PRENAPETOSTNI ODVODNIKI

Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko PRENAPETOSTNI ODVODNIKI (seminar pri predmetu Razdelilna in industrijska omrežja) Mentor: prof. dr. Grega Bizjak študentka:, 64120072 Ljubljana, študijsko leto 2015/16

POVZETEK Za delovanje elektroenergetska sistema in za zagotavljanje zanesljivosti so poleg transformatorjev in ostalih pomembnih naprav ključni tudi zaščitni elementi. Med nje spadajo tudi prenapetostni odvodniki, ki igrajo pomembno vlogo v celotnem EES. V seminarski nalogi sem predstavila vrste prenapetosti in zakaj do njih pride. Podrobneje sem nato opisala namen in delovanje prenapetistnih odvodnikov, vrste in dimenzioniranje le-teh. Ključne besede: prenapetost, prenapetostni odvodnik, zaščita, varnost 2

Kazalo vsebine: 1. UVOD... 6 2. NASTANEK PRENAPETOSTI... 7 2.1. DELITEV... 7 2.2. ATMOSFERSKE PRENAPETOSTI... 8 2.3. NOTRANJE PRENAPETOSTI... 10 3. NAMEN PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV... 12 4. SESTAVA IN NAČIN DELOVANJA PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV... 13 4.1. ZAŠČITNI ELEMENTI S STIKALNO KARAKTERISTIKO... 14 4.1.1. ZAŠČITNO ISKRILO... 15 4.1.2. CEVNI ODVODNIK... 15 4.2. ZAŠČITNI ELEMENTI S STALNO OMEJEVALNO KARAKTERISTIKO... 16 4.2.1. VENTILNI ODVODNIK... 17 5. DIMENZIONIRANJE PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV... 21 5.1. RAZRED PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV PO RAZLIČNIH STANDARDIH... 21 6.1.1 Prenapetostni odvodniki razreda I... 21 6.1.2 Prenapetostni odvodniki razreda II... 22 6.1.3 Prenapetostni odvodniki razreda III... 23 6. INŠTALACIJE PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV V NN-SISTEMIH... 25 6.1. PRAVILNA IZBIRA ODVODNIKA GLEDE NA SISTEM... 25 6.1.1. Inštalacija v TT sistemu... 25 6.1.2. Inštalacija v TN-S sistemu... 26 6.1.3. Inštalacija v TN-C sistemu... 26 6.2. KREIRANJE VEČ NAVOJEV ZAŠČITE... 27 6.3. DOLOČITEV NAPETOSTNEGA ZAŠČITNEGA NIVOJA Up... 27 6.4. NAJVEČJA OBRATOVALNA VREDNOST Uc... 29 6.5. RAZDALJE VODNIKOV PROTI ZEMLJI... 29 6.5.1. PRIPOROČILA ZA MONTAŽO ODVODNIKOV... 29 7. ZAKLJUČEK... 31 8. VPRAŠANJA IN ODGOVORI... 32 9. DOMAČA NALOGA... 34 10. VIRI... 35 3

Kazalo slik: Slika 1: Odziv časnih prenapetosti.... 7 Slika 2: Prehodna prenapetost s položnim čelom in s strmim čelom.... 8 Slika 3: Atmosferske razelektritve... 8 Slika 4: Oblika toka indirektnega in direktnega udara strele.... 9 Slika 5: Udar strele v zaščitni vodnik.... 10 Slika 6: Vzroki, ki privedejo do prenapetosti v omrežju.... 11 Slika 7: Deleži vzrokov za napake in motnje v omrežju.... 12 Slika 8: Prikaz odziva prenapatostne zaščite.... 13 Slika 9: Odzivni časi in odvodne sposobnosti posameznih odvodniških elementov.... 14 Slika 10: Prenapetostni plinski odvodniki... 14 Slika 11: Iskrišči v dveh oblikah.... 15 Slika 12: Varistatorji.... 16 Slika 13: Hitre diode.... 16 Slika 14: Osnovni princip vezave odvodnika in njegovega delovanja.... 17 Slika 15: Srednjenapetostno ZnO prenapetostni odvodniki.... 18 Slika 16: Zgradba ZnO odvodnika.... 19 Slika 17: SN in NN prenapetostno odvodniki.... 20 Slika 18: Tokovna karakteristika prenapetostnega odvodnika.... 20 Slika 19: Vrste prenapetostnih odvodnikov pri hišni inštalaciji.... 21 Slika 20: Elektro razdelilna omarica.... 22 Slika 21: Prenapetostno odvodniki razreda I.... 22 Slika 22: Prenapetostni odvodnik razreda II.... 23 Slika 23: Prenapetostni odvodnik razreda III.... 23 Slika 24: Prenapetostna zaščita locirana v inštalaciji hiše... 24 Slika 25: TT sistem.... 25 Slika 26: TN-S sistem.... 26 Slika 27: TN-C sistem.... 26 Slika 28: Prikaz zaščitnih nivojev.... 27 Slika 29: Razporeditev odvodnikov glede na katagorije prenapetosti in Up.... 28 Slika 30: Območje delovanja prenapetostnega odvodnika.... 28 Slika 31: Primer vodnika in njegove impedance.... 29 Slika 32: Priključitev odvodnika I... 30 Slika 33: Priključitev odvodnika II... 30 Seznam tabel: Tabela 1: Nazivne karakteristike SN odvodnikov podjetja Simens.... 19 Tabela 2: Razredi prenapetostnih odvodnikov po različnih standardih.... 21 4

