto obtížně vyjádřitelných parametrů.

Účinek ochranných prostředků proti rázovému impulzu na měření přechodného jevu

Ochranné prostředky proti rázovému impulzu (SPD) jsou paralelně připojené součástky, které jsou vodivé, je-li překročeno prahové napětí. Používají se všeobecně pro omezení přechodných napětí. Je možné se s nimi setkat v modulárních prostředcích síťové filtrace a často jsou součástí citlivého elektronického přístroje, jako třeba osobního počítače.

Protože všechny SPD v obvodu distribuční soustavy jsou skutečně připojeny paralelně, bude ten s nejnižším omezovaným napětím (v rámci svých funkčních schopností) omezovat všechna přechodná přepětí na své omezovací napětí a odvede největší část přechodného proudu ovlivňujícího zařízení. V souvislosti s tím měření přechodných přepětí v mnoha prostředích – kanceláře, laboratoře, továrny atd. – je omezeno: často se jednoduše měří jenom prahová hodnota napětí jednoho z mnoha přítomných SPD.

Z tohoto důvodu je při zjišťování závažnosti přechodných jevů ve střídavé distribuční soustavě často lepší měřit přechodný proud než přechodné napětí.

Charakteristiky mechanismu vazby mezi zdroji přechodných přepětí a potenciálně citlivými zařízeními

Předpokládá se, že přechodná přepětí, o kterých je zde pojednáváno, vniknou do zařízení citlivého na rušení především vedením. Vznikají především nějakou spínací akcí na připojeném napájecím vedení. Spínání může být na jakémkoliv místě buď v blízkosti (na bezprostředně navazujícím nízkonapěťovém rozvodu) nebo na vzdálenějším místě vedení vysokého napětí. Přechodné jevy mohou také vzniknout z atmosférických příčin, např. bleskem, a to buď přímým úderem do vedení vysokého napětí nebo úderem do země a indukcí do distribučního vedení. Pokud je zařízení citlivé na rušení umístěné blízko zdroje rušení, převažuje induktivní vazba.

V tomto případě jsou účinky vazby popsány třemi základními parametry:

1. útlumovou charakteristikou vedení jako funkcí kmitočtu vedení;

2. charakterem zatížení vedení;

3. geometrií ve vztahu k zemi.

Poněvadž vedení jsou zřídkakdy zatížena jejich charakteristickou impedancí, lze očekávat výskyt mnohonásobných odrazů na vedení na každé nespojitosti, např. v místě připojení odběru. Odrazové charakteristiky se velmi výrazně uplatňují při tvarování přechodných jevů, zejména u těch, které vznikají při spínacích operacích. Důsledkem jsou oscilace o kmitočtu obvykle v rozsahu desítek kHz až desítek MHz, které způsobují, že v amplitudovém spektru leží maximum na tomto kmitočtu.

Podobné oscilace mohou také vzniknout v důsledku přechodných jevů způsobených spotřebiči a šířených vedením. Vzdálenost mezi nespojitostmi je však menší, a proto oscilační kmitočty mohou být daleko vyšší.

Je však třeba poznamenat, že útlum vedení vzrůstá s kmitočtem, takže oscilace mohou být pozorovány pouze u přechodných jevů měřených na místech relativně blízkých ke zdroji.

V úvahu se musí také vzít možnost vazby v důsledku indukce (jak induktivní, tak kapacitní vazba) mezi silovým vedením a sdělovacím vedením. To je zejména důležité v průmyslových závodech, kde jsou silové kabely a kabely signální a řídicí položeny vedle sebe v relativně dlouhých soubězích. Obecně může být takový vazební mechanismus redukován použitím kroucených párů nebo koaxiálních kabelů a uložením kabelů do kovových trubek závitově spojených.

Jiným zdrojem vazby je konečná impedance země. Mnoho přechodných jevů se například šíří na vedeních jako nesymetrické napětí a zpětný proud teče zemí. Jestliže dráha proudu zemí nemá velmi nízkou impedanci nebo místa připojení na zem jsou blízko k podobným místům připojení citlivých obvodů, mohou vzniknout významné rozdíly zemního potenciálu. Aby se snížil účinek nesymetrické vazby, lze použít vyvážených symetrických obvodů. Jakákoliv malá nevyváženost v citlivých obvodech pak ovšem může být kritická.

V případě přímé vazby podél silových kabelů z jednoho zařízení na druhé mohou být často nežádoucí efekty potlačeny filtry – dolními propustmi.

 NahoruŠíření přechodných přepětí v instalacích budov

Šíření přechodných přepětí ovlivňující nízkonapěťová zařízení umístěná v budovách je odlišné od šíření po venkovních vedeních. Je to způsobeno nízkou pevností izolace v nízkonapěťových obvodech a účinky jakýchkoliv prostředků ochrany proti blesku. Předpokládá se, že ochrana proti blesku je normalizovaná, tj. aplikace SPD nebo bleskojistky mají menší než optimální ochrannou úroveň napětí.

Větší rázové impulzy způsobí vyšší ochranné úrovně napětí díky indukčnosti vodičů. Tato úroveň se v bodech uvnitř budovy utlumí, protože rázové impulzy se strmým náběhem podléhají při šíření po napájecích vedeních značnému útlumu; redukce se objeví jak u amplitudy tak i u strmosti náběhu.

Na střídavých napájecích vstupech/výstupech připojených na napájecí obvody nízkého napětí bez ochrany proti blesku je vrcholové napětí dáno přibližně dvojnásobkem nepříznivé úrovně blesku 8 kV specifikované v IEC 61000-2-5 pro střídavé obvody nízkého napětí. Úroveň 8 kV je blízko meznímu napětí pro napájecí obvody budov, díky přeskokovým vzdálenostem.

Následující tabulka 1 uvádí charakteristiky přechodných přepětí v sítích nízkého napětí. Očekávané hodnoty napětí jsou za předpokladu typické malé zátěže bez přepěťových ochran v okolí (viz v IEC 61000-2-5).

 NahoruPříklad systému chráněné instalace budov

U malých systémů, dokonce i u jednotlivého přístroje, je třeba dodržet zásady instalace zaručující potlačení nepříznivého vlivu přechodných přepětí. Například na vedeních rozvodné sítě uvnitř budov se mohou vyskytnout přechodná přepětí až několik kV, která jsou zavlečena ze vzdálenosti i desítek metrů. Zásady uzemnění a způsobu kabeláže uvedené na příkladu instalace dvou budov vzdálených několik metrů podle IEC 1000-5-1 jsou znázorněny na obrázku 2.

Norma ČSN EN 62305-4 obsahuje informace pro návrh, instalaci, revizi, údržbu a zkoušení ochranných opatření pro elektrické a elektronické systémy uvnitř staveb, která jsou schopna snížit riziko stálých poruch způsobených elektromagnetickým impulzem blesku.

Tabulka 1 – Zdroje a charakteristiky přechodných přepětí v sítích nízkého napětí

Tato norma poskytuje metodické pokyny pro spolupráci mezi projektantem elektrického a elektronického systému, a projektantem ochranných opatření, s cílem dosáhnout optimální efektivní ochrany. Tato norma však …