Mohlo by se zdát, že přepěťové ochrany jsou dalším z řady rafinovaných triků výrobců, jak vytáhnout lidem peníze z jejich kapes. U lidí, kteří se s ničivými účinky přepětí na elektrické a elekrtonické spotřebiče dosud nesetkali to je celkem pochopitelné, protože z mediálních zdrojů se o škodních událostech a možnosti jejich předcházení mnoho nedovědí. Poněkud alarmující je zjištění, že o přepěťových ochranách a příslušné legislativě toho moc nevědí ani někteří provozovatelé služeb a činností, kterých se to týká. Neznalost a nebo špatný výklad platné legislativy ve svém důsledku vede ke zvýšenému riziku ohrožení životů a zdraví osob a majetků a svědčí o dosud nízké úrovni společenského a právního vědomí i když lze s povděkem příjmout fakt, že za posledních cca 5 let se tato situace výrazně zlepšila. Pokud se v případě nějaké škodní události prokáže, že k ní došlo v důsledku pochybení některé ze zúčastněných firem, tak si to dnes ta firma docela určitě "odskáče".
Obor elektromagnetické kompatibility (EMC), do kterého ochrana před přepětím spadá, je schematicky znázorněn na obrázku 1. Ze širokého spektra oboru EMC si vybereme téma "přepěťové ochrany" a pokusíme se po krátkém úvodu vysvětlit, co možno nejjednodušším způsobem - formou otázek a odpovědí několik základních technických pojmů.
Která norma předepisuje, kdy a jak chránit před přepětím
V první řadě si musíme uvědomit, že přepětí nezná normy ani předpisy a objeví se i tam, kde ho nikdo nečeká. Ochranu proti přepětí je možné přirovnat k pojištění. Pokud se NIC nestane, tak to jsou vyhozené peníze. Ale v případě nějaké významné pojistné události to může být klíč k jejímu úspěšnému vyřešení s minimálními ztrátami. Dále je nutné si uvědomit, že v současné době jsou technické normy chápány jako DOPORUČENÍ a záleží na rozhodnutí jednotlivce, zda se jimi bude či nebude řídit. Samozřejmě se všemi možnými právními následky takového rozhodnutí. Za nejvýznamnější změnu lze považovat přijetí nové normy EN ČSN 62 305 o názvu "Ochrana před bleskem", která platí v ČR od 11/2006. Připomínáme, že platnost staré normy ČSN 34 1390 byla ukončena 31. ledna 2009. Je nepochybné, že od roku platnosti staré normy (uvedena v roce 1969) se díky technickému rozvoji elektroniky opravdu cosi změnilo. V té době byly na střechách staveb a objektů instalovány kromě hromosvodů pouze antény TV přijímačů, které byly vesměs elektronkové a tím svojí podstatou i poměrně odolné proti působení přepětí.
Pravděpodobnost, že udeří zrovna do mého baráčku, našeho objektu... je nízká.
Ale nízká pravděpodobnost ještě nezaručuje, že zrovna tento rok do něj neudeří dvakrát. A přepětí nebo části bleskových proudů mohou k našemu objektu "přijít" i od úderů blesků z našeho okolí.
Máme hromosvod, jsme tedy chráněni.
Hromosvody (=systém vnější ochrany před bleskem, ČSN EN 62 305, část 3) jsou určeny k ochraně osob, hospodářských zvířat, objektů a staveb před elektromagnetickými a tepelnými destrukcemi vyvolaných přímým úderem blesku. Ty ale již dostatečně nechrání elektrická a elektronická zařízení v objektech (=systém vnitřní ochrany před bleskem, ČSN EN 62 305, část 4).
Nemá cenu investovat do přepěťové ochrany, když platíme drahé pojištění.
Každý majitel by si měl nejprve na své pojišťovně ověřit, zda se jeho pojistka vztahuje i na škody způsobené přepětím na vnitřím zařízení budov, nejen na škody způsobené přímým úderem blesku do objektu.
Dříve se tím nikdo nezabýval a všechno fungovalo, proč tedy utrácet za přepěťové ochrany?
To je pravda, ale je nutné si uvědomit, že technické vybavení dnešních domácností či výrobních objektů se od šedesátých let minulého století významně změnilo. Investice do instalace přepěťových ochran jsou obvykle pouhým zlomkem celkové hodnoty chráněných zařízení.
Jaký podíl na škodách má přepětí?
