Měření přepěťových ochran (SPD) - 1. díl

Proto vznikají stále důmyslnější ochranná zařízení, která mají elektronické systémy chránit před nepříznivými okolními vlivy a zabezpečit jejich přežití i za podmínek, kdy hrozí jejich zničení.

Jedním z takových ohrožujících vlivů je vznik přepětí v síti, ke které jsou elektronická zařízení připojena. Důvody vzniku přepětí mohou být různé, ale poměrně častým důvodem je úder blesku, který může na elektronická zařízení působit destruktivně buď svými přímými účinky, nebo i nepřímo působením elektromagnetických dějů vznikajících v důsledku proudových a napěťových účinků blesku.
Proto se objekty obsahující citlivá elektronická zařízení chrání před nepříznivými účinky atmosférických výbojů systémem ochrany před bleskem - LPS (lightning protection system), jehož součástí je systém ochranných opatření před elektromagnetickými účinky blesku – LPMS (LEMP protection measures system). Součástí tohoto systému zabezpečující ochranu elektrické sítě uvnitř chráněného objektu jsou pak přepěťové ochrany – SPD (surge protective device), které zabezpečují ochranu elektronických zařízení i před přepětím pocházejícím z jiných zdrojů. A právě jejich kontrolou a testováním jejich funkčnosti při revizích LPMS se budeme zabývat.

Legenda:
U_DC – stejnosměrné pracovní napětí
U_V – napětí na svorkách varistoru při vrcholovém napětí pulzu
I_V – maximální proud protékající varistorem během pulzu

Systém koordinované třístupňové ochrany

Přepěťové ochrany vyrovnávají vyšší než dovolený rozdíl potenciálů mezi fázovými a nulovým vodičem k přístrojům připojených propojovacích a napájecích kabelů a odvádějí nebezpečnou elektromagnetickou energii z citlivých míst chráněného elektrického systému (např. ze vstupních svorek přístrojů) do necitlivého místa k tomuto účelu v systému speciálně vytvořenému, tj. na ekvipotenciální přípojnici (EP) systému. Ekvipotenciální přípojnice bývá obvykle konstrukčně totožná s tzv. hlavním pospojováním systému. Tímto způsobem je zajištěno, že do citlivých míst elektronického systému se nedostane vyšší než dovolené napětí nebo proud.
Přepěťové ochrany (SPD) jsou tvořeny jednotlivými prvky a podle úkolu, který mají v celkovém systému ochrany splnit se pro jejich výrobu používají elektronické součástky s požadovanými vlastnostmi. Nejčastěji se pro výrobu SPD používají:

• Jiskřiště – pro odvádění vysokých bleskových proudů
• Bleskojistky
• Varistory – pro snížení vysokonapěťových impulsů na bezpečnou úroveň

Jednotlivé prvky LPMS se v objektech instalují tím způsobem, že celek tvoří tzv. třístupňovou koordinovanou ochranu. Prvky koordinované ochrany musí být instalovány dle pokynů výrobce tak, aby pracovaly ve vzájemné součinnosti a destruktivní energii bleskového výboje na jednotlivých stupních ochrany postupně odvedly. Spolupráce jednotlivých stupňů musí zajistit, že vysoké bleskové napětí a proud se postupně snižuje a k chráněnému zařízení již přepětí nepronikne. Jednotlivé stupně ochrany jsou označovány číslicemi nebo písmeny (podle norem DIN) a dělíme je:

• 1. stupeň (hrubá ochrana): Typ I (B) – svodiče bleskového proudu (jiskřiště, bleskojistky)
• 2. stupeň (střední ochrana): Typ II (C) – svodiče přepětí (varistory, bleskojistky)
• 3. stupeň (jemná ochrana): Typ III (D) – (varistory)

Legenda:
U_AC, I_AC – střídavé pracovní napětí a proud – maximální střední hodnota střídavého napětí, které může být na varistor trvale připojeno
U_N – prahové napětí (napětí miliampérového bodu) – definuje bod VA charakteristiky, při kterém varistor začne rychle snižovat svůj odpor
I_N – referenční proud – stejnosměrný proud hodnoty 1 mA, při kterém je měřeno prahové napětí (napětí miliampérového bodu)

