27.10.2024 - Ing. Aleš Smeták
Abychom pochopili princip ochrany před přepětím, zopakujeme si, co to "přepětí" vlastně je.
Přepětí v elektroinstalaci označuje dočasné zvýšení napětí nad běžnou provozní hodnotu v elektrických rozvodech. Například pokud se v naší domácí síti, kde má být 230V objeví vyšší hodnoty napětí. V článku o vzniku přepětí jsme si řekli, že k přepětí může dojít z různých příčin, například vlivem bouřky (bleskový výboj), spínání těžkých zařízení, poruch na distribuční síti nebo zpětným napětím generovaným motory či jinými elektrickými zařízeními.
Teď zkusme tuhle myšlenku rozvinou ještě o vysvětlení pojmu "napětí".
Napětí je rozdíl mezi elektrickými potenciály dvou bodů a čím větší rozdíl mezi potenciály bodů je, tím větší je mezi nimi napětí. Napětí se značí písmenem U a měří se v jednotkách volt (V). Také platí, že čím větší napětí mezi dvěma body je, tím větší proud po jejich propojení může propojkou protékat.
Z
de si dovolím ještě malou odbočku k názvosloví, abychom si dobře rozuměli. Již jsme si řekli, že slovo "napětí" vyjadřuje rozdíl mezi dvěma různými potenciály. Pokud v zásuvce má fáze potenciál 230V a ochranný kolík má potenciál 0V, mluvíme o napětí 230V mezi fází a ochranný kolíkem. Tohle je každému jasné.
Teď si ale představte trafo, které mění vstupní potenciál 230V na výstupní potenciál 110V. Jaké napětí mezi vstupem a výstupem trafa? Ano, 120V. A zde občas dochází k pletení termitů a klidně se setkáte s tvrzením, že "Trafo mění vstupní napětí 230V na výstupní napětí 110V." Zde se totiž mluvčí zamění potenciál za napětí, protože tím myslí "vstupní napětí proti zemi 230V" a "výstupní napětí proti zemi 110V". Potenciál tedy můžeme nazývat jako napětí vůči zemi. Snad je to dobře pochopitelné z obrázku dole:
Nyní již chápeme rozdíl mezi napětím, napětím proti zemi a elektrickým potenciálem. Z jiného článku o tom, proč vlaštovka nedostane šlupku, zase víme, že některé práce na vysokém napětí se provádí bez vypnutí sítě a přesto se pracovníkům nic nestane.
Problém totiž není samotná výše potenciálu (napětí proti zemi), ale jeho případný rozdíl (napětí), který způsobí tok elektrického proudu. Viz obrázek níže a pokud vám 115mA přijde jako legrace, tak si přečtěte článek o účincích elektrického proudu na lidský organismus.
No a o ničem jiném vlastně ochrana proti přepětí není. Kde není rozdíl potenciálů, tam není ani napětí a tam nemůže ani téct elektrický proud.
Cílem ochrany proti přepětí tedy bude zajistit elektroinstalaci tak, aby ani v případě nežádoucích okolností v nedocházelo k rozdílům potenciálů nebo aby případný rozdíl potenciálů (napětí) nezpůsoboval škody.
O tom si budeme povídat v následujících odstavcích...
Jsme již zmínili, principem ochrany proti přepětí, je udržet stejný potenciál v celém domě a to prakticky bez ohledu na jeho výši.
Jinými slovy, za standardních okolností by se v celém domě měl vyskytovat potenciál všech neživých částí elektroinstalace (kovové kryty spotřebičů, kovové části svítidel a zásuvek, ochranné kryty rozvaděčů a elektrických skříní, kovová těla elektrického nářadí) a cizích vodivých částí (kovové trubky vodovodních a plynových rozvodů, kovové konstrukce staveb, nosníky, zábradlí, radiátory, kovové rámování oken nebo zárubně dveří) na stejném potenciálu země (uzemňovací soustavy).
Z toho plyne, že mezi neživými částmi elektroinstalace a cizími vodivými částmi domu a uzemňovací soustavou bychom neměli naměřit žádné napětí. Toho docílíme tak, že všechny neživé části elektroinstalace a všechny cizí vodivé části domu propojíme mezi sebou a připojíme na uzemňovací soustavu. Tomuto opatření se říká ochranné pospojení nebo také ochranné pospojování a zabývá se jím norma
ČSN 33 2000-5-54 ed. 3.
