Přepětí v distribučních sítích 07: Ochrany před přepětím

4.6.7

Přepětí v distribučních sítích 07: Ochrany před přepětím

Doc. Ing. Petr Toman, Ph.D. a kolektiv autorů

Přepěťové ochrany jsou zařízení pro ochranu před účinky přepětí a mají zajistit, aby na chráněném zařízení nevzniklo napětí vyšší než dovolené. Všechny pro tento účel shodně používají změnu impedance v závislosti na napětí, ale vzhledem k různým konstrukcím se jejich vlastnosti mohou velmi významně měnit a používají se vždy zapojované paralelně k chráněnému zařízení, jak je schematicky naznačeno v Obr. 6.20.

Obr. 6.20: Připojení přepěťové ochrany

Obr. 6.21: Koordinace ochranné hladiny svodiče a izolační pevnosti chráněného zařízení

Aby byla přepěťová ochrana spolehlivá a funkční, musí být zvolena tak, aby její ochranná hladina byla v určitém odstupu pod úrovní elektrické pevnosti chráněného zařízení. Na Obr. 6.21 je uveden způsob koordinace ochrany a chráněného zařízení pomocí křivek udávajících průraznou hladinu ochrany i chráněného zařízení v závislosti na maximální hodnotě přepěťové vlny a době jejího trvání.

Každá přepěťová ochrana by měla splňovat následující kritéria:

• její impedance musí být za normálních provozních podmínek tak velká, aby místem jejího připojení neprocházel buď žádný, nebo jen minimální proud (řádově mA),

• při zvýšení napětí nad ochrannou hladinu musí snížit svou impedanci a umožnit průchod výbojového proudu do země,

• pojmout energii výboje aniž by se poškodila,

• obnovit svou impedanci po odeznění výboje a vrátit tak chráněnou část systému do normálních provozních podmínek.

 NahoruDruhy přepěťových ochran

Ochranná jiskřiště

Jsou konstrukčně nejjednoduššími přepěťovými ochranami. Změna impedance nastává zapálením elektrického výboje mezi elektrodami jiskřiště. Nevýhodou jiskřiště je setrvající malá impedance i po odeznění přepětí, neboť oblouk mezi elektrodami je po zapálení udržován jmenovitým napětím soustavy. Říkáme, že jiskřištěm prochází následný proud ze soustavy, který představuje pro soustavu zkrat nebo zemní spojení. K uhašení oblouku mezi elektrodami je nutno postiženou část sítě vypnout.

Vyfukovací bleskojistky

Torokova trubice (jinak také vyfukovací bleskojistka) nevýhodu ochranných jiskřišť částečně odstraňuje tím, že přeruší oblouk expanzí plynů vyvolanou hořením oblouku na jiskřišti, které je umístěno v trubici a zapojeno v sérii se zapalovacím jiskřištěm. Uvedený mechanizmus zhášení oblouku způsobuje značnou závislost mezi velikostí proudu procházejícího bleskojistkou a strmostí zotaveného napětí a také krátkou životnost bleskojistky související s degradací plynotvorné látky. V současné době se již tato zařízení na ochranu před přepětím nepoužívají.

Svodiče přepětí s nelineárními odpory

Nelineární odpory mohou měnit rezistanci v širokém rozsahu přiloženého napětí a zajistit tak spolehlivě funkci přepěťové ochrany s odpovídajícími požadavky uvedenými v úvodu kapitoly. Voltampérovou charakteristiku svodiče s nelineárním odporem lze obecně popsat vztahem (6.69):

kde mocnitel  bude záviset na materiálu a na velikosti přiloženého napětí. V Obr. 6.22 jsou uvedeny voltampérové charakteristiky nelineárních odporů vyrobených z oxidu zinku (ZnO) a karbidu křemíku (SiC). Z V-A charakteristiky svodiče ze ZnO je patrno, že hodnota mocnitele nabývá různých hodnot podle přiloženého napětí – v oblasti a a c je to v rozmezí hodnot 0 < α ≥ 5, v oblasti b je α ≈ 50. Pro nelineární odpor z SiC je možno do rovnice dosadit za hodnoty α v rozmezí 5 až 7.

