Τι κάνει ένα spd;

Η Συσκευή Προστασίας Υπερτάσεων (SPD) είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για την προστασία του ηλεκτρονικού εξοπλισμού από υπερτάσεις ή μεταβατικές τάσεις. Συνδέονται παράλληλα με το κύκλωμα τροφοδοσίας φορτίου που χρειάζεται προστασία και μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε δίκτυα παροχής ρεύματος σε όλα τα επίπεδα. Αυτό το άρθρο θα εμβαθύνει στην αρχή λειτουργίας των συσκευών προστασίας υπερτάσεων και στον σημαντικό ρόλο τους στα ηλεκτρικά συστήματα.

Τι είναι οι υπερτάσεις;

Οι υπερτάσεις είναι μεταβατικές υπερτάσεις που μπορούν να φτάσουν τις δεκάδες kilovolts με διάρκεια της τάξης των μικροδευτερολέπτων. Παρά τη σύντομη διάρκειά τους, η υψηλή περιεκτικότητα σε ενέργεια μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα στον εξοπλισμό που είναι συνδεδεμένος στη γραμμή, όπως πρόωρη γήρανση των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, βλάβη του εξοπλισμού ή διακοπές στην υπηρεσία και οικονομική ζημία.

Προέλευση των υπερτάσεων

Ο κεραυνός είναι γνωστό ότι είναι η πιο σημαντική πηγή υπερτάσεων - έχουν καταγραφεί κεραυνοί με ένα εκατομμύριο έως ένα δισεκατομμύριο βολτ και μεταξύ 10.000 έως 200.000 αμπέρ. Ωστόσο, ο κεραυνός αποτελεί μόνο ένα μέρος όλων των μεταβατικών συμβάντων σε μια εγκατάσταση. Επειδή οι μεταβατικές καταστάσεις μπορούν να προέρχονται τόσο από εξωτερικές πηγές (όπως κεραυνούς) όσο και από εσωτερικές πηγές, οι εγκαταστάσεις θα πρέπει να έχουν τόσο σύστημα προστασίας από κεραυνούς όσο και προστασία από υπερτάσεις.

Κεραυνός: Η πιο καταστροφική πηγή υπερτάσεων. Βάσει του προτύπου IEC 61643-12, η ενέργεια από κεραυνούς μπορεί να φτάσει τα 200 kA. Ωστόσο, για αναφορά, οι εκτιμήσεις δείχνουν ότι το 65% είναι μικρότερο από 20kA και το 85% είναι μικρότερο από 35kA.

Επαγωγή: Οι πηγές περιλαμβάνουν κεραυνούς από σύννεφο σε σύννεφο ή κοντινές προσκρούσεις κεραυνών όπου η ροή του ρεύματος προκαλεί υπέρταση στις γραμμές τροφοδοσίας ή σε άλλους μεταλλικούς αγωγούς.

Δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε πραγματικά πότε, πού, το μέγεθος ή τη διάρκεια/κυματομορφή μιας υπερτάσης. Επομένως, εντός των Προτύπων έχουν γίνει ορισμένες υποθέσεις και έχουν επιλεγεί 2 κύριες κυματομορφές για την προσομοίωση διαφορετικών συμβάντων υπερτάσεων:

- Αγωγή

Η αγωγή ή 10/350μs προσομοιώνει την ενέργεια από την άμεση πρόσκρουση κεραυνού.

- Επαγωγή
Η επαγωγή ή 8/20μs προσομοιώνει την ενέργεια από την έμμεση πρόσκρουση κεραυνού.

Εσωτερικές πηγές:

- Προέρχονται από μεταγωγή δικτύου κοινής ωφέλειας, αποσύνδεση κινητήρων ή άλλα επαγωγικά φορτία. Η ενέργεια από αυτές τις πηγές αναλύεται επίσης με την κυματομορφή 8/20.

- Οι μεταβατικές υπερτάσεις δεν εμφανίζονται μόνο σε γραμμές διανομής ρεύματος και είναι επίσης συνηθισμένες σε οποιαδήποτε γραμμή που σχηματίζεται από μεταλλικούς αγωγούς, όπως τηλεφωνία, επικοινωνίες, μέτρηση και δεδομένα.

