Przepięcie to wzrost napięcia w urządzeniu do wartości powyżej najwyższego dopuszczalnego napięcia roboczego. Pojawienie się tego zaburzenia może być skutkiem zdarzeń zewnętrznych albo tych, które zaistniały w obrębie systemu podczas jego eksploatacji. Do pierwszej grupy zaliczane są wyładowania atmosferyczne.
Groźne są nie tylko bezpośrednie uderzenia piorunów w budynek albo w linie sieci energetycznej, ale także impulsy elektromagnetyczne, które towarzyszą wyładowaniom obok takich obiektów. Rząd wielkości przepięć, jakie są wynikiem uderzenia pioruna, przedstawiają następujące przykłady.
Skutki i częstość wyładowań
Rys. 1. Przepięcie spowodowane uderzeniem pioruna w linię napowietrzą o impedancji falowej około kilkuset Ω przy prądzie wyładowczym rzędu kilkudziesięciu kA sięgnie tysięcy kV!
Przyjmując, że impedancja falowa napowietrznej linii energetycznej wynosi 400 Ω, a natężenie prądu wyładowczego I = 20 kA, ze wzoru:
U = Z0⋅I/2
można obliczyć, że przepięcie U wyniesie 4000 kV (rys. 1). Aby wyznaczyć napięcie indukowane pomiędzy przewodem fazowym a ziemią w wyniku uderzenia pioruna w odległości d = 500 m od linii na wysokości h = 5 m oraz impedancji falowej 30 Ω (I = 20 kA), należy natomiast skorzystać z formuły:
U = Z0⋅I⋅h/d
Wyniesie ono wówczas 6 kV.
Liczbę wyładowań atmosferycznych w przewody linii napowietrznych można oszacować. Służy do tego następująca zależność:
N = A⋅Ng⋅10-6
gdzie:
A = 6⋅h⋅l
a h - wysokość linii (m), l - długość linii (m) i Ng - lokalna gęstość wyładowań na km² rocznie. Przykładowo, przy założeniu, że ta ostatnia wielkość jest równa 2, h = 5 m, l = 1 km, N wyniesie 0,06. Prawdopodobne zatem jest, że na długości 100 km piorun może uderzyć w linię bezpośrednio 6 razy w ciągu roku. Liczba przepięć indukowanych przez pioruny, które uderzają w pobliżu 
Przepięcia, zwykle o mniejszej wartości, są również skutkiem stanów przejściowych w układzie, które towarzyszą awariom (zwarciom) albo powstających na skutek operacji łączeniowych, na przykład włączania albo wyłączania obciążeń pojemnościowych lub indukcyjnych (zasilaczy, baterii kondensatorów, transformatorów, silników elektrycznych). Przyczyną zaburzeń są także wyładowania elektrostatyczne.
Do ograniczania przepięć używane są specjalne elementy (Surge Protective Device, SPD), których rezystancja przy wzroście napięcia na ich zaciskach powyżej wartości granicznej szybko oraz silnie maleje. Po jego obniżeniu powraca ona do początkowej, dużej wartości. Takimi ogranicznikami przepięć są warystory, które są rezystorami półprzewodnikowymi o ziarnistej strukturze.
Dawniej głównym ich budulcem był polikrystaliczny węglik krzemu SiC z różnymi domieszkami. Obecnie coraz popularniejsze są warystory tlenkowo-metalowe. Wykonuje się je, wypełniając przestrzeń pomiędzy ziarnami tlenku metalu, na przykład tlenku cynku, tlenkami innych metali, m.in. tlenku bizmutu, kobaltu, manganu, chromu albo antymonu.
Od jakości struktury warystora, jej jednorodności, defektów, na przykład porów w ziarnach ZnO i rozmiarów ziaren zależą jego właściwości elektryczne. Dlatego proces mieszania, a następnie spiekania składników ogranicznika jest ściśle kontrolowany oraz wymaga zapewnienia dużej czystości.
