Skuteczność zintegrowanych systemów ochrony przed przepięciami o częstotliwości sieciowej (POP) w instalacjach niskiego napięcia
Aparat DEHNduo POP SA 3P 230 – wygląd i schemat przyłączenia
Powszechna obecność wrażliwych urządzeń elektronicznych we współczesnych instalacjach niskiego napięcia modyfikuje wymagania w zakresie ich ochrony. Podczas gdy zagrożenia wywołane przejściowymi wyładowaniami atmosferycznymi są powszechnie uwzględniane w procesach projektowych, poważny problem eksploatacyjny stanowią długotrwałe wzrosty napięcia o częstotliwości sieciowej. Tradycyjne ograniczniki chroniące przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi (SPD) okazują się wobec nich nieskuteczne. Artykuł przedstawia problematykę przepięć o częstotliwości sieciowej oraz analizuje architekturę serii aparatów DEHNduo, które integrują funkcje ochronne w jednym urządzeniu, wyznaczając nowy standard bezpieczeństwa i ciągłości zasilania w obiektach komercyjnych, przemysłowych oraz prosumenckich.
Charakterystyka zagrożenia: przepięcia o częstotliwości sieciowej
W praktyce inżynierskiej najwięcej uwagi poświęca się mikrosekundowym impulsom wywołanym wyładowaniami atmosferycznymi lub operacjami łączeniowymi. Są to tak zwane przepięcia przejściowe (udarowe) (ang. transient overvoltages), przed którymi ochronę stanowią ograniczniki przepięć (SPD, surge protective devices). Istnieje jednak inna klasa zakłóceń – przepięcia o częstotliwości sieciowej, znane również jako przepięcia dorywcze (temporary overvoltage, TOV).
Zjawisko to definiuje się jako utrzymujący się, długotrwały wzrost napięcia o częstotliwości przemysłowej (50/60 Hz), przekraczający górną granicę tolerancji normatywnej, czyli wartość 1,1•Un (ponad 10% napięcia znamionowego). Podczas gdy – zgodnie z odpowiednimi normami dotyczącymi produktów i instalacji (m.in. norma PN-EN 60038 Napięcia znormalizowane CENELEC) – urządzenia odbiorcze są projektowane tak, aby bezawaryjnie tolerować wahania w granicach ±10% względem napięcia znamionowego, przepięcia dorywcze znacznie wykraczają poza ten zakres, a czas ich trwania wynosi od kilku sekund do nawet wielu minut.
W przypadku awarii napięcie w obwodach jednofazowych może gwałtownie wzrosnąć do wartości międzyfazowej (ok. 400 V). Długofalowy charakter takiego zakłócenia generuje potężny stres termiczny w strukturach izolacyjnych oraz układach zasilania. Wrażliwe obwody wejściowe falowników fotowoltaicznych, ładowarek pojazdów elektrycznych czy infrastruktury IT – poddane tak wysokiemu napięciu przez kilkanaście sekund – ulegają nieodwracalnemu uszkodzeniu, co nierzadko stanowi bezpośrednią przyczynę pożaru rozdzielnicy.
Rys. 1. Wykres ilustrujący przepięcie o częstotliwości sieciowej
Rys. 2. Rozkład napięć na odbiornikach w sieci trójfazowej:
a) w warunkach normalnych, b) przy przerwaniu przewodu neutralnego (przykład asymetrii)
Główne przyczyny powstawania przepięć o częstotliwości sieciowej to przede wszystkim:
- przerwa w przewodzie neutralnym (potocznie określana jako „utrata zera”): najczęściej ta awaria wywołana jest mechanicznym zerwaniem przewodu napowietrznego, wadliwym połączeniem w złączu lub korozją. Skutkuje to natychmiastowym przesunięciem punktu neutralnego i powstaniem asymetrii. W fazach silniej obciążonych następuje spadek napięcia, natomiast w fazach mniej obciążonych napięcie gwałtownie rośnie, osiągając wartości bliskie napięciu międzyfazowemu (ok. 400 V),
- wadliwa regulacja napięcia w sieci: błędy systemów sterowania automatyki transformatorów oraz przełączników zaczepów, prowadzące do nieprawidłowego działania układu regulacji i trwałego podwyższenia napięcia dostarczanego do odbiorców,
- błędy kompensacji mocy biernej: zjawisko nadkompensacji w układach przemysłowych, powodujące lokalne, stałe podbicie potencjału sieci,
- nagłe odłączenie dużych obciążeń: wyłączenie odbiorników wielkiej mocy o charakterze indukcyjnym lub rezystancyjnym, powodujące chwilową niestabilność i wzrost napięcia w sąsiednich punktach przyłączenia.
