Experimentální ověření vybraných vlastností svodičů bleskového proudu nové generace

Experimentální ověření vybraných vlastností svodičů bleskového proudu nové generace

Dr. Ing. Jaroslav Hudec Ph.D., Ing. Jiří Reisinger,
Hakel spol. s r. o.

Příspěvek je věnován experimentálnímu ověření vybraných vlastností svodičů bleskového proudu nové generace, konstruovaných na principu 10násobného komorového karbonového jiskřiště. V centru pozornosti byly impulsní oblast (odezva na zkušební impuls bleskového proudu ve tvaru 10/350 µs) a oblast tzv. následného proudu, ve které byly ověřovány vlastnosti zhášecích komor tohoto jiskřiště ve vztahu ke schopnostem tento následný proud samočinně přerušit. V příspěvku jsou uvedeny a popsány typické průběhy typového představitele tohoto jiskřiště – typ HS 45, výrobce Hakel spol. s r. o., získané měřením na generátoru bleskových proudů 10/350 µs ve zkušebně firmy Hakel v Hradci Králové a na zkratovém generátoru průmyslového kmitočtu ve Zkratovně Běchovice a. s. Vzhledem k tomu, že poznatky získané z těchto měření posloužily výrobci k ověření typových vlastností tohoto jiskřiště za účelem certifikačního řízení u Elektrotechnického zkušebního ústavu v Praze, nebyly výsledky zkoušek dosud publikovány.

1. Úvod

Ověřování vlastností svodičů bleskového proudu zkouškami předepisují příslušné normy, např. [1], [2]. Tyto normy definují metodiku měření, zkušební postupy a podmínky, podle kterých se ověřují jejich elektrické, mechanické a tepelné vlastnosti. Zkoušky jsou velmi náročné, především z hlediska zabezpečení odpovídajících aparatur. Obě normy totiž doporučují tzv. syntetické zkoušky, při kterých jsou simultánně v součinnosti obvody generující impulsní bleskový proud i zkratový (následný proud).

Obr. 1. Záznam impulsní odezvy na rázový proud I_imp = 100 kA (10/350), U_p = 1 160 V (bleskojistka HAKELGAP 100)

Ovšem má-li podobné zařízení mít parametry na horní hranici vlastností nových svodičů bleskového proudu, tj. I_imp @ 50 kA (10/350) a I_{f ef} @ 50 kA, je ekonomická náročnost konstrukce zkušebního zařízení a rutinního provozování tak značná, že podle dostupných informací se tyto zkoušky v komplexním rozsahu neprovádějí v žádné evropské ani asijské zkušebně. Pro představu: generátor impulsního proudu 120 kA ve tvaru 10/350 µs stojí asi 100 000 USD (při hmotnosti kolem 2 tun), zkratový generátor průmyslového kmitočtu s efektivním proudem 120 kA má cenu asi 10 mil. USD (váží asi 100 tun).

2. Porovnání základních vlastností nelineárních výkonových prvků používaných ve svodičích bleskového proudu (třída I podle IEC 61643-1)

2.1 Jiskřiště
Podle konstrukčního řešení lze jiskřiště rozdělit na otevřená nebo uzavřená. Tvar elektrod, jejich materiál a vzduchová mezera mezi elektrodami určují ochrannou úroveň (U_p), maximální svodovou schopnost (I_imp(10/350)) a vlastnosti charakterizující chování jiskřiště při zhášení následného proudu (I_f). Otevřená jiskřiště vynikají značnými svodovými schopnostmi (až I_imp = 50kA (10/350)) při vysokých úrovních samočinně zhášeného následného proudu (až I_{f ef} = 50 kA Jejich základním nedostatkem je však vyšlehování žhavého plazmatu z pouzdra svodiče při aktivaci bleskovým proudem. Tato skutečnost významně komplikuje projektovou přípravu (konstrukci rozváděčů) vzhledem k požární bezpečnosti. Některé konstrukce uzavřených jiskřišť mají velmi vysoké svodové schopnosti I_imp (10/350) – až 120 kA, úroveň samočinně zhášeného následného proudu (I_{f ef}) je však nízká – asi 100 A, takže jejich aplikační možnosti jsou srovnatelné s bleskojistkami.

