1 UVOD Oprema nameščena v gospodinjstvih, poslovnih stavbah ali tovarnah, je občutljiva na prenapetostne impulze, ki so posledica atmosferskih razelektritev ali sprostitve energije, nakopičene v energetskem omrežju (kot so preklopi naprav ali sprožitev varovalke). Zaradi občutljivosti elektronskih naprav na atmosferske in stikalne prenapetosti zahteva načrtovanje prenapetostne zaščite posebno skrb [1]. Če prenapetostna zaščita ni obravnavana pravilno, se zaščiteni aparati in naprave lahko uničijo. Prenapetostna zaščita, ki varuje aparate in naprave pred atmosferskimi in stikalnimi prenapetostmi, zahteva realizacijo v vsaj dveh stopnjah, ker energetska obremenitev prenapetostnih odvodnikov (SPD) pomeni tudi večjo preostalo napetost in višji zaščitni razred. Za učinkovit sistem celotne prenapetostne zaščite je nujno usklajevanje med zaščitnimi stopnjami. Usklajevanje se izvaja tako, da vsaka stopnja uspešno izvaja svojo primarno nalogo. Prva stopnja odvaja veliko prehodno energijo v ozemljitev, medtem ko druga stopnja zmanjšuje preostalo napetost in jo privede na prag, ki ga aparat ali naprava lahko prenese. V soglasju z razvrstitvijo, podano v standardu IEC 61643-1, so prenapetostni odvodniki nameščeni na vhodu v zgradbo za zaščito pred direktnim udarom strele (odvajanje večjih energetskih vsebin), označeni kot klasa I ter se preizkušajo z impulznim tokom oblike 10/350 µs in amplitude 100 kA [2]. Prenapetostni odvodniki, namenjeni zaščiti naprav pred indirektnim vplivom strele, pripadajo razredu II. Omenjeni odvodniki se preizkušajo z impulznim tokom oblike 8/20 µs z amplitudo 20 kA. Standard ANSI/IEEE zahteva preizkušanje prenapetostnih odvodnikov z impulznim tokom oblike 8/20 µs amplitude 100 kA [3]. Ti standardi določajo različne simulacijske/preizkusne impulze za preizkušanje prenapetostnih naprav, ki se uporabljajo za zaščito stavbe ali hiše pred direktnim udarom strele. Odvajanje velikih energetskih vsebin pri direktnem udaru strele je problem prevelikega zaščitnega napetostnega nivoja oziroma preostale napetosti na odvodniku, vgrajenem v razdelilni energetski omarici na vhodu v zgradbo. Rešitev problema je uvedba druge stopnje zaščite, ki temelji na prenapetostnem odvodniku z manjšo tokovno odvodno sposobnostjo in veliko nižjo preostalo napetostjo v primerjavi z odvodnikom na prvi stopnji. Usklajevanje naprav prenapetostne zaščite na prvi in drugi stopnji zahteva ločilno impedanco, ki zagotovi določen padec napetosti med stopnjami in prepreči, da bi druga stopnja prevzela večino udarnega impulznega toka. Prejet 29. september, 2010 Odobren 16. oktober, 2010 160 MURKO, SULJANOVIĆ, MUJČIĆ, TASIČ 2 ZAŠČITNI ELEMENTI V PRENAPETOSTNIH ZAŠČITNIH NAPRAVAH Najpogosteje uporabljena zaščitna elementa sta plinski odvodnik (PO), polnjen z žlahtnim plinom, in metaloksidni varistor (MOV). V naslednjem poglavju so predstavljene glavne prednosti in slabosti posameznih elementov. 