Princip varistorové SPD

Svodiče typu I mají za úkol odvést převážnou část energie bleskového výboje formou svedení proudu a pouze hrubého omezení přepětí. Jejich reakční doba je z hlediska možnosti poškození chráněné elektroniky velmi dlouhá a proto za nimi musí být zapojeny další stupně ochrany, které velmi rychle omezí přepětí na chráněném objektu na neškodnou úroveň.
Nejčastěji používaným svodičem (SPD) je svodič typu 2 (třída C). Jako prvek omezující přepětí se u něho téměř výhradně používá varistor ZnO. Varistory jsou vyráběny ze spékaného granulátu oxidu zinečnatého ZnO s příměsemi. Na hranicích zrn se vytvoří polovodivé rozhraní a voltampérová charakteristika takového varistoru je složena z příspěvků mnoha tisíc sériovo - paralelně a antiparalelně zapojených „diod„. Správným složením materiálu a vhodnou technologií výroby se dosáhne voltampérové charakteristiky s ostrým přechodem mezi málo vodivým stavem a stavem, kdy odpor prudce klesá. Charakteristika je symetrická, a proto u varistorových svodičů nezáleží na směru zapojení ani u střídavých, ani u stejnosměrných rozvodů.
Ochranná funkce varistoru jako svodiče přepětí je zřejmá z obr. 1, kdy vysokonapěťový puls na vstupu SPD je snížen na podstatně nižší úroveň U_v v čase asi 25 ns.
Trvalým sváděním unikajícího proudu asi 0,2 mA při jmenovitém napětí a sváděním impulsního proudu při omezování přepětí varistor postupně stárne. Protékající proud poškozuje polovodivé přechody na rozhraní jednotlivých zrn materiálu, z kterého je varistor vyroben. Téměř pravoúhlá voltampérová charakteristika nového varistoru se postupně napřimuje, zvětšuje se unikající proud při jmenovitém napětí a varistor se začne zahřívat. Zahřátí varistoru proces stárnutí ještě urychlí. Aby při přílišném oteplení varistoru nedošlo k zahoření, je SPD opatřen tepelnou pojistkou. Tepelná pojistka je tvořena mechanickým kontaktem, který se rozpojí při ohřátí na teplotu asi 120 °C. Pružina, která kontakt rozpojí, zároveň posune terčík optické signalizace, takže změna barvy signalizačního okna indikuje poruchový stav SPD.
Při jednorázovém svedení impulsního proudu s vysokou amplitudou, která překročí povolené maximum, může varistor prasknout (explodovat), poškodí se izolace a v poškozeném místě vznikne nízko ohmový zkrat nebo zde dochází k opakovaným povrchovým výbojům. Zkratovým proudem se varistor nemusí zahřát, proto tepelný odpojovač nereaguje. Reagují předřazené jističe a pojistky. Přetěžování přepěťovými impulzy způsobuje trvalé průrazy a ztrátu výkonnosti varistorové ochrany. Skutečné vlastnosti svodiče přepětí se mění v čase a jsou projevem působení obou variant degradace. Závisejí na místě použití a provozním zatížení svodiče.
Co zkracuje životnost varistorových svodičů:

• dlouhodobě nebo trvale zvýšené napětí (nad hodnotu U_c),
• kolísání napětí spojené s překračováním hodnoty U_c,
• vysoký podíl harmonických, které zvyšují maximální hodnoty napětí v síti,
• časté svádění impulsních proudů, např. v blízkosti neošetřených (vadných) stykačů, neošetřených a často spínaných indukčních zátěží, blízkost neodrušených měničů apod.,
• časté bouřky a vzdálené i blízké údery blesků,
• trvale zvýšená provozní teplota,
• nedodržení technologie výroby varistoru a svodiče (nečistoty, nedostatečná izolace, nízký varistorový bod apod.).

Voltampérová charakteristika varistoru je znázorněna na obr. 2. Je z ní zřejmé, že postupné stárnutí varistoru, které má za důsledek změnu tvaru charakteristiky způsobí posun velikosti Un prahového napětí (miliampérového bodu) směrem k nižším hodnotám. Tato skutečnost činí z hodnoty miliampérového bodu údaj, který je možno využít k posouzení kvality varistorové SPD.
Vlivem výrobních odchylek není hodnota miliampérového bodu u stejného typu varistoru přesně stejná. Proto jednotlivé typy varistorů charakterizuje tzv. toleranční pásmo miliampérového bodu, které definuje maximální povolený rozptyl hodnot napětí pro daný typ varistorové SPD.
Na obr. 3 je uveden příklad VA charakteristik několika konkrétních typů varistorů, ze kterého je zřejmé, že jednotlivé typy varistorů mají pásma mA bodu položena v různých napěťových hladinách.

Další díl se bude zabívat údržbou a kontrolou LPMS a dále měření varistorových SPD.