Prenaponska zaštita u NN instalacijama

SVEUČILIŠTE U RIJECI TEHNIČKI FAKULTET Sveučilišni diplomski studij elektrotehnike

DIPLOMSKI RAD

PRENAPONSKA ZAŠTITA NISKONAPONSKIH MREŽA I INSTALACIJA

Rijeka, rujan 2010. godine

Mihael Škrabalo JMBAG: 0009019589

SVEUČILIŠTE U RIJECI TEHNIČKI FAKULTET Sveučilišni diplomski studij elektrotehnike

DIPLOMSKI RAD

PRENAPONSKA ZAŠTITA NISKONAPONSKIH MREŽA I INSTALACIJA

Mentor:

Doc.dr.sc. Srđan Žutobradić

Rijeka, rujan 2010. godine

Mihael Škrabalo JMBAG: 0009019589

2

SVEUČILIŠTE U RIJECI TEHNIČKI FAKULTET Sveučilišni diplomski studij elektrotehnike

IZJAVA: Sukladno Članku 10. „Pravilnika o diplomskom radu i diplomskom ispitu na diplomskim sveučilišnim studijima“ Tehničkog fakulteta Sveučilišta u Rijeci od rujna 2009, izjavljujem da sam samostalno izradio diplomski rad prema zadatku za diplomski rad pod brojem 602-04/10-07/14 (Prenaponska zaštita u niskonaponskim mrežama i instalacijama) uz konzultiranje sa mentorom rada.

U Rijeci, 14. rujna 2010

Mihael Škrabalo 0009019589 ________________________ potpis

3

Zahvaljujem svom mentoru Doc. dr. sc. Srđanu Žutobradiću na savjetima i literaturi, hvala Aleksandri na pomoći i strpljenju, roditeljima na povjerenju.

4

1.  2. 

UVOD ZNAČAJKE PRENAPONA NISKONAPONSKIH MREŽA

6  8  2.1.  ŠTETE UZROKOVANE PRENAPONIMA 8  2.2.  UZROCI PRENAPONA 12  2.3.  ATMOSFERSKI PRENAPONI 14  2.3.1.  NASTAJANJE GROMA ........................................................................................................... 14  2.3.2.   PARAMETRI STRUJE MUNJE................................................................................................ 20  2.3.3.  GENERIRANJE ATMOSFERSKOG PRENAPONA U NN MREŽI I INSTALACIJAMA ........... 22  2.3.3.1. Direktni udari groma ................................................................................................................. 22  2.3.3.2.  Indirektni udari groma .............................................................................................................. 28  2.3.  ELEKTROSTATSKO PRAŽNJENJE 33  2.5.  SKLOPNI PRENAPONI 33  2.6.  KVAROVI U MREŽI 37  2.7.  PUTNI VALOVI NA ELEKTROENERGETSKIM VODOVIMA 38  3.  ZAŠTITA OD PRENAPONA U NN INSTALACIJAMA 41  3.1.  SUSTAV ZAŠTITE OD MUNJE (LPS) 41  3.1.1.  VANJSKI LPS ......................................................................................................................... 43  3.1.2.  UNUTARNJI LPS ..................................................................................................................... 46  3.2.  ZAŠTITA OD PROLAZNIH (UDARNIH) VALOVA 48  3.2.1.  PRINCIP ZAŠTITE OD PRENAPONA SA SPD ...................................................................... 49  3.2.1.1.  Parametri za izbor naprava za zaštitu od udarnog vala (SPD) ................................................ 49  3.2.1.2.  Teorijski prikaz djelovanja SPD ............................................................................................... 53  3.2.1.3.  Primjer zaštite električnog sustava građevine od udarnih valova ............................................ 55  4.  NAPRAVE ZA ZAŠTITU OD UDARNOG VALA (SPD) 57  4.1.  PODJELA SPD PREMA KRITERIJIMA ZA IZBOR 57  4.1.1.  PODJELA PREMA PRIMJENI – RAZREDBA SPD-a.............................................................. 57  4.1.1.1.  Podaci o razredbi SPD-a ......................................................................................................... 57  4.1.2.  PODJELA PREMA KAPACITETU ODVOĐENJA I NJIHOVOM ZAŠTITNOM UČINKU ......... 58  4.1.3.  PODJELA PREMA NAČINU RADA ......................................................................................... 58  4.2.  GRAĐA I OSOBINE SPD-A 59  4.2.1.  SPD S NAPONSKIM SKLAPANJEM ....................................................................................... 59  4.2.1.1.  Iskrišta ...................................................................................................................................... 59  4.2.1.2.  Elektroničke komponente ......................................................................................................... 62  4.2.2.  SPD S NAPONSKIM OGRANIČAVANJEM ............................................................................. 63  4.2.3.  SLOŽENI SPD ......................................................................................................................... 68  5.  PRIMJENA UREĐAJA ZA ZAŠTITU OD UDARNOG VALA 69  5.1.  POTREBA PRIMJENE SPD-A 69  5.2.  ODABIR SPD-A 73  5.3.  NAČIN POSTAVLJANJA SPD-A 76  5.3.1.  OSNOVNI SPOJEVI OVISNO O SUSTAVU UZEMLJENJA MREŽE ..................................... 80  5.3.1.1.  Instaliranje SPD-a u TN sustavima (spoj tip A) ........................................................................ 80  5.3.1.2.  Instaliranje SPD-a u TT sustavima .......................................................................................... 81  5.3.1.3.  Instaliranje SPD-a u IT sustavima (spoj tip A) ......................................................................... 83  5.3.1.4.  Instaliranje Tipova 1, 2, 3 SPD-a u TNC-S sustavu................................................................. 84  5.3.2.  USKLAĐIVANJE (KOORDINACIJA) SPD-a ............................................................................ 85  5.3.2.1.  Primjer usklađivanja naponski sklopivih i naponski ograničavajućih vrsta SPD-a ................. 87  5.3.2.2.  Osnovni načini usklađivanja u sustavima prenaponske zaštite ............................................... 93  5.3.2.3  Postupak ugradnje usklađene SPD-zaštite ............................................................................. 94  6.  ZAKLJUČNA RAZMATRANJA 96  POPIS LITERATURE: 99 

5

1.

