Jak zapojit přepěťové ochrany...

10.11.2024 - Ing. Aleš Smeták

Jak vzniká přepětí v elektroinstalaci již víme z předchozího článku o vzniku přepětí a jak funguje princip ochrany zase z článku o ochraně elektroinstalace proti přepětí.

V tomto článku se podíváme na praktické zapojení přepěťových ochran, které v elektroinstalaci fungují jako takové dočasné připojovače fázových vodičů k ochrannému pospojování, pokud napětí překročí určitou mez. Bohužel téma přepěťových ochran je tak obsáhlé, že není v možnostech tohoto článku zajistit úplný výklad.

Než se pustíme do samotného výkladu ochrany proti přepětí, měli bychom si alespoň nastínit soubor norem, které ochranu před přepětím řeší:

• ČSN EN 60664-1 Koordinace izolace zařízení nízkého napětí – zásady, požadavky a zkoušky
  
• ČSN EN 62305-1 Ochrana před bleskem - obecné principy
  
• ČSN EN 62305-4 Ochrana před bleskem - elektrické a elektronické systémy na stavbách

Kategorie přepětí

Kategorie přepětí I až IV určují úroveň elektrické odolnosti zařízení vůči přepětí a uvádějí, jaké maximální hodnoty impulzního napětí musí zařízení vydržet v různých částech elektrického systému. Tyto kategorie vycházejí z normy ČSN EN 60664-1 a používají se k určení ochranných opatření v elektroinstalaci.

• Kategorie IV - hlavní přívod (napájení budovy) - tato kategorie platí pro zařízení umístěná na vstupu elektrické instalace, tedy na hlavním rozvaděči, kde jsou zařízení vystavena nejvyššímu riziku přepětí (např. v důsledku bleskového výboje nebo spínacích přepětí). Příkladem mohou být jističe nebo přepěťové ochrany typu 1, které chrání celou instalaci před přímými účinky blesků. Typická impulzní odolnost je 6 kV pro zařízení na 230/400 V.
• Kategorie III - pevná instalace (rozvody a pevně připojená zařízení) - tato kategorie se vztahuje na zařízení trvale připojená k elektroinstalaci, ale dál od hlavního přívodu. Patří sem například podružné rozvaděče. Impulzní odolnost zařízení v této kategorii je nižší než v kategorii IV, protože jsou lépe chráněna před přepětím přítomností ochranných prvků na vstupu do objektu. Typická impulzní odolnost je 4 kV pro zařízení na 230/400 V.
• Kategorie II - ​pevná instalace (pevně připojená zařízení) - tato kategorie zahrnuje spotřebiče umístěné hlouběji v instalaci a chráněné před přímým přepětím z hlavního přívodu jako jsou například elektrické motory, přímotopy, osvětlovací soustavy, vypínače a další zařízení pevně spojená s instalací. Tyto spotřebiče mají nižší impulzní odolnost než kategorie III, protože předpokládají existenci ochranných prvků v elektroinstalaci. Typická impulzní odolnost je 2,5 kV pro zařízení na 230/400 V.
• Kategorie I - běžná domácí elektronika (přístroje s interní přepěťovou ochranou) - tato kategorie se týká zařízení, která obsahují citlivé elektronické komponenty, což jsou v dnešní době prakticky všechny domácí spotřebiče. Typická impulzní odolnost je 1,5 kV pro zařízení na 230/400 V.

Tyto kategorie určují, kde v elektroinstalaci může být jaké zařízení umístěno a jaké přepětí je schopno vydržet, od kategorie IV na hlavním přívodu (nejvyšší odoln​ost) až po kategorii I pro citlivou elektroniku (nejnižší odolnost).

V ČSN EN 62305-1 jsou definovány jednotlivé zóny ochrany před bleskem, tzv. LPZ (lightning protection zones), které se používají k vytvoření víceúrovňové ochrany proti účinkům blesků a přepětí v rámci budov a elektrických systémů. Tyto zóny definují různé úrovně rizika vystavení bleskovým proudům a elektromagnetickým impulzům (LEMP – Lightning Electromagnetic Pulse). Ochranné prvky v jednotlivých zónách (přepěťové ochrany) snižují intenzitu přepětí a bleskových proudů směrem dovnitř budovy, čímž chrání instalace a zařízení v různých částech systému.

