Uzavřené svodiče bleskového proudu nové koncepce

Uzavřené svodiče bleskového proudu nové koncepce

Ing. Jiří Burant, OBO Bettermann Praha

Úvod

Fenomén přepětí jako následek tranzientních jevů či úderů blesků na citlivá elektrická a elektronická zařízení se v odborné literatuře skloňuje již léta ve všech pádech. Teorie jeho vzniku i ochrany před ním byla popsána také mnohokrát. Není proto snadné přispět něčím originálním, neopakovat sebe či jiné, nepoužívat fiktivní dialog tazatele a odpovídajícího atd. Podívejme se tedy na prvky ochrany před účinky přepětí tentokrát z pohledu tržní nabídky a původnosti konstrukce.

Firem nabízejících svodiče přepětí přibývá. Nesporným faktem však zůstává, že měřítkem kvality produkce každého výrobce přepěťových ochran je prvek technicky nejnáročnější – první ochranný stupeň pro silové sítě nn. Jakost ostatních stupňů ovlivňuje především kvalita použitých omezujících prvků, zpravidla varistorů, které nakupují firmy vyrábějící svodiče ze zdrojů odpovídajících standardům jejich kvality. V principu se však jedná o víceméně opakovanou „obvodařinu„.

Dodavatelů nabízejících na tuzemském trhu původní svodič třídy B špičkových parametrů z vlastního vývoje a výroby není mnoho. Ostatní pouze označují produkty jiných svou etiketou.

Mezi několik opravdu původních výrobců patří právě OBO Bettermann, především svou typovou řadou svodičů bleskových proudů OBO – LightningController. Uvedené přístroje pracují na principu zcela zapouzdřeného nekonvenčního mnohonásobného jiskřiště s grafitovými elektrodami, které využívá tzv. technologii Multi-Carbon.

První zmínky o tomto řešení jiskřišť lze nalézt např. v materiálech konference ICLP konané v roce 1988 ve Velké Británii. Společnost OBO Bettermann ve spolupráci s nezávislým centrem pro výzkum blesků a elektromagnetické kompatibility BET a s významnými vědeckými pracovišti v Německu převedla tyto teorie do praxe. Technická úroveň zmiňované svodičové řady byla oceněna v roce 2000 mj. cenou Zlatý Amper. O kvalitě této technologie svědčí i skutečnost, že byla napodobována jinými výrobci, avšak s výsledkem úměrným znalostem know-how. O principu řešení, jeho původu i výsledcích měření bude pojednáno dále.

Invenci a předstih technického vývoje u OBO Bettermann dokládá i skutečnost, že na přelomu let 2001 a 2002 byla osvědčená řada svodičů s typovým označením MC doplněna svodičem dalšího vývojového stupně, jenž je označen MCD. Zmíněné nové provedení, označované Coordinated – LightningController, umožňuje montáž ochrany následujícího stupně třídy C v bezprostřední blízkosti těchto svodičů třídy B, bez jakýchkoliv požadavků na koordinaci činnosti, a tedy bez oddělovacích tlumivek nebo vedení. Novému vývojovému stupni MCD je v tomto příspěvku věnována samostatná kapitola, a proto na tomto místě nejprve upřesníme parametry typů řady MC (obr. 1).

OBO LightningController – koncepce a funkce

Úder blesku způsobí na impedanci uzemnění nebezpečně vysoké rázové napětí, ničící izolaci elektrických obvodů. Nejobvyklejší zapojení silové přípojky nn v systému TN-C uvádí obr. 2a. Průběhy ve vodiči L1 venkovního vedení této přípojky při přímém úderu blesku do uzemňovacího systému znázorňuje obr. 2b.

Po překročení zapalovacího napětí svodič – jiskřiště zapálí a svede příslušnou část bleskového proudu. Taktéž svede a přeruší následný proudový příspěvek ze sítě. Porovnáním následného síťového proudu procházejícího svodičem if s neovlivněným (prospektivním) zkratovým proudem sítě v místě jeho instalace ip je patrné potlačení proudu if vybuzením protiproudu v jiskřišti a jeho přerušení, ještě před přirozeným průchodem síťového proudu nulou.

Z předchozího popisu základní funkce plynou i požadavky na svodiče: nízké zapalovací napětí, ochranná úroveň pod maximálním přípustným impulsním napětím, silné potlačení následného proudu sítě, zamezení opětného zážehu a malé opotřebení při činnosti.