Seznam uporabljenih kratic: NN SN EES SPD MOV GDT SAD nizka napetost srednja napetost elektroenergetski sistem prenapetostna zaščita (ang. Surge Protection Device) varistor (ang. Metal Oxide Varistor) plinski odvodnik (Gas Discharge Tube) hitra dioda (ang. Suppressor diode) 5

1. UVOD Kljub skrbnemu projektiranju in vzdrževanju omrežja in vključenih naprav lahko zaradi nepredvidljivih električnih, termičnih ali mehanskih preobremenitev pride do okvar. Okvare lahko povzročijo motnje v delovanju omrežja, slabšo kakovost električne energije, izgubo pomembnih podatkov na elektronskih napravah, motnje v komunikaciji itd. Da bi preprečili čim več okvar moramo skrbno načrtovati tudi zaščito, s katero zagotovimo, da se preobremenitve oziroma nenadne kratke stike izklopi/odpravi preden bi le ti poškodovali naprave v omrežju. Vzrokov za nastale motnje je lahko več. Eden izmed njih so zagotovo prenapetosti v porabniških omrežjih, ki nastanejo kot posledica neposrednih in oddaljenih udarov strele ali stikalnih manevrov tako v distribucijskem kot v porabniškem omrežju. Te prenapetosti povzročajo škodo na tako na električnih inštalacijah kot napravah. Naloga prenapetostne zaščite pa je, da omejijo napetost in odvedejo tokovni sunek. 6

2. NASTANEK PRENAPETOSTI Prenapetost je pojem, ki opisuje povišanje napetosti med dvema točkama do take mere, da lahko pride do nevarnosti poškodovanja in uničenja izolacije na električnih in elektronskih napravah, aparatih in sistemih. Prenapetosti se pojavijo tako med faznimi vodniki kot tudi med faznim in nevtralnim vodnikom, v vseh primerih pa prihaja do poškodb izolacijske trdnosti, ki imajo za posledico uničenje občutljivih električnih naprav. 2.1. DELITEV Prenapetosti lahko delimo glede na časovni potek. Ločimo časne, prehodne in kombinirane prenapetosti. Razvrščene so glede na trajanje in obliko: Časne prenapetosti: Izmenične prenapetosti omrežne frekvence s sorazmerno dolgim trajanjem, ki so nedušene ali slabo dušene. Včasih je frekvenca nekajkrat višja ali nižja od omrežne frekvence. Slika 1: Odziv časnih prenapetosti. Prehodne prenapetosti: Kratkotrajne prenapetosti s trajanjem nekaj milisekund ali manj, izmenične ali ne, ki so običajno močno dušene. Običajno so ene polaritete. Prehodne prenapetosti dalje delimo na: o Prenapetosti s položnim čelom:čas do temenske vrednosti znaša 20 μs <T1 5000μs in čas hrbta T2 20 ms o Prenapetosti s strmim čelom: Čas do temenske vrednosti znaša 0.1 μs < T1 20 μs in čas hrbta T2 < 300 μs. o Prenapetosti z zelo strmim čelom: Čas do temenske vrednosti znaša T1 0.1 μs in celotno trajanje < 3 ms. 7

Slika 2: Prehodna prenapetost s položnim čelom in s strmim čelom. Kombinirane prenapetosti (časne, s položnim, strmim in zelo strmim čelom): Sestavljene so iz dveh napetostnih komponent, ki se istočasno pojavita med vsakim od dveh faznih priključkov izolacije (medfazne ali vzdolžne) in zemljo. Razvrščamo jih po komponenti z višjo temensko vrednostjo. Glede nastanka jih delimo na notranje in zunanje. Zunanje tedaj, ko imajo svoj izvor zunaj tokokroga, katerega izolacijo obravnavamo. Najpogostejše so tiste, ki so posledica atmosferskih udarov ob razelektritvah direktno v naše naprave. Lahko pa strela udari v neposredni bližini naprav in tedaj se pojavijo v našem tokokrogu atmosferske prenapetosti. Tako jih imenujemo bodisi zaradi induktivne povezave ali zaradi velikega dviga potenciala zemlje. Prenapetosti, ki nastanejo zaradi prehodnih stanj obratovalnega izvora kot: hitre razbremenitve, stik ene faze z zemljo, vklapljanje in izklapljanje naprav ali prekinjanje tokov kratkih stikov, uvrščamo med prenapetosti notranjega izvora ali notranje prenapetosti. 2.2. ATMOSFERSKE PRENAPETOSTI Atmosferska razelektritev ali udar strele je naraven prehoden pojav, zaznamovan z bliskom in grmenjem, za katerega je značilna praznitev z tokom velike jakosti, do katerega pride ob preskoku naboja med oblakom in zemljo ali med oblaki samimi. Slika 3: Atmosferske razelektritve. 8

