Přepěťová ochrana: metody a zařízení

V zásuvkách soukromého domu, bytu nebo kanceláře může dojít k náhlému zvýšení vstupního napětí. A pokud není proti tomuto jevu poskytována žádná ochrana, pak takové „hození“ vytvoří hrozbu ztráty funkčnosti elektrických spotřebičů, které jsou připojeny k síti. Promluvme si v našem článku o přepětí a ochranných zařízeních proti těmto síťovým haváriím.

Přepětí v elektrické síti

Přepětí je nouzový proces, při kterém dochází k náhlému a často výraznému zvýšení hodnoty střídavého napětí na elektrických vedeních a elektrických sítích. Překračuje povolenou odchylku +/-10 % od 220/230 V pro jednofázové vedení a od 380/400 V pro třífázové vedení. Přepětí negativně ovlivňuje spotřebitele elektřiny, například způsobuje zničení izolace kabelů nebo vyhoření elektronických součástek zařízení – napájecích zdrojů, mikroobvodů atd. Může mít různé amplitudy, trvání a frekvenci.

• vnitřní přechodné procesy (zapínání/vypínání výkonných elektráren) nebo havárie (zkrat, přerušení nuly), které se mohou vyskytnout v elektrických systémech;
• vnější vlivy atmosférické elektřiny, například rušení při úderu blesku.

Příčiny přepětí

Podívejme se podrobně na hlavní důvody výskytu takových situací v elektrické síti a popišme jejich vlastnosti.

Přímé údery blesku do součástí elektrické sítě (jako je vysílací věž) mohou během milisekund způsobit pulzní rázy několika tisíc voltů na elektrickém vedení. Signální vlna s velkou amplitudou se šíří dráty a po nalezení slabého místa v izolaci prorazí a způsobí obloukový výboj, který vyvolá zkrat. Nejčastěji se tak děje v opotřebovaných a starých elektrických sítích ve venkovských sídlech a SNT. Pokud není ochrana, pak je zaručeno, že puls spálí připojené elektrické spotřebiče.

Výboje blesku také často vytvářejí indukované nebo indukované napětí. V podstatě se jedná o rušení, které se může náhle objevit na vodičích umístěných v blízkosti místa úderu blesku v důsledku nárůstu magnetických a elektrostatických polí. Toto přepětí je dvakrát až třikrát vyšší než jmenovitá hodnota a je 440 nebo 660 voltů. Pro jakékoli domácí elektrické zařízení bude takové napětí „smrtelné“.

Prudká změna zátěže v elektrické síti způsobí silné napěťové rázy ve směru jejího nárůstu až na několik sekund. Ke kolísání napětí v tomto případě dochází při rychlém zapnutí nebo vypnutí celé linky nebo určitých výkonných spotřebičů (v důsledku odstavení snižovacích transformátorů v elektrické rozvodně nebo spuštění/zastavení synchronních nebo asynchronních elektromotorů).

To může zahrnovat přepětí v důsledku nehod způsobených člověkem na elektrických vedeních, rozvodnách nebo jiných prvcích elektrického systému. Na opotřebených úsecích vedení se mohou periodicky vyskytovat nulové přerušení (na nulovém vodiči se objeví napětí) nebo zkraty, které vyvolávají skoky a zvýšení přenášeného signálu.

Při změně provozních režimů elektrických stanic může docházet i po určitou dobu nebo průběžně ke zvýšení hodnoty signálu. Tento jev se nazývá stacionární přepětí. Jsou způsobeny tím, že na zařízení je potřeba zajistit určitou úroveň napětí při plném nebo minimálním zatížení sítě. Proto je napětí záměrně zvýšeno na požadovanou hodnotu.

Když dojde k nehodě, odchylky signálu od normy začnou překračovat přípustné hodnoty (10%), to znamená, že napětí překročí 245 V. Takový signál způsobuje poruchy elektrických spotřebičů nebo jejich předčasné selhání.

Zařízení na ochranu proti přepětí

Všechna ochranná zařízení proti negativním účinkům přepětí jsou rozdělena do dvou typů:

• pro primární (vnější) ochranu – slouží k zamezení přímého úderu blesku do prvků elektrické soustavy. V podstatě se jedná o vnější ochranu před bleskem v podobě tyčových a kabelových hromosvodů. Jsou umístěny nad ostatními konstrukcemi a odvádějí výboj blesku do země. Výška těchto zařízení závisí na velikosti oblasti, kterou chrání. V bytových domech jsou takové prostředky instalovány předem při jejich výstavbě. V soukromém sektoru nejsou dostupné všude.
• pro sekundární (místní) ochranu – slouží k organizaci bezpečného provozu zařízení uvnitř budov v podmínkách atmosférických a spínacích přepětí. Patří sem přepěťové ochrany (SPD), omezovače napětí a relé, transformátory, různé přepěťové ochrany atd.