Na tuto otázku dokáží odpovědět statistiky, které si vedou jednotlivé pojišťovny. Rozdělení škod je přibližně toto: vichřice 0.78%, krádeže 7.01%, požár 4.88%, voda 6.2%, nedbalost 22.67%, přepětí 31%. Zbývající procenta připadají na ostatní příčiny. Podíl na škodách způsobených přepětím s postupnou "elektronizací" domácností i průmyslových objektů stále roste.
1) Co to vlastně jsou přepěťové ochrany?
Přepěťové ochrany jsou elektrotechnické součástky, které svojí funkcí omezují napěťové a proudové rázy vznikající a šířící se po vodičích metalických vedení (napájecích, sdělovacích a datových atd.) obecných elektrických systémů.
2) Jak se mohou napěťové a proudové rázy na vodičích "vznikat"?
Buď přímo působením silného elektromagnetického pole např. při přímém nebo blízkém úderu blesku nebo v blízkém okolí silných vysílačů nebo radiolokátorů a nebo nepřímo souběhem s jinými vodiči a kabely, ke kterým jsou připojeny tzv. zdroje rušení.
3) Kde se berou ty zdroje rušení?
Za zdroje rušení považujeme všechny elektrické přístroje, které kromě správné funkce pro kterou jsou instalovány také jaksi "navíc" vytvářejí ve vodičích, ke kterým jsou připojeny rušivé rázy napětí a proudů, jednoduše řečeno rušivá napětí a rušivé proudy. Pokud toto rušení je časově omezeno, mluvíme o tzv. rušení impulsním nebo též tranzientním. Pokud je rušení časově neomezené nebo dlouhodobé, mluvíme o periodickém nebo též harmonickém rušení.
Poznámka: uvedené rozdělení není tak úplně přesné, ale pro jednoduché pochopení podstaty věci postačující.
Zdrojem rušení se může stát i fungující přístroj, který je do systému buď špatně připojen v rozporu s jeho technickými podmínkami a nebo u kterého během provozu došlo ke zhoršení jeho technických parametrů. Například když u kontaktů elektromechanického relé dojde při jejich zapínání nebo vypínání vlivem opotřebení nebo znečištění (a nebo přetížení) ke vzniku jiskření, za určitých podmínek může být takové relé intenzivním zdrojem impulsního rušení.
4) Jak rušení působí?
Rušení, které vznikne ve zdroji rušení se šíří po připojených vodičích podle fyzikálních zákonů o šíření elektromagnetické energie po metalických vodičích. Přístroje na které rušení působí nazýváme přijímače rušení. Pokud jsou "přijímače rušení" konstruovány tak, aby byly schopné odolávat rušivému působení, vše je v pořádku a všechno správně funguje. Říkáme, že takové přístroje jsou odolné proti působení rušení. Pokud ale rušení působí na neodolné přístroje, tak jim způsobuje provozní problémy např. výpadky ze správné funkce, zhoršení přesnosti technologických procesů nad dovolenou mez, poškození a nebo dokonce i jejich zničení.
5) Jak se rušení vlastně šíří a přenáší?
Rušení se šíří po připojených vodičích a kabelech od zdrojů rušení na všechny strany a všemi směry. A to není všechno! Rušení se také přenáší na další vodiče a kabely, které se nacházejí v blízkosti "rušících" vodičů např. při souběhu v kabelovém kolektoru, na kabelových lávkách atd. Tento elektromagnetický jev přenosu energie se nazývá elektromagnetická vazba.
6) Jak zabránit rušení v šíření po systému?
Rušení a přepětí můžeme v systému "likvidovat" několika způsoby:
- vyhledáme a odstraníme zdroje rušení v systému např. výměnou za bezvadný přístroj, provedením jeho opravy apod. Tohle se velice snadno napíše, ale v praxi to někdy ani neumíme. K vyhledávání skrytých zdrojů rušení potřebujeme speciální a drahou měřící techniku (např. analyzátor rušení) a značné zkušenosti. A pokud je zdrojem rušení např. výkonový střídač nebo frekvenční měnič s výkonem několika stovek kVA např. pro řízení chodu elektromotorů u pohonů velkých obráběcích nebo těžních strojů, kompresních stanic tranzitních plynovodů, vysilačů HDO apod., tak je ze systému ani odstranit nemůžeme.
- zvýšíme odolnost "přijímačů rušení" tak, aby je rušení v systému přestalo rušit. To lze udělat výměnou rušeného přístroje za odolnější typ (pokud ovšem existuje).