Atmosferski razelektritveni val ima značilno obliko udarnega tokovnega vala, z veliko temensko vrednostjo. Vsak udar strele ima svojo temensko vrednost v razponu od nekaj ka do 200kA, ki pa je ne moremo vnaprej predvideti. Za atmosferske razelektritve imamo standarnizirani dve obliki razelektritvenega toka, in sicer za direktni udar strele 10/350μs in za indirektni udar strele 8/20μs. Slika 4: Oblika toka indirektnega in direktnega udara strele. Najbolj je značilen nastanek prenapetosti ob direktnem udaru v fazni vodnik nadzemnega voda. Tedaj tokovi višine več deset ali celo več sto kiloamperov povzročijo tolikšen dvig potenciala vodnika proti zemlji, da izolacija voda večinoma ne zdrži. Pa si na primeru oglejmo kolikšen tok je potreben, da udar zanesljivo povzroči defekt. Kadar pride do udara strele v vod se najpogosteje kanal strele konča na zaščitnem vodniku vrh voda, ki je namenjen zaščiti pred direktnim udarom v fazne vodnike. Zaščita je učinkovita, če tvorita vertikalna premica skozi zaščitni vodnik in premica, ki seka zaščitni vodnik in fazni vodnik, kót manj kot 30. Ob udaru strele v zaščitni vodnik pa na dvig potenciala stebra proti faznim vodnikom vpliva v glavnem ozemljilna upornost stebra. Ob izjemno hitrih pojavih in večjih višinah stebrov je potrebno včasih upoštevati tudi valovno upornost stebra. Za večino pojavov pa je preprost izračun produkta toka I v stebru in ozemljilne upornosti R dovolj, da izračunamo prenapetost na dozemni izolaciji voda. 9

2.3. NOTRANJE PRENAPETOSTI Slika 5: Udar strele v zaščitni vodnik. V vsakem tokokrogu, ki je sestavljen iz elementov z upornostjo, kapacitivnostjo in induktivnostjo, nastanejo strukture, ki so nagnjene k nihanju. Hipne spremembe toka ob vklopih ali izklopih povzročijo bolj ali manj dušena nihanja in obratovalnim napetostim, pa naj bodo to fazne ali medfazne, se superponirajo prenapetostni pojavi. Velja torej, da sleherna sprememba stanja v visokonapetostnem omrežju sproži pojav prenapetosti. Delimo jih na: stikalne prenapetosti, ki so udarnega karakterja in sledijo dvojni eksponencialni krivulji in njihovo trajanje se meri v milisekundah časne prenapetosti, ki najpogosteje nastanejo kot kombinacija (zemeljski stik, hitra razbremenitev) in trajajo nekaj sekund ali nekaj deset sekund. Izjema med njimi je lahko (pri zelo dolgih vodih) Ferantijev pojav, ki lahko traja dalj časa. Med dejavnike, ki prispevajo k časnim prenapetostim uvrščamo še resonanco in feroresonanco. Vklapljanje in izklapljanje posebnih konfiguracij delov omrežja, ki so nagnjena k prenapetostnim pojavom so prikazana na sliki 6. 10

Slika 6: Vzroki, ki privedejo do prenapetosti v omrežju. 11

3. NAMEN PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV Po podatkih zavarovalnic so prenapetosti drugi največji vzrok nastalih škod in sicer takoj za človeško malomarnostjo. S tem da v distribucijskem sistemu predstavljajo približno 20 % vseh motenj in napak v omrežju, v pisarnah, doma ali v proizvodnji pa kar 80 %. Iz teh podatkov lahko potegnemo zaključek kako pomembna in premalo uporabljena je ustrezna prenapetostna zaščita. Slika 7: Deleži vzrokov za napake in motnje v omrežju. Glavni namen prenapetostnih odvodnikov je tako varovanje električnih naprav, sistemov, posledično pa tudi naše lastnine. Vemo, da pri udaru strele nastopajo veliki tokovi. Zaradi teh tokov, pride do preobremenitve materiala, zaradi česar se le ta močno greje, posledica tega pa je hitrejše staranje izolacije, v najslabšem primeru takojšnje uničenje, med drugim lahko privede tudi do požara. V primeru, da pri udaru strele pride do izpada sistema, poškodovanja dragih in težko dostopnih naprav, izgube podatkov, lahko pride do velike premoženjske škode, osebne škode ob izgubi dokumentov na računalnikih in pa škode v gospodarstvu. Vgrajujemo jih v neposredno bližino transformatormatorskih postaj, na NN vodih na mestu vejitev in koncu dolgih vodov. Zelo pomembna je koordinacija karakteristik elementov prenapetostne zaščite, ki more prenapetostni val proti ščiteni napravi toliko porezati, da prenapetost na njej ne preseže napetosti zdržnega napetostnega nivoja za elektricne inštalacije oziroma naprave (v večini primerov 1,5 kv). Namen prenapetostnih odvodnikov je v prvi vrsti zmanjšanje zgoraj naštetih posledic, ki jih v omrežjih povzročijo prenapetosti. 12