UVOD

Pojava prenapona odnosno udarnih naponskih valova u niskonaponskim instalacijama dovodi do naprezanja izolacije električne opreme i uređaja, time nastaju sigurnosni i ekonomski rizici za ljude. Pojavu prenapona možemo objasniti kao neželjenu razliku potencijala dviju točaka koja je većeg iznosa od nazivne vrijednosti sustava i traje određeno vrijeme, što stvara električno polje između točaka koje može izazvati oštećenje izolacije, odnosno može doći do preskoka ili proboja izolacije. Prenapon je svaki napon između faze vodiča i zemlje ili između dva fazna vodiča, čija je vršna vrijednost veća od odgovarajuće vršne vrijednosti najvišeg napona opreme, kako je to definirano u IEC-711/1/. Prijelazni prenaponi izazivaju utjecaje o kojima treba voditi računa prilikom provođenja postupka koordinacije izolacije (en: isolation coordination IC) opreme, kao i mjera elektromagnetske kompatibilnosti (en: electromagnetic compatibility EMC) u postrojenjima elektroenergetskog sustava. Kako bismo se suočili s ovim problemima preporuke elektromagnetske kompatibilnosti daju pregled aktivnosti čiji je cilj usklađivanje poremećaja u sustavu i izdržljivosti sustava s obzirom na te poremećaje. Usklađivanje se može izvesti smanjivanjem poremećaja, povećanjem izdržljivosti sustava, ili kombinirano. U većini slučajeva izbor ovisi o ekonomskim aspektima. Zbog toga se prilikom projektiranja oprema odabire na temelju vjerojatnosti pojave poremećaja. Upravo smanjivanje poremećaja odnosno prenaponska zaštita u niskonaponskim instalacijama je tema ovog diplomskog rada. U području niskonaponskih instalacija postoje sve stroži zahtjevi za zaštitu od prenapona, koje nalažu suvremeni uređaji sa integriranim elektroničkim komponentama, te računalna oprema. Statistike pokazuju da više od 27% svih šteta uzrokuje prenapon. Prenapon mogu izazvati elektrostatska pražnjenja, sklopne operacije na elektroenergetskoj mreži, kvarovi u električnim instalacijama, no najpogubniji uzrok je munja, odnosno atmosfersko pražnjenje naboja. Ne postoje uređaji niti metode koje mogu izmijeniti tijek prirodnih vremenskih pojava u toj mjeri da bi mogle spriječiti izbijanje munja. Udari groma u građevine ili pokraj njih (ili u opskrbne vodove koji opskrbljuju te građevine) opasni su za ljude i za same građevine, njihov sadržaj i instalacije. To je razlog zašto su bitne zaštitne mjere od munje. Nužnost postavljanja zaštite, ekonomsku opravdanost postavljenih zaštitnih mjera kao i izbor odgovarajućih zaštitnih mjera određuju se u okviru upravljanja rizikom. Metode upravljanja rizikom opisane su u IEC 62305-2 odnosno u HRN EN 62305-2.

6

Ukratko od atmosferskih prenapona štitimo se izvedbom gromobrana, a da bi se zaštitili općenito od svih vrsta prenapona koristimo se uzemljenjem, vanjskim i unutarnjim izjednačenjem potencijala metalnih masa, izborom trase voda, elektromagnetskim zaslanjanjem te uređajima za zaštitu od udarnog vala SPD (en: surge protective device) i njihovim usklađenjem kako je opisano u [6] i [8]. U radu su navedene značajke atmosferskih i ostalih prenapona koji se mogu pojaviti u mrežama niskog napona i instalacijama potrošača, opisana su osnovna načela zaštite od prenapona i suvremeni uređaji koji se koriste u tu svrhu, te je istaknuta primjena odvodnika prenapona za zaštitu niskonaponskih mreža i instalacija.

7

2.

ZNAČAJKE PRENAPONA NISKONAPONSKIH MREŽA

2.1. ŠTETE UZROKOVANE PRENAPONIMA Oštećenja uslijed naponskih i strujnih udarnih valova u niskonaponskoj mreži, ako izuzmeno direktan udar munje u objekt, nastaju najčešće na elektroničkim uređajima i komponentama. Štete se povećavaju zbog nekoliko čimbenika [1]: a) Povećanje korištenja elektroničke opreme i sustava b) Smanjenje razine radnog signala uređaja, odnosno povećanje osjetljivosti uređaja c) Korištenje umreženih sustava koji se rasprostiru na velikoj površini Osim izravnih šteta zbog oštećenja elektroničke opreme, koja često ne možemo lako uočiti, nastaju neizravne štete zbog kvara i ispada pojedinog sustava, te je često potrebno dugo vrijeme da se oštećenja pronađu i otklone. Te posljedične štete su obično mnogo veće od šteta na samom „hardwareu“ [1]. U literaturi se mogu naći statistike, koje najčešće prate i analiziraju osiguravajuća društva zbog vjerojatnosnih procjena. Na slici 2.1. prikazana je jedna takva analiza šteta njemačkog osiguravajućeg društva (Württembergische Feuerversicherung AG, Stuttgart) [2] koja pokazuje raspodjelu isplaćenih naknada za sve štetne događaje grupirane po uzroku na osnovi analize 7.737 šteta u 1998. godini u Njemačkoj. Prikazani omjeri se odnose na direktne štete iskazane cijenom uništene opreme, dok su posredne štete višestruko veće, jer uključuju troškove zbog zastoja proizvodnje, prekida radnog procesa ili komunikacije, gubitka podataka i sl. Također, isto osiguravajuće društvo je iznijelo podatak da se postotak isplaćenih šteta zbog prenapona na elektroničkim sustavima i opremi, kao što su komunikacijski sustavi, kompjuteri, mjerni uređaji i medicinska oprema tijekom perioda od deset godina učetverostručio. Daljnja analiza je pokazala da su oštećenja uslijed prenapona dominantno prouzročena udarima munje, zatim slijede sklopne operacije u elektroenergetskom sustavu a ima i slučajeva smetnji uslijed elektrostatskog pražnjenja. Statistika koja je razmatrala samo udare munje, tijekom više godina, pokazala je da je pored šteta prouzročenih direktnim udarima munje puno veći broj indirektnih šteta prouzročenih promjenjivim elektromagnetskim poljem munje. Financijski iznos ovih šteta je također puno veći u odnosu na štete zbog direktnog udara. [1]

8

Slika 2.1 Analiza šteta osiguravajućeg društva Württembergische Feuerversicherung AG, Stuttgart

U svjetskoj literaturi je usuglašeno područje odnosno radijus opasnosti, približno 2 km oko mjesta udara groma, slika 2.2. U ovom području, svi elektronički sustavi i oprema mogu biti oštećeni. [1]

Slika 2.2 Ugroženo područje radijusa 2km oko točke udara groma [1]

9

Slijedeći primjer se odnosi na štete uslijed sklopnih prenapona. Godine 1987. u Neumarktu (Njemačka) došlo je do kvara u 20 kV kabelskoj mreži. Zbog lociranja kvara provedene su višestruke manipulacije (uklopi i isklopi) u kabelskoj mreži. Sklopni prenaponi iz SN kabelske mreže prenijeli su se u mrežu 220/380 V, te je došlo do preskoka i pojave električnog luka u postrojenju za kompenzaciju jalove snage lokalne klaonice stoke, slika 2.3. [1]