Ograniczenia w stosowaniu tradycyjnych ograniczników przepięć SPD
Założenie, że standardowy ogranicznik przed przepięciami (SPD) zabezpieczy obiekt przed każdym rodzajem przepięcia, jest błędne. Takie ograniczniki przepięć są zaprojektowane do odprowadzania ekstremalnie dużych energii, ale w bardzo krótkim czasie (fale udarowe o kształcie 10/350 µs lub 8/20 µs). Kiedy w sieci pojawia się długotrwałe napięcie dorywcze o wartości np. 350 V AC, tradycyjny warystor wewnątrz SPD zaczyna przewodzić prąd w sposób ciągły. Może to prowadzić to do jego przegrzania i zadziałania wewnętrznego zabezpieczenia termicznego, a tym samym – odłączenia ogranicznika od sieci.
Zgodnie z normą PN-EN 61643-11 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia ograniczniki przepięć instalowane w sieci niskiego napięcia 230/400 V powinny wytrzymać napięcie 440 V przez okres 120 minut. Po tym czasie mogą ulec uszkodzeniu, ale w sposób niestwarzający zagrożenia dla sąsiednich aparatów. W przypadku ograniczników przepięć gorszej jakości może niekiedy dojść do eksplozji i zagrożenia pożarowego. Należy też pamiętać, że odłączenie klasycznego SPD od sieci pozbawia ochrony znajdujące się za nim urządzenia. Przepięcia łączeniowe związane z ponownym załączeniem napięcia w sieci mogą spowodować uszkodzenia wrażliwych urządzeń elektronicznych.
Rozwiązaniem tego problemu są urządzenia typu POP (Power-frequency Overvoltage Protection). Ich zadaniem nie jest bezpośrednie pochłanianie energii zakłócenia, lecz ciągłe monitorowanie parametrów sieci i wysłanie sygnału powodującego odłączenie zasilania w bezpiecznym oknie czasowym, zanim efekty cieplne zniszczą podłączone do instalacji urządzenia końcowe. Urządzenia te muszą spełniać wymagania normy produktowej PN-EN IEC 63052:2022-01, która zastąpiła wcześniejszą normę PN-EN 50550:2011.
Rys. 3. Aparaty SPD+POP+MCB w wersji jedno- i trójfazowej
Aby ochrona była skuteczna, aparat POP musi działać według ściśle zdefiniowanej charakterystyki napięciowo-czasowej. Musi zareagować dostatecznie szybko przy krytycznych wzrostach napięcia, jednocześnie nie powodując fałszywych wyłączeń zasilania przy niegroźnych, milisekundowych wahaniach napięcia sieci. W tabeli 1. przedstawiono znormalizowane czasy zadziałania i niezadziałania dla urządzeń POP zgodnie z normą produktową.
Tab. 1. Znormalizowane czasy zadziałania i niezadziałania dla urządzeń POP zgodnie z normą produktową
Architektura i funkcjonalność zintegrowanych aparatów DEHNduo
Konstrukcja aparatów serii DEHNduo opiera się na integracji funkcji w struktury modułowej. Zamiast budować układy ze współpracujących ze sobą oddzielnych przekaźników, ograniczników przepięć i wyłączników, stworzono zintegrowaną rodzinę aparatów, które łączą w jednej obudowie do trzech funkcji ochronnych. Pozwala to na zdecydowane ograniczenie przestrzeni montażowej na szynie TH35 oraz wyeliminowanie błędów okablowania.