• Zóna LPZ 0A – externí část vystavená přímému úderu blesku - tato zóna se nachází mimo ochranné prvky, například na střeše budovy nebo u hromosvodu. Zóna je vystavena přímému zásahu bleskem a plnému bleskovému proudu. Rovněž zde působí plná intenzita elektromagnetického pole bleskového výboje. V této zóně se obvykle umísťují hromosvody nebo vnější ochranné prvky, které zachycují bleskový proud a odvádějí jej do země, aby se zabránilo jeho průniku do budovy. Materiály a konstrukce v této zóně musí být schopny odolávat přímým účinkům blesku.
• Zóna LPZ 0B – externí část mimo přímý úder blesku - tato zóna zahrnuje části budovy, které jsou chráněny před přímým úderem blesku vnějšími ochrannými prvky, jako je hromosvod nebo kovová konstrukce střechy. Zóna je stále vystavena plné intenzitě elektromagnetického pole blesku, ale není vystavena přímému úderu. Hrozí zde indukce přepětí v rozvodech a instalacích. Ochrana v této zóně je zaměřena na snížení elektromagnetických vlivů, například použitím stínění nebo správným vedením kabeláže, aby nedocházelo k přenosu indukovaného přepětí do vnitřních zón. Důležité je také přizemnění všech kovových částí.
• Zóna LPZ 1 – první vnitřní zóna s omezeným proudem blesku - tato zóna se nachází uvnitř budovy a je ochráněna vnějšími ochrannými prvky, jako je hromosvod. Představuje prostor hned za vstupními body do budovy, kde již bleskový proud klesl. Zóna je chráněna před přímým úderem blesku a účinky elektromagnetického pole jsou snížené, ale stále se zde může objevit přepětí nebo částečný bleskový proud, například přes kabely nebo potrubí. Ochrana zahrnuje použití přepěťových ochran typu ​B / T1 / I, které mohou zvládnout vysoké impulzy způsobené částečným bleskovým proudem. Rovněž se zde provádí potenciálové pospojování, aby se minimalizovalo riziko rozdílů potenciálu mezi různými částmi budovy.
• Zóna LPZ 2 - druhá vnitřní zóna s minimálním rizikem bleskového proudu. Tato zóna se nachází dále uvnitř budovy za zónou LPZ 1 a představuje prostor, kde je již bleskový proud výrazně omezen. Většinou se jedná o oblasti, kde jsou umístěny citlivé elektronické přístroje. Zóna LPZ 2 je chráněna před přímým i nepřímým vlivem blesku a působí zde jen zbytková intenzita elektromagnetického pole a přepětí, které však stále může ohrozit citlivou elektroniku. Používají se zde přepěťové ochrany typu ​ C / T2 / II a v případě potřeby i typu ​ D / T3 / III, které dále omezují přepětí na úroveň bezpečnou pro elektronická zařízení. 

Mezi jednotlivými kategoriemi přepětí a zónami ochrany před bleskem musí být umístěny příslušné přepěťové ochrany. Například hrubá B / T1 / I nebo střední C / T2 / II nebo jemná D / T3 / III.

Parametry přepěťových ochran

Nyní už víme co jsou to kategorie přepětí a zóny ochrany před bleskem, podle kterých volíme správnou přepěťovou ochranu.