Podívejme se na hlavní vnitřní ochranné prostředky, které jsou nejčastěji instalovány v zařízeních, aby neutralizovaly hrozbu vzniku vysokého napětí v elektrickém vedení.

Relé ovládání napětí (VCR)

RKN je elektromechanické zařízení, které se instaluje do rozvaděče na DIN lištu nebo se zasune do zásuvky před zátěží. Chrání připojená zařízení před příliš nízkým nebo vysokým napětím. Rozsah hodnot nastavuje uživatel. V zásadě je jeho limit 180-265 V. Pokud signál v síti stoupne nad nastavenou mez, zařízení výstup vypne, a když se znormalizuje, po uplynutí stanovené doby obnoví napájení zátěže.

RKN nechrání před zkratovými proudy a nestabilizuje napětí, ale pouze řídí jeho hodnotu a odpojuje obvod. Má však nízkou cenu a dostatečnou dobu odezvy. Dobře se hodí pro chladničky a další zařízení, která vyžadují odložený start po výpadku proudu.

Přepěťová spoušť

Zařízení mají modulární konstrukci a jsou instalovány v rozvaděči. Spolupracujte s jističi.

Odpojují k nim připojenou zátěž v případě nebezpečného napětí v síti (více než 270-280 V). Vyznačují se nízkou cenou, vysokou spolehlivostí a dlouhou životností a zabírají málo místa na DIN liště. Liší se od RKN nedostatečným nastavením rozsahu vstupního napětí a zpětným chodem, to znamená, že automaticky nepřipojují obvod.

SPD nebo supresor přepětí

Zařízení nepřenášejí na spotřebitele impulzy, které mohou vzniknout například bleskem. Uvnitř zařízení je instalován varistor nebo plynový vybíječ, který se spustí, když se napětí okamžitě zvýší na 1-2,5 kV. Zařízení mají modulární konstrukci s instalací do elektrického panelu nebo zásuvky.

SPD jsou rozděleny do několika tříd, které se od sebe liší výbojovými proudy (kiloampéry), které mohou odolat:

• Třída 1 (B) – ochrana proti silným impulzním rázům způsobeným bleskem. Instaluje se do běžných elektrických panelů na vstupu (ISU). Určeno pro jmenovité a maximální vybíjecí proudy 30 a 60 kA;
• Třída 2 (C) – ochrana proti zbytkovým přepětím, včetně přepětí způsobených spínacím šumem. Místo instalace – rozvodnice (na podlaze bytového domu nebo na jiném obdobném místě). Jmenovitý a maximální vybíjecí proud zařízení je 20 a 40 kA;
• Třída 3 (D) – chrání také před zbytkovým přepětím. Instalují se především uvnitř elektrických spotřebičů (do zásuvek, přepěťových ochran, stabilizátorů napětí, zdrojů nepřerušitelného napájení atd.) nebo v blízkosti elektricky citlivých zařízení. Jejich jmenovitý a maximální vybíjecí proud je 5 a 10 kA.

SPD mají vysokou rychlost odezvy, ale nechrání před trvale zvýšeným napětím. Nejsou schopny automaticky zapojit obvod po odstranění poruchy a mají omezený zdroj, který závisí na výkonu impulsů a jejich počtu. K provozu vyžadují uzemnění.

Stabilizátor napětí a UPS

Univerzální zařízení, která mohou chránit jak před přepětím, tak před trvale zvýšenými signály. Jejich hlavním účelem je však upravit hodnotu signálu nacházejícího se v určitém rozsahu (v závislosti na konstrukci obvodu) a napájet spotřebitele trvale kvalitním napětím. Ve srovnání s napěťovými relé nevypínají výstup. Pokud je na vstupu více než 250 V, pak upraví signál na hodnotu co nejblíže jmenovité hodnotě a nepřetržitě jej dodávají spotřebitelům, přičemž udržují jejich nepřetržitý provoz.

Ne všechny modely však mají potřebnou přepěťovou ochranu. Mají také různé rozsahy provozního vstupního napětí. Nejfunkčnější jsou invertorové stabilizátory, které mají:

• široký rozsah vstupního napětí – od 90 do 310 V;
• výstupní napětí s minimální odchylkou od normy (ne více než 2%) a ideální sinusová vlna, a to i při výrazných přepětích v síti;
• sada ochran včetně vestavěného varistoru – 2 kV („body-wire“), 1 kV („wire-wire“).

Záložní zdroje jsou elektrické ochranné instalace, které poskytují připojeným elektrickým zařízením záložní napájení při výpadku proudu. Jsou rozděleny do několika typů, z nichž nejfunkčnější jsou modely s dvojitou transformací (online topologie).