Slika 2.3 Oštećenje ormara kompenzacije uslijed sklopnih prenapona

Osim velikih materijalnih i financijskih šteta, prenaponi su u prošlosti uzrokovali nesreće koje su utjecale na eko sustav i sigurnost ljudi. Između ostalog poznate su eksplozije spremnika benzina 1965. godine u Njemačkoj, te spremnika kerozina 1975. godine u Nizozemskoj. U novije vrijeme događale su se nesreće u rafinerijama nafte i kemijskoj industriji. Ozbiljne posljedice udara munje u visoke (neboderi) ili površinom velike građevine zabilježene su diljem svijeta. Udari munja u visoke poslovne zgrade, trgovačke centre, bolnice i sl. uzrokuju aktiviranje sigurnosnih sustava kao što su sprinkleri i plinovi za gašenje požara, protupožarne zaklopke u ventilaciji, sustavi za dojavu požara, alarmni sustav itd. Dolazi do ispada rasvjete, termoventilacije, računalne i telefonske mreže, liftova i elevatora, itd. Sigurnosni sustavi su posebno osjetljivi jer poremećaj njihove funkcije dovodi u najblažem slučaju do panike, odnosno do ugroze ljudskih života, kao što je slučaj sustava za održavanje života i sustava u operacijskim salama u bolnicama. Na slici 2.4 prikazana je usporedba učestalosti prenapona i njihove vršne vrijednosti u nekoliko različitih građevina i sustava (objavljeno u IEEE publikaciji) [3]

10

Slika 2.4 Ućestalost pojave prenapona određene naponske razine tijekom godine [3]

Rezultati dobiveni statističkom obradom kazuju nam da vjerojatnost pojave poremećaja opada s porastom amplitude prenapona i teško je precizno odrediti maksimalnu amplitudu. Iz dijagrama na slici 2.4 možemo izvući zaključak da su građevine na ruralnim područjima napajane zračnom mrežom ugroženije prenaponima većih vrijednosti od građevina u urbanim predjelima s podzemnom mrežom. No činjenica je da se svugdje relativno često pojavljuju naponska povišenja koja naprežu izolaciju u električnim uređajima i kabelima, što uzrokuje starenje izolacije i kvarove. Sve navedeno nam daje temelj za ozbiljan pristup sagledavanju uzroka prenapona i zaštite od njih.

11

2.2. UZROCI PRENAPONA Postoje četiri glavna uzroka prenapona u niskonaponskoj mreži [3]: a) b) c) d)

Atmosfersko pražnjenje - grmljavina Elektrostatsko pražnjenje Sklopne operacije u srednjenaponskim i niskonaponskim mrežama Kvarovi u mreži

Navedeno možemo proširiti slijedećim uzrocima koji nemaju značajan utjecaj na niskonaponsku mrežu ili su vrlo rijetki: e) Nisko i visoko frekvencijski odašiljači - Proizvode (zrače) kontinuirana polja smetnje. f) Nuklearne eksplozije (NEMP - Nuclear electromagnetic impulse) - Proizvode (zrače) impulsnu smetnju. Uzroke i karakteristike prenapona možemo povezati prema tablici 2.1. i publikacijama IEC 1000-4: Tablica 2.1 Karakteristike prenapona [3]

UZROK PRENAPONA 

TRAJANJE  PRENAPONA 

STRMINA ČELA  (FRENKVENCIJA) 

PRIGUŠENJE 

GROM 

VRLO KRATKO (µs) 

VRLO VELIKA  (1000KV/µs) 

JAKO 

ELEKTROSTATSKO  PRAŽNJENJE 

VRLO KRATKO (µs) 

VELIKA (10MHz) 

SKLOPNI PRENAPONI 

KRATKO (ms) 

KVAROVI U MREŽI 

DUGO(m) ILI VRLO  DUGO(h) 

PROSJEČNA  (1000KHz)  MREŽNA  FRENKVENCIJA 

      VRLO JAKO  PROSJEČNO  NULA 

Veza između izvora poremećaja i uređaja (strujnog kruga) ovisi o frekvenciji poremećajne veličine, odnosno elektromagnetskom spektru poremećajne veličine i udaljenosti električnog uređaja od izvora poremećaja. Ako je valna duljina poremećajne veličine puno veća od udaljenosti uređaja moguće je kvazistacionarno promatranje pojave. U tom slućaju govorimo o galvanskoj, kapacitivnoj i induktivnoj vezi (slika2.5). U obrnutom slučaju govorimo o poremećajima zbog zračenja. [7]

12

Slika 2.5 Vrste veza [7]

Ust - napon poremećaja hef - efektivna visina antene

Poremećaji koji se preklapaju i zbrajaju s mrežnim naponom mogu se pojaviti: -

između faznih vodića i zemlje - Common mode između različitih faznih vodiča - Differential mode

U oba slućaja šteta nastaje zbog dielektričnog proboja izolacije, koji dovodi do oštećenja osjetljive opreme, pogotovo elektroničkih komponenti.

13

2.3. ATMOSFERSKI PRENAPONI 2.3.1. NASTAJANJE GROMA Grmljavina je oduvijek izazivala strahopoštovanje u ljudskoj kulturi, mogli bi reći da ljudi oduvijek žele objasniti sebi zašto se to događa i kako se zaštititi od te strašne energije. Do prvih istraživanja Benjamina Franklina, gromovi i munje su se pripisivali natprirodnim silama, ljutim bogovima i gromovnicima. Franklin je prvi istraživao prirodu groma sredinom 18 stoljeća, fascinatnim pokusima sa zmajem. Atomi i molekule zračne smjese mogu dobiti ili izgubiti elektrone i pri tom postaju električki nabijeni, tvoreći pozitivne i negativne ione i slobodne elektrone. Nosilac električnog naboja može se udružiti s nekom molekulom, česticom prašine, elementom oblaka (meteorološki termin za kapljice kiše, snježne ili ledene kristaliće, kondenzacijske i sublimacijske jezgre), pa tako nastane nabijena čestica. Pojavom naboja atmosfera postaje električki vodljiva i dolazi do električne struje. Proučavanje ionizirane atmosfere svodi se na dva područja, donju i gornju ioniziranu atmosferu: - Donja ionizirana atmosfera koja obuhvaća troposferu i stratosferu (prvih 50 km Zemljine atmosfere). Tamo se ionizacija događa neprekidno, ali je slabog intenziteta, s iznimkom električnog izbijanja za grmljavinskog nevremena (ciklonalni poremećaji u troposferi). - Gornja ionizirana atmosfera, obuhvaća ionosferske slojeve i dio magnetosfere (uključuje mezosferu, termosferu i dijelom magnetosferu) u kojima dolazi do raznih fizičko-kemijskih procesa (fotodisocijacija, molekularna rekombinacija, ionomolekularni procesi i dr.). [4] Na slici 2.6 vidimo prikaz zemljine atmosfere na čijim granicama se nalaze dvije vodljive plohe, pozitivno nabijena elektrosfera i negativno nabijena površina zemlje, tako da dobivamo model globalnog „kondezatora“. Vodljivost atmosfere se praktički ne mijenja u prva 3 km nad tlom, ali s rastućom visinom vodljivost naglo raste i postaje deseterostruko veća od vrijednosti u prizemnom sloju. U gornjoj mezosferi i donjoj ionosferi (70-80 km) vodljivost se može usporediti s dobrim vodičem elektriciteta. Kad ioni dopru do tih visina vrlo se brzo podjednako globalno rasporede. Zato je sloj 70-80 km dobio ime sloj izjednačenja ili sloj izravnanja. Električne pojave u donjoj atmosferi mogu se uzeti kao neovisne o globalnom električnom kondenzatoru. Ovdje karakteristične veličine električnog polja ovise o meteorološkim parametrima: magla, vlažnost zraka, vrsta i razvijenost oblaka, koncentracija organskih i drugih primjesa (prašina, čađa, pelud i dr.). U području vremenskih poremećaja povezanih s prolazom zračnih fronti kao i lokalnih termodinamičkih nestabilnosti u toplo doba godine i dana, nastaju povoljni uvjeti za nastanak olujnih oblaka intenzivnog vertikalnog razvoja. To su kumulonimbus i kumulonimbus inkus oblaci (simbol Cb u meteorologiji, od lat. cumulonimbus znači gomilica i kiša, lat. incus znači nakovanj, jer na njega podsjeća najgornji zaleđeni dio u 14