• Nejvyšší trvalé provozní napětí (Uc) je nejvyšší napětí, které může být na přepěťovou ochranu trvale připojeno, aniž by došlo k jejímu poškození nebo aktivaci ochranného mechanismu. Hodnota Uc by měla být vyšší než běžné provozní napětí sítě, aby se předešlo nechtěné aktivaci při běžném provozu.
• Impulzní proud (Iimp) je hodnota proudu, kterou přepěťová ochrana vydrží při přímém úderu blesku (typický tvar impulzu 10/350 μs). Tato hodnota se používá pro svodiče typu ​B / T1 / I, které jsou určeny pro ochranu proti bleskovému proudu. Reprezentuje schopnost přepěťové ochrany odvést proud s vysokou energií.
• Maximální výbojový proud (Imax) je hodnota proudu při impulzu 8/20 μs, který přepěťová ochrana dokáže bezpečně odvést bez poškození. Používá se pro svodiče typu ​C / T2 / II a určuje jejich schopnost odolávat opakovaným přepětím, která jsou obvykle nižší než bleskové proudy.
• Jmenovitý výbojový proud (In) je standardní hodnota proudu impulzu 8/20 μs, který ochrana zvládne opakovaně bez poškození. Tato hodnota se používá při testování ochrany a určuje její odolnost vůči častějším přepětím vznikajícím například při spínání.
• Zbytkové napětí svodiče (Ures) je napětí na výstupu ochrany, které vzniká během průchodu impulzního proudu Imax nebo In. Nižší hodnota zbytkového napětí znamená lepší ochranu připojených zařízení, protože zajišťuje nižší přepětí v obvodu.
• Ochranná úroveň (napěťová ochranná hladina) (Up) je nejvyšší hodnota zbytkového napětí, kterou svodič dosáhne během jeho činnosti při jmenovitém výbojovém proudu (In). Parametr Up označuje maximální očekávané napětí na svorkách přepěťové ochrany.
• Zapalovací napětí je napětí, při kterém ochranný prvek, jako je varistor nebo jiskřiště, začne vést proud a omezovat přepětí. Tato hodnota by měla být nad nejvyšším trvalým provozním napětím (Uc), aby se zabránilo nechtěné aktivaci ochrany.
• Reakční doba (tr) je doba, za kterou přepěťová ochrana reaguje na přepětí a aktivuje se. Čím kratší reakční doba, tím rychleji ochrana reaguje na náhlé přepětí, což je důležité zejména pro ochranu citlivých zařízení.
• Následný proud (If) je proud, který svodič odvádí po skončení přepěťového impulzu a návratu na provozní napětí. Je důležité, aby následný proud byl co nejnižší, aby se ochrana po impulzu mohla vrátit do nevodivého stavu bez dalšího zatížení obvodu.
• Jmenovitý proud zátěže (IL) je maximální proud, který může ochrana trvale vydržet v provozním obvodu bez aktivace ochranného mechanismu. Tento parametr je podstatný pro svodiče, které jsou trvale připojeny do obvodu, kde mohou být vystaveny vysokému proudu zátěže.
• Dočasné přepětí (UT) je maximální krátkodobé zvýšení napětí, které může trvat několik sekund a na které je přepěťová ochrana schopna bezpečně reagovat, aniž by došlo k jejímu poškození nebo aktivaci. Tento parametr je důležitý pro ochranu proti přechodným výkyvům napětí.
• Vlna impulzního proudu je tvar impulzního proudu, typicky 8/20 μs nebo 10/350 μs, který určuje časový profil nárůstu a poklesu proudu. Tento tvar impulzu definuje charakteristiky přepěťové ochrany a její odolnost vůči různým typům přepětí (spínací přepětí vs. bleskový výboj).
• Kombinovaná vlna je simulovaný impulz, který kombinuje vysoké napětí a proud. Používá se k testování svodičů a kombinuje napěťovou vlnu (např. 1,2/50 μs) a proudovou vlnu (např. 8/20 μs), což simuluje podmínky, kdy dojde k vysokému napětí a proudu zároveň.
• Specifická energie (W/R) je hodnota vyjadřující energii impulzního proudu, kterou je přepěťová ochrana schopna absorbovat, aniž by došlo k jejímu poškození. Tento parametr je důležitý pro ochrany vystavené opakovaným přepětím s vysokou energií a vyjadřuje schopnost ochrany absorbovat energii výbojového proudu.

Svodiče přepětí 3+0 vs. 3+1 vs. 4+0

Rozdělení přepěťových ochran na typy 3+0, 3+1 a 4+0 se používá u třífázových systémů a odkazuje na zapojení svodičů mezi jednotlivými vodiči a uzemněním v systému TNC-C, TN-S nebo TN-C-S. Více o jednotlivých systémech naleznete v tomto článku o typech sítí.

Ještě podotýkám, že ačkoliv jsem s tím na obrázku nezdržoval, tak před svodičem přepětí musí být umístěna nadproudová ochrana, nejlépe nožová pojistka. Maximální velikost předřazeného jištění zjistíme z technické dokumentace výrobce.

• V systému 3+0 jsou tři svodiče připojeny mezi fázové vodiče (L1, L2, L3) a vodič PEN. Toto zapojení je určené výhradně pro síť TN-C.
  
• V systému 3+1 jsou tři svodiče připojeny mezi fázové vodiče (L1, L2, L3) a nulový vodič (N) a jeden svodič mezi nulový vodič (N) a zem (PE). To znamená, že mezi fázovým vodičem (L) a nulovým vodičem (N) tvoří překážku pouze jeden svodič. Zapojení 3+1 poskytuje lepší ochranu proti asymetrickým přepětím mezi fázemi a zemí. Typ 3+1 je preferovaný, protože lépe funguje pro omezení spínacích přepětí. Zapojení 3+1 je určené pro sítě TN-S nebo TN-C-S.
• V systému 4+0 jsou všechny čtyři svodiče připojeny mezi pracovní vodiče (L1, L2, L3, N) a ochranný vodič (PE). Nejsou zde tedy žádné svodiče mezi N a PE. Zapojení 4+0 poskytuje ochranu proti přepětím mezi pracovními vodiči a vodičem PEN. Výhodou je jednodušší konstrukce, ale zase nedochází k vyrovnání potenciálu mezi nulovým (N) a ochranným vodičem (PE). Zapojení 4+0 je určené pro sítě TN-S nebo TN-C-S.

Přepěťové ochrany patří před chrániče!