2.1 Plinski odvodniki Plinski odvodnik je po navadi sestavljen iz dveh ali treh elektrod v steklu ali keramiki, napolnjeni z žlahtnim plinom (neon ali argon). Elektrode so poravnane z majhno režo med njimi. Tipična karakteristika V-I za plinski odvodnik je podana na sliki 1 [1]. Slika 1: Običajna karakteristika V-I plinskega odvodnika Ko je napetost na elektrodah plinskega odvodnika nižja od vžigalne napetosti (enosmerna napetost, pri kateri nastopa vžig), je tok skozi odvodnik približno nič. V točki A plinski odvodnik preklopi iz visokoohmskega v nizkoohmsko stanje. Ko je vrednost vžigalne napetosti presežena, se napetost na plinskem odvodniku v trenutku zniža z nastankom negativne upornosti dV/dI. Odsek krivulje med točkama B in D (slika 1) je tako imenovano območje prevajanja. Ta del lahko razdelimo na dva segmenta. V prvem delu (BC) je napetost na PO približno neodvisna od toka in se imenuje tudi normalno območje prevajanja. Za drugo območje (CD) pa je značilna pozitivna upornost dV/dI. S povečanjem toka (DE) se napetost na PO znižuje na vrednost, ki se imenuje napetost loka, in ostane, dokler obstaja sledilni tok prenapetostnega impulza. Odvodnik obdrži prevodno stanje, dokler sledilni tok ne pade pod vrednost minimalnega toka loka. Ko je prenapetostni impulz končan, se tok znižuje na vrednost toka za ugasnitev loka. Pri tej vrednosti (točka F) je lok ugasnjen in zamenjan s plazmo [1]. 2.2 Metaloksidni varistorji Metaloksidni varistorji so narejeni iz keramičnega materiala, pridobljenega iz mešanice ZnO in z majhno količino aditivov. Granule ZnO imajo majhen upor in so obkrožene z zrnatim slojem aditiva, ki ima velik upor. Takšna struktura se obnaša podobno kot večje število medseboj zaporedno/vzporedno povezanih diod, ki zagotavljajo nelinearno obnašanje varistorja. Nelinearna V-I karakteristika varistorja se lahko razdeli na tri odseke[4]: 1. Območje nizke jakosti električnega polja Na varistorju je nizka napetost, diode so zaprte in varistor se obnaša kot izolator. 2. Območje srednje jakosti električnega polja V tem območju tok strmo raste, ko jakost električnega polja doseže vrednost nad 100 kV/mm. Tok se spreminja v intervalu od 1 mA do 1 kA. 3. Območje velike jakosti električnega polja Padec napetosti na varistorju je linearna funkcija toka in je določena z napetostjo na granulah ZnO, hkrati pa se padec napetosti na barieri lahko zanemari zaradi tunelskega efekta. Rezultat je linearna karakteristika V- I. Rezultati meritev preostalih napetosti na varistorjih, dosegljivih v literaturi, potrjujejo dinamično naravo varistorja, ker je preostala napetost na MOV odvisna od oblike in strmine tokovnega impulza [5]. Z drugimi besedami, preostala napetost na varistorju narašča, ko se čas poteka njegove strmine zmanjšuje. Druga dinamična lastnost MOV je, da njegova preostala napetost dosega svoj maksimum pred maksimumom toka. 2.3 Primerjava PO in MOV Da bi zadovoljili zahteve v skladu s standardi IEC / ANSI, so v članku predlagane različne rešitve prenapetostne zaščite. Nekateri izdelovalci dajejo prednost uporabi PO na prvi stopnji zaradi velike odvodne zmogljivosti prenapetostnih valov v zemljo. Žal obstajajo nekatere slabosti plinskih odvodnikov, kot so zahteva po gašenju loka, težave z gašenjem omrežnih tokov, delovanje varovalk itd. Uporaba PO na prvi stopnji zahteva tudi obvezno vgradnjo koncentrirane induktivnosti za vžig, ki se lahko uporablja tudi kot ločilna induktivnost med prvo in drugo stopnjo. Druga stopnja pogosto temelji na uporabi MOV. MOV je upor z nelinearno karakteristiko. Njegovo delovanje ne povzroča kratkih stikov v energetskem omrežju, tako kot pri uporabi PO. MOV se na prvi stopnji notranje prenapetostne zaščite določene strukture ne uporablja pogosto, ker prevladuje mnenje, da MOV nima odvodne zmogljivosti direktne atmosferske razelektritve. 