Najważniejsze parametry warystorów
Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa warystora
Na rysunku 2 przedstawiono przebieg charakterystyki prądowo-napięciowej warystora. Opisuje ją następujący wzór:
I = k⋅Uα
gdzie: I - natężenie prądu warystora, U - napięcie na tym elemencie, k - stała zależna od materiału oraz wymiarów ogranicznika, a α - współczynnik nieliniowości. Ten ostatni jest stały w zakresie pracy SPD. W warystorach tlenkowo-metalowych jego wartość przekracza 25, typowo mieszcząc się w przedziale 30÷45. Dzięki temu wzrost natężenia prądu o miliony razy, na przykład z 10 mA do 10 kA, skutkować będzie zwiększeniem się napięcia na ograniczniku w przybliżeniu zaledwie o połowę.
Jednym z ważniejszych parametrów warystorów jest czas zadziałania, czyli czas przejścia od dużej do małej rezystancji. Teoretycznie wielkość ta jest rzędu pikosekund. W rzeczywistości właściwości obwodu, którego częścią jest ogranicznik, na przykład indukcyjność przewodów, wydłużają go do kilku nanosekund.
W kartach katalogowych podawane jest też napięcie znamionowe (przy danym prądzie, zwykle 1 mA i w temperaturze 25°C), napięcie ograniczenia (przy określonej wartości i kształcie udaru prądowego), maksymalne dopuszczalne napięcie trwałe, prąd warystora przy napięciu trwałym, prąd udaru, rezystancja, pojemność oraz moc strat.
Przykłady produktów
Beziskiernikowe ograniczniki przepięć ASA 280-5 Rys. 3. Układ wielostopniowy: iskiernik gazowy - warystor - diody półprzewodnikowe Jako SPD używane są też inne elementy półprzewodnikowe - są nimi diody zabezpieczające. Zalety diod to m.in.: krótki czas zadziałania (rzędu pikosekund), małe wymiary, małe napięcie ograniczone, pochłanianie dużych energii. Ich wadą jest natomiast, podobnie jak w przypadku warystorów, duża pojemność. Najważniejsze parametry ograniczników tego typu to: prąd upływu, napięcie w stanie nieprzewodzenia, napięcie przebicia lawinowego, maksymalny prąd i napięcie, współczynnik ograniczenia, moc strat, pojemność oraz czas zadziałania. Diody zabezpieczające montuje się głównie bezpośrednio w urządzeniu albo używa razem z innymi ogranicznikami, przede wszystkim z iskiernikami gazowymi. Te ostatnie, inaczej nazywane odgromnikami gazowanymi, zbudowane są z elektrod, dwóch albo trzech, umieszczonych w hermetycznej obudowie wypełnionej gazem. W normalnych warunkach charakteryzuje je duży opór elektryczny, sięgający tysięcy MΩ. W momencie wystąpienia przepięcia pomiędzy elektrodami dochodzi do wyładowania, najpierw jarzeniowego, a następnie łukowego. Wówczas napięcie na iskierniku ma wartość najwyżej kilkudziesięciu V. Najważniejsze parametry ograniczników tego typu to: napięcie zapłonu (statyczne i dynamiczne), prąd wyładowczy (powtarzający się i maksymalny), napięcie wyładowania jarzeniowego, napięcie łuku, rezystancja izolacji, pojemność. Do zalet tych SPD zalicza się m.in.: mały prąd upływu, małą pojemność, dzięki czemu można nimi chronić obwody wysokoczęstotliwościowe, dużą odporność na prądy udarowe oraz możliwość pochłaniania znacznej energii. Właściwie dobrany ogranicznik przepięć oprócz skutecznej ochrony nie zaburza pracy urządzenia, które zabezpiecza. Aby spełnić oba te warunki równocześnie, przeanalizować trzeba szereg kwestii. Przedstawiamy je dalej na przykładzie selekcji SPD do ochrony portów sygnałowych.
Jak dobrać ogranicznik?
