Ochrana před atmosférickým přepětím 12.1.2007 Ochrana před atmosférickým přepětím Ing. Eliška A. Kubičková Marek Heriban

12.1.2007 Úvod Zdrojem atmosférického přepětí je bleskový výboj. Je to nejsilnější přírodní elektrický výboj. Vzniká za bouřky, a to zejména v letních měsících. Byly však pozorovány bleskové výboje i v zimě. Velikost proudu bleskového výboje může dosáhnout až 200kA a může ohrozit elektrická a elektronická zařízení do vzdálenosti 4km. Přímý úder blesku – proudový impuls se šíří po kovových konstrukcích a může se uzavírat např. vnitřkem budovy. Nepřímý úder blesku – proudový impuls se šíří po vedení a ohrožuje vzdálená zařízení. Vedením nízkého napětí může proniknout do silového rozvodu budov. Proud bleskového výboje ohrožuje silnoproudé části elektrických zařízení zkratem a následným požárem, slaboproudá zařízení ohrožuje rušením a poškozením elektronických obvodů.

Detekce přepětí a měření izolačního odporu 12.1.2007 Detekce přepětí a měření izolačního odporu Aby bylo možné zajistit potřebnou ochranu před účinky a následky atmosférických výbojů, je nutno získat informace o četnosti výskytu úderů blesku a o výskytu přepětí. Přepěťová ochrana má při provozním napětí vysoký izolační odpor. Při výskytu přepětí přechází rychle do vodivého stavu a svádí špičky přepětí přes ochranný vodič na potenciál země. Po odeznění přepěťového stavu se přepěťová ochrana vrací zpět do původního stavu. Z detekčních přístrojů se v ochraně proti atmosférickým přepětím používají počítadla blesků, detektory blížící se bouřky, detektory přepětí a měřiče izolačního odporu.

Příklady používaných přístrojů 12.1.2007 Příklady používaných přístrojů Počítadlo zásahů blesku

Detektor bouřkové aktivity 12.1.2007 Detektor bouřkové aktivity Zařízení rozpozná blížící se bouřku a její intenzitu. Na základě této informace jsou uvedena do činnosti další zařízení, která odpojí vnější zdroje, aby nedošlo k poškození připojené elektroinstalace. Dalšími funkcemi je vyslání akustického a optického signálu při blížící se bouřce a start systému záložního napájení.

Hladinový registrátor přepětí 12.1.2007 Hladinový registrátor přepětí Přístroj zaznamená výskyt přepětí v elektrické instalaci. Pracuje tak, že sleduje, jestli napětí ve sledovaných obvodech nepřekročilo nastavenou napěťovou hladinu. Uvedený přístroj umožňuje nastavení pěti hladin napětí a zaznamená přepěťový impuls od šířky 1s. Zařízení je odolné proti elektromagnetickému rušení a lze ho využít v rozvodech nn (připojení testovacími kabely k fázovým vodičům), vn (připojení ke kapacitním děličům pevně spojeným s fázovými vodiči) a vvn (připojení k diagnostickému výstupu kapacitních průchodek velkých transformátorů přes kapacitní člen).

12.1.2007

Měřiče izolačního odporu 12.1.2007 Měřiče izolačního odporu Megmet je analogový přístroj a je speciálně určený na měření velkých izolačních odporů. Potřebné napětí se vyrábí v přístroji točením kličkou. Měření se provádí tak, že se spojí jeden vodič s přívodem fáze a druhý s částí přístroje (zařízení), na níž chceme změřit izolační odpor. Vypínač přístroje je v poloze „zapnuto“, není však připojen na síť. Dále se zatočí kličkou a ručička ukáže hodnotu izolačního odporu.