Obr. 2. Záznam impulsní odezvy na úder I_imp = 20 kA (10/350), U_p = 1 560 V (varistorový svodič SPC 1-150)

2.2 Bleskojistka
Bleskojistky jsou plynem plněná jiskřiště. Vynikají krátkou dobou reakce (t_A < 100 ns) a vysokou svodovou schopností (až 100 kA). Mají velmi malou vlastní kapacitu a velký izolační odpor (R_i > 1 000 MW). Aplikační možnosti bleskojistek jsou omezeny jejich obecně nízkými hodnotami samočinně zhášeného proudu (I_{f ef} = 100 A). V systémech kaskádních ochran rozvodů sítí nn proti přepětí se proto použití bleskojistek v 1. stupni omezuje výhradně na ochranu nulovacího vodiče N proti PE (E).

Typický průběh impulsní charakteristiky vysokovýkonové bleskojistky HAKELGAP HG 100 je znázorněn na obr. 1.

2.3 Varistor
V současné době se pro účely konstrukce přepěťových ochran používají výhradně ZnO varistory. Tyto varistory umožňují vytvářet svodiče bleskových proudů o svodové schopnosti až do I_imp = 20 kA (10/350). Mezi jejich přednosti patří nízká cena, krátká doba odezvy t_A (asi 25 ns) a příznivý průběh V-A charakteristiky, která z principu vylučuje problémy se zhášením následných proudů ze sítě (ochranná úroveň U_p bývá obvykle s rezervou vyšší než vrcholová hodnota napětí energetické sítě). Za nevýhody při nasazení varistorů v 1. stupních ochranných kaskád sítí nn proti přepětí se považují:

• několikrát nižší svodové schopnosti ve srovnání s jiskřišti nebo bleskojistkami,

• poměrně vysoké hodnoty ochranné úrovně při testu I_imp (10/350); tyto hodnoty bývají obvykle asi 3× až 5× vyšší, než je špičková hodnota napětí ochráněné fáze sítě nn,

• statisticky prokázaná změna parametrů v důsledku opakujících se úderů bleskových proudů na hranici jejich maximálních svodových schopností (I_imp (10/350), event. I_max (8/20), vedoucí k degradaci struktury polovodivých desek varistorů.

Typický průběh impulsní charakteristiky varistorového svodiče bleskového proudu typu SPC 1-150 je znázorněn na obr. 2.

3. Konstrukční řešení svodiče bleskového proudu HAKELSTORM s 10násobným komorovým karbonovým jiskřištěm

Princip jednoduchého karbonového jiskřiště je znám již od roku 1886, kdy byl využit zpočátku ve světelné technice (T. A. Edison, N. Tesla) později ve vysílacích systémech bezdrátové telegrafie (N. Tesla, G. Marconi, A. S. Popov). V průběhu 20. století byl zaznamenán prudký rozvoj technologie elektrografitových kompozitů, vynucený neustále se zvyšujícími požadavky na parametry stejnosměrných trakčních a těžních motorů, stejnosměrných generátorů a v neposlední řadě i rozvojem sklářského průmyslu. Vhodným výběrem karbonového kompozitu s velkou odolností proti vysokým teplotám lze v současné době efektivním způsobem konstruovat uzavřené svodiče bleskových proudů, slučující výhody bleskojistek (vysoké svodové schopnosti, velký izolační odpor) s výhodami varistorů (schopnost zhášet následné proudy z energetické sítě). Základní parametry svodiče lze přitom ovlivňovat cíleným výběrem materiálu pro elektrody, volbou vzduchových mezer, geometrickým uspořádáním elektrod, počtem dílčích jiskřišť a způsobem jejich inicializace. Typovým představitelem takovéhoto svodiče je HS 45 (výrobce Hakel).