Přepěťová ochrana (SPD) se umisťuje před proudový chránič (RCD) z několika důvodů:

• Nedostatečná proudová odolnost chrániče vůči impulzním proudům: Proudový chránič je primárně navržen k ochraně před unikajícími proudy a to obvykle v hodnotách desítek nebo stovek miliampérů. Naopak přepěťový impuls může být natolik silný, že by u chrániče mohl poškodit jeho funkčnost a spolehlivost.
• Minimalizace rizika falešného vybavení: Svodiče při své činnosti odvádí přepěťový proud do uzemnění a příchozí impulzní proud může vyvolat poruchový signál na proudovém chrániči, což by vedlo k jeho okamžitému vybavení. Umístění SPD před chránič pomůže tento nežádoucí jev eliminovat.
• Efektivnější ochrana spotřebičů: Přepěťová ochrana před chráničem dokáže lépe odvést přepětí a ochránit tak všechny následné obvody a spotřebiče v daném rozvaděči. Chránič je potom chráněn před rušivými vlivy přepětí.
• Dodržení doporučení výrobců a norem: Elektrotechnické normy i výrobci přepěťových ochran obvykle doporučují umístění SPD před proudový chránič pro zajištění bezpečnosti a správné funkce obou zařízení.

Nicméně existují případy, kdy můžeme nalézt přepěťové ochrany až za chrániče. To uděláme tehdy, pokud očekáváme příchod impulzního proudu nejen po přívodním vedení, ale také z druhé strany. Zní to nereálně? Podívejte na obrázek...

Obecné zásady zapojování svodičů přepětí

Návrh umístění, zapojení a propojení přepěťových ochran (SPD) v elektrické instalaci je zásadní pro jejich správnou funkci a efektivní ochranu elektrických zařízení. Pojďme se podívat na nějaké zásady, které by měly být při návrhu dodrženy:

• Správné umístění přepěťových ochran v rozvodné síti - v elektroinstalacích se používá kaskádové zapojení několika stupňů SPD (typů B, C a D) od hlavního přívodu až po koncová zařízení. Již jsme si vysvětlili, že toto uspořádání postupně snižuje energii přepětí směrem k citlivým spotřebičům.
• Správné umístění přepěťových ochran v rozvaděči - v rozvaděči bychom měli připojit SPD takovým způsobem, abychom zbytečně nevedli vodiče rozvaděčem a nezavlekli si přepětí indukční smyčkou na ostatní kabeláž. Dobrým řešením je umístit SPD do rohu rozvaděče, kde máme přívod.
• Blízkost k chráněným zařízením - SPD by měly být umístěny co nejblíže k chráněným spotřebičům, přičemž jemná ochrana (typ D) by měla být nejdéle 5 metrů od zařízení, které má chránit. Často bývá součástí zásuvky.
• Minimální vzdálenost mezi SPD - mezi SPD typu B a SPD typu C by měla být zachována minimální vzdálenost kolem 10 metrů kabelu, aby došlo k účinnému snížení energie přepětí mezi jednotlivými stupni. Mezi SPD typu C a SPD typu D by mělo být alespoň 5 metrů. Pokud nelze dosáhnout požadované vzdálenosti, používají se speciální koordinační cívky nebo tlumivky, které zajišťují správnou koordinaci mezi stupni ochrany.

• Umístění SPD před proudový chránič - přepěťové ochrany by měly být vždy zapojeny před proudový chránič, aby nedocházelo k jeho nechtěnému vybavování a aby chránič nebyl vystaven impulsním proudům.
• Minimalizace délky připojovacích vodičů - připojovací vodiče SPD by měly být co nejkratší (ideálně méně než 0,5 metru), aby se minimalizovaly indukční účinky a celkové zbytkové napětí. Dlouhé připojovací vodiče zvyšují hodnotu zbytkového napětí. Vodiče by měly být vedeny přímou trasou, bez smyček nebo ostrých ohybů, které by mohly zvyšovat indukční odpor a snižovat efektivitu SPD.
• Dimenzování připojovacích vodičů - vodiče připojující SPD by měly mít dostatečný průřez podle specifikace SPD a očekávaných hodnot impulzních proudů podle normy ČSN EN 62 305-4.
  

• Správné uzemnění - uzemnění SPD by mělo být co nejkvalitnější a v souladu s požadavky na nízkou hodnotu uzemňovacího odporu, ideálně méně než 10 Ohmů, aby bylo zajištěno efektivní odvádění přepětí.
• Vyrovnání potenciálů - všechny kovové části instalace, včetně ochranného vodiče a pospojování, musí být propojeny, aby se při přepětí minimalizoval rozdíl potenciálů mezi jednotlivými částmi instalace.