3 PREIZKUSNI IMPULZI: ZAHTEVE PRI PRENAPETOSTNIH ZAŠČITNIH NAPRAVAH Usklajevanje stopenj prenapetostne zaščite je zelo občutljivo glede izbire oblike preizkusnega tokovnega impulza zaradi ločilne induktivnosti. Medtem ko sta strmini impulzov 8/20 µs in 10/350 µs podobni, obstaja razlika na hrbtih karakteristik teh dveh impulzov in naboju, ki ju vsebujeta. Oblika impulza močno vpliva na razdelitev toka/energije med stopnjami zaščite zaradi padca napetosti na ločilni induktivnosti. UNIVERZALNA KOORDINACIJA PRENAPETOSTNE ZAŠČITE ZA UČINKOVITO ZAŠČITO ENERGETSKIH OMREŽIJ 161 Dokumenti obeh standardizacijskih teles IEC in ANSI/IEEE do leta 1995 predlagajo preizkušnje prenapetostnih zaščitnih naprav na tokovni impulz 8/20 µs. IEC v svojem standardu 61643-1 uvaja razrede prenapetostnih zaščitnih naprav (SPD) in zahteva, da se SPD v razredu I preizkusijo na impulz 10/350 µs, katerega parametri ustrezajo lastnostim direktnega udara strele [2, 6, 7]. Glavna naloga predstavljenih raziskav je razviti SPD z lastnostmi, ki ustrezajo zahtevam IEC in IEEE. Prav tako je problem spremenljivo obnašanje SPD pri sprožanju različnih preizkusnih tokovnih impulzov 8/20 µs in 10/350 µs. Časovni potek impulza 10/350 µs je občutno daljši, ker impulz vsebuje precej večjo prehodno energijo. V času strmine impulza sta si impulza podobna. Pri poteku hrbtov impulzov je gradient impulznega toka 10/350 µs nizek in padec napetosti na ločilni induktivnosti majhen. Druga stopnja prenapetostne zaščite ima nižji napetostni nivo in prevzame pomembno količino prehodne energije. Torej mora biti SPD na drugi stopnji načrtovan za takšen scenarij. Pri tokovnem impulzu 8/20 µs pa hrbet pride veliko hitreje in SPD na prvi stopnji prevzame glavni udar. Poleg tega je razdelitev udarnega toka strele med sosednimi zgradbami odvisna tudi od oblike tokovnega impulza zaradi induktivnosti spojnih kablov. Kot je razvidno iz zgoraj navedenega, na projektiranje sistema prenapetostne zaščite vpliva izbira oblike tokovnega impulza. Oblike testnih impulzov so standardizirane in za zanesljivo delovanje SPD mora izpolnjevati zahteve za oba impulza. Omenjeni standardi ne obravnavajo zaporednih udarov strele. V soglasju z IEC 61312-1 je udar strele sestavljen iz prvega udara (90% negativne polaritete in 10% pozitivne polaritete), povratnega udara negativne polaritete in udara dolgega trajanja, ki so lahko pozitivne ali negativne polaritete. Slika 2 prikazuje prve tri udare in direkten udar strele v stolp [7]. Slika 2: Prvi trije udari od petih negativnih povratnih udarov strele in direktne atmosferske razelektritve v stolp [7] Oblika toka udara strele, ki sledi prvemu povratnemu udaru, ima veliko strmino in kratek čas trajanja. V skladu z IEC 61312-1 se ponovni povratni udari modelirajo z impulzom 0.25/100 µs in nazivnim tokom 50 kA. Ko so SPD koordinirani v dveh stopnjah, načela koordinacije za impulz 10/350 µs ne veljajo za naslednje povratne udare (padec napetosti na ločilni induktivnosti je sorazmerna gradientu toka). 