4. SESTAVA IN NAČIN DELOVANJA PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV Prenapetostno zaščito (SPD Surge Protection Device) lahko predstavlja posamezen odvodniški element ali pa več odvodniških elementov. Odvodniške elemente nam najpogosteje predstavljajo varistorji (MOV - Metal Oxide Varistor), plinski odvodniki (GDT Gas Discharge Tube), hitre diode (SAD Suppressor diode) in pa iskrišča (Spark gap). Posamezni odvodniški elementi ki jih uporabljamo v prenapetostnih zaščitah imajo različne odzivne čase in pa različne odvodne sposobnosti. Slika 8: Prikaz odziva prenapatostne zaščite. Plinski odvodnik ima visoko odvodno sposobnost in pa počasen odziv. Nasprotje od njega je hitra dioda, ki ima majhno odvodno sposobnost in pa zelo hiter odziv. Tretji, najpogosteje uporabljen odvodniški element varistor pa predstavlja neko sredino med njima, ima boljše odvodne sposobnosti od diode in slabše od plinskega odvodnika, ravno tako pa je pri odzivnem času, ki je daljši kot pri diodi in krajši kot pri plinskem odvodniku. Te lastnosti odvodniških elementov pa nam najboljše opiše slika 9. 13

Slika 9: Odzivni časi in odvodne sposobnosti posameznih odvodniških elementov. Glede na mehanizem delovanja pa lahko odvodniške elemente razdelimo na zaščitne elemente s stikalno karakteristiko in zaščitne elemente s stalno omejevalno karakteristiko. 4.1. ZAŠČITNI ELEMENTI S STIKALNO KARAKTERISTIKO Princip delovanja tovrstnih elementov je, da na pojav prenapetosti reagirajo tako, da jo kratko sklenejo. Kot že samo ime pove, lahko to delovanje primerjamo z delovanjem stikala. V normalnem obratovalnem stanju ima element visoko ohmsko upornost, v stanju odvajanja pa preide v nizko ohmsko upornost. Opisane lastnosti imata dva že prej omenjena elementa, in sicer prenapetostni plinski odvodnik in odprto iskrišče. Glavna razlika med slednjima je, da so lahko plinski odvodniki manjši za iste odvodne tokove in da jih v električne naprave ni treba vgrajevati ločeno, saj pri njih ne prihaja do električnega obloka zaradi gašenja toka. Slika 10: Prenapetostni plinski odvodniki 14

Slika 11: Iskrišči v dveh oblikah. 4.1.1. ZAŠČITNO ISKRILO Omejevanje prenapetosti se je začelo z uporabo elektrod v zraku imenovanih zaščitna iskrišča, ki so jih naravnali na takšno razdaljo, da so odreagirala preden je nastopil preboj izolacije ščitenega objekta. Iskrišče je ščitilo dobro pri razmeroma počasnih udarih, pri zelo strmih naraščanjih napetosti, zelo strmih čelih pa je včasih udarna karakteristika iskrišča sekala karakteristiko objekta in pri zelo kratkih časih je iskrišče reagiralo pri višji napetosti kot izolacija. Na iskrišču se je pojavil oblok, ki so ga elektromehanske sile lahko prenesle na zelo neugodna mesta in je lahko povzročil veliko škode. Dandanes zaščitnih iskril ne uporabljamo več zato, da bi preprečili udar prenapetosti v električni postroj, uporabljamo pa jih še vedno kot zaščitna iskrila posameznega elementa. Z njimi pred poškodbami električnega obloka ščitimo izolatorje merilnih transformatorjev, skoznjikov, podporne izolatorje in izolatorske verige daljnovodov. V primeru, da pride na omenjenih aparatih do preskoka, nastane oblok na paralelnem iskrilu, zaradi česar oblok ne oplazi izolatorja, ki ostane tako nepoškodovan. 4.1.2. CEVNI ODVODNIK Iskrišča so vgradili v izolacijske cevi, oblok se je zadržal pretežno v notranjosti ohišja, povzročil izpuh, ni pa oblok»potoval«. Cevni odvodniki morajo biti izdelani in pritrjeni tako, da v smeri, kamor pihnejo izpušni plini, ni delov naprav, ki bi se pri tem poškodovali. Uporaba cevnih odvodnikov je omejena zaradi več vzrokov. Prvi je, da cevni odvodniki nimajo izklopne zmogljivosti za poljubno velike tokove, problem pa lahko nastane tudi pri malih tokovih. Njihovo gašenje odpove, ker se gasilni plin ne razvija dovolj intenzivno za dovolj hitro gašenje. 15

4.2. ZAŠČITNI ELEMENTI S STALNO OMEJEVALNO KARAKTERISTIKO Tipična elementa, ki predstavljata to skupino zaščitnih elementov sta varistor in hitra dioda. Način delovanja teh elementov v NN omrežju temelji na principu napetostnega delilnika. Njegova sestavna dela sta nelinearna impedanca zaščitnega elementa in linearna impedanca omrežja med mestom izvora prenapetosti in mestom vgradnje zaščitnega elementa. Ob pojavu prenapetosti na odvodniškem elementu, le ta odreagira nanjo tako, da se mu zmanjša upornost in tako odvede udarni tok, ki je odvisen od energije prenapetosti. Slika 12: Varistatorji. Slika 13: Hitre diode. 16