zadnjoj fazi razvoja olujnog oblaka). Vertikalne dimenzije Cb incus oblaka mogu doseći 10 km i više. To znači da se taj oblak može protezati kroz cijelu troposferu, prodirući čak i u donju stratosferu. Gornji dijelovi tih oblaka (5 km i više) sastoje se redovito od ledenih zrnaca ili ledenih kristala. U uvjetima intenzivnog razvoja oblaka električno polje postaje vrlo promjenljivo: površinski naboj postaje mjestimice pozitivan, prostorni naboj opada s visinom, a smjer električnog polja poprima smjer suprotan onom koji prevladava nad područjem lijepa vremena.

Slika 2.6

Shema grmljavinskog oblaka kao baterije za održavanje globalnog elektrostatskog polja i strujnog kruga u atmosferi (M.A. Uman, 2001). [4]

Vremenski poremećaji u obliku grmljavinskog nevremena su glavni generator trajnog održavanja električnog polja donje atmosfere. U olujnim oblacima jakog vertikalnog razvoja, donja baza oblaka je većinom negativno nabijena, što inducira pozitivni naboj na tlu ispod oblaka, s velikom razlikom potencijala između oblaka i tla. To znači da se prostorni naboj preraspodjeli suprotno onome u području lijepa vremena. Posljedica je snažno električno pražnjenje, električna struja poteče uzlazno, zatvarajući na visini i kroz tlo strujni krug sa silaznom prevladavajućom slabom električnom strujom nad područjem Zemlje bez vremenskih poremećaja, koje je znatno većeg rasprostiranja.

15

Električno izbijanje u grmljavinskom oblaku Električni naboji u grmljavinskom oblaku raspoređuju se na elementima oblaka (jezgre kondenzacije i sublimacije, kapi kiše, ledene čestice i snježni kristali). Područja unutar oblaka, s prevladavajućim nabojem istog predznaka čine pozitivne ili negativne ćelije unutar oblaka. Nabijene čestice i ćelije naboja istog predznaka u oblaku prostorno su odvojeni zrakom koji ima svojstvo dieelektrika. Turbulencija približava ili udaljava pojedine čestice i područja istoimenog naboja unutar oblaka, što izaziva promjenljivost jakosti električnog polja. Kad momentalna vrijednost polja premaši kritičnu vrijednost jakosti (> 1 MV/m), dođe do udarne ionizacije i izbijanja električne iskre odnosno do pojave munje. U početnoj fazi pozitivni ioni ostaju praktički na mjestu (veći su i slabije pokretljivi), a negativni ioni i elektroni, znatno veće pokretljivosti, napreduju prema području induciranog suprotnog naboja. Električno izbijanje događa se unutar samih oblaka i između oblaka i zemlje. [4] Postoje dvije osnovne vrste izbijanja munja između oblaka i zemlje: – silazna munja, koja se pokreće uspostavom silaznog voditelja od oblaka do zemlje i – uzlazna munja, koja se pokreće uspostavom uzlaznog voditelja od neke uzemljene građevine ili tla prema oblaku. Nekoliko vrsta izbijanja između zemlje i oblaka prikazano je na slici 2.7

Slika 2.7.

Vrste električnog izbijanja između oblaka i tla (Berger 1978.). [4]

16

Silazna munja: (1) Negativno nabijen predvodnik kreće silaznim kanalom od oblaka prema tlu i umanjuje negativni naboj, a time i napon oblaka prema Zemlji. To je najčešći tip atmosferskog električnog izbijanja između oblaka i tla i javlja se u 90% od ukupnog broja slučajeva. (2) Pozitivno nabijen predvodnik kreće silaznim kanalom od oblaka prema tlu iz ćelije pozitivnog naboja oblaka. Ovaj tip munje javlja se približno u samo 10% od ukupnog broja električnih izbijanja oblak- tlo. Uzlazna munja: (3) Pozitivno nabijen predvodnik izaziva snižavanje negativnog naboja oblaka. (4) Negativno nabijen predvodnik, koji dovodi do snižavanja pozitivnog naboja oblaka. Električni izboji od tla prema oblaku su relativno rijetki i većinom se opažaju iznad visokih tornjeva, građevina i iznad planinskih vrhunaca.