12.1.2007

Elektronické měřiče izolačního odporu 12.1.2007 Elektronické měřiče izolačního odporu

12.1.2007

Systém ochrany před přímým úderem blesku a atmosférickým přepětím 12.1.2007 Systém ochrany před přímým úderem blesku a atmosférickým přepětím Prvotní snaha při ochraně objektů spočívá v zabezpečení proti přímému úderu blesku. Toto se provádí bleskosvody. Bleskosvody se skládají ze tří hlavních částí: jímače, svodu a uzemnění. Jímače jsou kovové části, které při úderu blesku zachycují bleskový výboj, a pomocí svodu a uzemnění ho svedou do země. Fyzikální podstata jímače spočívá v tom, že deformuje elektrické pole ve svém okolí a při přiblížení čela bleskového výboje vysílá proti tomuto výboji malé vstřícné výboje tzv. streamery, čímž vytvoří vodivý kanál pro svedení výboje do jímače. Typ, dimenzování a konstrukce bleskosvodu se řeší v závislosti na důležitosti chráněného objektu, konstrukci a umístění budovy. Přitom vždy neplatí, že blesk udeří do nejvýše položeného místa, ale vyhledává oblasti se zvýšenou elektrickou vodivostí.

12.1.2007 Klasický bleskosvod nebo též Franklinova typu navrhl v r. 1749 Benjamin Franklin. Roku 1752 G.Buffon a T.F.Dalibard provedli pokus, při němž vztyčili vysokou kovovou tyč. Při průchodu bouřkových mraků bylo mezi tyčí a zemí vidět sršení jisker. Druhy bleskosvodů podle stupně poskytované ochrany, která je dána důležitostí objektu a velikostí možné škody, se rozlišují: normální bleskosvody a zesílené bleskosvody se silnějším dimenzováním. podle konstrukce a provedení jímacího zařízení se rozlišují: hřebenová soustava, mřížová soustava, tyčový bleskosvod a dále vzdálený bleskosvod (stožárový, závěsový, klecový). Vzdálený bleskosvod není žádnou částí spojený s chráněným objektem ani mechanicky, ani vodivou cestou. Podle konstrukce je jímač buď připevněný na stožáru převyšujícím chráněný objekt nebo na lano zavěšené nad chráněným objektem anebo je tvořen sítí jímacích vedení zavěšenou nad chráněným objektem.

Tyčový bleskosvod Hřebenová soustava 12.1.2007 Tyčový bleskosvod Hřebenová soustava

Mřížová soustava – maximální rozměr oka: 20 x 60m 12.1.2007 Mřížová soustava – maximální rozměr oka: 20 x 60m

Vzdálený bleskosvod stožárový 12.1.2007 Vzdálený bleskosvod stožárový

Vzdálený bleskosvod závěsový 12.1.2007 Vzdálený bleskosvod závěsový

12.1.2007 Podle doporučení EN 61024-1 se pro vyšetření ochranného prostoru používá elektrogeometrický model, z něhož lze určit potřebné parametry jímací soustavy.

12.1.2007 Aktivní bleskosvody Princip aktivního bleskosvodu je založen na tom, že vstřícný výboj pro vytvoření vodivé cesty je emitovaný z jímače podstatně dříve než u klasického hromosvodu. Této tzv. včasné emise vstřícného výboje (early streamer emission – ESE) je u moderních aktivních bleskosvodů dosaženo elektronickými obvody umístěnými v jímači. Existují i jiné metody urychlení vstřícného výboje. Již v roce 1914 navrhl maďarský fyzik Leo Szilard jímací tyč osazenou radioaktivními prvky. Tento typ bleskosvodu byl i průmyslově vyráběn až do roku 1980, kdy byly zpřísněny normy na ochranu před radioaktivním zářením. Jiný typ aktivního bleskosvodu pracuje na principu nabíjení kondenzátoru a násobení napětí. Energii získává z okolního elektrického pole za bouřky, takže nepotřebuje žádný napájecí zdroj. Tento typ aktivního bleskosvodu se označuje jako PULSAR.

Tím, že aktivní bleskosvod vysílá vstřícný výboj dřív než klasický, je 12.1.2007 Tím, že aktivní bleskosvod vysílá vstřícný výboj dřív než klasický, je schopen zachytit a svést bleskový výboj ve větší vzdálenosti a tím podstatně zvětšit oblast ochrany před zásahem blesku. Model ochrany s aktivním bleskosvodem. V hlavici jímače jsou umístěny elektronické obvody, které emitují sérii pulsů, jež způsobí ionizaci okolí hrotu jímací tyče. Ionizace způsobí emisi vstřícného trsového výboje a bylo naměřeno, že spojení tohoto trsového výboje se vstřícnou větví bleskového výboje je rychlejší než při použití Franklinovy tyče o 25 až 60ms. Dalšími výhodami aktivního bleskosvodu je jednodušší konstrukce, snazší údržba, úspora materiálu, dlouhá životnost. Díky struktuře bez velkého množství vodičů je možné použít tento bleskosvod i na historických budovách, aniž by došlo k narušení vzhledu stavby.