Rys. 4. Główne komponenty turbiny wiatrowej Podstawowe dane, jakie ustalić trzeba na początku, to znamionowe parametry urządzenia (napięcie, prąd, częstotliwość), środki ochrony w nim zastosowane (jeżeli są już zamontowane ograniczniki, wymagane jest ich odsprzęganie) i jego odporność na zaburzenia z zewnątrz. Dalej określić należy prawdopodobieństwo wystąpienia oraz charakter przepięć, które mogą zagrozić danemu sprzętowi. To ostatnie pozwala wstępnie ustalić, jaką ochronę powinien zapewnić SPD. Następnie z listy potencjalnych ochronników trzeba wykreślić te, których znamionowe napięcie pracy jest mniejsze niż maksymalne dopuszczalne napięcie sygnałów w urządzeniu. Uwzględnić należy tutaj specyfikę ogranicznika. Na przykład w wypadku odgromników gazowanych trzeba sprawdzić, czy statyczne napięcie zapłonu i napięcie wyładowania jarzeniowego iskiernika są większe od tej ostatniej wielkości. Analogiczny warunek dotyczy także prądu znamionowego ogranicznika i maksymalnego dopuszczalnego prądu roboczego w systemie transmisji sygnałów. Aby ochronnik nie pogarszał jakości sygnałów docierających do urządzenia, ich częstotliwość musi mieścić się w jego paśmie przenoszenia. Gdy jeden ogranicznik nie daje wystarczającej pewności, że przepięcie nie dotrze do chronionego urządzenia, używa się kilku różnych ochronników. Przyjmuje się, że pierwszym stopniem ochrony powinien być iskiernik gazowy, kolejnym warystor, zaś końcowym - para diod półprzewodnikowych. Przykładową konfigurację przedstawiono na rys. 3. Diody są elementami najszybszymi, co jest ważne ze względu na możliwość ograniczania wpływu impulsów o krótkich czasach narastania, ale też cechują się najmniejszą wytrzymałością. W przypadku tej ostatniej lepiej sprawdzają się warystory, zaś największe impulsy (rzędu kV) przepływać mogą przez iskierniki gazowe. Iskierniki, z racji wykorzystania zjawiska jonizacji gazu, są też elementami najwolniejszymi, stąd też stosuje się je w pierwszym stopniu układów wielostopniowych. Ich zadziałanie powoduje przepalenie się bezpiecznika na wejściu. Ochrona przeciwprzepięciowa farmy wiatrowej
Rys. 5. LPZ w obrębie turbiny wiatrowej Na koniec przedstawiamy sposób realizacji kompleksowej ochrony przeciwprzepięciowej na przykładzie zabezpieczenia farmy wiatrowej przed skutkami wyładowań atmosferycznych. Na rysunku 4 wyszczególniono główne elementy instalacji. Wśród nich jest gondola, w której znajdują się generator, skrzynia przekładniowa, czujniki, hamulce i układ regulacji jej ustawienia w zależności od kierunku wiatru. W piaście montowany jest natomiast układ regulacji pozycji łopatek. Na turbinie mocuje się też oświetlenie ostrzegawcze dla samolotów oraz sensor kierunku wiatru. W wieży, a czasem w jej pobliżu, znajduje się stacja transformatorowa. Ze względu na wysokość i fakt, że farmy wiatrowe budowane są na słabo zabudowanych terenach, co sprawia, że ich wieże stanowią najwyższy punkt okolicy, są one narażone na częste wyładowania atmosferyczne. Naprawa turbiny uszkodzonej w wyniku uderzenia w nią pioruna, z analogicznych powodów, które sprzyjają takim sytuacjom, nie jest ani łatwa, ani tania. W związku z tym ochrona przeciwprzepięciowa farmy wiatrowej na wypadek wyładowania bezpośredniego lub w jej pobliżu jest standardem. Aby ustalić miejsca, w których konieczne jest zamontowanie ograniczników, obiekt ochrony należy podzielić na strefy. Klasyfikacja taka jest zestandaryzowana w normie PN-EN 62305. Wyróżniono w niej następujące strefy LPZ (Lightning Protection Zone): LPZ 0A, LPZ 0B, LPZ 1 oraz LPZ 2 (patrz: ramka).
|
Ogranicznik przepięć SP120
Warystorowy ogranicznik przepięć SM50B/2P