Vremenski slijed daljnjih događanja najčešćeg tipa električnog izboja (tip (1) na slici 2.7.) odnosno napredovanja negativnog naboja iz oblaka prema induciranom pozitivnom naboju na tlu može se pojavno ovako opisati: Kanal munje proviri iz oblaka kao vodeći korak odnosno silazni predvodnik (lider) i napreduje stepenasto u koracima prema području suprotnog naboja. Predvodnik prevali put 20 do 50 m i zastane a zatim nakon stanke od oko 5 ms (10-6 s) naglo nastavi put uz svjetlucanje, prijeđe daljnjih 20-tak m i opet zastane itd. “Koraci” slijede jedan za drugim sve do neposredne blizine tla. Brzina napredovanja je oko 105 do 106 m/s. U napredovanju od baze oblaka prema tlu, munje mogu imati 50 do 100 koraka, pa i više. Za vrijeme stanke vidljiv je slabi sjaj do tada pređene staze kanala predvodnika. Električno polje između predvodnika i tla je sve snažnije, tako da na visokim tornjevima, uzdignutim šiljcima i drugim izloženim elektrodama nastaje točkasto pražnjenje zbog izražene ionizacije zraka. Proces tinjavog pražnjenja na mjestima gdje je polje jače od dielektrične čvrstoće zraka naziva se koronom. Ono se očituje u vidu kratkotrajnih strujnih impulsa uslijed stvaranja lavinskog proboja koji se širi u prostor do mjesta gdje je polje slabije od kritičnog. Kada duljina lavine postane veća od kritične, a broj slobodnih elektrona pređe neku kritičnu granicu, prostorni naboj stvoren udarnom ionizacijom može izazvati lokalna pojačanja polja koja stvaraju nove “sekundarne lavine”. One se pružaju u pravcu linija najjačeg polja, stvarajući lepezastu ili razgranatu tvorevinu od tankih kanala. Tako nastaju uzlazni prethodnici groma. Trajanje točkastog pražnjenja može biti nekoliko minuta do nekoliko sati. Intenzitet struje točkastih pražnjenja je najčešće ispod 1 mA. Nakon premašivanja kritične vrijednosti dielektrične čvrstoće zraka koja otprilike iznosi 3000 KV/m ( kod povećane vlažnosti ona može pasti na 500 do 1000 KV/m), dolazi do susreta silaznog predvodnika, sada glave ioniziranog kanala s uzlaznim predvodnikom iz ćelije induciranog pozitivnog naboja pri tlu. Time je dovršeno stvaranje ioniziranog kanala ili vodljive staze za munju. Slijedi nagli dotok struje pozitivnog naboja u susret glavi kanala. Pozitivni naboj, induciran na tlu, nahrupi u krivudavi, već ionizirani silazni kanal, kao povratna struja ili povratni udar. To je zapravo lavina suprotnog naboja, koja kratkotrajno neutralizira negativni naboj kanala . Povratna struja poteče uz zasljepljujući sjaj ili bljesak i prasak, a njena brzina je reda veličine l07 do 108 m/s. Bljesak povratne struje ili munja, duž ioniziranog kanala, je završna faza udara groma. Nakon stanke slijedi obnavljanje vodljivog kanala i priprema za sljedeći povratni udar. Naknadni udari groma ne razvijaju se u koracima, nego kontinuirano (brzina je reda veličine 106 m/s) u 17

žestokom i naglom skoku s tim da svaki daljnji udar groma ima sve manju snagu dok razlika potencijala između donje baze oblaka i tla ne oslabi i konačno nestane. Slika 2.8 prikazuje niz skica pojedinih faza oblaka pri razvoju groma ili električnog izbijanja između negativno nabijene baze oblaka i pozitivno nabijenog tla ispod oblaka kao najčešćeg tipa električnog izbijanja u atmosferi. [4]

Slika 2.8 Redoslijed faza u procesu razvoja groma ili negativnog električnog izboja oblak → tlo (M.A. Uman, 2001).

Prvi glavni udar odlikuje se vrlo velikom strujom koja se kreće od nekoliko kA do preko 100 kA. Glavno pražnjenje izaziva jak svjetlosni efekt zbog visoke temperature u kanalu groma (15000 do 30000 ºC) i zvučni efekt usljed širenja kanala pri protjecanju velike struje. Glavno pražnjenje izaziva razorne efekte na pogođenim objektima. Ono se kreće od zemlje prema oblaku brzinom od oko 1/10 brzine svjetlosti. Intenzitet struje atmosferskog pražnjenja ne ovisi o ukupnoj količini naboja u oblaku, već samo od količine naboja koja se nalazi nagomilana u kanalu groma. Proces glavnog pražnjenja se 18

gasi kada se potpuno neutralizira električni naboj u kanalu groma. Za vrijeme jednog kompletnog pražnjenja može se pojaviti čak i do 50 pojedinačnih udara groma. Smatra se da preko 50% gromova ima višestruku prirodu, sa uglavnom 3 do 4 pojedinačna udara. Valni oblik glavnog udara i tri sekundarna udara predstavljeni su na slici 2.9.

Slika 2.10. Valni oblik struje groma negativnog polariteta s višestrukim munjama zemlja - oblak[3]

Cijeli proces udara groma (glavni i određeni broj povratnih udara) u većini slučajeva traje manje od pola sekunde. U tablici 2.2. prikazana je učestalost različitih tipova groma ovisno o vršnoj struji, broju udara, strmini čela i količini naboja: Tablica 2.2 Vjerojatnost pojave gromova, različitih po energiji i broju udara [3]

VRŠNA  VJEROJATNOST   STRUJA (peak)  POJAVE P(%)  I(KA) 

KOLIČINA  NABOJA (C) 

STRMINA ČELA  VRIJEME  (FRENKVENCIJA)  TRAJANJA (s)  (KA/µs) 

BROJ  UDARA 

50% 

26 

14 

48 

0,09 

1,8 

10% 

73 

70 

74 

0,56 

5 

1% 

180 

330 

97 

2,7 

12 

19

2.3.2.

PARAMETRI STRUJE MUNJE

Struja munje sastoji se od jednog ili više različitih udara među kojima su: – kratki udari u trajanju manjem od 2 ms (slika 2.10), – dugi udari s trajanjem duljim od 2 ms (slika 2.11).

Slika 2.10. Definicije parametara kratkog udara (u pravilu T2 < 2 ms ) [5] 01 = zamišljeni početak I = vršna jakost struje T1 = trajanje čela T2 = poluvrijeme hrpta udarnog vala

Slika 2.11. Definicije parametara dugog udara (tipično 2 ms < Tdugi < 1 s ) [5]

Stvarni udari groma mogu se razlikovati po polaritetu, po redoslijedu izbijanja munja (prvi, slijedni, superponirani) , odnosno cijelokupna struja groma može imati valni oblik sastavljen iz prvog kratkog udara, slijednih kratkih udara i dugog udara. Parametri struje munje (vršna vrijednost struje prvog udara i naknadnih udara, dugotrajna struja munje) dati su u normi HRN EN 62305-1. Na osnovi tih parametara i učestalosti pojave munje određenog valnog oblika, vršne vrijednosti struje i trajanja, definirane su razine zaštite od udara groma LPL (en: lightning protection level) prikazane u tablici 2.3 :

20

Tablica 2.3 Parametri struje munje prema razini zaštite [5]

Najveće vrijednosti parametara struje munje za različite razine zaštite upotrebljavaju se za projektiranje sastavnica zaštite od munje (npr. presjeka vodiča, debljine metalnih zaslona (oklopa), struje odvodnika (SPD), sigurnosnih razmaka protiv opasnih iskrenja) i za određivanje ispitnih parametara za simulaciju učinaka munje na tim sastavnicama. Najmanje vrijednosti amplitude struje munje za različite razine zaštite (LPL) upotrebljavaju se za određivanje polumjera kotrljajuće kugle (vidi točku 3.1.1.) da bi se odredila zona zaštite od munje LPZ 0B koju ne može pogoditi izravan udar munje. Navedeni parametri su nam potrebni kako bi dobili predodžbu o visini prenapona koji se javljaju u električnoj instalaciji građevine. [5]

21

2.3.3.