Výhrady proti aktivním bleskosvodům 12.1.2007 Výhrady proti aktivním bleskosvodům Přestože se aktivní bleskosvody vyrábí a používají již několik desítek let, stále se mezi odbornou veřejností vedou diskuse, o jejich přednostech. Řada vědců provádí výzkumy, a to v laboratořích (hlavně Německo), i v přírodních podmínkách (např. Malajsie), kde srovnávají vlastnosti klasických a aktivních bleskosvodů a vyvozují závěry, z nichž vyplývá, že aktivní bleskosvody nemají (nebo mají jen nepatrně) lepší fyzikální vlastnosti než klasické. Ve Spojených státech se stal případ, kdy soud na základě žaloby odborníků zakázal firmám vyrábějícím bleskosvody na principu ESE prohlašovat, že ochranný prostor jejich zařízení přesahuje ochranný prostor Franklinovy jímací tyče, a to podle zákona zakazujícího nepravdivou reklamu. Soud dospěl k uvedenému závěru proto, že výrobci uváděly ochranné

prostory větší, než jaké byly schopny zajistit jimi dodávané bleskosvody a zákazníkům mohly vzniknout škody po zásahu úderu blesku. Provozovatelům venkovních sportovišť vznikly škody proto, že i s použitím aktivního bleskosvodu bylo nutno dodržet evakuační plán a tedy tyto organizace zakoupením zařízení nezískali žádnou hodnotu. Další problém je v normalizaci aktivních bleskosvodů, protože tato zařízení jsou uvedena v normách pouze ve třech státech: ve Francii, Španělsku a na Slovensku. Slovensko převzalo francouzskou normu NFC 17-102:1995 jako normu STN 34 1391:1998 Aktívne bleskozvody.

Další nekonvenční způsoby ochrany před úderem blesku Ochrana proti LEMP (lightning electro-magnetic puls) – indukce z blízkého a přímého úderu blesku je realizována kovovými stavebními prvky, které vytvářejí Faradayovu klec. Vodivé části staveb také současně tvoří přirozené (náhodné) svody, které mohou i překročit normou požadovanou ochranu a ušetří náklady na konstrukci bleskosvodů. Lightning elimination – zamezení zásahu blesku je ochranný systém s mnoha hroty, které zneutralizují náboj mraku nad objektem nebo zruší elektrické pole v blízkosti objektu, čímž zabrání vzniku vstřícných výbojů, takže se mrak vybije ve větší vzdálenosti a bleskový výboj nezasáhne chráněný objekt. Výrobci jsou označovány jako systémy „s rozptylujícími paprsky“ nebo „s přenosem elektrického náboje“ a instalují se na vyvýšeném místě nad objektem.

Materiály bleskosvodů Hlavní požadavek na materiály bleskosvodu je odolnost proti korozním vlivům prostředí. Nejčastějším materiálem používaným v ČR je žárově pozinkovaná ocel. V dnešní době, kdy ovzduší je stále více znečištěné však již nevyhovuje, protože není dostatečně odolná proti agresivnímu prostředí a snižuje se životnost částí vyrobených z tohoto materiálu. Zavádí se proto nové materiály jako nerezová ocel, měď, hliník a jeho slitiny a plastické hmoty. Životnost těchto materiálů je několikrát vyšší a provoz nevyžaduje údržbu, což vyvažuje nevýhodu vyšší ceny.

Ochrana před atmosférickým přepětím V důsledku bleskového výboje vzniká strmý elektromagnetický impuls (LEMP – Lightning Electromagnetic Pulse), viz obr., který může rušit, poškodit nebo zcela zničit elektrická a elektronická zařízení.