4.2.1. VENTILNI ODVODNIK Ko so odkrili, da ima silicijev karbid(sic) zelo nelinearno U-I karakteristiko, so naredili upore, ki zdržijo velike tokove in ob odvajanju zaradi nelinearnosti upora napetost ne naraste preko določene vrednosti. V kombinaciji s serijskim iskriščem, ki reagira, ko se pojavi prenapetost in ugasne, ko se konča sledilni tok, ki ga požene obratovalna napetost, predstavlja ventilni odvodnik element, ki ob ščitenju ne moti normalnega obratovanja. V zadnjih dveh desetletjih so SiC odvodnike pa so jih izpodrinili ZnO odvodniki. Njihove karakteristike so bistveno boljše ter dovolj nizke cene odvodnikov omogočajo njihovo široko uporabo. V SN omrežju se danes za zaščito postrojev oziroma vgrajenih naprav pred prenapetostmi vgrajujejo izključno ZnO prenapetostni odvodniki. Odvodnik je zgrajen iz aktivnega dela, ki vsebuje en ali več ZnO uporovnih blokov in iz izoliranega ohišja, ki zagotavlja izolacijsko in mehansko trdnost odvodniku. Njegova izrazito nelinearna U-I karakteristika omogoča "ventilsko" delovanje, pri katerem ni potrebno serijsko iskrišče, kot je to pri SiC odvodniku. Odvodni tokovi so tako nizki, da so ob obratovalni napetosti v uporih tako nizke izgube, da jih ohišje brez večjih težav odvede na okoliški zrak. Ta tok je sestavljen iz prevladujoče kapacitivne in mnogo manjše ohmske komponente toka. Slednja je močno odvisna od temperature odvodnika, hkrati pa je pokazatelj kolikšna je še preostala življenska doba odvodnika. Staranje se pojavi ob večkratnem izpostavljanju prenapetosti, z njim se manjša rezerva do najvišje dovoljene temperature odvodnika, ki se sme med obratovanjem odvodnika pojaviti. Odvodniki brez iskrišča morajo biti izbrani ob upoštevanju vseh napetostnih obremenitev, zlasti časne prenapetosti moramo dobro poznati in preveriti ali jih bo odvodnik zdržal. Ob segrevanju se odvodniku karakteristika upogne navzdol, kar pomeni, da ima večje izgube in lahko se zgodi da temperaturno pobegne, če mu temperatura naraste preko kritične točke. Delovanje ZnO prenapetostnih odvodnikov je odvisno od oblike prenapetosti, ki se pojavi na prenapetostnem odvodniku. Ob večanju strmine čela prenapetosti se veča preostala napetost na odvodniku. Slika 14: Osnovni princip vezave odvodnika in njegovega delovanja. 17

Odvodniki z vgrajenimi ZnO varistorji imajo veliko upornost. Ob nastopu prenapetosti se upornost zmanjša v času 25 ns. Zaradi tega ima odvodnik sposobnost odvajanja velikih impulznih tokov v zelo kratkem času. Po prenehanju prenapetosti se upornost ponovno poveča na prvotno stanje. Odvodniki ponavadi vzdržijo najmanj 20 udarov atmosferskih praznjenj. Velikost ZnO bloka je neposredno povezana z zmožnostjo energijske absorpcije in z nazivnim odvodnim tokom. Odvodniki za posebne primere (prenapetostna zaščita generatorjev in kompenzacije jalove energije), kjer se ob naglih razbremenitvah lahko sprosti veliko energije (toplote), imajo premer ZnO bloka znato večji. Večji premer ZnO bloka omogoča odvodniku večjo absorbcijo toplote. Posebno pozornost je potrebno nameniti izbiri ustreznega tipa ZnO odvodnika: 1. Pomembni so podatki omrežnega operaterja: Umax - maksimalna napetost t - čas trajanja kratkega stika kz - faktor zemeljskega stika (kz = 1,40 - neposredno ozemljeno, kz = 1,40-1,7 z malim uporom, kz = 1,73-1,8 z izol. nevtralno točko) 2. ZnO prenapetostni odvodnik ščiti naprave na določeni razdalji od mesta vgradnje. Poenostavljena formula za izračun zaščitne razdalje ZnO odvodnika: l z = U z U rez 2 S U z - zdržna udarna napetost izolacije opreme U rez - maksimalna vrednost preostale napetosti za določen tip odvodnika v hitrost širjenja udarnega vala po vodih (v = 300m/µs- nadzemni vod, v = 150m/µs -kabel) S pričakovana strmina prenapetostnega udara strele (S = 1550 kv/μs - leseni drogovi S = 800 kv/μs - ozemljene konzole) V splošnem pa za zaščitno razdaljo velja, da naj bo prenapetostni odvodnik priključen čim bližje ščiteni napravi. v Slika 15: Srednjenapetostno ZnO prenapetostni odvodniki. 18