GENERIRANJE ATMOSFERSKOG PRENAPONA U NN MREŽI I INSTALACIJAMA

Prenaponi atmosferskog podrijetla uglavnom nastaju kao posljedica direktnog ili indirektnog udara groma. U slučaju direktnog udara, munja pogađa u štićenu građevinu, postrojenje ili vod, dok u slučaju indirektnog udara, munja pogađa u spojni vod ili vodove (npr. telekomunikacijski vod, elektroenergetski vod, vodovod) koji ulaze u štićeni objekt, srednjenaponski nadzemni vod ili pri udaru između dva oblaka ili dijela oblaka oslobađa se vezani naboj što rezultira prenaponskim valovima na vodovima a također prenaponi se induciraju i udarima munje u okolno područje štićenog objekta. Statističkom obradom naponskih i strujnih valova generiranih udarom munje dobiveni su standardni valni oblici koji se najčešće javljaju kao perturbacija u električnim mrežama, prikazani na slici 2.13 .

Slika 2.13. Standardni valni oblici napona i struja generiranih udarom munje

2.3.3.1. Direktni udari groma Struja munje u kanalu pražnjenja i u odvodima gromobranske instalacije uzrokuje pad napona na otporu uzemljenja i inducira naponske i strujne valove u instalacijskim petljama unutar štićenog objekta. Uslijed pada napona na udarnom otporu uzemljenja, dio struje munje teče i preko vodova koji su spojeni na sabirnicu za izjednačenje potencijala. U blizini kanala pražnjenja ili odvoda protjecanog strujom munje, zbog ekstremne strmine čela struje munje, nastaje izuzetno brzo promjenljivo magnetsko polje. Ovo promjenjivo magnetsko polje inducira u velikim petljama instalacijskih vodova zgrada (npr. energetskih i telekomunikacijskih), cijevi vodovoda i plina prenapone do reda veličine 100 kV.[1] Dio struje koji odlazi putem gromobranske instalacije i uzemljivača u zemlju podiže potencijal uzemljivača s obzirom na „daleku zemlju“ na vrijednost koja je jednaka padu napona koji nastaje na udarnom otporu uzemljenja.

22

Maksimalni pad napona UE koji nastaje na impulsnom otporu uzemljenja Rst pogođenog objekta, računa se za maksimalnu vrijednost struje munje I (tablica 2.3.):

U E  I  Rst ............................................................................ (1) Iz izraza je vidljivo da za I=100KA i Rst=1Ω vrijednost potencijala uzemljenja, a zajedno s njim i svih galvanski povezanih metalnih instalacija i vodiča, raste na 100KV. Struja munje kod direktnog udara u gromobransku hvataljku štićene građevine grana se po odvodima gromobrana. Proračun struje odvoda je definiran u normi HRN EN 6305-1. Iducirani naponi u metalnim petljama nastaju pri prolasku struje munje kroz odvode i ostale metalne mase kao i vodiče. Vršna vrijednost struje odvoda nema utjecaj na ovaj proces, već strmina čela struje munje, di/dt, za vrijeme intervala Δt, određuje maksimalnu vrijednost, elektromagnetskim poljem, induciranih napona u svim otvorenim ili zatvorenim instalacijskim petljama koje se nalaze u blizini vodova protjecanih strujom munje.[1] Strmina čela struje jednog odvoda iznosi [5], [17]:

 di   di     k   .................................................................... (2)  dt  p  dt  gdje je: di/dt - strmina struje munje prema razini zaštite (možemo usvojiti di/dt=I/T1 iz tablice 2.3.), (di/dt)p - strmina struje munje po odvodu, koja se odnosi na određenu putanju "p" prema zemlji u KA/ms, k - koeficijent raspodjele struje munje među vodičima odvoda ovisi o ukupnom broju tih vodiča i njihovu položaju, o (vodoravnim) prstenovima vodiča, vrsti sustava hvataljki kao i vrsti sustava uzemljivača, kako je navedeno u dodatku C norme HRN EN 6305-3. Naprimjer iz tablice 2.3 dobivamo slijedeću vrijednost porasta struje munje :

I 150   15 KA s T1 10 Uz izabrani koeficijent k=1 dobivamo porast struje u jednom odvodu:

 di     115  15 KA s  dt  p

23

Kako bi se moglo procijeniti, bez kompleksnog računa, s kolikom maksimalnom vrijednosti induciranog (pravokutnog) napona moramo računati u npr. instalacijskim petljama građevina, usvaja se da se petlje nalaze u blizini beskonačno dugih odvoda protjecanih strujom munje. Onda inducirani napon U u metalnoj petlji, slika 2.13, tijekom vremena Δt može biti prema izrazu [1]:

 di  U  M    dt  p

...................................................................... (3)

gdje je: M - međuinduktivitet petlje i voda protjecanog strujom munje u mH;

Slika 2.13 Inducirani (pravokutni) naponi u petljama zbog strmine (di/dt) struje munje [1]

Međuinduktivitet M ovisi o duljini stranice a petlje i presjeku q strujom munje protjecanog odvoda.

24

Razlikujemo slijedeće slučajeve: a) Međuinduktivitet petlje formirane od vodiča odvoda i metalne petlje koji su međusobno spojeni točkom izjednačenja potencijala na jednom kraju i SPD-a na drugom kraju (iščitava se iz dijagrama na slici 2.14)

Slika 2.14 dijagram ovisnosti međuinduktiviteta o veličini petlje (spojena petlja odvod – PE vodič)

M  16H U  16H 15 KA

H  240 KV

Slika 2.15 Primjer izračuna vrijednosti induciranog napona u spojenoj petlji odvod – PE vodič [1]

25

b) Međuinduktivitet petlje formirane od metalne petlje izolirane od vodiča odvoda (iščitava se iz dijagrama na slici 2.16)

Slika 2.16 Dijagram ovisnosti međuinduktiviteta o veličini izolirane petlje i udaljenosti petlje od odvoda (S)[1]

Na slici 2.17 prikazan je primjer izračuna vršne vrijednosti induciranog napona u izoliranoj petlji pod utjecajem promjenivog magnetskog polja stvorenog protjecanjem struje munje kroz odvod

M  4,8H U  4,8H 15 KA

H  72 KV

Slika 2.17 Inducirani (pravokutni) naponi u petljama zbog strmine (Δi/Δt) struje munje [1]

26

Osim induciranih napona u spomenutim velikim petljama, koje su određene konfiguracijom instalacije, također su zanimljivi i inducirani naponi u vrlo uskim dugim petljama npr. paralelnih neprepletenih žila neoklopljenih kabela, koji su položeni u blizini odvoda potjecanih strujom munje. Inducirani naponi između žila kabela se nazivaju poprečni naponi. Poprečni naponi mogu biti posebno opasni za elektroničku opremu (slika 2.18). Međuinduktivitet u ovom slučaju ovisi o razmaku žila b, duljini voda l i o udaljenosti s između instalacijskog voda i odvoda protjecanog strujom munje.