- mezi "zarušené dráty" a připojené přístroje vložíme tzv. odrušovací členy (=speciální přístroje typu pásmových filtrů a propustí) tak, aby přes ně rušení "nepřelezlo" a nebo aby se alespoň omezilo na přijatelnou míru. Opět zdánlivě jednoduché, ale praktická realizace může být značně složitá a nákladná.
7) Kdy použít odrušovací členy a kdy přepěťové ochrany?
Na tuto otázku neexistuje jednoduchá odpověď. Jak kdy:
- přepěťové ochrany použijeme vždy, když chráníme přístroje ke kterým "vedou dráty" z venkovního prostředí. Stupeň účinnosti přepěťové ochrany volíme dle odolnosti chráněných přístrojů. K ochraně odolných přístrojů obvykle stačí hrubá přepěťová ochrana typu svodiče bleskového proudu (dříve ochrana třídy B, nyní ochrana typ 1). K ochraně málo odolných přístrojů je potřeba nasadit ještě další, střední přepěťovou ochranu typu svodiče přepětí (ochrana třídy C, typ 2) a případně i jemnou přepěťovou ochranu (ochrana třídy D, typ 3).
- odrušovací členy použijeme v případech, když nehrozí nebezpečí "zavlečení" nedovolených nebo nebezpečných napětí a proudů ke chráněnému přístroji. a když rušení má podobný charakter jako užitečný, tj. zpracovávaný signál. Pak lze s výhodou využít frekvenčně selektivního výběru a propouštět pouze složky kmitočtového spektra užitečného signálu (=propustné pásmo odruš. členů) a potlačovat složky kmitočtového spektra rušení (=útlumové pásmo odruš. členu).
- někdy vede k cíli pouze nasazení obou typů ochranných prostředků současně.
8) Jak ty přepěťové ochrany vlastně fungují?
Přepěťové ochrany vyrovnávají vyšší než dovolený rozdíl potenciálů mezi "živým" a "neutrálním" vodičem a odvádějí nebezpečnou elektromagnetickou energii z citlivých míst chráněného elektrického systému (např. ze vstupních svorek přístrojů) do necitlivého místa k tomuto účelu v systému speciálně vytvořenému, tj. na ekvipotenciální přípojnici (EP) systému. Ekvipotenciální přípojnice bývá obvykle konstrukčně totožná s tzv. hlavním pospojováním systému. Tímto způsobem je zajištěno, že do citlivých míst elektronického systému se nedostane vyšší než dovolené napětí nebo proud.
9) Jak velká napětí a proudy musí přepěťové ochrany "zvládnout"?
To je různé dle účelu jejich použití. Např. na přepěťové ochrany určené pro ochranu kabelů, vodičů a přístrojů připojených do rozvodu napájecí sítě nn např. soustavy TN 230/400V jsou kladeny tyto nároky:
Přepěťové ochrany tř. B (=hrubá ochrana, tj. svodiče bleskového proudu) musí spolehlivě odvést impulsní proud o hodnotě 50 kA při délce trvání zkušebního impulsu 10/350 µs (doba náběhu impulsu / doba poklesu impulsu na 50% maximální hodnoty). Zbytkové napětí za svodičem bleskového proudu musí být menší nebo rovno 4 kV.
10) Proč zrovna 50 kA???
Na základě dlouhodobého výzkumu blesků se přišlo na to, že u 99,99% blesků nepřesáhne maximální hodnota proudu v bleskovém kanále 200 kA. Dále se zjistilo, že při přímém úderu blesku do elektrovodného kabelu cca 50% bleskového proudu odteče z místa úderu proraženou izolací kabelu do země. Zbylých 50% bleskového proudu se přibližně rovnoměrně rozdělí na dva proudy, tekoucí z místa úderu blesku na obě strany, t. j. cca 25% ke každému konci zasaženého kabelu. A to je právě těch 200 kA x0,25=50kA. Dost velká "pecka", že?
11) Kam se ochrany třídy B v rozvodech nn instalují?
Co nejblíže k přechodu přívodního kabelu z nechráněného do chráněného prostředí, tj. na rozhraní zón bleskové ochrany LPZ 0-LPZ 1. Prakticky se tyto ochrany instalují buď do hlavních přípojných skříní (HPS) obvykle situovaných na venkovní straně obvodové zdi uvažovaného objektu nebo do hlavního rozvaděče nn uvnitř objektu.
12) Jak velká napětí a proudy musí "zvládnout" svodiče přepětí?