Ο Ρόλος των Συσκευών Προστασίας Υπερτάσεων

Οι συσκευές προστασίας υπερτάσεων ελέγχουν τις μεταβατικές τάσεις εκτρέποντας ή περιορίζοντας τα ρεύματα υπερτάσεων, προστατεύοντας τον ευαίσθητο ηλεκτρονικό εξοπλισμό που είναι συνδεδεμένος σε αυτές, όπως υπολογιστές, τηλεοράσεις, πλυντήρια ρούχων και κυκλώματα ασφαλείας (όπως συστήματα ανίχνευσης πυρκαγιάς και φωτισμός έκτακτης ανάγκης). Αυτές οι συσκευές περιέχουν ευαίσθητα ηλεκτρονικά κυκλώματα που είναι επιρρεπή σε ζημιές από μεταβατικές υπερτάσεις. Έτσι, οι συσκευές προστασίας υπερτάσεων διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στην προστασία των ηλεκτρικών συστημάτων εγκατάστασης.

Χωρίς κατάλληλο SPD, τα μεταβατικά συμβάντα μπορούν να καταστρέψουν τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό και να οδηγήσουν σε δαπανηρό χρόνο διακοπής λειτουργίας. Επομένως, η σημασία των συσκευών προστασίας υπερτάσεων στην προστασία του ηλεκτρικού εξοπλισμού δεν μπορεί να υπερεκτιμηθεί.

Πώς λειτουργεί ένα SPD;

Υπάρχει τουλάχιστον ένα μη γραμμικό στοιχείο του SPD, το οποίο υπό διαφορετικές συνθήκες, μεταβαίνει μεταξύ μιας κατάστασης υψηλής και χαμηλής σύνθετης αντίστασης. Σε κανονικές τάσεις λειτουργίας, τα SPD βρίσκονται σε κατάσταση υψηλής σύνθετης αντίστασης και δεν επηρεάζουν το σύστημα. Όταν εμφανίζεται μια μεταβατική τάση στο κύκλωμα, το SPD μετακινείται σε κατάσταση αγωγιμότητας (ή χαμηλής σύνθετης αντίστασης) και εκτρέπει την μεταβατική ενέργεια και το ρεύμα πίσω στην πηγή ή τη γείωση. Αυτό περιορίζει ή συγκρατεί το πλάτος της τάσης σε ένα ασφαλέστερο επίπεδο. Αφού εκτραπεί η μεταβατική κατάσταση, το SPD επανέρχεται αυτόματα στην κατάσταση υψηλής σύνθετης αντίστασης.

Η αρχή λειτουργίας του προστατευτικού υπερτάσεων έχει ως εξής:

- Κανονική Λειτουργία

Απουσία υπερτάσεων, η συσκευή προστασίας υπερτάσεων δεν έχει καμία επίδραση στο σύστημα στο οποίο είναι εγκατεστημένη. Λειτουργεί ως ανοιχτό κύκλωμα, διατηρώντας

απομόνωση μεταξύ ζωντανών αγωγών και γείωσης.

- Κατά τη διάρκεια μιας υπερτάσης
Όταν συμβαίνει μια υπέρταση τάσης, η συσκευή προστασίας υπερτάσεων θα μειώσει την σύνθετη αντίστασή της σε νανοδευτερόλεπτα και θα εκτρέψει το ρεύμα υπερτάσεων. Σε αυτό το

σημείο, το SPD συμπεριφέρεται σαν ένα κλειστό κύκλωμα, βραχυκυκλώνοντας την υπέρταση και περιορίζοντάς την σε τιμές αποδεκτές για τον ηλεκτρικά συνδεδεμένο

εξοπλισμό κατάντη.

- Μετά την υπερτάση
Μόλις σταματήσει η παλμική υπέρταση, η συσκευή προστασίας υπερτάσεων θα αποκαταστήσει την αρχική της σύνθετη αντίσταση και θα επιστρέψει στην κατάσταση ανοιχτού κυκλώματος, συνεχίζοντας να

παρακολουθεί τις συνθήκες τάσης στο ηλεκτρικό σύστημα.

3P ή 4P; Πότε απαιτείται ο πόλος N-PE;

Οι Συσκευές Προστασίας Υπερτάσεων (SPDs) εγκαθίστανται παράλληλα κατάντη του ηλεκτρικού εξοπλισμού σε μια θέση τέτοια ώστε, κατά τη διάρκεια οποιουδήποτε υπερβολικού συμβάντος τάσης, το SPD θα λειτουργεί ως διαδρομή χαμηλής σύνθετης αντίστασης προς τη γη. Αυτό διοχετεύει την ενέργεια υψηλής τάσης μακριά από τον εξοπλισμό κατάντη πριν υπερβεί η ονομαστική του τάση αντοχής, αποφεύγοντας έτσι ζημιές.