M  0,3 nH

m U  M  l 15KA / s  45V Slika 2.19 Inducirani naponi u dugim petljama neprepletenih neoklopljenih vodiča zbog strmine (Δi/Δt) struje munje [1]

27

2.3.3.2.

Indirektni udari groma

U slučaju udaljenog udara munje, prenaponski valovi se šire brzinom svjetlosti duž voda ili munja pogađa u blizinu štićenog objekta, čime nastaje promjenljivo elektromagnetsko polje, koje inducira prenapone. Indirektni udari groma su zapravo direktni udari groma u udaljenu električnu instalaciju, građevine, tlo ili se događa pražnjenje između oblaka. Poremećaj putuje do štićene instalacije na tri načina: - Konduktivnom vezom odnosno vodom - Podizanjem potencijala zemlje - Elektromagnetskim zračenjem a) Konduktivna veza Sprega struje munje s vodovima se ostvaruje ohmskom, induktivnom i kapacitivnom spregom. Omska sprega Na slici 2.19 munja pogađa građevinu 1 i odvođenjem struje munje u zemlju, na otporu uzemljenja R1 (koji je omskog karaktera) nastaje pad napona od nekoliko 100 kV. Tako visoki napon uzrokuje proboj izolacije u uređajima 1 i 2 tako da dio struje munje zbog omske sprege teče od sabirnice za izjednačenje potencijala 1 preko uređaja 1, (signalnog) voda, kroz uređaj 2, sabirnicu za izjednačivanje potencijala 2 i preko otpor uzemljenja R2 u zemlju. Vrijednost dijela struje munje (maksimalno nekoliko kA), koja zbog omske sprege teče od građevine 1 prema građevini 2 , ovisi o relativnoj vrijednosti omskih otpora R1 i R2 [1].

Slika 2.19 Primjer omske sprege

28

Induktivna sprega Kao što je već ranije pokazano, u blizini kanala munje ili odvoda protjecanog strujom munje, stvara se promjenjivo magnetsko polje koje inducira napone u metalnim petljama. Ako je ta petlja u stvari dvožilni neupleteni signalni vod između dva udaljena objekta, pri udaru munje inducira se prenapon uzmeđu žila signalnog kabela što tjera struju poremećaja kroz vod i napreže izolaciju uređaja i voda. Druga mogućnost nastanka induktivne petlje prikazana je slikom 2.20. Induktivna petlja se formira od signalnog voda i zemlje. Ukoliko munja pogodi građevinu 1, u petlji će se inducirati visoki napon (nekoliko 10 kV) što ima za posljedicu proboja izolacije u uređajima 1 i 2 i tok struje od nekoliko kA(1).

Slika 2.20 Primjer induktivne sprege

Kapacitivna sprega Ukoliko munja udari u zemlju ili u odvod sustava zaštite od munje, kanal munje ili odvod dolaze na visoki napon (nekoliko 100 kV) u odnosu na daleku zemlju, zbog pada napona na otporu uzemljenja R. Signalni vod između uređaja 1 i uređaja 2, na slici 2.22, je kapacitivno spregnut s kanalom munje odnosno odvodom. Sprežni kapaciteti su nabijeni i uzrokuju injektiranu struju (nekih 10A) koja, nakon proboja izolacije u uređajima 1 i 2 teče u zemlju.[1]

29

Slika 2.21 Primjer kapacitivne sprege

Poseban primjer je udar groma u srednjenaponski vod. U tom slučaju valni poremećaj visoke frekvencije (velika strmina čela) se širi prema niskonaponskoj mreži kapacitivnom vezom kroz transformator 10(20)/0,4 KV trafostanice kako je prikazano na slici 2.22. Po pravilu manje od 4% amplitude napona prelazi na NN stranu mreže. Statističkom studijom provedenom u Francuskoj dokazano je da u 91% slučajeva ovakvi prenaponi u NN mreži ne prelaze 4KV, a u 98% slučajeva ne prelaze 6KV. [3]

Slika 2.22 Prijenos atmosferskog prenapona iz SN mreže u NN mrežu[3].

30

b) Podizanje potencijala zemlje Pri udaru groma u zemlju ili objekt na udaljenosti D od uzemljenja građevine ili postrojenja, podiže se potencijal zemlje zbog toga što struja pri prolasku kroz zemlju stvara pad napona na otpornosti zemlje (sl.2.23). [3]

Slika 2.23 podizanje potencijala zemlje u odnosu na uzemljenu instalaciju [3]

Potencijal se može odrediti pomoću izraza:

U

0,2  I   S D

....................................................................... (4)

Gdje je: I – struja munje (KA) ρs – specifična otpornost zemlje D – udaljenost od mjesta udara do promatrane točke (m) c) Elektromagnetsko zračenje Udar munje stvara vrlo brze promjene elektromagnetskog polja. Već smo prije spomenuli induciranje prenapona u metalnim petljama. U njima se, kada se nađu u promjenivom magnetskom polju, induciraju vrlo visoki naponi, otprilike 100V po metru površine petlje. Električno polje oko munje može narasti do 50 KV/m, što može inducirati prenapone u otvorenim krugovima elektroinstalacije koji se u ovom slučaju ponašaju kao antene koje primaju poremećaja. [3] 31

2.3.3.3

Veličina atmosferskih prenapona

Pri direktnim udarima u prvom planu su veće amplitude struje munje, do 200 kA (klasa zaštite I) a vršne vrijednosti napona mogu biti do nekoliko 100 kV. Pri indirektnim udarima radi se u prvom redu o opasnostima od prenapona, koji su reda veličine nekoliko 10 kV. Struje koje nastaju su relativno male vrijednosti. Niskonaponska izolacija, čiji je probojni napon svega nekoliko kV, izložena je naponskom naprezanju od nekoliko 10 kV, pri indirektnim udarima, odnosno nekoliko 100 kV, pri direktnim udarima. Naponska otpornost, odnosno podnosivi napon nekih elektroničkih krugova u niskonaponskim električnim uređajima, je samo nekoliko 10V. Dakle, naponi koji se pojavljuju prilikom atmosferskih pražnjenja mogu biti 100 do 10 000 puta veći od nazivnih napona niskonaponskih uređaja koji sadrže elektroničke komponente i krugove. Ovi visoki atmosferski prenaponi moraju se zaštitnim mjerama odnosno uređajima prenaponske zaštite sniziti na vrijednost ispod preskočnog odnosno probojnog napona izolacije niskonaponskih uređaja. Kako bi se osigurala zaštita i u slučaju direktnog udara munje, instalirani uređaj prenaponske zaštite moraju moći odvoditi velike struje munje bez vlastitog uništenja ili oštećenja [1].