Tabela 1: Nazivne karakteristike SN odvodnikov podjetja Simens. Zgradba ZnO prenapetostnega odvodnika: V osnovi so na voljo tri različne konstrukcije: Ohišje ojačano s steklenimi vlakni, ki hkrati služi kot izolacija. Ti odvodniki imajo enake težave kot votli izolatorji, saj potrebujejo tesnenje in tlačno napravo. Z vdorom nečistoč in vlage v notranjost odvodnika, se bistveno povečajo delne razelektritve. Aktivni del odvodnika je ovit s steklenimi vlakni, ki so prepojena z umetno smolo, kar daje odvodniku odlične mehanske lastnosti. Čez aktivni del odvodnika in steklena vlakna se nato namesti še ohišje iz polimernega materiala. Pomankljivost te izvedbe je, da različni izolacijski materiali otežujejo kvalitetno zatesnitev. Pri preobremenitvah ZnO blokov pogosto pride do zloma odvodnika. Aktivni del odvodnika je mehansko povezan in utrjen z»armiranimi«trakovi iz steklenih vlaken. Silikonsko ohišje pa je neposredno nameščeno na ZnO bloke, kar omogča boljši prehod toplote in preprečuje kopičenje plina med ZnO bloki in ohišjem odvodnika. Zato v tem primeru težje pride do vdora vlage in s tem tudi do eksplozije odvodnika, pa tudi vrednosti parcialnih razelektritev so zelo nizke. Slika 16: Zgradba ZnO odvodnika. 19

Slika 17: SN in NN prenapetostno odvodniki. Slika 18: Tokovna karakteristika prenapetostnega odvodnika. 20

5. DIMENZIONIRANJE PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV 5.1. RAZRED PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV PO RAZLIČNIH STANDARDIH Posledice udara strele omejimo z uporabo prenapetostnih zaščit. Osnovni gradniki prenapetostnih zaščit so odvodniki, ki jih v skladu s standardi delimo v sledeče skupine: Tabela 2: Razredi prenapetostnih odvodnikov po različnih standardih. IEC EN VDE UL I T1 B C II T2 A,C B III T3 D A Ker so definicije razredov po različnih standardih zelo podobne, si oglejmo le definicije po IEC standardu, ki se ga najpogosteje uporablja: Slika 19: Vrste prenapetostnih odvodnikov pri hišni inštalaciji. 6.1.1 Prenapetostni odvodniki razreda I Prenapetostni odvodniki namenjeni zaščiti električne inštalacije in opreme pred delnimi direktnimi udari strele. 21

Postavijo se v glavno razdelilno omarico. Slika 20: Elektro razdelilna omarica. Slika 21: Prenapetostno odvodniki razreda I. 6.1.2 Prenapetostni odvodniki razreda II Prenapetostni odvodniki namenjeni zaščiti električne inštalacije in opreme pred indirektnimi vplivi udara strele in pred stikalnimi (industrijskimi) prenapetostmi. Postavijo se v podrazdelilne omarice. 22

Slika 22: Prenapetostni odvodnik razreda II. 6.1.3 Prenapetostni odvodniki razreda III Prenapetostni odvodniki namenjeni izključno zmanjševanju škodljivih prenapetosti na napetostni prag, ki ga elektronske naprave še lahko prenesejo. Postavijo se čim bližje ščiteni napravi. Slika 23: Prenapetostni odvodnik razreda III. 23

Dober prenapetostni odvodnik pa še ne pomeni tudi učinkovite zaščite. Če želimo naše naprave učinkovito zaščititi pred prenapetostmi, moramo upoštevati naslednje pogoje: Izbira ustreznega prenapetostnega odvodnika Pravilna montaža prenapetostnih odvodnikov Ustrezna koordinacija med posameznimi stopnjami zaščite Ekvipotencialna izenačitev vseh zaščitnih vodnikov in drugih prevodnih inštalacij Slika 24: Prenapetostna zaščita locirana v inštalaciji hiše. 24

6. INŠTALACIJE PRENAPETOSTNIH ODVODNIKOV V NN-SISTEMIH Dandanes lahko na trgu najdemo veliko število proizvajalcev, ki izdelujejo kvalitetne in kakovostne prenapetostne zaščite. V primeru, da zaščito v sistem nepravilno vgradimo pa bo njeno delovanje nepravilno in nam zato le ta ne bo nudila želene stopnje odvajanja prenapetosti. Če se želimo imeti zaščito na najvišjem nivoju, je pri inštalaciji potrebno upoštevati vsako izmed naštetih točk: Pravilna izbira odvodnika glede na sistem Kreiranje več nivojev zaščite Upoštevanje razdalj vodnikov proti zemlji Določitev stopnje zaščite Up Določitev največje obratovalne vrednosti Uc 6.1. PRAVILNA IZBIRA ODVODNIKA GLEDE NA SISTEM Pri vseh sistemih je za pravilno vgradnjo prenapetostni odvodnik potrebno umestiti med fazni vodnik (L) in zaščitni vodnik (PE, PEN) 6.1.1. Inštalacija v TT sistemu Slika 25: TT sistem. Pri TT sistemih moramo med vodnika N in PE obvezno vstaviti plinski odvodnik. Pri tem gre za zaščito človeka, saj se v primeru stika med fazo in zemljo visok potencial prenese na zemljo. Življenjsko nevarno je lahko, če se oseba v tem primeru dotakne ohišja kakega aparata, ki ni vezan na to zemljo. Z vgradnjo plinskega odvodnika dosežemo galvansko ločitev med N in PE in prekinitev tokokroga že v prvi polperiodi. 25