Nyní si zkusme představit nestandardní situaci, kdy do domu nějakým způsobem (např. magnetickou indukcí od blesku) doputuje po některém vodivém tělese na krátký okamžik napětí v řádů tisíců voltů.
Protože jsou všechny kovové předměty a konstrukce propojeny k sobě navzájem a jsou spojeny s uzemňovací soustavou (čili je zřízeno ochranné pospojení), tak příchozí potenciál se dostane na všechny tyto konstrukce zároveň a bude všude stejný. Pokud všechny kovové předměty a konstrukce v domě dostanou ve stejný okamžik stejný stejný potenciál, nemůže mezi nimi vzniknout žádné napětí a kde není napětí, nemůže téct ani proud... jinými slovy, celý objekt se stane takovou vlaštovkou na drátě.
Když budete sedět uvnitř domu na gauči, tak se ani nedozvíte, že se elektrický potenciál vašeho těla na pár milisekund zvýšil o tisíce voltů, protože potenciál se zvýšil v celém domě a nikde nevzniklo napětí na základě rozdílů potenciálů. Ano... až takhle jednoduché to v zásadě je.
Jenže jedno "ale" tu přeci jenom je! Pozorný čtenář si všiml, že na obrázku s ochranným pospojením jsou tři cesty do domu, které nejsou zapojeny do ochranného pospojení a proto nemohou kopírovat potenciál zbytku domu. Jsou to fázové vodiče, které už z logiky věci nemohou být připojeny do ochranného pospojování. I zde je však řešení a o tom si povíme víc v další kapitole.
V minulé kapitole jsme nastínili, že pokud vysoký potenciál (napětí proti zemi) přiteče po fázových vodičích, které nejsou zapojeny do ochranného pospojení, tak ochrana selhává.
Představte si případ, že poblíž vedení dojde k úderu blesku a ve vedení se naindukuje několik kilovoltů, které se vesele tečou směrem k vašemu obydlí. Protože přípojky jsou v soustavě TNC, přepětí teče rovnoměrně všemi čtyřmi vodiči L1, L2, L3 a PEN.
Z vodiče PEN se potenciál rychle přenese do ochranného pospojování, ale jen částečně a nepatrně tak zvedne potenciál v celém domě. Jenže je to pořád jen jeden PEN proti třem fázím L1, L2, L3, které připojené k uzemnění nikde nejsou a ani nemohou být a celé přepětí se tak objeví v zásuvkách.
Pokračujme dál v představě, že máme do zásuvky zapojenou drahou televizi. Najednou tak máme rozdíl v potenciálech. Na pracovním vodiči N se objeví nějaký ten nižší potenciál, ale po fázi L1 do jemné elektroniky televize buší tisíce voltů...
Jen pro zajímavost si zkusme odhadnout přepětí, kterému bude vystavena televize v případě úderu blesku o síle 100 kA, kdy 50% bleskového proudu půjde přímo do uzemňovací soustavy, ale zbytek se rovnoměrně rozloží do celé elektroinstalace. Přepokládejme, že impedance vedení mezi uzemňovací soustavou a televizí je přesně 1Ω, že dům není vybaven žádnou přepěťovou ochranou a že v domě bude deset různých zásuvkových obvodů. Indukčnost vedení řešit nebudeme. Z Ohmova zákona pak snadno dovodíme, že napětí bude 10 kV.
Naštěstí i na tohle existuje technické řešení, které se jmenuje SPD (surge protection device) - neboli přepěťová ochrana.
Úkolem přepěťové ochrany (SPD) je rozpoznat rozdíl potenciálů na fázových vodičích L1, L2 a L3 oproti potenciálu uzemňovací soustavy PE.
Pokud je rozdíl potenciálů příliš velký, čili napětí mezi fází a zemí je v daném okamžiku vyšší než běžné pracovní napětí 230V, tak přepěťová ochrana se pomyslně otevře a přepustí potenciál z fázového vodiče do uzemňovací soustavy. Přepěťová ochrana pak zůstává otevřená tak dlouho, dokud napětí mezi fázovými vodiči a uzemňovací soustavou nebude opět na úrovni běžného pracovního napětí - v našem případě 230V. Jinými slovy přepěťová ochrana dočasně připojí fázové vodiče na systém ochranného pospojení.
