Elektrické ochrany v soustavách nízkého napětí - 4.díl: Přepěťová ochrana

Třetí díl minisérie věnované ochranám elektrických obvodů v soustavách nízkého napětí byl věnován proudovým chráničům, jejichž primární funkcí je ochrana před úrazem způsobeným elektrickým proudem.

Čtvrtý díl miniserie se zabývá přepěťovou ochranou, která má za úkol ochránit elektroinstalaci samotnou či zařízení v ní zapojená v případě výskytu napětí vyššího než za standardních podmínek. Vysvětluje vznik přepětí, která se mohou objevit i způsob správné ochrany před jejich účinky.

Definice přepětí

Přepětí je obecně definováno jako napětí přesahující nejvyšší hodnotu provozního napětí v elektrickém obvodu. Existuje několik typů přepětí. Tento článek se zabývá ochranou před přechodným přepětím, trvajícím řádově nanosekundy až milisekundy. Typické příčiny takovýchto přepětí jsou:

• spínacími pochody v síti (spínací přepětí)
• údery blesku (atmosférické přepětí)

Spínací přepětí

Častěji se můžeme setkat se spínacím přepětím. K elektrické síti je připojeno mnoho zařízení, která při spínání posílají do obvodu přepěťové impulzy. Jsou to nejčastěji běžně používané spotřebiče. Tyto přepěťové impulzy mohou poškodit citlivé elektronické přístroje, jakými jsou počítače, LCD televizory a další.

Použitím vhodné ochrany můžeme tato přepětí eliminovat. V okamžiku nárůstu rozdílu potenciálů (napětí) nad stanovenou mez přepěťová ochrana spojí pracovní vodiče s ochrannými vodiči PEN (PE) a zajistí tak vyrovnání potenciálů. Po odeznění přepětí je vodivé spojení přerušeno a obnoven klidový stav.

Energie přepěťové vlny způsobená spínacími pochody v síti je podstatně menší než energie přepěťové vlny způsobená úderem blesku. Instalací ochrany proti přepětí způsobenému úderem blesku automaticky splníme i ochranu proti spínacímu přepětí.

Atmosférická přepětí

Přepětí způsobená při úderu blesku jsou mnohem nebezpečnější a způsobují zpravidla větší škody než přepětí spínací. Intenzita a možná poškození způsobená přepětím závisí primárně na tom, kam blesk udeří. ČSN EN 62305 rozlišuje čtyři různé příčiny poškození:

• S1 – údery do stavby
• S2 – údery v blízkosti stavby
• S3 – údery do inženýrských sítí připojených ke stavbě
• S4 – údery v blízkosti inženýrských sítí připojených ke stavbě

Definice ohrožení instalace bleskem dle příčin možného poškození

Při úderu v blízkosti inženýrských sítí připojených ke stavbě (S4) a úderu v blízkosti stavby (S2) vzniká elektromagnetické pole, které indukuje na všech kovových částech v okolí napětí. Toto napětí obvykle nedosahuje vysokých hodnot a jím vytvořená rázová vlna nadproudu může dosahovat hodnot do 5 kA v energetické vlně 8/20 μs. Bez přiměřené ochrany je však schopna i takto vzniklá energie zničit citlivá elektronická zařízení. Obecně zařazujeme tyto případy z hlediska přepětí do první aplikační skupiny – Malé ohrožení instalace.

Pokud se jedná o úder do vedení, může rázová vlna nadproudu dosahovat až 10 kA v energetické vlně 10/350 μs. Aplikačně zařazujeme tyto případy do druhé skupiny – Střední ohrožení instalace.

Největší škody na majetku však může napáchat přepětí indukované při přímém úderu do stavby (S1) nebo blízkých objektů, které jsou s vlastním objektem galvanicky spojeny (např. kabelem). Hodnoty bleskového proudu mohou v určitých případech dosahovat až 25 kA ve vlně 10/350 μs na jeden vodič přívodního vedení. V tomto případě je přepětí indukováno na vodičích díky jejich impedanci a protékajícímu bleskovému proudu. Aplikačně řadíme do skupiny – Velké ohrožení instalace.

Ochrana proti přepětí

Základní ochranou je ochranné vyrovnání potenciálů (vzájemné pospojování všech vodivých částí v objektu). Spojením zamezíme vzniku rozdílných potenciálů, což je příčina nebezpečného napětí mezi těmito částmi. Není však možné galvanicky spojit jednotlivé vodiče v kabelech pevné instalace například klemou. Taková instalace by byla nefunkční.

Ke spojení jednotlivých vodičů v okamžiku vzniku přepětí slouží právě přepěťové ochrany. Jakmile přepětí překročí definovanou mez, přepěťové ochrany výrazně sníží svou impedanci (varistor) a umožní tak vyrovnání potenciálů. Přepětí se tak sníží na dovolenou mez.

Principiálně je na obrázku znázorněna obecná vícestupňová ochrana proti přepětí. Pro jednotlivá jmenovitá napětí sítě jsou stanoveny limitní hodnoty napětí. V tomto případě jsou to hodnoty pro síť nn 230/400 V. Na vstupu objektu musí být zajištěna napěťová hladina přepětí max. 6 kV, což bývá většinou vyřešeno ochrannými prvky na vedení. Tato úroveň přepětí je stále příliž vysoká a může poškodit jak kabeláž, tak i instalované přístroje.

Ke snížení přepětí se použije první stupeň přepěťové ochrany „T1“ (používané značení – třída B), která se umístí co nejblíže vstupu vedení do objektu. T1 sníží přepěťovou hladinu na 4 kV nebo nižší – takové přepětí bez problémů vydrží pevná elektroinstalace.

Druhým stupněm „T2“(C) se sníží přepěťová hladina na 2,5 kV nebo nižší. Na tuto hodnotu je už dimenzována většina spotřebičů, a tak je přepětí neohrozí.

Třetím stupněm „T3“ (D) se zajistí ochrana velice citlivých spotřebičů. Tato jemná ochrana zaručuje, že přepěťová hladina nepřesáhne 1,5 kV. Reaguje totiž na přepětí ze všech tří stupňů nejrychleji. Následující tabulka udává hodnoty impulzních výdržných napětí Uimp definovaných normou a hodnoty napěťových ochranných hladin Up při použití přepěťových ochran OEZ. Pro přehlednost je zde uvedena klasifikace přepěťových ochran dle ČSN EN 61643-11 (T1, T2 a T3) a dříve používaná klasifikace dle VDE 0675-6 (B, C a D).

Zdroj: OEZ, ČVUT FEL