6.1.2. Inštalacija v TN-S sistemu Prenapetostne odvodnike postavimo med fazne vodnike (L1, L2, L3) in zaščitni vodnik (PE) ter med nevtralni vodnik (N) in zaščitni vodnik (PE). V trifaznih sistemih uporabljamo (4+0) vezavo prenapetostnih odvodnikov, v enofaznih pa vezavo (2+0). 6.1.3. Inštalacija v TN-C sistemu Slika 26: TN-S sistem. Prenapetostne odvodnike postavimo med fazne vodnike (L1, L2, L3) in zaščitni vodnik (PEN). V trifaznih sistemih uporabljamo (3+0) vezavo prenapetostnih odvodnikov, v enofaznih pa vezavo (1+0). Slika 27: TN-C sistem. 26

Pri vseh primerih se pojavijo oznake kot so 4+0. 3+1, 3+0 Pri oznakah gre za sestavo prenapetostne zaščite, in sicer na primeru: 3 + 1 => zaščita je sestavljen iz treh modulov z varistorji in iz enega modula s plinskim odvodnikom 6.2. KREIRANJE VEČ NAVOJEV ZAŠČITE Proizvajalci predpisujejo in določajo zaščitne cone in točke prehoda zaščitnih con, kjer so ponavadi vgrajeni prenapetostni odvodniki. V splošnem se delijo na tri nivoje: V razdelilni omarici (med 0B in 1) vgrajujemo odvodnik razreda I. V podrazdelilni omarici (na prehodu med 1 in 2) vgrajujemo odvodnik razreda II. Direktno pred naprave (prehod med 2 in 3) pa vgradimo odvodnike razreda III. Slika 28: Prikaz zaščitnih nivojev. 6.3. DOLOČITEV NAPETOSTNEGA ZAŠČITNEGA NIVOJA Up Up predstavlja preostalo napetost, ki se pojavi na sponkah odvodnika ob prisotnosti impulza točno določene oblike in amplitude. Pri povišanju napetosti nad Up se odvodniku spremeni prvotna karakteristika in postane prevoden. Torej je Up meja zmožnosti odvodnikovega omejevanja prenapetosti. Definira ga proizvajalec pri nazivnem odvodnem toku In in se razlikuje od razreda odvodnika: 27

Odvodnik razreda I ima zgornjo mejo Up 4 kv Odvodnik razreda II ima zgornjo mejo Up 2,5 kv Odvodnik razreda III ima zgornjo mejo Up 1,5 kv Slika 29: Razporeditev odvodnikov glede na katagorije prenapetosti in Up. Slika 30: Območje delovanja prenapetostnega odvodnika. 28

Namen zaščite je doseči nižji napetostni nivo na napravi, kot pa je dielektrična trdnost opreme. 6.4. NAJVEČJA OBRATOVALNA VREDNOST Uc Uc je največja dovoljena trajna napetost na sponkah odvodnika. Za uporabo v slovenskem omrežju se priporočajo prenapetostni odvodniki z Uc = 275 V. 6.5. RAZDALJE VODNIKOV PROTI ZEMLJI Ravno neupoštevanje dolžine vodnikov od faznega do zaščitnega vodnika je ponavadi glavni vzrok za nepravilno delovanje zaščite. Dolžina vodnikov dodatno vpliva na induktivni padec napetosti po pravilu da ima 1m vodnika induktivnost približno 1μH, kar pri strmini toka 1kA/μs pomeni približno 1kV. Ta napetost se prišteje k napetostnemu nivoju Up. Slika 31: Primer vodnika in njegove impedance. 6.5.1. PRIPOROČILA ZA MONTAŽO ODVODNIKOV Priključni vodnik naj ne bo daljši od 0,5 m. Če to ni mogoče, je možna priključitev tipa V. 29

Slika 32: Priključitev odvodnika I. Slika 33: Priključitev odvodnika II. Pri priključitvi tipa V ni dodatnih doprinosov induciranih napetosti na priključnih vodnikih odvodnika. 30

7. ZAKLJUČEK Projektant električnih inštalacij mora vsekakor vzeti na znanje tudi možnost pojava prenapetosti v električnih inštalacijah in predvideti vgradnjo prenapetostnih zaščitnih naprav v sistem električnih inštalacij. Stroški vgradnje so lahko zanemarljivi napram škodi, ki jo lahko povzrocijo prenapetosti. Pri upoštevanju zgoraj navedenih parametrov bi morala biti zaščita proti prenapetostim maksimalno zagotovljena. Zaradi posega človeka v naravo prihaja do vedno večjega števila kratkotrajnih naravnih prenapetosti, zato se tudi sama tema vse pogosteje uporablja. Ob predpostavki, da morajo v nekaterih državah prenapetostno zaščito že nujno vgrajevati v elektro-inštalacijo, pa to predstavlja tudi velik posloven potencial. Prav tako je pomembno vgajevati prenapetostne odvodnike tudi v SN omrežja, da ščitimo naprave in postroje elektroenergetskega omrežja, ki so pomembnejši in predvsem dražji ter se jim z leti slabša vzdržnost izolacije. Tako lahko prihranimo npr. kak milijon evrov za transformator, s tem, da žrtvujemo prenapetostni odvodnik, ki ni vreden več kot 1000 evrov. 31