Urządzenie DEHNduo poprzez swoje moduły realizuje następujące zadania:
- moduł POP: komponent pomiarowo-wykonawczy stale próbkujący napięcie zasilania, zgodny z normą produktową PN-EN IEC 63052:2022-01 Urządzenia zabezpieczające przed przepięciami o częstotliwości sieciowej (POP) dla sprzętu użytku domowego i podobnego – wersja angielska. Pozwala na bezpieczną pracę w systemach 230/400 V AC o częstotliwości 50-60 Hz. Jeśli napięcie zasilania przekroczy określony próg, moduł POP oddziałuje na zintegrowany wyłącznik, powodując jego wyzwolenie i bezpieczne odłączenie instalacji od zasilania,
- moduł MCB (zintegrowany wyłącznik nadprądowy): element wykonawczy o prądzie znamionowym od 16 A do 80 A i charakterystyce wyzwalania typu C. Cechuje się wysoką zdolnością wyłączalną na poziomie 6 kA (zgodnie z PN-EN 60898) oraz 10 kA (zgodnie z EN 60947-2), gwarantując pełne bezpieczeństwo zwarciowe i przeciążeniowe,
- moduł SPD (ogranicznik przepięć): wymienne moduły ochronne zawierają SPD typu 2 (w układzie połączeń CT2).
W całej ofercie dostępne są aż 44 warianty wykonania dla układów jednofazowych (1P+N) oraz trójfazowych (3P+N), w różnych kombinacjach ww. modułów obejmujących szeroki zakres prądów znamionowych wyłącznika.
DEHNduo z funkcją automatycznego ponownego załączania
Wśród licznych wariantów urządzenia znalazł się także aparat wyposażony w funkcję automatycznego ponownego załączenia: DEHNduo POP + MCB + SPD + RU. To zaawansowane rozwiązanie przeznaczone do obiektów bezobsługowych pracujących w niestabilnych sieciach, gdzie wahania napięcia mogą stanowić zagrożenie dla wrażliwej elektroniki. Jednocześnie wyłączenie zasilania z powodu wystąpienia przepięć TOV wymaga interwencji zewnętrznej ekipy serwisowej. Tego typu aparaty znajdują również zastosowanie w budynkach z instalacjami prosumenckimi oraz w obiektach z rozbudowaną automatyką budynkową (Smart Home). Kluczową cechą tego aparatu jest funkcja Smart Reconnection (możliwość automatycznego ponownego załączenia), realizowana przez zintegrowany moduł restartu (RU).
Rys. 4. Trójfazowy aparat DEHNduo z funkcją automatycznego załączania napięcia zasilania
W przypadku standardowych rozwiązań, po awaryjnym odcięciu zasilania z powodu przekroczenia dozwolonego poziomu napięcia w instalacji, konieczna jest manualna interwencja obsługi w celu ponownego załączenia dźwigni aparatu. DEHNduo z funkcją RU działa w sposób autonomiczny: po awaryjnym rozłączeniu wbudowany przekaźnik monitorujący napięcie stale bada stan sieci zasilającej. Aparat automatycznie zamknie obwód i przywróci zasilanie do obiektu wyłącznie wtedy, gdy stan przepięcia o częstotliwości sieciowej całkowicie i trwale ustąpi. Zapewnia to maksymalną ciągłość zasilania i chroni infrastrukturę pod nieobecność personelu lub lokatorów. Urządzenia występują w wersji 1- lub 3-fazowej.
Aparat z funkcją RU może pracować w trzech trybach, w zależności od ustawienia przełącznika:
- tryb Repair – w tej pozycji przełącznika nie można załączyć wyłącznika MCB;
- tryb Auto – w tej pozycji przełącznika wyłącznik MCB jest automatycznie załączany lub wyłączany w zależności od zmian napięcia; jeśli obwód główny został rozłączony ręcznie, wyłącznik MCB również musi zostać załączony ręcznie, aby tryb automatyczny był ponownie aktywny;
- tryb Manual – w tej pozycji przełącznika wyłącznik MCB można załączać lub wyłączać wyłącznie ręcznie.
Pozycja przełącznika nie ma wpływu na zmiany napięcia w sieci zasilającej.