Ένα κοινό ερώτημα σχετικά με τα SPDs είναι η διάκριση μεταξύ της εφαρμογής συσκευών 3 πόλων και 4 πόλων. Στην περίπτωση των συστημάτων καλωδίωσης TN-C-S, ο ουδέτερος αγωγός συνδέεται απευθείας με τη γη (σύνδεση MEN). Εάν ένα SPD εγκατασταθεί εντός 10 μέτρων από αυτήν τη σύνδεση MEN, απαιτείται μόνο μια συσκευή 3 πόλων. Ο πρόσθετος πόλος N-PE που παρέχεται από τις συσκευές 4 πόλων καθίσταται περιττός σε αυτήν την κατάσταση, καθώς υπάρχει ήδη μια διαδρομή προς τη γη μέσω του ουδέτερου μέσω της σύνδεσης MEN.

Ωστόσο, εάν ένα SPD είναι εγκατεστημένο σε απόσταση μεγαλύτερη των 10 μέτρων από μια σύνδεση MEN, απαιτείται ένα SPD 4 πόλων. Καθώς η σύνθετη αντίσταση προς τη γη αυξάνεται με το μήκος του καλωδίου, μια ενέργεια υπερτάσεων έχει πλέον τη δυνατότητα να εισέλθει στο δίκτυο μετά τη σύνδεση MEN και να καταστρέψει τον εξοπλισμό κατάντη.

Ταξινόμηση των προστατευτικών

Οι συσκευές προστασίας ταξινομούνται σε τύπους ανάλογα με την ικανότητα εκφόρτισης.

Τύπος 1:
• Δοκιμάστηκε με κυματομορφή 10/350 μs (δοκιμή Class I), η οποία προσομοιώνει το ρεύμα που παράγεται από άμεση κεραυνική προσβολή.
• Δυνατότητα εκφόρτισης πολύ υψηλών ρευμάτων στη γη, παρέχοντας υψηλό επίπεδο προστασίας τάσης Up.

• Πρέπει να συνοδεύεται από προστατευτικά Τύπου 2 κατάντη. Σχεδιασμένο για χρήση σε εισερχόμενα πάνελ παροχής ρεύματος όπου ο κίνδυνος κεραυνικής προσβολής

είναι υψηλός, για παράδειγμα σε κτίρια με εξωτερικό σύστημα προστασίας.

Τύπος 2:
• Δοκιμάστηκε με κυματομορφή 8/20 μs (δοκιμή Class II), η οποία προσομοιώνει το ρεύμα που παράγεται σε περίπτωση μεταγωγής ή κεραυνικής προσβολής στο

γραμμή διανομής ή στην περιοχή της.
• Δυνατότητα εκφόρτισης υψηλών ρευμάτων στη γη, παρέχοντας ένα μέτριο επίπεδο προστασίας τάσης Up. Σχεδιασμένο για χρήση σε πίνακες διανομής που βρίσκονται

κατάντη των προστατευτικών Τύπου 1 ή σε εισερχόμενα πάνελ παροχής ρεύματος σε περιοχές με χαμηλή έκθεση σε κεραυνούς.

Τύπος 3:
• Δοκιμάστηκε με συνδυασμένη κυματομορφή 1.2/50 μs - 8/20 μs (δοκιμή Class III), η οποία προσομοιώνει το ρεύμα και την τάση που μπορούν να φτάσουν στον εξοπλισμό

που θα προστατευτεί.
• Δυνατότητα εκφόρτισης μέτριων ρευμάτων στη γη, παρέχοντας ένα χαμηλό επίπεδο προστασίας τάσης Up. Πάντα εγκατεστημένο κατάντη ενός προστατευτικού Τύπου 2

σχεδιασμένο για την προστασία ευαίσθητου εξοπλισμού ή εξοπλισμού που βρίσκεται σε απόσταση μεγαλύτερη των 20 μέτρων κατάντη της συσκευής Τύπου 2.

Χαρακτηριστικά SPD βάσει του προτύπου IEC 61643

Παράμετροι προστασίας:

- Up Επίπεδο προστασίας: Μέγιστη υπολειπόμενη τάση μεταξύ των ακροδεκτών της συσκευής προστασίας κατά την εφαρμογή ενός μέγιστου ρεύματος.