Přepěťová ochrana tř. C (= střední ochrana, svodič přepětí) musí spolehlivě odvést impulsní proud o hodnotě 15 kA (opakovaně) a 40 kA ( jednorázově) při délce trvání zkušebního impulsu 8/20 µs. Zbytkové napětí za svodičem přepětí musí být menší nebo rovno 1,5 kV. Nároky kladené na svodiče přepětí umí splnit speciální elektronické součástky, tzv. výkonové varistory.
13) Kam přepěťovou ochranu tř. C v rozvodech nn správně instalovat?
Přepěťové ochrany tř. C se obvykle instalují do podružných rozvaděčů. Pokud ale napájecí rozvod není příliš rozsáhlý např. v rodiném domku, podružný rozvaděč není potřeba a proto ani není osazen. V těchto případech lze svodiče přepětí nainstalovat do hlavního rozvaděče vedle svodičů bleskového proudu, ale pak oba typy takto nainstalovaných svodičů (tř. B a tř. C) musí být navzájem odděleny tzv. oddělovací impedancí a nebo se použijí tzv. kombinované ochrany, u kterých je tzv. koordinace činnosti přepěťových ochran třídy B a C zajištěna jiným způsobem.
14) Kdy a kam se instalují v rozvodu nn přepěťové ochrany tř. D?
Přepěťové ochrany tř. D (=tzv. jemná ochrana) se obvykle instalují do rozvodů nn tam, kde jsou připojeny mimořádné citlivé a drahé přístroje nebo kancelářská technika a počitače. Přepěťové ochrany tř. D jsou nejčastěji instalovány ve formě tzv. chráněných zásuvek nebo chráněných "prodlužováků".
15) Čím se liší přepěťové ochrany pro napájecí rozvody nn a pro elektroniku?
Něčím ano a něčím ne.
Neliší se principem funkce přepěťových ochran ve vztahu k sytémové ekvipotenciální přípojnici.
Neliší se názvoslovím a označením tříd ochran (B, C, D => typ 1, 2, 3).
Liší se podstatně konstrukčním uspořádáním a energetickými nároky na jednotlivé třídy ochran.
Liší se významně požadavky na zachování přenosových vlastností chráněných vedení a vodičů např. pro videotechniku je požadována minimální šířka přenášeného pásma 10 MHz/-3dB, pro počitačové sítě cca 155 až 400 MHz a pro mikrovlné spoje jednotky až desítky GHz.
16) Jak velká napětí a proudy musí "zvládnout" přepěťové ochrany pro elektroniku?
Přepěťové ochrany třídy B (=svodiče bleskového proudu) musí spolehlivě odvést impulsní proud o velikosti 2,5 kA při délce trvání zkušebního impulsu 10/350 us. Jako svodiče bleskových proudů se běžně používají tzv. bleskojistky, což jsou obvykle zapouzdřená a plynem plněná ochranná jiskřiště. Aktivační, tj. tzv. zapalovací napětí je v závislosti na konstrukčním provedení a strmosti nárůstu napěťové vlny v rozmezí cca 600 až 1200 V. Po zapálení klesne hodnota napětí na bleskojistce na hodnotu cca desítky až stovky voltů. Důležitým parametrem bleskojistky je také údaj o tom, při jakém jmenovitém napětí přenášeného chráněného signálu se bleskojistka ještě neaktivuje.
17) Proč zrovna 2,5 kA???
Protože na základě výzkumu se zjistilo, že jedním vodičem sdělovacího kabelu není technicky možné o moc vyšší hodnotu impulsního proudu "protlačit". Tomu brání tzv. podélná impedance vodiče, která je mnohonásobně vyšší než u "tlustého" vodiče napájecího kabelu rozvodu nn. Dále při vyšších hodnotách impulsních proudů dochází k takovému oteplení vodiče, že se odpaří a tím dojde k přerušení vodivé cesty. Sdělovací kabely bývají obvykle konstruovány jako vícežilové. V místě vniku bleskového proudu do sdělovacího kabelu dojde k podobnému rozdělení zbytkového proudu jako u silového kabelu (50%+25%+25%) s tím rozdílem, že žil ve sdělovacím kabelu je podstatně více než v silovém kabelu. Tím se celková hodnota bleskového proudu tekoucího ke chráněným přístrojům rozdělí na n dílů (n =počet žil v zasaženém kabelu).
Poznámka: použitý pojem "sdělovací kabel" je zde chápán v širším slova smyslu pro všechny kabely použité v systému s výjimkou silových kabelů (např. koaxiální kabely pro rozvod videosignálu nebo pro počítačové sítě nebo pro anténní svody, telefonní kabely, kabely pro měření a regulaci atd.).