K potlačení následného proudu sítě je třeba vytvořit napětí opačné polarity (protinapětí), které se dříve řešilo např. prodloužením oblouku, realizovaném pomocí chlazení nebo tzv. plynového kontaktu. Tento princip však lze uplatnit jen u otevřených jiskřišť [2], [3], která přinášejí značná konstrukční rizika. Tepelná energie oblouku jiskřiště eliminovaná vyfouknutím mimo pouzdro způsobuje prudký nárůst tlaku a teploty. Ty působí negativně zejména v uzavřených rozvodných skříních, v blízkosti zápalných okolních materiálů.

Uzavřené svodiče bleskových proudů OBO LightningController proto využívají odlišný princip činnosti. Skládají se z více sériově řazených jiskřišť s grafitovými elektrodami (obr. 3), umožňujícími dosáhnout malých průrazných vzdáleností. Úbytek napětí na vstupních svorkách je zde dán součtem úbytků napětí na jednotlivých dílčích jiskřištích. Tak vznikne dostatečné protinapětí, jež je potřebné k potlačení následného proudu sítě. Délka oblouků v činných dílčích jiskřištích se blíží nule, a nárůst tlaku je tudíž velmi malý. K zapouzdření takovýchto svodičů lze proto bez jakýchkoliv problémů použít zcela uzavřený kryt.

Další předností jiskřišť s grafitovými elektrodami je, že elektrody nevypařují žádný kov, který u konvenčních jiskřišť může kondenzovat na izolačních materiálech a negativně ovlivňovat dlouhodobou výkonnost i stabilitu zapalovacího napětí.

Za příklad svodiče z této řady může sloužit typ MC 50-B, který představuje levá část obr. 1. Při typové zkoušce podle obr. 7 byl u sestavy tohoto devítinásobného jiskřiště z obr. 3 naměřen úbytek napětí max. 285 V, což znamená, že na jednotlivých dílčích jiskřištích vznikl úbytek asi 30 V. Dalším zvýšením počtu dílčích jiskřišť tedy lze realizovat svodič bez jakéhokoliv následného proudu, čehož se využívá ve stejnosměrných sítích. Je však nutné zachovat zásadu vyšší hodnoty „protinapětí“ vybuzeného jiskřištěm, oproti stejnosměrnému napětí sítě.

K zapálení vícenásobného (n-násobného) jiskřiště je třeba pro spolehlivé zapálení vytvořit napěťové vazby u (n – 1) dílčích jiskřišť, přičemž první jiskřiště zůstává neřízené a zajišťuje minimalizaci svodového proudu. Při úderu blesku zapaluje nejdříve první jiskřiště a u ostatních (n – 1) jiskřišť prohořívá postupně. Tímto způsobem se dosahuje nezvykle nízkého zapalovacího napětí, bez jakýchkoliv speciálních pomocných obvodů.

OBO LightningController – konstrukční řešení

Základ této typové řady tvoří typy MC 50-B k ochraně krajních vodičů a MC 125-B/NPE pro použití v zapojeních 3 + 1 jako součtové (N-PE) jiskřiště (viz obr. 1).

Jiskřiště MC 50-B se skládá z devíti zcela zapouzdřených dílčích jiskřišť. Rozestupy jejich elektrod udržují mezikruží z teflonu, který je tepelně velmi stabilní a odolný i vůči plazmě. Pro dosažení zapalovacího napětí pod 2 kV jsou elektrody všech dílčích jiskřišť řízeny kapacitně, pomocí osmi kondenzátorů SMD (podle obr. 4). Pro zjednodušení vykonávání revizí nebo provádění výměny ochranného prvku je pouzdro dvoudílné, s vyjímatelným blokem jiskřišť. Dimenzování dílů respektuje elektrodynamické síly rázového proudu. Síly působící na připojené vodiče se projevují především ve spojích. Svorky jsou proto konstruovány pro rázové proudy tak, aby až do hodnoty bleskového proudu 125 kA (10/350 µs) nedocházelo k jiskření nebo erozi kontaktů v důsledku lokálního odtavování kovů v místě kontaktu a připojený vodič byl bezpečně uchycen ve svorce. Z tohoto důvodu nebyly použity klecové svorky, ale masivní šroubové svorky M8. Zdvojení svorek dovoluje smyčkování (zapojení „V„) do průřezu 35 mm², v souladu s obecnými požadavky na svodiče této kategorie.

