Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Komplexní ochrana proti pulsnímu přepětí

Automa 3/2001

Ing. Tomáš Šimík, Retool Net s. r. o.

Komplexní ochrana proti pulsnímu přepětí

V článku jsou připomenuty základní pojmy používané v oblasti ochrany citlivých zařízení před pulsním přepětím. Stručně jsou popsány principy ochrany běžných rozvodů, rozvodů pro napájení strojů NC a systémů MaR, EZS, EPS apod.

Pulsní přepětí je v současné době běžnou záležitostí. Na každém nechráněném vedení lze nyní citlivými přístroji naměřit nebezpečné špičky. Mnohdy i odborníci zaměňují pulsní přepětí přepětími jiného charakteru.

Obr. 1.

Vyjasnění pojmů
Pulsním přepětím se rozumí jakékoliv přechodové napětí trvající maximálně jednotky milisekund, jehož amplituda překročí maximální hodnoty pracovního napětí. Nezaměňujme tento jev s dočasným nárůstem napětí (přepětím, resp. nadpětím) o pracovním kmitočtu.

Příčné přepětí je přepětí mezi pracovními vodiči (L-N u nn, a-b v telekomunikacích).

Podélné přepětí je přepětí mezi pracovním vodičem a zemí (L-PE, N-PE v nn, a-PE, b-PE v telekomunikacích).

Přepětí je jakékoliv napětí, které má špičkovou hodnotu přesahující ustálenou hodnotu napětí při běžném provozu.

Dočasné přepětí je relativně dlouhotrvající přepětí o provozním kmitočtu.

Přechodné přepětí je krátkodobé přepětí netrvající déle než několik málo milisekund. Může být kmitavé nebo nekmitavé (obvykle silně tlumené).

Spínací přepětí je přechodné přepětí způsobené specifickou spínací činností nebo poruchou.

Atmosférické přepětí je přechodné přepětí vzniklé v důsledku atmosférického výboje.

Škody způsobené pulsním přepětím
Z důvodu opomíjení řádné ochrany proti pulsnímu přepětí vznikají značné škody. Ty lze rozdělit na přímé (na majetku) a nepřímé (způsobené např. výpadkem výroby nebo ztrátou dat). Z praxe je patrné, že nepřímé škody mnohdy několikanásobně převyšují škody přímé.

Jako ukázku zmíníme jen několik z mnoha možných situací. Například ztráta dat v bance je katastrofou oproti zničení samotného serveru, byť by byl v ceně několika miliónů korun. Ztráta lidského života v nemocnici vinou selhání přístroje je nesrovnatelná s hodnotou ztraceného zařízení. Ale jako újma může být pociťována třeba i nemožnost shlédnout fotbalový zápas při poruše televizoru.

Přesné statistiky ještě nejsou dostupné. Přesto už v současné době některé pojišťovny dbají na instalaci ochranných prvků a při správné ochraně zvýhodňují klienty slevami na pojistném. Jejich nezveřejňované statistiky hovoří jasně: škody způsobované pulsním přepětím jsou velké.

Legislativa
Přijetím zákona č. 22/1997 Sb. a nařízení vlády o elektromagnetické kompatibilitě č. 169/1997 Sb. se problém odolnosti elektronických systémů dostal z roviny technické i do roviny legislativní. Každý výrobek musí být dostatečně odolný vůči působení rušivých signálů a zároveň nesmí být jejich zdrojem. Cílem zákona a nařízení je zejména:

  • vynutit realizaci opatření, která anulují, nebo alespoň omezí na minimum možné nebezpečí při užívání výrobku tak, že je lze považovat za přijatelné i při odpovídající vysoké úrovni ochrany oprávněných zájmů uživatelů;
  • zajistit vysokou úroveň provozuschopnosti zařízení v podmínkách, pro které je určeno.

Problém rušení je velmi výrazný hlavně v průmyslu, kde se blízko sebe nacházejí citlivá elektronika (řídicí systémy) a zdroje rušení. Nejčastějšími zdroji rušivých signálů jsou pulsní přepětí, vznikající při spínání velkých zátěží, indukčních zátěží, motorů atd. Vysokofrekvenční rušení mnohdy vzniká také při provozu měničů frekvence, které jsou v současné době zcela běžné.

Zanedbá-li se problematika rušení, je tu nejen velké riziko poruch nebo zničení zařízení, ale také možnost značných postihů dodavatele systému (měření a regulace, místní sítě apod.).

Problematice přepětí jsou věnovány zejména tyto technické normy:

  • ČSN 33 2000-1 čl. 1.1, čl. 2.3, čl. 131.6.2;
  • ČSN 33 2000-5-54 čl. 542.N5.6;
  • ČSN 33 0420-1;
  • ČSN 33 4000;
  • IEC 1024-1;
  • IEC 1312-1;
  • IEC 364, oddíl 534.

Princip ochrany
Z uvedeného je patrné, že před účinky pulsního přepětí je třeba se nějakým způsobem účinně chránit. Při ochraně elektronických systémů se používá několik koncepcí. Nejznámější jsou zonální koncepce a koncepce komplexní ochrany klíčových zařízení.

Podle zonální koncepce je ochrana budována v zónách (stupních) téměř shodných s členěním budovy. Hranici první zóny tvoří plášť budovy, druhou zdi místnosti a třetí zónu tvoří vstupy do zařízení.