Konstrukční řešení je uskutečněno na principu 10 uzavřených sériově spojených karbonových jiskřišť s kapacitně řízenou inicializací. Přestože pro inicializaci jednotlivých komor lze použít odporové děliče, event. děliče složené z miniaturních varistorů, pro toto komerční využití byla zvolena inicializace kapacitním děličem, a to především pro snadnou dostupnost a nízké ceny vhodných kondenzátorů. Výrobek je zobrazen na obr. 3. Karbonové desky dílčích jiskřišť jsou upnuty mezi dvě masivní čela ze slitiny Al-Ti4, která má vynikající mechanické vlastnosti a dobrou elektrickou a tepelnou vodivost. Jednotlivé komory jiskřiště jsou vymezeny teflonovými vložkami. Zvláštní pozornost byla věnována samosvorným svorkám umožňujícím upnout plné přívodní vodiče o průřezu až do 35 mm². Jiskřiště je konstruováno do standardní plastové krabice o šířce 35 mm pro zástavbu na lištu DIN 35 mm.

Jmenovité pracovní napětí U_N     230 V/50 Hz
Maximální pracovní napětí U_C     275 V/50 Hz
Izolační odpor R_i     > 100 M
Bleskový impulsní proud I_imp     45 kA (10/350)
Náboj Q     22 A·s
Měrná energie W/R     500 kJ/
Ochranná úroveň U_p     < 2 kV
Samozhášivý následný proud I_{f ef}     30 kA
Doba odezvy t_A     < 100 ns
Doporučené předjištění     315 AgL/gG
Hmotnost m     310 g

4. Testování

Nový typ svodiče byl testován podle předpisu IEC 61643-1 kap 7.6.2 až 7.6.6.2. Přitom zkoušky odolnosti zatěžováním zkušebními bleskovými proudy byly uskutečněny ve zkušebně firmy Hakel, zkoušky na odolnost svodiče zatěžováním následnými proudy z energetické sítě byly prováděny ve Zkratovně Běchovice.

4.1 Test odolnosti svodiče HS 45 proti zatěžování zkušebními bleskovými proudy
Generátor bleskových proudů RG 350 zkušebny firmy Hakel má maximální provozní kapacitu 120 kA (10/350) při maximálním zdvihovém napětí U_Z = 10 kV. Obsahuje 48 jednotek rázových kondenzátorů po 100 µF, tedy celkem 4 800 µF. Je postaven na ploše asi 20 m², váží asi 2 tuny (obr. 4).

Vybíjecí trasa RG 350 má volitelné parametry stupňovitě volitelné ve 3 úrovních. Pro testování HS 45 na hranici jeho maximálních svodových schopností 45 až 50 kA (10/350) bylo použito zdvihového 7 kV, čemuž odpovídalo zařazení 2. tvarovacího stupně vybíjecí trasy. Příklad záznamu z měření HS 45 testovacím impulsem bleskového proudu s amplitudou I_imp = 45 kA (10/350) je uveden na obr. 5. Při tomto testu bylo i kontrolováno oteplení tělesa svodiče teplotním čidlem. Opakovaným měřením bylo zjištěno, že průměrné oteplení tělesa svodiče po jednom úderu o amplitudě I_imp = 46 kA (10/350) činí Dt = 60 °C. Ochranná úroveň Up při I_imp je 1 940 V.

Z impulsní charakteristiky na obr. 5 lze dále přečíst další důležité údaje:

• Doba půltýlu T₂ = 390 µs;
• Poloviční amplituda bleskového proudu I_peak = 23 kA (10/350);
• Střední ochranná úroveň U_{p AV} asi 200 V.

Při zjednodušení zkušebního průběhu I_imp (10/350) jeho nahrazením přímkovými úseky lze vyjádřit [4] jeho měrnou energii vztahem: W/R = 2/3 I²_peak T²

Pro tento případ je velikost měrné energie: W/R = 2/3·46 000²·390·10^–6 = 550 kJ/W

Při výpočtu oteplení lze dále zanedbat nespojitý špičkový průběh U_p na počátku impulsní charakteristiky a použít pro další výpočet tzv. střední ochrannou úroveň U_{p AV} 200 V. Průměrný vnitřní odpor svodiče potom vychází:

S použitím této hodnoty již lze snadno vyjádřit velikost tepla, uvolněného při tomto testu ve svodiči: Q = W/R · R_v = 550 · 0,0087 = 4,78 kJ

Pro kontrolu oteplení tělesa svodiče výpočtem je nutné znát hmotnosti a měrnou tepelnou kapacitu materiálu jednotlivých součástek (tab. 1).