4 NAČELA KOORDINACIJE PRENAPETOSTNIH ZAŠČITNIH NAPRAV Kot je navedeno zgoraj, morajo biti prenapetostne zaščitne naprave nameščene na energetskem vhodu v zgradbo dimenzionirane za odvajanje toka direktnega udara strele v zemljo. Zaradi velike energetske obremenitve ima takšen SPD visok napetostni zaščitni nivo, zato je nujna uporaba druge stopnje prenapetostne zaščite. SPD v drugi stopnji zaščite, razen primarne naloge zmanjšanja preostale napetosti, preprečuje impulzni tok v inštalaciji zgradbe in probleme z elektromagnetno kompatibilnostjo [8-10]. Koordinacija bo uspešna, če je celotna odvedena energija skozi obe stopnji SPD zaščite manjša ali enaka njihovi največji odvajalni moči brez poškodbe. Uspešna koordinacija pomeni, da SPD v drugi stopnji zaščite ni predimenzioniran. SPD v dve stopnji prenapetostne zaščite sta ločena z induktorjem L (slika 3). Pomanjkanje ločilne impedance lahko povzroči preobremenitev drugega SPD zaradi nižjega napetostnega zaščitnega nivoja. Padec napetosti na prvem SPD je vsota padcev napetosti na ločilni impedanci in prvem SPD, in sicer VSPD1=L di/dt+VSPD2 (1) Za induktivnost L se lahko uporabi lastna induktivnost ožičenja. Če je lastna induktivnost ožičenja zadostna, se lahko koncentrirani induktivnosti izognemo. Koncentrirani induktivnosti damo prednost, če se želimo izogniti impulznemu toku v napeljavi zgradbe. Slika 3: Dvostopenjska prenapetostna zaščita Če je plinski odvodnik nameščen kot SPD na prvi stopnji, se zahteva namestitev induktivnosti L zaradi vžiga plinskega odvodnika. Oglejmo si koordinacijo dvostopenjske prenapetostne zaščite na primeru tokovnega impulza 10/350 µs, sproženega na vhodu vezja, podanega na sliki 3. Če je PO uporabljen kot SPD v prvi stopnji zaščite in ustrezna induktivnost zagotavlja vžig PO, PO zagotovi nizko impedanco za stik proti zemlji in majhen upor (ali tudi kratek stik v energetskem nizkonapetostnem omrežju). MOV se po navadi uporablja kot SPD na drugi stopnji. Nizka impedanca je značilna med potekom hrbta impulza z nizkim gradientom toka in induktivnostjo, ki pomeni majhno impedanco. Ker je energija shranjena v hrbtu impulza, uporaba PO zagotavlja, da SPD na drugi 162 MURKO, SULJANOVIĆ, MUJČIĆ, TASIČ stopnji ne bo preobremenjen. Kljub dobrim lastnostim PO izkazuje tudi slabosti. Po vžigu PO električnega loka ni mogoče ugasniti, dokler napetost industrijske frekvence 50 Hz ne gre skozi ničlo. Ta tok, imenovan tudi sledilni tok, se nadaljuje tudi, če impulzni tok izgine. Kratek stik v nizkonapetostnem omrežju je prisoten, dokler električni lok ne ugasne in povzroči, da se sproži varovalka tudi pri tokovnih impulzih z majhno amplitudo. Varovalka se ne bo sprožila pri uporabi MOV na prvi stopnji prenapetostne zaščite. Kot primer bomo predstavili prenapetostno zaščito bazne postaje mobilne telefonije. Nadtokovna zaščita v takšnih zgradbah se izvaja z uporabo varovalke 35 A, ki lahko zdrži