Při komplexní ochraně klíčových zařízení je ochrana zaměřena jen na daný citlivý prvek. Koncepce ochrany klíčových zařízení má sice určité výhody v nižších nákladech, ale zároveň v sobě nese větší riziko opomenutí nějaké zdánlivě bezvýznamné části, které celou ochranu zmaří.

Postupujeme-li po stupních, pak první stupeň ochrany (realizovaný svodičem třídy B) – svodič bleskového proudu – má svou roli především při přímém úderu blesku. Druhý stupeň (svodič třídy C) má význam při potlačení spínacího přepětí od velkých zdrojů a spotřebičů energie (spínání v sítích vn a vvn, spínání motorů atd.). Umístění tohoto stupně v podružných rozváděčích pomáhá celkově snížit úroveň rušení v rozvodech nn, a tedy vede ke zlepšení elektromagnetického prostředí obecně. Potlačením přepětí přímo u zdroje se značně zmenší namáhání izolace v rozvodech i zařízeních. Podle doporučení evropských norem mají být zbytková napětí v jednotlivých částech rozvodů omezena na tyto hodnoty:

  • 6 kV na přívodu (domovní přípojnice),
  • 4 kV na rozvodech mezi hlavním a podružným rozváděčem,
  • 2,5 kV na vývodech z podružných rozváděčů,
  • 0,8 kV na zásuvce určené pro speciální chráněné zařízení (PC apod.).

U třístupňové ochrany je často zdůrazňován především význam prvních dvou stupňů. Z finanční důvodů se mnohdy vynechává třetí stupeň. Z těchto úvah je zřejmé, že první dva stupně zajišťují ochranu rozvodů nn, tj. zamezují přeskok jisker a vznik oblouků na svorkovnicích a průraz izolace. Bezpečnost a ochranu slaboproudých spotřebičů zajistí až třetí stupeň ochrany. Pro méně náročné aplikace se používá jednoduchý ochranný obvod (přepěťová ochrana) vestavěný do zásuvky nebo umístěný v přívodech. Pro náročné aplikace je nutné tuto ochranu ještě doplnit vf filtrem. Kombinované ochrany s vf odrušením je vhodné použít pro zařízení s řídicím procesorem a pamětí, kde vlivem poruchy mohou vzniknout nevratné ztráty. Těmito zařízeními jsou např. počítače v bankách, centrály a řídicí systémy měření a regulace (MaR), elektrické zabezpečovací systémy (EZS), elektrická požární signalizace (EPS), telefonní ústředny, přístroje ve zdravotnictví apod. Proto se tyto ochrany umísťují co možná nejblíže k chráněným zařízením.

Na připojených schématech jsou příklady použití přepěťových ochran v běžném rozvodu (obr. 1) a pro stroje NC (obr. 2).

Ochrana UPS
Velké zdroje nepřerušovaného napájení (Uniterruptible Power Systems – UPS) připojené k pevným rozvodům jsou velmi citlivá zařízení – zejména jejich výstupní obvody. Proto se chrání proti pulsnímu přepětí jak na vstupu, tak na výstupu. Vstup se ošetřuje běžným způsobem svodiči bleskových proudů (I. stupeň) a následně svodiči přepětí (II. stupeň ochran). Výstupní obvody se chrání II. stupněm ochrany. Rozvody za UPS se chrání jako běžná instalace pro nn, tedy II. stupni ochrany v podružných rozváděčích a III. stupni před zálohovanými zařízeními. Tímto způsobem se docílí ochrany spotřebičů nejen před výpadky napájení, ale také proti pulsnímu přepětí.

Obr. 1.

Malé UPS jsou citlivá zařízení, která by měla být připojována k rozvodům ošetřeným proti pulsnímu přepětí. To znamená osazeným všemi třemi stupni ochrany. Některé UPS jsou opatřeny jednoduchou ochranou proti příčnému přepětí (tj. L-N), mnohdy ale schází účinná ochrana proti podélnému přepětí (tj. L-PE, N-PE).

Instalace UPS proto neřeší ochranu spotřebičů proti pulsnímu přepětí, ač se odborná veřejnost mnohdy domnívá, že ano.

Přepěťové ochrany v systémech MaR, EZS apod.
Při návrhu ochrany proti přepětí je v těchto případech nezbytně nutné respektovat konkrétní uspořádání systému. Napájecí vedení, vstupy do datových sítí, sdělovací vedení, vstupy pro připojení měřicích převodníků, vedení k akčním členům apod. jsou místa, kterými může přepětí proniknout do řídicího systému. Toto riziko extrémně vzrůstá, jsou--li příslušné linky vedeny mimo budovu.

Za dostatečnou ochranu linek mnohdy bývá považováno galvanické oddělení. Toto oddělení má především izolační účinek proti souhlasnému napětí. Používané integrované obvody však často nemají dostatečnou izolační odolnost. Při příchodu energeticky bohatého pulsu může dojít k přeskoku či oblouku na plošných spojích a tím k zavlečení přepětí do dalších částí systému.

Základní zásadou při ochraně proti pulsnímu přepětí je úplnost a koordinovanost ochran. Komplexnost v tomto případě znamená, že jsou chráněny všechny vstupy daného zařízení, tj. napájecí i datové, včetně telekomunikačních rozhraní.

Retool Net s. r. o.
Národních mučedníků 591
738 01 Frýdek - Místek
tel./fax: 0658/62 31 26
e-mail: retoolnet@retoolnet.cz
http://www.retoolnet.cz