Podział na strefy i typy ochronników

Diody zabezpieczające, iskierniki gazowe

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.

Klasyfikacja LPZ

Wyróżnia się następujące strefy LPZ (Lightning Protection Zone): 0A, 0B, 1 oraz 2. W przypadku pierwszej istnieje zagrożenie bezpośrednim wyładowaniem piorunowym oraz jego całkowitym polem elektromagnetycznym. Strefy LPZ 0B to pierwsze nie dotyczy, natomiast liczyć się należy z oddziaływaniem pola elektromagnetycznego. W strefie LPZ 1 prąd udarowy jest ograniczony przez jego podział i przez SPD na jej granicy. W strefie LPZ 2 prąd udarowy może być dalej ograniczony przez jego podział i dodatkowe SPD na granicy

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).

Typy ograniczników przepięć

Ochronniki typu I (klasa testów I) przeznaczone są do ochrony przed bezpośrednim działaniem części prądu piorunowego, przepięciami atmosferycznymi, przepięciami łączeniowymi i do wyrównywania potencjałów.

Urządzenia typu II (klasa testów II) są z kolei zabezpieczeniem przed przepięciami atmosferycznymi indukowanymi oraz przepięciami łączeniowymi.

Ograniczniki zaliczane do typu III (klasa testów III) zapewniają ochronę przed przepięciami atmosferycznymi indukowanymi i przepięciami łączeniowymi, które powstają w instalacji elektrycznej odbiorczej niskiego napięcia.

Podział na strefy i typy ochronników

Przyszłe tematy numerów APA

Podział turbiny wiatrowej na strefy zgodnie z tą klasyfikacją przedstawiono na rysunku 5. W obiekcie tym ochrony wymagają następujące obszary: zasilanie piasty i linie sygnałowe łączące gondolę i piastę (1), oświetlenie ostrzegawcze dla samolotów (2), linie sygnałowe stacji pogodowej (3), układ sterowania i zasilanie gondoli (4), stojan (5) i wirnik (6), zasilanie szafy sterowniczej w podstawie wieży (7), główne zasilanie (8), inwerter (9) i linie sygnałowe szafy sterowniczej (10).

W zależności od ochrony, jaką zapewniają ograniczniki przepięć, dzieli się na typy. Przynależność do danej grupy zależy od klasy testu, jakiemu ochronnik został poddany. Badania te (kształt oraz wartość szczytowa impulsu testującego) zestandaryzowano w normach z grupy PN-EN 61643. Wyróżnia się trzy typy (patrz: ramka). W turbinie wiatrowej większość obszarów wyróżnionych na rysunku 5 należy zabezpieczyć ogranicznikami typu II, zasilanie główne - SPD typu I, natomiast linie sygnałowe ogranicznikami typu III.

Monika Jaworowska