18) Kam se instalují ochrany třídy B ve "sdělovacích rozvodech"?
Co nejblíže k přechodu přívodního kabelu z nechráněného do chráněného prostředí tj. na rozhraní zóny bleskové ochrany LPZ 0- LPZ 1. Prakticky se tyto ochrany instalují do vstupních rozváděčových skříní sdělovacích kabelů (např. bleskojistky na vstupu telefonních kabelů do objektu).
19) Jak velká napětí a proudy musí "zvládnout" svodiče přepětí pro elektronické přístroje?
Tady už je odpověď poněkud složitější než u silových rozvodů nn, protože různých elektronických přístrojů je v systému nasazeno mnoho. Asi nejsprávnější odpověď by měla znít v tom smyslu, že svodiče přepětí třídy C a případně i jemná ochrana třídy D zapojené za přepěťovou ochranou třídy B by měli být takové, aby spolehlivě zajistili "přežití" připojených elektronických přístrojů i při přímém úderu blesku do venkovního přívodního sdělovacího kabelu.
20) Jak poznáme, že ty nebo ony přepěťové ochrany jsou tak udělány?
Sami nijak. Tyto vlastnosti musí změřit výrobce přepěťové ochrany a naměřené hodnoty uvádět ve vhodné formě např. uvedením maximálních hodnot nebo nejlépe oscilogramem časové odezvy zbytkového napětí na chráněném výstupu po přivedení standardního zkušebního impulsu na vstup přepěťové ochrany. Tento důležitý údaj musí být součástí technické dokumentace přepěťové ochrany.
21) Jak poznáme, že nasazené přepěťové ochrany zajistí spolehlivý a bezporuchový provoz chráněných elektronických přístrojů v systému?
Porovnáním údajů výrobce přístroje o tzv. třídě odolnosti přístroje s údaji uváděnými v technických podmínkách přepěťové ochrany. Pokud bude třída odolnosti elektronického přístroje vyšší než hodnoty zbytkového výstupního napětí z přepěťové ochrany, pak je vše v pořádku a systém bude fungovat spolehlivě a nerušeně. Kdybychom chtěli mít 100% jistotu, musíme požádat specializovanou firmu o provedení ověřovacího měření. Připojením zkušebního generátoru standardního rušení ke chráněnému vedení se nasimuluje rušivá událost požadovaných parametrů a zjistí se, zda nedošlo u chráněného přístroje k překročení mezních podmínek funkce dle jeho TP.
Poznámka: třída odolnosti přístroje (číslo 0 ÷ 4) je definována mezními hodnotami rušivých napětí, při kterých přístroj ještě spolehlivě plní všechny funkce dle svých technických podmínek.
22) Co to jsou koaxiální přepěťové ochrany (KPO)?
To jsou přepěťové ochrany vyrobené pro použití v koaxiální technice pro radiotechniku, videotechniku a počítačové sítě. Kromě požadavků na přepěťovou ochranu, které jsou totožné s parametry ostatních přepěťových ochran je zde kladen mimořádný důraz na na tzv. přenosově-frekvenční parametry, z nichž nejdůležitější jsou tzv. činitel útlumu a činitel odrazu nebo též činitel přizpůsobení. Oba činitelé se obvykle udávají v logaritmické míře [dB]. Za prakticky použitelnou lze považovat KPO, která má v rozsahu pracovních kmitočtů činitel útlumu v rozmezí 0 až -0,7 dB a činitel odrazu lepší (tj. menší) než -15 dB. KPO se navzájem liší konstrukčním uspořádáním, použitým typem konektorů, charakteristickou impedancí a rozsahem pracovních kmitočtů. Některé KPO musí být širokopásmové, jiné mohou být úzkopásmové dle účelu použití.
23) Jak to tedy s tou problematikou EMC vlastně je????
Všichni, kteří se statečně "prokousali" až k tomuto bodu si již na základě uvedených informací udělali nějakou představu o přepěťových ochranách a sami mohou posoudit k čemu že vlastně ty přepěťové ochrany jsou. A pokud jste něčemu nerozumněli a stále ve Vás "hlodá červík pochybností", tak se ptejte odborníků, kteří tu jsou proto, aby mohli odpovědět na vaše dotazy.
Děkuji Vám za trpělivost a přeji pěkný den.
Ing. Vladimír Brok
Jiráskovo nábřeží 717, 468 22 Železný Brod