Rozlišujeme přímý úder blesku, který je zdrojem proudového impulsu, jenž proteče při úderu blesku bleskosvodem, ale částečně se uzavírá i kovovými částmi konstrukce budovy a ohrožuje elektronická zařízení uvnitř objektu. Dále je též zdrojem sekundárního napěťového rázu, který se šíří po vedení. Nepřímý účinek od vzdáleného úderu blesku se projevuje zavlečením napěťového rázového impulsu z vnějšího vedení do vnitřního silového rozvodu budovy. Proti těmto účinkům se instaluje přepěťová ochrana. Ochranu proti přepětí řeší ČSN 33 2000-5-54, ČSN 33 2000-4-41, ČSN 34 1390, ČSN 33 0420 a uplatňuje se třístupňová ochrana. 1.stupeň ochrany (třída B) se instaluje do přípojkové skříně, případně do samostatné skříně na vstupu napájecího kabelu (při nedostatku místa v přípojkové skříni)

2. stupeň ochrany (třída C) se instaluje do podružného rozváděče 3. stupeň ochrany (třída D) se umisťuje (osazuje) do zásuvek nebo ke spotřebičům a obsahuje filtry pro potlačení energetických pulsů a vysokofrekvenčního rušení. Jako ochranné přístroje se používají svodiče bleskových proudů, které se vyrábí v provedení jiskřišťové nebo varistorové. Dříve používané svodiče s otevřeným jiskřištěm byly nahrazeny jiskřšťovými svodiči s řízenou ionizací. Svodiče se používají jako ochrana třídy B, C i D a též jako kombinace (např. firma Moeller). Pro ochranu elektronických zařízení připojených na venkovní anténu se používají bleskojistky na principu plynové výbojky. Bleskojistka se montuje na venkovní anténu.

Příklady přístrojů na ochranu proti přepětí Bleskojistka firmy BROK pro vysokofrekvenční anténní kabely a její parametry Princip: pásmová propust s Lambda/4 zkratem naladěná na střed kmitočtového pásma 2.4 GHz Provedení: T konektor N-Female / N-Female doplněný vysoce účinnou přepěťovou ochranou s lambda/4 zkratem Kmitočtové pásmo: 2,3 - 2,6 GHz Zátěž: 2,5 kA pro vlnu 10/350 µs Maximální zbytkové napětí: < 10 V Útlum: <= -0,6 dB Činitel zpětného odrazu: <= -20 dB Připojení: standardní konektory N-Female / N-Female, 50 Ohmů k signálové cestě, splétaný Cu vodič o průřezu min. 2,5 mm k zemnící svorce    

Svodiče přepětí firmy Moeller Elektrotechnika s. r. o. s jiskřištěm s řízenou ionizací Kombinovaný svodič B + C SPB-12/280 Svodiče přepětí třídy D; zleva standardní provedení na lištu DIN, zásuvka se svodičem, provedení do instalační krabice a přenosný zásuvkový modul

Příklad ochrany rodinného domu Energii od úderu vzdáleného blesku přivede do rodinného domu nejčastěji: přípojka nízkého napětí, po které se impulsy šíří galvanickou cestou přípojka telefonu Blízký a přímý úder blesku – proudy se dostanou na vodič PEN a při vyrovnání fázového potenciálu dojde k průrazu izolace – zkraty, požáry Možná kombinace přístrojů: svodiče bleskových proudů pro 1.stupeň ochrany (třída B) s vlastním hromosvodem: FLP-A35+0,9-35kA/1fázi, na přepětí 900V nemá vlastní hromosvod: FLP-275V/25kA/1fázi

svodič pro 2.stupeň (třída C): SLP-275 /15kA/fáze ochrana telefonní linky – třístupňová ochrana – svodič bleskových proudů BD-250T na vstupu kabelu do domu + kombinovaná ochrana napájení a tel. linky FAX-OVERDRIVE přímo u přístroje (telefon, fax, modem), může svést až 10kA Instalace svodičů přepětí v zemnícím systému TNS – třífázová instalace TT – jednofázová instalace

Instalace svodičů přepětí v telekomunikačních a datových sítích Možnosti umístění přepěťových ochran na domku využívajícím solární články: rozváděč generátoru vstup měniče DC vstup měniče AC vstupní vedení sítě nn