Modré uzavřené jiskřiště MC 125-B/NPE z pravé části obr. 1 je tzv. jiskřiště N-PE. Je určeno v podstatě pro všechny typy sítí, v nichž se používá zapojení typu 3 + 1. Tvoří je dvě grafitová jiskřiště s masivními elektrodami, dimenzovanými na rázovou vlnu bleskového proudu o hodnotě 125 kA (10/350 µs).

Modulární jednopólové pouzdro (obr. 5) dovoluje realizovat zapojení pro všechny typy sítí nn, a to při minimalizaci počtu typů svodičů. Tato skutečnost vede k minimalizaci zásob u obchodních a realizačních firem.

Výsledky zkoušek

Přístroje LightningController prošly náročnými typovými zkouškami podle platných norem VDE a IEC [4], [5]. Na obr. 6 je uveden test svodiče MC 50-B rázovým proudem [6] o intenzitě 50 kA (10/350 µs) v porovnání s poněkud zastaralými konvenčními vyfukujícími svodiči bleskového proudu (např. typ LA 60-B), jejichž provedení nabízejí některé firmy doposud. Zde se jasně ukazují přednosti přístrojů LightningController. Zatímco konvenční otevřený svodič bleskového proudu vyfukuje žhavé plazma, neprovází činnost nového přístroje LightningController MC 50-B žádný výfuk, což umožňuje montáž pod kryty s vysokým stupněm krytí IP. Maximální svodový proud MC 50-B je 50 kA (10/350 µs), takže svodič vyhovuje nejvyšším nárokům mezinárodních norem pro krajní vodiče jedno- i trojfázových sítí nn.

V zapojeních typu 3 + 1 pro sítě TN-S, TT a IT jsou kladeny zvláštní nároky na jiskřiště N-PE. Norma IEC 61312-1 předpokládá, že 50 % bleskového proudu je svedeno přímo do zemniče a v případě, že v chráněném objektu nejsou náhodné svody, svede popř. zbývajících 50 % na síťový přívod [9]. Jestliže nejnáročnější třída ochrany před bleskem podle IEC 61024-1 uvažuje bleskový proud s hodnotou 200 kA (10/350 µs) [8], připadá na součtové jiskřiště N-PE bleskový proud maximálně 100 kA. Svodič MC125-B/NPE svádí bleskový proud až 125 kA (10/350 µs), čímž s rezervou vyhovuje nejvyšším nárokům [8], [9] i v případech nerovnoměrného dělení bleskového proudu.

MC 50-B lze instalovat v naprosté většině aplikací bez samostatného předjištění. Díky své schopnosti samočinného zhášení vysokých následných proudů sítě samostatně zvládá prospektivní zkratové proudy sítě do 25 kA (impulsně), popř. 12,5 kA. Na obr. 7 je znázorněna typová zkouška zhášecí schopnosti následného proudu pro prospektivní zkratový proud 25 kA, cos = 0,2, se zážehem jiskřiště při fázovém úhlu sítě 30°. Praktické je i využití napětí vybuzeného jiskřištěm pro stejnosměrné sítě.

Jiskřiště OBO LightningController pracují bez svodových proudů, a jsou proto vhodná k použití před elektroměrem, v souladu s PNE 33 000-5 [11].

Ochranná hladina MC 50-B o hodnotě 2 kV je dokonce nižší než jmenovitý rázový proud pro kategorii impulsního přepětí III podle [10]. Přístroje LightningContorller MC lze proto použít jako svodiče třídy B v jednofázových sítích s vyvedeným středním vodičem 120 až 240 V. Na obr. 8 je zobrazeno srovnání zapalovacích napětí při bleskovém výboji u LightningController MC 50-B (zeleně) a konvenčního vyfukujícího svodiče (modře). Typ MC 50-B zapaluje rychleji, při nižším zapalovacím napětí, a dosahuje proto lepší (nižší) ochranné úrovně.