Tab. 1. Měrná tepelná kapacita c jednotlivých součástek jiskřiště

S použitím kalorimetrické rovnice vychází oteplení tělesa svodiče

Měřením bylo zjištěno oteplení 60 °C, což je v celkem dobré shodě s kontrolním výpočtem. Malý rozdíl lze zdůvodnit tím, že při zkoušce byl svodič HS 45 připojen ke svorkám generátoru masivními měděnými přívody o průřezu 35 mm², které v tomto případě působí jako chladič.

4.2 Prověrka schopností samočinného zhášení následného proudu svodiče HS 45
Schopnost samočinného zhášení následného proudu podle příslušných článků normy IEC 61643-1 byla zkoušena ve Zkratovně Běchovice. Tato zkušebna disponuje dvěma zkratovými synchronními generátory po 2 500 MV·A s přepojovatelným statorovým vinutím až do 14 kV/100 kA/50 Hz. Tyto generátory lze podle potřeby propojit do paralelního chodu, takže není problém dodat do rozvodnic měřicí rampy pomocí proudového transformátoru 65 MV·A přesně definované proudové průběhy o průmyslovém kmitočtu s potřebnou velikostí jejich efektivní hodnoty, napětím U_C a patřičným účiníkem. Maximální možností zkušebny v této aplikaci jsou limitovány efektivním proudem 240 kA (pro hodnoty provozního napětí nn sítí do 1 000 V).

Kompletní blokové schéma zkušebních aparatur včetně vysokonapěťového inicializačního zařízení je uvedeno na obr. 6.

Inicializační zařízení pro HS 45 sestává z nabíjecího zdroje N (4 až 8 kV DC), tvarovacího obvodu inicializačního proudu (varistor + bleskojistka) a vakuového spínače VS, synchronizovaného pomocí optoelektrického přenosu s výkonovým zkratovým spínačem Z. Pro inicializaci HS 45 byl použit startovací proud I_s o amplitudě asi 9 kA při zdvihu napětí U_s asi 6 kV a délce startovacího impulsu T_s asi 50 µs (obr. 7).

4.2.1 Následný proud HS 45 – naměřené výsledky
Na obr. 8 je zachycen pohled na zkušební aparaturu, umístěnou na měřicí rampě ve Zkratovně Běchovice. Dole je proudový transformátor 1 000 : 1, nad ním tvarovací varistor a bleskojistka, vpravo od nich zkoušený svodič přepětí HS 45, nad ním tavná pojistka. Vpravo dole a vlevo nahoře jsou vidět masivní úvazky přívodních kabelů; dynamické síly při kalibračních proudech 30 až 50 kA jsou již tak značné, že mohou doslova zdemolovat přiléhající kabeláž nebo jinou elektrickou výstroj.

Typický průběh následného proudu při měřeních je zachycen na obr. 9. Opakovanými testy bylo spolehlivě prokázáno bezpečné zhášení inicializovaného svodiče HS 45 při prvním průchodu síťového napětí nulou.

Grafické zpracování naměřených hodnot z tabulky 2 je zachyceno na obr. 10.

Během zkoušek byla také průběžně kontrolována tepelná stabilita měřených svodičů. Naměřená oteplení jejich těles se pohybovala od 40 do 90 °C podle jejich zatížení následným proudem I_f. Naměřené údaje pak posloužily ke konfrontaci s výpočtovým modelem oteplení. Tento výpočet vychází z předpokladu nahrazení naměřeného následného proudu kladnou půlperiodou sinusovky. Například pro měření č. 33, kdy bylo naměřeno oteplení v hodnotě 90 °C, je možné určit měrnou energii matematicky výpočtem určitého integrálu proudu v intervalu 0 až t_f, kdy po integraci a úpravě dostaneme: W/R = 1/2 I² t_f

