Kurs praktycznego wykorzystania programu ATP - EMTP (część 8.)

Oceniając skuteczność ochrony przed przepięciami instalacji elektrycznej oraz zasilanych urządzeń należy przeanalizować wszelkiego rodzaju zagrożenia, jakie mogą wystąpić w danym przypadku. W obiektach posiadających urządzenia piorunochronne największe zagrożenie podczas bezpośredniego wyładowania atmosferycznego w ten obiekt stwarza prąd piorunowy. Od miejsca udaru prąd piorunowy spływa zwodami i przewodami odprowadzającymi do systemu uziomowego oraz do instalacji przewodzących dochodzących do tego obiektu poprzez system uziomowy.

Zakładając, iż wartość szczytowa prądu piorunowego wynosi 200 kA, przyjmuje się następujący jego podział [3]:

• przewody instalacji elektrycznej – 33 kA,
• przewodząca instalacja wodno-kanalizacyjna – 33 kA,
• przewodząca instalacja gazowa – 33 kA,
• linie telefoniczne – 10 kA.

Przedstawione wyniki otrzymano przy założeniu równomiernego podziału prądu piorunowego pomiędzy system uziomowy obiektu a przewodzące instalacje do niego dochodzące. Część prądu wpływa bezpośrednio od instalacji elektrycznej. Ochrona przed działaniem tego prądu wymaga zastosowania urządzeń do ograniczania przepięć SPD (Surge Protective Devices). W uproszczonych rozważaniach można przyjąć, że zastosowanie ograniczników w instalacji elektrycznej i liniach telefonicznych najczęściej tylko w nieznacznym stopniu ogranicza skok potencjału całego obiektu wywołany przez prąd piorunowy wpływający do systemu uziomowego. Zastosowanie ograniczników klasy I ogranicza różnice napięć pomiędzy poszczególnymi przewodami instalacji, ale każdy z tych przewodów znajduje się na wysokim potencjale względem pozostałych instalacji uziemionych w innym punkcie niż instalacja elektryczna rozpatrywanego obiektu.

warystory

Warystory są napięciowo zależnymi nieliniowymi rezystorami charakteryzującymi się właściwościami podobnymi do dwóch równolegle połączonych i przeciwnie spolaryzowanych diod Zenera. Symetryczne dla napięć o biegunowości dodatniej i ujemnej, gwałtownie narastające charakterystyki przebicia umożliwiają doskonałe tłumienie stanów nieustalonych przez warystor. Ograniczenie napięcia stanu nieustalonego do bezpiecznego poziomu następuje, jeśli poddana działaniu przepięcia impedancja warystora zmniejsza swą wartość o kilka rzędów wielkości, od stanu praktycznie rozwartego obwodu do stanu o wysokiej przewodności. Z tego powodu potencjalnie destrukcyjna energia szkodliwego impulsu jest absorbowana przez warystor, chroniący tym samym czułe miejsca obwodu. Jednym z dwóch powszechnie stosowanych warystorowych materiałów proszkowych jest węglik krzemu SiC. Warystory na bazie SiC są obecnie często stosowane w telekomunikacji, energetyce i automatyce. Ze względu na charakterystyczny dla nich niski współczynnik nieliniowości rzędu 2 - 5 - 10 i łatwość ich zniszczenia po przebiciu, w zabezpieczeniach współczesnych układów elektronicznych stosuje się elementy o lepszych parametrach elektrycznych. Drugim często stosowanym tworzywem warystorowym jest tlenek cynku ZnO. Warystory wykonane z ZnO znacznie przewyższają parametrami elektrycznymi elementy wykonane na bazie SiC.

Warystory charakteryzowane są następującymi parametrami:
U_DCM – maksymalne ciągłe napięcie stałe, które może być zastosowane, w [V],
U_pkm – szczytowe napięcie powtarzalne (maksymalne napięcie powtarzalne dla wymaganych cykli roboczych i kształtu fali), w [V],
U_NOM – napięcie znamionowe, napięcie na warystorze przy konkretnym prądzie stałym (zazwyczaj Inom=1 mA) i określonym czasie pomiaru, w [V],
U_c – napięcie ograniczenia (szczytowe napięcie na warystorze podawane dla określonej szczytowej wartości prądu i kształtu fali), w [V],
I_d – prąd warystora zmierzony przy napięciu UDCM, w [A],
I_p – wartość szczytowa prądu w stanie nieustalonym – jego wielkość jest funkcją kształtu impulsu, częstotliwości powtarzania impulsów i ich ogólnej liczby, w [A],
C – pojemność własna warystora, w [pF].

W pakiecie EMTP warystory mogą być modelowane za pomocą elementu o nazwie MOV Type 92 z grupy o nazwie Branch Nonlinear. Stosując uproszczenia dla układów 3-fazowych wykorzystywany może być element o nazwie MOV Type 92 3-ph. Charakteryzowany jest on następującymi parametrami (rys. 4.) [1]:
Vref – napięcie ograniczenia dla pojedynczego warystora stanowiącego stos warystorowy (odpowiednik U_c), w [V],
Vflash – napięcie przeskoku między kolejnymi elementami stosu warystorowego, w przypadku stosowania warystorów monolitycznych parametr ten winien być równy -1, w [V],
Vzero – napięcie, powyżej którego element będzie uwzględniany w EMTP. Jeśli napięcie u(t) nie przekroczy Vzero, wtedy rMOV(t)=∞, w [V],
COL – liczba równoległych kolumn w stosie warystorowym (pojedynczy stos COL=0 lub 1, ewentualnie brak jakiejkolwiek wartości, zaś dla dwóch kolumn COL=2), w [-],
SER – liczba elementów składających się na stos warystorowy, w [-],
ErrLim – dopuszczalny błąd wynikający z aproksymacji brakujących punktów charakterystyki napięciowo-prądowej warystora, w [-].