Online UPS, stejně jako invertorové stabilizátory, poskytují úpravu napětí v širokém rozsahu, mají stejnou přepěťovou ochranu a během výpadku napájení napájejí zařízení z dobíjecích baterií. Záložní zdroje však mají obvykle vyšší cenu ve srovnání se stabilizátory stejného výstupního výkonu.

Jak ochránit svůj majetek (a sebe) před přepětím? Jaké druhy přepětí existují?

Přepětí
Jedná se o trvalé nebo krátkodobé překročení napětí nad povolenou mez, která je 230/400 voltů +/- 10 % (GOST).
Představuje nebezpečí pro domácí spotřebiče. Pokud selže ochrana zabudovaná v jednotce, může dojít k poškození napájecího zdroje i veškeré vnitřní elektroniky.
Nejčastějšími příčinami jeho vzniku je nerovnoměrné zatížení fází (zešikmení) a přerušení nulového vodiče.

pod napětím
Jedná se o trvalý nebo krátkodobý pokles napětí pod přípustnou úroveň, která je 230/400 voltů +/- 10 % (GOST).
Nejedná se sice o přepětí, ale stojí za zmínku. Pro moderní domácí spotřebiče s pulzním napájením nepředstavuje nebezpečí. Napájecí zdroje jsou dnes navíc ve většině případů instalovány jako univerzální „globální“, tedy podporují celý rozsah globálních napětí 100-240 voltů.
Zařízení, která neobsahují pulzní bloky, mají problémy kvůli ztrátě napájení. Topná tělesa (topení, rychlovarná konvice, varné desky atd.) jednoduše ztrácejí svůj výstupní výkon a například kompresory se mohou kvůli nedostatku startovacího výkonu přestat spouštět.
O tom druhém řeknu více. Dříve na starších modelech ledniček dlouhotrvající nízké napětí často vedlo k požáru. Relé pro zapnutí kompresoru se spustilo, ale motor neměl dostatečný výkon, aby jej při startu roztočil. V důsledku toho stál v jedné poloze a byl pod napětím, což vedlo k tomu, že se to nebo něco kolem něj zahřálo a začalo hořet. Přesně tolik letohrádek shořelo.
Totéž platí pro vysoce výkonná zařízení s elektromotory. Například vzduchový kompresor v garáži (bez elektronického ovládání) se může stejně jako stará lednička „nerozběhnout“ a zůstat pod napětím, dokud motor nezačne hořet.

Impulzní přepětí:

Jedná se o krátké a velmi silné přepětí (někdy přesahující 1000 voltů), odtud název.

Přepínání
Vyskytuje se při pracovních procesech v rozvodnách. Přirozeně se je snaží vyhladit, ale stále existují.

nouzový
Poruchy v rozvodnách. Blesk udeřil do nadzemního elektrického vedení.

Spínací napětí mají škodlivý vliv na napájecí zdroje v domácích spotřebičích, mohou způsobit přepálení vnitřních pojistek a varistorů.
Nouzové jsou schopny proměnit v popel nejen to, co je zapojeno do zásuvky, ale dokonce i elektrické panely a samotnou elektroinstalaci. Často končí požárem.

Napěťové relé

Odpojí fázi, pokud napětí překročí specifikovaný parametr.
Dodávají se v monoblokovém i samostatném provedení, ovládací relé + stykač, který spíná výkonovou část.

– schopnost obnovit dodávku energie po aktivaci
— často mají rozšířenou funkčnost (například řízení proudu)
– kompaktní a zabírají málo místa ve štítu
– chránit před vysokým a nízkým napětím
– nízké náklady

– nízká spolehlivost a životnost
– nízká spínací kapacita
— omezení indikátorů napájení
– nedostatek ochrany proti přepětí

Bohužel při nesprávném použití mnohé z těchto přípravků často napáchají více škody než užitku.

Během mých osobních testů a měření, jakož i statistik od těch, kteří tyto produkty používají, jsou závěry následující:

— není vhodné používat monobloková napěťová relé se vstupními jističi vyššími než C40
– nainstalujte bypass spínač pro rychlé obnovení napájení, když tento zázrak náhle zemře

Mnohem složitější a dražší řešení. Ale je spolehlivý a odolný.

– schopnost obnovit dodávku energie po aktivaci
– vysoká spolehlivost a životnost
– libovolný výkon a spínací kapacita (v závislosti na použitém stykači)
– chránit před vysokým a nízkým napětím

– zabírají hodně místa ve štítu
— vysoká cena ve srovnání s multiblokem (samotné relé + stykač)
– nižší rychlost odezvy ve srovnání s víceblokovým relé
– problémy s výkonem při nízkém napětí (v závislosti na modelu stykače)
– nedostatek ochrany proti přepětí

Přepěťová spoušť

Vypne k němu připojené zařízení (například vstupní jistič), pokud napětí překročí přípustnou hodnotu. Existují také nízkonapěťové spouště, které fungují, když je napětí nízké.