Tab. 2. Výsledky měření při zkouškách svodiče následným proudem

Po dosazení konkrétních hodnot z měření č. 33 (podle tab. 2) je měrná energie: W/R = 1/2 8,8² ·10⁶ · 5,3·10^–3 = 205 kJ/W

K vyčíslení celkového oteplení tělesa svodiče je možné použít stejný postup jako při výpočtu oteplení zkušebními bleskovými proudy v kap. 4.1. Pro kvalifikovaný inženýrský odhad je možné rovněž průběh napětí energetické zkušební sítě aproximovat kladnou půlvlnou sinusovky (jedná se o časový úsek od okamžiku inicializace svodiče až do konce půlperiody) a vypočítat jako střední hodnotu půlperiody sinusového průběhu o amplitudě A. Střední hodnota půlperiody je: A_AV = 2 A/p

Obdobně lze vypočítat střední hodnotu následného proudu a střední hodnotu napětí energetické sítě v okamžiku po inicializaci svodiče: I_AV = 2 I/p = 2 · 8,8·10³ = 5 602 A, U_AV = 2 U/p = 2 · 320/p = 203 A

Z toho vychází průměrný vnitřní odpor svodiče: R = I_AV/U_AV = 203/5602 = 0,036 W

Teplo uvolněné ve svodiči bude: Q = (W/R) · R_v = 205 · 0,036 = 7,38 kJ

Oteplení tělesa svodiče pak vychází:

Při porovnání vypočtené hodnoty s naměřenou Dt = 90 °C je zřejmé, že naměřené oteplení tělesa svodiče je oproti výpočtu o asi 9 °C příznivější. Důvodem je opět skutečnost, že při výpočtu není zvažován vliv ochlazování tělesa svodiče přes masivní měděné přívody a vliv nízké okolní teploty v době měření (měření se provádělo v únoru 2002, kdy teplota okolí na měřicí rampě byla přibližně 10 °C).

4.3 Prognóza celkového oteplení svodiče HS 45 při simultánně provozovaném zatížení bleskovými i následnými proudy
Na základě výsledků uvedených v kap. 4.1 a v kap. 4.2.1 lze kvalifikovaně odhadnout, že při simultánně provozovaném zatížení svodiče HS 45 bleskovými i svodovými proudy dojde k celkovému oteplení tělesa svodiče o Dt @ 60 + 90 = 150 °C. Toto oteplení se vztahuje na zatížení zkušebním bleskovým proudem I_imp = 46 kA (10/350) a následným proudem odpovídajícím prospektivní zkratové schopnosti energetické sítě 50 kA. Přestože materiály použité při konstrukci HS 45 poskytují při této teplotě ještě rezervu asi 100 °C, bylo na základě dosažených výsledků doporučeno při komerčním využití tohoto výrobku deklarovat maximální hodnoty parametrů I_imp a I_f takto:

• bleskový impulsní proud I_imp 45 kA (10/350);
• prospektivní samozhášivý následný proud I_{f ef} při U_C 30 kA;
• doporučené předjištění 315 AgL/gG.

Obr. 10. Závislost amplitudy změřeného následného proudu svodiče HS 45 I na prospektivní zkratové schopnosti I_f energetické sítě s předepsaným účiníkem cos j = 0,22 až 0,25 (podle IEC 61643-1)

Tímto způsobem je vytvořena při aplikacích tohoto svodiče rezerva několika desítek °C i při jeho opakovaném zatížení na hranici maximálních parametrů s pozitivním důsledkem ve vztahu k provozní spolehlivosti.

5. Závěr

Postupné promítání norem IEC do dosud platných norem ČSN způsobuje, že Elektrotechnický zkušební ústav v Praze klade v současné době na všechny nově certifikované výrobky v oboru přepěťových ochran již také požadavky vyplývající ze shody s normami IEC a EN. Tento pozitivní krok, prováděný v ČR cíleně v rámci harmonizace norem ČSN s normami evropskými a mezinárodními, přináší na jedné straně značné zvýšení nákladů na vývoj a testování nových výrobků, na straně druhé však představuje obrovský přísun nových poznatků, které je možné obratem výhodně zúročit v nových konstrukcích.