impulzni tok oblike 10/350 µs in amplitude 6 kA brez poškodb [11]. PO v prvi stopnji prenapetostne zaščite pri toku udara strele amplitude 5 kA, vžge in povzroči kratek stik v nizkonapetostnem omrežju. Varovalka se odklopi in bazna postaja izpade iz obratovanja. Na drugi strani uporaba MOV na prvi stopnji zagotovi določeno napetost na SPD, tako imenovani zaščitni napetostni nivo pri odvajanju impulznega toka v zemljo in prepreči delovanje varovalke. MOV z veliko odvodno sposobnostjo se lahko uporablja pri zaščiti pred direktnim udarom strele. Ko se na vhod sproži tokovni impulz 10/350, MOV na prvi stopnji ne bo povzročil kratkega stika, ampak bo obdržal nizko preklopno ali preostalo napetost, ki bo približno konstantna. Na drugi stopnji bo MOV prevzel velik del prenapetostnega vala od prenapetostne zaščite prve stopnje ob poteku hrbta impulza, če je preostala napetost druge stopnje nižja in padec napetosti na induktivnosti nizek. Po želji lahko SPD realiziramo kot serijsko povezavo MOV in PO. Problem sledilnega toka rešimo s kaskadno povezavo MOV in PO (z ustreznim nivojem zaščite). Po vžigu bo PO zagotovil nizko impedanco in manjši padec napetosti v prvi veji, kot če se uporabi samo MOV. Smernice ANSI/IEEE predlagajo uporabo samo testnega impulza 8/20 µs. Krajše trajanje impulza in večji gradient toka zahtevata manjšo odvodno zmogljivost MOV na drugi stopnji in nižjo vrednost induktivnosti L. In naprej, povratni udari, predstavljeni z impulzom 0.25/100 µs, ustrezajo načelu koordinacije, ki se zahteva za impulz 8/20 µs. Za izboljšanje koordinacije za impulze dolgega trajanja, Martzloff in Lai predlagata koordinacijo z MOV na prvi stopnji, ki ima nižjo preostalo napetost kot MOV v drugi fazi (uporabljen je impulz 10/1000 µs ) [9]. Problem je v tem, da ta koordinacija ni uspešna za impulz 8/20 µs, kot so prikazali avtorji članka. Mansoor [10] predlaga alternativni koncept koordinacije med SPD, vgrajenim na energetske vode na vhodu v stavbo z uporabljenim MOV za zaščito pri opremi (ali nameščenim v napravi). V tem primeru je MOV zaporedno povezan s PO in postavljen v glavni distribucijski omarici, pri čemer je preostala napetost MOV nižja od preostale napetosti drugih MOV v sistemu prenapetostne zaščite. Ta pristop ustreza konceptu zaščite "NIZKO-VISOKO", predlaga gaMartzloff. Torej pristop ki omogoča univerzalno koordinacijo, vključuje uporabo zaporedne povezave MOV in GDT v prvem SPD. Zgornje ugotovitve so bile potrjene z laboratorijskimi meritvami, predstavljenimi v naslednjem poglavju. Odvodna zmogljivosti MOV je bila potrjena, kot tudi možnost uspešne koordinacije MOV v dveh stopnjah pri uporabi impulza 10/350 µs. a) Nastavitev meritev b) Impulzni tok 24 kA, 10/350 µs c) Tok na drugi stopnji (1.92 kA) d) Merjeni impulzni tok in preostala napetost na drugi stopnji (10/350 µs impulz) Slika 4: Koordinacija MOV v dveh stopnjah UNIVERZALNA KOORDINACIJA PRENAPETOSTNE ZAŠČITE ZA UČINKOVITO ZAŠČITO ENERGETSKIH OMREŽIJ 163 5 LABORATORIJSKE MERITVE Za potrditev teoretičnih razlag, podanih v prispevku, so bile laboratorijske meritve za različne SPD elemente in topologije opravljene za oba preizkusna tokovna impulza 10/350 in 