Obr. 6.22: V-A charakteristiky napěťově závislých odporů

Ventilové bleskojistky

Ventilová bleskojistka je starším typem svodiče přepětí, který používá pro ochranu před přepětím napěťově závislého odporu z karbidu křemíku. V Obr. 6.22 je vidět, že díky V-A charakteristice odporu SiC, jím v oblasti provozního napětí (U_c) protéká proud srovnatelný s jmenovitým proudem chráněného zařízení (řádově stovky ampér). Proto je třeba tomuto napěťově závislému odporu předřadit jiskřiště, které při normálním napětí odděluje tento odpor od sítě a zajišťuje tak velkou impedanci svodiče. Díky tomuto konstrukčnímu opatření mají tyto svodiče poněkud vyšší zapalovací napětí a potřebují pomocný obvod pro přerušení oblouku mezi kontakty jiskřiště.

Základními charakteristikami bleskojistek jsou podle ČSN EN 60099-5 ed. 2 Svodiče přepětí - Část 5: Doporučení pro volbu a použití :

• Jmenovité napětí - maximální přípustná efektivní hodnota střídavého napětí průmyslového kmitočtu mezi svorkami bleskojistky, pro které je navržena tak, aby správně působila.

• Zapalovací napětí při normalizovaném atmosférickém impulzu je nejnižší vrcholová hodnota impulzu napětí 1,2 / 50, který vždy vyvolá zapůsobení bleskojistky.

• Zbytkové napětí při jmenovitém výbojovém proudu – úbytek napětí na bleskojistce vyvolaný průchodem výbojového proudu, které určují ochrannou hladinu bleskojistky.

• Jmenovitý výbojový proud – vrcholová hodnota výbojového proudu 8 / 20, který je schopna bleskojistka svést bez poškození.

• Ochranná hladina bleskojistky je určena zbytkovým napětím při jmenovitém výbojovém proudu.

Zapalovací napětí vyjadřuje dynamické vlastnosti bleskojistky a je odvozené z rázové charakteristiky svodiče, zatímco zbytkové napětí souvisí s voltampérovou charakteristikou svodiče a vyjadřuje tak jeho statické vlastnosti.

Svodiče přepětí se ZnO (MOV – Metal Oxid Valve)

Svodiče přepětí se ZnO lze v současnosti považovat za nejspolehlivější a nejrozšířenější svodiče přepětí v distribučních sítích vn a počínaje rokem 1975, kdy byly uvedeny na trh, téměř zcela nahradily ventilové bleskojistky. Napěťově závislé odpory ZnO lze použít jako svodiče přímo bez zařazení zapalovacích jiskřišť díky jejich ploché charakteristice. V Obr. 6.22 lze snadno porovnat velikost zbytkového proudu procházejícího odporem ZnO při jmenovitém napětí Uc s hodnotou zbytkového proudu odporu SiC. Statické V-A charakteristiky omezovačů se měří v jejich jednotlivých částech různým způsobem - při hodnotách napětí v blízkých hodnotám nominálním se měří při základní frekvenci a v oblasti působení ochrany (U_p) se testují proudovými impulsy.

Základními charakteristikami omezovačů přepětí jsou podle ČSN EN 60099-5 ed. 2 Svodiče přepětí - Část 5: Doporučení pro volbu a použití :

• Trvalé provozní napětí (U_c) – nejvyšší přípustná hodnota sinusového napětí průmyslového kmitočtu, které může být trvale připojeno na svorky omezovače přepětí:

  1. u sítí s automatickým vypínáním zemní poruchy

1. v izolovaných nebo kompenzovaných sítích U_c ≥ U_m.

Trvalé provozní…