8. VPRAŠANJA IN ODGOVORI 1. Kaj so prenapetosti in kako jih delimo? Prenapetost je pojem, ki opisuje povišanje napetosti med dvema točkama do take mere, da lahko pride do nevarnosti poškodovanja in uničenja izolacije na električnih in elektronskih napravah, aparatih in sistemih. Prenapetosti lahko delimo glede na časovni potek. Ločimo časne, prehodne in kombinirane prenapetosti. Razvrščene so glede na trajanje in obliko: Časne prenapetosti: Izmenične prenapetosti omrežne frekvence s sorazmerno dolgim trajanjem, ki so nedušene ali slabo dušene. Včasih je frekvenca nekajkrat višja ali nižja od omrežne frekvence. Prehodne prenapetosti: Kratkotrajne prenapetosti s trajanjem nekaj milisekund ali manj, izmenične ali ne, ki so običajno močno dušene. Kombinirane prenapetosti (časne, s položnim, strmim in zelo strmim čelom): Sestavljene so iz dveh napetostnih komponent, ki se istočasno pojavita med vsakim od dveh faznih priključkov izolacije (medfazne ali vzdolžne) in zemljo. Glede nastanka jih delimo na notranje(stikalne) in zunanje(atmosferske). 2. Kaj pove oznaka udarnega vala 8/20 ali 10/350 μs? Narišite njegovo obliko in označite karakteristične veličine. Atmosferski razelektritveni val ima značilno obliko udarnega tokovnega vala, z veliko temensko vrednostjo. Vsak udar strele ima svojo temensko vrednost v razponu od nekaj ka do 200kA, ki pa je ne moremo vnaprej predvideti. Za atmosferske razelektritve imamo standarnizirani dve obliki razelektritvenega toka, in sicer za direktni udar strele 10/350μs in za indirektni udar strele 8/20μs. 32

3. Kaj je naloga odvodnika prenapetosti? Vzrokov za nastale motnje v omrežju je lahko več. Eden izmed njih so zagotovo prenapetosti v porabniških omrežjih, ki nastanejo kot posledica neposrednih in oddaljenih udarov strele ali stikalnih manevrov tako v distribucijskem kot v porabniškem omrežju. Te prenapetosti povzročajo škodo na tako na električnih inštalacijah kot napravah. Naloga prenapetostne zaščite pa je, da omejijo napetost in odvedejo tokovni sunek. 4. Kakšne vrste odvodnikov prenapetosti poznate? Glede na mehanizem delovanja pa lahko odvodniške elemente razdelimo na zaščitne elemente s stikalno karakteristiko med katere spadata prenapetostni plinski odvodnik in odprto iskrišče ter na zaščitne elemente s stalno omejevalno karakteristiko, ki jih zastopata varistor in hitra dioda. 5. Kaj vse je potrebno upoštevati pri inštalaciji prenapetostnih odvodnikov? Pravilna izbira odvodnika glede na sistem Kreiranje več nivojev zaščite Upoštevanje razdalj vodnikov proti zemlji Določitev stopnje zaščite Up Določitev največje obratovalne vrednosti Uc 33

9. DOMAČA NALOGA Mirko se je odločil, da bo sam poskrbel za električno inštalacijo v svojem stanovanju, kljub temu, da stem nima veliko izkušenj. Neupoštevanje dolžine vodnikov od faznega do zaščitnega vodnika je ponavadi glavni vzrok za nepravilno delovanje zaščite, zato preveri če se je Mirko kje uštel. Rešitev: Dolžina vodnikov dodatno vpliva na induktivni padec napetosti po pravilu, da ima 1m vodnika približno induktivnost 1µH, kar pri strmini toka 1kA/µs (8/20) pomeni približno 1kV. Za pravilen izračun Up je tako treba razliko napetosti, ki nastane zaradi dolžine vodnika, prišteti k napetostnem nivoju (Up) posameznega odvodnika. Glede na izračun je treba odvodnike inštalirati tako, da zmanjšamo dolžino vodnikov med faznim in zaščitnim priključkom. Priključni vodnik naj ne bo daljši od 0,5 m. Če to ni mogoče, je možna priključitev tipa V, kjer ni dodatnih doprinosov induciranih napetosti na priključnih vodnikih odvodnika: 34

10. VIRI [1] https://www.schrack.si/fileadmin/f/si/bilder/info_dnevi/info-dnevi-2015-odvodnikiprenapetosti-v-instalacijah-in-industriji.pdf Dostopano: 12.4.2016 [2]http://www.kolektoravtomatizacija.com/resources/files/doc/Kolektor_Synatec/Katalogi/Prenape tostna_zaita_slo_nr_14_4.pdf Dostopano: 12.4.2016 [3] http://lrf.fe.uni-lj.si/e_nnei/nnei05i.pdf, gradivo iz predavanj. Dostopano: 12.4.2016 [4] Uvod v zaščito elementov elektroenergetskih sistemov, Bojan Grčar [5] Visokonapetostna tehnika, Skripta predavanj na visokošolskem univerzitetnem študiju, Maks Babuder [6] Prenapetostna zaščita naprav v luči novega standarda, Janez Ribič in Janez Podlipnik [7] http://new.izoelektro.com/files/0001_-_katalog_izoelektro_2013.pdf [8]file:///C:/Users/Tja%C5%A1a/Downloads/IZBIRA%20TEHNI%C4%8CNIH%20LASTNOSTI%20SN%20 KOVINSKOOKSIDNIH%20ODVODNIKOV.pdf 35