Přiznám se, že tady už fakt kecám a hodně výklad zjednodušuji, protože žádná přepěťová ochrana (SPD) se neotevírá hned při 231V, ale obvyklá ochranná úroveň se pohybuje až okolo 1,5kV. Nesmíme zapomenout, že máme k dispozici různé typy přepěťových ochran s různou ochrannou úrovní a mnoha dalšími parametry jako jsou In, Imax nebo Iimp. O tom a o dalších doporučení pro jejich zapojení si budeme povídat v jiném článku.
Nyní se zkusme podívat na vzorové zapojení tříúrovňové kaskády přepěťových ochran v rodinném domě, což bývá nejlepším ale také nejdražším řešením. Na prvním obrázku je provedení SPD typu C ve variantě 4+0 a na druhém obrázku jako 3+1.
V obou případech je jako první umístěna SPD typu T1 (I,B), která se také nazývá jako hrubá ochrana a technicky řešena jako jiskřiště. To má tu nevýhodu, že je potřeba poměrně vysoké napětí, aby došlo k zapálení oblouku a naopak výhodou je, že když už k zapálení dojde, je impulsní proud velmi rychle odveden.
Jako druhá v kaskádě je umístěna SPD typu T2 (II, C), která se nazývá jako střední ochrana a technicky je řešena jako varistory. Varistory fungují jako napěťově závislý odpor (impedance), kdy při růstu napětí, jejich odpor klesá. Pokud je napětí na svorkách SPD dostatečně vysoké, varistory začnou proud pomalu propouštět do uzemnění. Ještě lepším řešením je přepěťová ochrana, která kombinuje varistory i jiskřiště v provedení 3+1.
Jako poslední je umístěna SPD typu T3 (III, D), která se nazývá jako jemná ochrana a bývá řešena jako varistor. Tato ochrana se umisťuje co nejblíže k chráněnému spotřebiči. Nejlépe přímo do zásuvky.
Aby nedošlo k nedorozumění, je třeba mít vždy na paměti, že kaskáda funguje jen jako celek. Pokud byste si doma umístili jen přepěťové ochrany do zásuvky typu T3, tak jsou to vyhozené peníze. Nezapomínejte, že SPD typu T3 dokážou odvést jen malý impulsní proud a v případě většího přepětí dojde k jejich zničení, stejně jako dojde ke zničení spotřebiče.
Aby nedošlo k nedorozumění, je třeba mít vždy na paměti, že kaskáda funguje jen jako celek. Pokud byste si doma umístili jen přepěťové ochrany do zásuvky typu T3, tak jsou to vyhozené peníze. Nezapomínejte, že SPD typu T3 dokážou odvést jen malý impulsní proud a v případě většího přepětí dojde k jejich zničení, stejně jako dojde ke zničení spotřebiče.
Pojďme si prvně ukázat jak to celé funguje za normálních podmínek, kdy se v elektroinstalaci nevyskytuje žádné přepětí. Opět máme kaskádu tří přepěťových ochran a červenou barvou je vyznačen tok elektrického proudu. Hnidopiši správně podotknou, že střídavý proud směr nemá, ale zároveň pochopí, proč jsem tam ty šipky udělal.
Nyní si zkusme představit nestandardní situaci, kdy do domu nějakým způsobem (např. magnetickou indukcí od blesku) doputuje přepětí (impulsní proud). Pro zjednodušení budeme uvažovat jen L1 a PEN, ale přepětí samozřejmě dorazí i po L2 a L3.
Tady opravdu velmi záleží ochranné úrovni přepěťových ochran a nemá význam se snažit vyčíslovat jednotlivé proudy a napětí v různých částech instalace. Spokojíme se s informací, že největší část výbojového proudu chytne SPD T1, která ho odvede do uzemnění. Část impulsu však může pokračovat do instalace, kde ji zachytí SPD T2 a T3. Zde je velmi důležitá vzájemná koordinace jednotlivých přepěťových ochran, ale o tom si budeme povídat v jiném článku.
Pokud jste v článku nalezli chybu, dejte nám, prosíme, o ní vědět na eas@eas-elektro.cz
Děkujeme, Eva a Aleš Smetákovi - návrat zpět na přehled článků