- In Ονομαστικό ρεύμα: Μέγιστο ρεύμα σε κυματομορφή 8/20 μs που η συσκευή προστασίας μπορεί να αντέξει 20 φορές χωρίς να φτάσει στο τέλος της ζωής

- Imax Μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης: Μέγιστο ρεύμα με κυματομορφή 8/20 μs που η συσκευή προστασίας μπορεί να αντέξει.

- Uc Μέγιστη συνεχής τάση λειτουργίας: Μέγιστη ενεργός τάση που μπορεί να εφαρμοστεί μόνιμα στους ακροδέκτες της προστασίας

συσκευή.

- Iimp Ρεύμα παλμού: Μέγιστο ρεύμα με κυματομορφή 10/350 μs που η συσκευή προστασίας μπορεί να αντέξει χωρίς να φτάσει στο τέλος της ζωής.

Πού να ξεκινήσετε τον σχεδιασμό προστασίας;

Ως η προέλευση της εγκατάστασης, ο κύριος πίνακας είναι το μέρος για να ξεκινήσετε το σχεδιασμό των SPDs στο δίκτυο.

Πώς να ξεκινήσετε τον σχεδιασμό προστασίας;

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο σχεδιασμός προστασίας SPD δεν εξαρτάται από τις ονομαστικές τιμές σφάλματος που δίνονται από τον μετασχηματιστή, εξαρτάται μόνο από το επίπεδο έκθεσης μπροστά από την υπέρταση. Έτσι, ποιο SPD πρέπει να εγκαταστήσουμε στον κύριο πίνακα;

Δείτε το παραπάνω διάγραμμα από το πρότυπο IEC 63205-1 που εμφανίζει τη διασπορά του υψηλότερου κεραυνού που θεωρείται: 200kA @ 10/350μs.

Στο χειρότερο σενάριο, το 50% αυτής της ενέργειας διοχετεύεται στη γη, αφήνοντας 100kA δυναμικό σε όλο το δίκτυο 3 φάσεων και ουδέτερο.

Εδώ, ένα SPD Τύπου 1 25kA @ 10/350μs (Iimp) συνιστάται ιδιαίτερα για περιπτώσεις όπου ένας κεραυνός χτυπά πάνω ή κοντά στη σύνδεση γείωσης του κτιρίου – ειδικότερα όταν ένα κτίριο έχει αλεξικέραυνο.

Στο «Κανονικό Σενάριο» υποτίθεται ότι οποιαδήποτε άμεση κεραυνική προσβολή στο δίκτυο θα απέχει τόσο από την εγκατάσταση που ένα άλλο 50% της ενέργειας διασκορπίζεται στη γη μέσω άλλων αγωγών πριν εισέλθει στο σημείο σύνδεσής σας. Σε αυτό το σενάριο, συνιστάται μια συσκευή με 12,5kA @ 10/350μs (Iimp) Τύπου 1. Επιπλέον, βάσει του προτύπου IEC 61643-12, 12,5 kA είναι η ελάχιστη ονομαστική τιμή kA όταν απαιτείται Τύπος 1.

Εάν το επίπεδο έκθεσης της εγκατάστασης είναι χαμηλότερο από τα παραπάνω περιγραφόμενα σενάρια, μπορεί να εξεταστεί το SPD Τύπου 2 (Imax) μαζί με τον κίνδυνο και το κόστος του εξοπλισμού και του χρόνου διακοπής λειτουργίας.

Πρέπει να εγκαταστήσω ένα τρίτο στάδιο συσκευών προστασίας υπερτάσεων;

Ένα τρίτο στάδιο προστασίας υπερτάσεων που είναι εγκατεστημένο στο τελικό φορτίο μπορεί να εξεταστεί ανάλογα με το τι φορτίζει, πόσο κρίσιμο, ακριβό, το κόστος του χρόνου διακοπής λειτουργίας και πόσο ευαίσθητο είναι. Εάν το κόστος του εξοπλισμού ή/και του χρόνου διακοπής λειτουργίας είναι υψηλό, τότε η εγκατάσταση μιας συσκευής Τύπου 3 (1,5/50μs) τρίτου σταδίου θα μειώσει περαιτέρω τον κίνδυνο να φτάσει οποιαδήποτε τελευταία ενέργεια υπερτάσεων στον εξοπλισμό σας.

Παραδείγματα εφαρμογών που θα πρέπει να περιλαμβάνουν ένα 3ο στάδιο προστασίας υπερτάσεων είναι:

• Νοσοκομεία
• Κέντρα δεδομένων
• Αεροδρόμια
• Τραπεζικές και ασφαλιστικές εταιρείες
• Μεταφορές