DEHNduo Compact – ochrona bez MCB
W przypadku, gdy chcemy zapewnić ochronę przed przepięciami TOV w rozdzielnicy wyposażonej w główny wyłącznik MCB, można skorzystać z kolejnej grupy urządzeń DEHNduo pozbawionej członu MCB. Z kolei gdy chcemy zastosować ochronę przed przepięciami o częstotliwości sieciowej oraz przepięciami przejściowymi, można skorzystać z aparatu DEHNduo Compact POP+SPD 3P+N. W sytuacji nadmiernego wzrostu napięcia w sieci odłączenie instalacji realizowane jest za pośrednictwem wyłącznika MCB, do którego należy dodatkowo zabudować wyzwalacz nadprądowy sterowany napięciem 230 V (2 A). Aparat DEHNduo wyposażony jest w zestyki przełączne (1 NO/1 NC), które w obiektach z automatyką budynkową lub autonomicznymi systemami powiadamiania umożliwiają przekazanie informacji o wyłączeniu obwodów monitorowanych przez moduł POP.
Rys. 5. Aparat DEHNduo Compact POP+SPD 3P+N – wygląd i schemat przyłączenia
DEHNduo POP SA 3P 230 – skuteczny minimalizm
Gdy chcemy naszą rozdzielnicę wyposażyć jedynie w moduł zewnętrznego wyzwalacza nadnapięciowego, można użyć aparatu DEHNduo POP SA 3P 230. To najprostszy element chroniący przed przepięciami TOV w instalacjach komercyjnych i przemysłowych, gdzie prądy znamionowe przekraczają 63 A lub 80 A. Autonomiczny moduł POP współpracuje z zewnętrznymi aparatami wykonawczymi poprzez wyzwalacz wzrostowy. Szerokość tego aparatu zajmuje jedynie 2 moduły (36 mm), oferując szerokie możliwości adaptacyjne. Aparat umożliwia wybór napięcia sterującego wyzwalaczem zewnętrznym, pozwalając na pracę w standardach 12 V, 24 V, 48 V oraz 230 V, co czyni go kompatybilnym z systemami automatyki przemysłowej i BMS. Po wystąpieniu przepięcia o częstotliwości sieciowej aparat sygnalizuje przybliżony zakres przekroczenia napięcia w 4 zakresach (275-300 V, 300-350 V, 350-400 V, >400 V) za pomocą migającej czerwonej kontrolki.
Rys. 6. Aparat DEHNduo POP SA 3P 230 – wygląd i schemat przyłączenia
Podsumowanie
Wdrożenie urządzeń z serii DEHNduo do struktury nowoczesnych instalacji elektrycznych niesie za sobą wymierne korzyści techniczne i ekonomiczne:
- optymalizację przestrzeni montażowej: połączenie trzech aparatów w jednej obudowie pozwala zaoszczędzić do 50% miejsca w rozdzielnicy w porównaniu do tradycyjnego montażu oddzielnych komponentów. Redukcja liczby połączeń kablowych skraca czas prac instalacyjnych,
- podwyższenie standardu bezpieczeństwa: pełna zgodność z normą produktową PN-EN IEC 63052 eliminuje ryzyko pożaru wywołanego długotrwałym obciążeniem termicznym elementów sieciowych i aparatury SPD. Urządzenie izoluje zagrożenie, zanim dotrze ono do wrażliwej struktury urządzeń końcowych,
- ciągłość działania infrastruktury: dzięki wariantom z modułem RU (Smart Reconnection) obiekty takie jak stacje bazowe, bezobsługowe instalacje PV czy systemy pomp ciepła mogą pracować bez konieczności ciągłego nadzoru personelu, samoczynnie wznawiając pracę po przemijających awariach sieci zasilającej.
W dobie powszechnej cyfryzacji i automatyzacji stabilność parametrów zasilania jest kluczowym kryterium bezawaryjnej pracy urządzeń. Urządzenia z serii DEHNduo gwarantują pełną odporność instalacji na anomalie napięciowe o zróżnicowanej charakterystyce czasowej.
Więcej informacji na temat aparatów DEHNduo można znaleźć na stronie www.dehn.pl/dehnduo
Zapraszamy również na bezpłatne szkolenia DEHN poświęcone ochronie przed przepięciami o częstotliwości sieciowej, podczas których będą omawiane również aparaty z serii DEHNduo: http://szkolenia.dehn.pl