– vysoká spolehlivost a životnost
– neovlivňuje výkon a spínací kapacitu (závisí na připojeném zařízení)
– zabírají velmi málo místa ve štítu
– nízké náklady

– neobnovení napájení po aktivaci
– nedostatek ochrany proti přepětí

SPD (Surge Protection Device)

V závislosti na třídě a provedení se jedná buď o plynovou výbojku nebo varistor (nebo o kombinaci obou). Modul SPD je připojen k fázím, nulovému vodiči a zemi, bezprostředně za vstupním jističem. Když se na vstupu objeví puls, prudce sníží jeho odpor, zkratuje fázi a/nebo nulu vůči zemi, a tím zabrání tomu, aby se rázy dále šířily do elektroinstalace bytu/domu.

– ochrana proti všem druhům přepětí
— jakýkoli výkon a spínací kapacita (SPD je připojen k síti paralelně)
– extrémně vysoká rychlost odezvy

– nechrání proti stálému vysokému napětí, pouze proti přepětí
– nefunguje bez řádného uzemnění
– neobnovení napájení po aktivaci
— zdroj je určen počtem přijatých výbojů
– vysoká cena za kvalitní modely
— někdy je vyžadována dodatečná ochrana samotného SPD

Častou chybou je, že si mnoho lidí myslí, že všechny moduly SPD jsou stejné a jsou zapojeny stejným způsobem. Přirozeně tomu tak není a závisí na použitém uzemňovacím systému. Zde je schéma, které vám pomůže pochopit tuto skutečnost.

Mnoho lidí také věří, že SPD také chrání před konstantním vysokým napětím. Ale není tomu tak. SPD je navrženo pro práci s přepětím a neustálé přepětí poškozuje i samotné SPD, stejně jako domácí spotřebiče.

Stabilizátor

Na rozdíl od jiných typů ochran, které jednoduše odpojí vnitropodnikovou elektroinstalaci od vstupu, stabilizátor upravuje parametry vstupního napětí a snaží se je vejít do standardu (čím dražší stabilizátor, tím lépe se mu to daří).

– trvale stabilizuje napětí

– vyžaduje přepěťovou ochranu na vstupu (SPD)
– vyžaduje prostor a chlazení mimo štít
– nízké zdroje a spolehlivost rozpočtových modelů
– extrémně vysoká cena za spolehlivé modely

Kompletní ochrana

Plná ochrana je vždy kombinací zařízení, z nichž každé plní svou vlastní funkci.

Na internetu a mezi začínajícími elektrikáři panuje mylná představa, že pro účinnou ochranu před všemi druhy přepětí stačí jednoduše nainstalovat monoblokové relé a je to. Bohužel to není úplné řešení.

Povinným požadavkem pro plnou ochranu je SPD třídy 2 v rozvodné desce (byty a venkovské domy). A pokud se bavíme o venkově a nadzemním elektrickém vedení, tak i SPD 1. třídy na vstupu (obvykle v měřicí desce).

V bytových panelech pro staré budovy (sekundární, vstupní – jednofázový 25-40A) je instalace SPD obvykle nemožná z důvodu chybějícího uzemnění nebo jeho nesprávné implementace (nesprávná modernizace zemnícího systému z TN-C na TN-CS během velkých oprav). Je tam prostě spoušť nebo napěťové relé (podle chuti).

Venkov se svými vzdušnými liniemi je samostatný příběh. Napěťové relé tam určitě je, protože síť se může 5x denně pohybovat tam a zpět. Protože Vstupní proudy jsou nízké, optimální je použití monoblokových napěťových relé. SPD třídy 1 v rozvaděči a třídy 2 v rozvaděči jsou velmi žádoucí, ale jsou omezeny přítomností správně implementovaného zemnícího obvodu a samozřejmě ve výsledku rozpočtem.

Stabilizátor napětí není ani tak ochranou, jako spíše zajišťuje stabilní provoz elektrických spotřebičů v nestabilních sítích. Použití stabilizátoru jako ochrany je trochu oříšek. Toto je samostatné téma a měl bych o nich napsat celý samostatný příspěvek.

Místo toho celkem

Tady to je, stručně a bez zbytečných slov, aby byly pochopeny základy. V následujících příspěvcích uvidíte realizaci zapojení a výběr komponent v každém konkrétním případě.

(zde budou odkazy na pokračování s příklady)

–
Zbytek mých elektro postů najdete zde.