Koordinace svodičů [7] tříd B, C a D předpokládá jejich oddělení pomocí vedení o délce l nebo cívky indukčnosti L. Takovéto oddělení zajistí, že bleskový proud komutuje na svodiči třídy B, přičemž svodiče tříd C a D předtím svedly po dobu několika milisekund dílčí bleskové proudy. Díky nízké ochranné úrovni pod 2 kV však postačuje vedení s menší délkou l, popř. menší indukčnost L, oproti konvenčním svodičům třídy B s vyšší ochrannou hladinou. Literatura [10] přitom připouští až 4 kV.

Aplikační možnosti

Zcela uzavřená jiskřiště řady OBO LightningController lze instalovat do jakýchkoliv rozváděčů, bez opatření vynucených tlakovými projevy otevřených svodičů a bez nutnosti dodržet minimální odstupy od jiných vodivých dílů z důvodu výfuku žhavých vodivých plynů. Příkladem mohou být skříně domovních přípojek, rozváděče všech velikostí, rozvodné skříně i spínací skříně nn.

Svorky umožňují realizovat zapojení typu „V„ (smyčkování) a tím i dodržet optimální ochrannou hladinu svodičů v souladu s [7]. Dvojitá svorka pro průřez 35 mm2, odolná proti rázovým proudům, umožňuje propojení a připojení svodičů ve tvaru V pro jmenovitý proud do 100 A. Díky boční průchozí propojovací svorce, umístěné ve spodním vývodu (obr. 1 a obr. 5), není nutné používat hřebenové lišty ani jiné propojky společného pólu svodičů. Tím se podstatně zkracuje doba montáže. Vyjímatelný horní díl s jiskřištěm dovoluje u typu MC 50-B vykonávat kontrolní měření za provozu. Tím splňuje i v tomto ohledu požadavky [11].

Na obr. 10 je uveden příklad kontrolního přístroje pro univerzální použití k měření izolačního stavu svodičů bleskových proudů pracujících na bázi jiskřiště a pro automatizované měření varistorových bloků svodičů řady V25-B+C zkoušených bleskovým proudem i svodičů přepětí třídy C, řada V 20-C.

OBO Coordinated – LightningController

Přestože snížení ochranné úrovně svodičů LightningController MC vedlo ke zkrácení délky mezilehlého vedení nutného pro koordinaci s následujícím stupněm třídy C na pouhých 5 m (oproti 10 až 15 m u konvenčních jiskřišť), nese s sebou i tento požadavek v některých aplikacích problémy. Proto byly na přelomu let 2001 a 2002 uvedeny na trh nové svodiče Coordinated – LightningController, které nesou označení MCD 50-B či MCD 125-B/NPE. Oproti odpovídajícím typům z řady MC byla u nových jiskřišť MCD speciálními konstrukčními úpravami dále snížena ochranná úroveň. Ostatní přednosti jejich předchůdců zůstaly bez výhrad zachovány.

Ochranná úroveň 1,3 kV svodičů Coordinated – LightningController MCD koresponduje přímo s ochrannou úrovní varistorových svodičů OBO třídy C typové řady V 20-C. K jejich vzájemné koordinaci proto není třeba používat žádné tlumivky či oddělovací vedení. Skutečnost, že se i v tomto případě jedná o tzv. čistá jiskřiště bez jakýchkoliv speciálních spouštěcích obvodů s varistory, nebo dokonce tranzistory, apod., řadí svodiče MCD 50-B či MCD 125-B/NPE opět mezi nejlepší produkty na evropském trhu. Kompaktní sestavu svodičů tříd B + C v zapojení 3 + 1 , realizovanou svodiči bleskových proudů MCD a varistorovými svodiči přepětí V 20-C, představuje obr. 9.

Závěr

Jiskřiště třídy B pro silové sítě nn tvoří vývojově i výrobně nejnáročnější skupinu svodičů. Jejich původní konstrukcí se tak jako OBO Bettermann může předvést opravdu jen málo firem. Komplexní nabídku svodičů pro silové sítě nn, slaboproudé rozvody i speciální aplikace v hromosvodní technice, včetně popisované řady jiskřišť LightningController, lze najít v katalogu TBS – Systémy ochrany před přepětím. Ten navíc nabízí i množství schémat a vyobrazení, jež usnadňují správný návrh a realizaci ochran pro jednotlivé typy chráněných vedení i objektů. Pro podrobnější seznámení s celou problematikou ochrany před účinky bleskových proudů a přepětí se lze též zúčastnit firemních seminářů, které se konají na území celé České republiky.