8/20 µs. Prva merilna namestitev je „klasična“ koordinacija med dvema MOV, ločenima z induktivnostjo L=6 µH (slika 4-a). Rezultati meritev za impulzni tok oblike 10/350 µs in amplitudo 40 kA so podani na sliki 4-b. Preostala napetost je 840 V in tok skozi drugo stopnjo je pod 2 kA (slike 4-c in 4-d). Naše laboratorijske meritve so pokazale, da druga stopnja ne prevzame glavnega dela udara. Sliki 4-b in 4c prikazujeta impulzni tok in tok, ki teče skozi MOV na drugi stopnji. Meritve so potrdile uspešno koordinacijo MOV pred direktnimi udari strele. Na slikah 5 in 6 sta prikazani koordinacija in razdelitev toka med serijsko povezavo MOV in PO z MOV na drugi stopnji. Naše meritve so potrdile uspešno koordinacijo za testna impulza 10/350 µs in 8/20 µs prednostjo gašenja loka zaradi uporabe MOV v isti veji s PO. a) Nastavitev meritev b) Izmerjeni impulzni tok na drugi stopnji (670 A) c) Izmerjena preostala napetost (740 V) Slika 5: Razdelitev toka pri koordinaciji MOV in PO na prvi stopnji z MOV na drugi stopnji Meritve, predstavljene na sliki 6, kažejo, da MOV na drugi stopnji ni preobremenjen niti pri nizki induktivnosti 1 µH za impulz 8/20 µs. a) Nastavitev meritev b) Impulzni tok 8/20 µs, 40 kA c) Tok na drugi stopnji, 4.4. kA Slika 6. Razdelitev toka v primeru koordinacije MOV in PO v prvi stopnji z MOV v drugi stopnji pri testnem impulzu 8/20 µs Koordinacija varistorja v prvi stopnji prenapetostne zaščite z zaporedno povezavo varistorja in plinskega odvodnika v drugi stopnji je preizkušena v soglasju z nastavitvijo meritev podanih na sliki 7-a. Zaščitni napetostni nivoji MOV in PO so izbrani tako, da se doseže preostala napetost na drugi stopnji pod 800 V pri udaru z impulzom oblike 10/350 µs in amplitude 50 kA (slika 7-b). Predstavljena meritev dokazuje, da predlagana topologija prenapetostne zaščite zagotavlja zelo nizek napetostni zaščitni nivo, tudi pri zelo visokih udarnih tokovih. 164 MURKO, SULJANOVIĆ, MUJČIĆ, TASIČ a) Nastavitev meritev b) Izmerjeni impulzni tok (50 kA) in preostala napetost po drugi stopnji (<800 V) Slika 7: Koordinacija MOV s kaskadno povezavo med MOV in PO na drugi stopnji 6 SKLEP Koordinacija prenapetostne zaščite mora biti uspešna za oba preizkusna impulza, 10/350 µs in 8/20 µs. Na koordinacijo močno vplivata izbor elementov, vgrajenih v prenapetostne zaščitne naprave (SPD), in topologija vezja. Uporaba plinskih odvodnikov povzroči kratek stik v nizkonapetostnem omrežju po vžigu in delovanje varovalke ter odklop ščitnega aparata tudi pri majhnem udaru strele. Koordinacija metal-oksidnih varistorjev je uspešna, če se odvajanje prehodne energije v zemljo izvede tako, da se ne doseže največja odvodna moč posameznega varistorja brez predimenzioniranih varistorjev na drugi stopnji. Meritve, predstavljene v prispevku, so dokazale, da se uspešna koordinacija za oba preizkusna impulza doseže z uporabo zaporedne povezave plinskega odvodnika in varistorja na prvi stopnji zaščite. SPD na prvi stopnji je izpostavljen večji tokovni obremenitvi, medtem ko se izognemo kratkemu stiku v nizkonapetostnem omrežju. ZAHVALA Prispevek je napisan v spomin na mag. Murka in vsebuje rezultate skupnih raziskav.