32

2.3.

ELEKTROSTATSKO PRAŽNJENJE

Pri vrlo maloj vlažnosti u atmosferi nakuplja se elektrostatski naboj na ljudima i predmetima zbog trljanja odnosno trenja, npr. na sintetičkom tepihu, koji može prozvesti razliku potencijala od nekoliko desetaka kilovolti. Pri približavanju suprotno nabijenih površina i tijela nastaje dielektrički proboj zraka. Impulsna struja koja teče tom prilikom može poprimiti vrijednost od nekoliko ampera.[3] Ako se izboj dogodi između, naprimjer prsta i nezaštićene elektroničke komponente, može doći do uništenja te komponente.

2.5. SKLOPNI PRENAPONI U većini slučajeva sklopni prenaponi čine manje štete nego udari munje, a sredstva zaštite (SPD) koja su vrlo učinkovita u zaštiti od struje munje, također su učinkovita i za zaštitu od sklopnih prenapona. Stoga odluka o zaštiti opreme od udarnih napona munje zadovoljava općenito i u pitanju potrebe zaštite od sklopnih prenapona. Pokaže li se potreba proučavanja sklopnih prenapona, postupak procjene rizika vrlo je sličan postupku koji se upotrebljava u slučaju udarnih valova koje inducira udar munje na vodu, s obzirom na to da su njihovi učinci vrlo slični. Sklopni prenaponi mogu se podijeliti na dvije vrste: – Prenaponi koji se ponavljaju (ručno sklapanje prekidača, sklopki, sklapanje kondenzatorskih baterija, itd.); to se događa dosta često, o čemu izravno odlučuju ljudi, a mnogo češće automatika. Te pojave se ponavljaju jednom do dva puta dnevno, a u nekim slučajevima i mnogo puta na dan, primjerice kod stroja za lučno zavarivanje. Učestalost pojava i njihova amplituda (ili njihov učinak na električne uređaje) općenito su dobro poznate. Analiza rizika u takvim slučajevima često nije od koristi pri donošenju odluke o zaštiti opreme. – Prenaponi koji nastaju slučajno (npr. prorada prekidača ili osigurača zbog prekidanja kvara). U tom slučaju njihova je učestalost po definiciji nepoznata, a njihova amplituda i učinak na električnu opremu također mogu biti nepoznati. Procjena rizika u takvim slučajevima može pomoći pri donošenju odluke bi li zaštita od tih izvora šteta bila potrebna. Amplituda sklopnih prenapona u električnim instalacijama može se odrediti jedino točnim mjerenjima i statističkom obradom dobivenih podataka. Općenito se učestalost pojave sklopnih prenapona smanjuje s amplitudom u smislu pravila treće potencije (vjerojatnost udarnog vala je obrnuto razmjerna trećoj potenciji njegove amplitude). U niskonaponskim se mrežama očekuje da su sklopni prenaponi manji od 4 kV, a samo 2 od 1 000 imaju amplitudu veću od 2,5 kV. [6]

33

Prikažimo teoretski slučaj uklapanja dijela VN mreže na sabirnicu pod naponom. Na početku je napon odcjepa nula. Kada se polovi prekidača dovoljno približe dolazi do preskoka preko kontakata i odcjep se nabija na vršnu vrijednost napona u trenutku preskoka. Napon na sabirnici slijedi sinusni oblik napona izvora. Kad je razlika napona na polovima prekidača dovoljno velika, polovi prekidača su se za to vrijeme još malo približili, dolazi ponovno do preskoka ali ovaj put to je pražnjenje odcjepa. Tako slijedi preskok za preskokom u sve manjim vremenskim razmacima i sa sve manjim amplitudama, sve dok se polovi prekidača ne zatvore. [7] Na slici 2.24b) puna linija označava napon mreže na strani sabirnice tj.izvora. Isprekidana linija je napon dijela oklopljenog postrojenja na strani potrošača.

a)

c)

b)

d) Slika 2.24 Teoretski prikaz uklapanja dijela VN mreže; a) shema sklopnog uređaja; b) valni oblici napona na strani izvora (puna linija) i na strani izvora (crtkana linija); c) oscilogram napona na strani trošila; d) Istitravanje prvog porasta napona odcjepa u malom vremenskom intervalu

Na slici 2.24 c) vidi se jedan oscilogram napona na odcjepu pri uključenju. Proces uklapanja suvremenih uređaja obično traje 150ms. Na slici 2.24 d) vidimo mali vremenski segment prvog porasta napona odcjepa i njegovo istitravanje na privremenu konačnu vrijednost. Frekvencija istitravanja je 1.5 MHz, a može doseći 20Mhz. Ovaj primjer dokazuje visokofrekvencijsku prirodu poremećaja u rasklopnom postrojenju koji se šire na sličan način kao i atmosferski poremećaji. Pri otvaranju prekidača događa se ista stvar u obrnutom smjeru s tom razlikom da, teoretski, amplituda zadnjeg udara može imati dvostruku vršnu vrijednost.[7]

34

Razlikujemo tri značajna izvora poremećaja u niskonaponskim mrežama pri sklopnim manipulacijama u električnim mrežama: a) Isklapanje/uklapanje induktivnih struja b) Isklapanje/uklapanje kapacitivnih struja c) Prekidanje struje kratkog spoja prekidačem a) Isklapanje/uklapanje induktivnih struja Pri sklopnim manipulacijama NN/NN transformatora, električnog motora, sklopnika ili releja nastaju prenaponi visokih amplituda u vrlo kratkom vremenu, tako da vršna vrijednost prenapona može preći 1000 V s vremenom porasta čela od nekoliko mikrosekundi. Također visokofrekventni poremećaji dolaze iz srednjenaponske mreže kroz SN/NN transformator.[3] b) Isklapanje/uklapanje kapacitivnih struja Primjer isklapanja kapacitivnog tereta je isklapanje neopterećenog visokonaponskog voda. Kada se otvara prekidač, kontakt prekidača na strani neopterećenog voda ostaje na trenutnom potencijalu dok drugi kontakt prekidača slijedi napon mreže, što uzrokuje veliku razliku potencijala između neopterećenog voda i mreže odnosno kontakata prekidača. Razlika potencijala, koja se uspostavi u samo nekoliko milisekundi, može uzrokovati ponovno paljenje luka između kontakata prekidača koji su još uvijek preblizu te nije uspostavljena dovoljna dielektrična čvrstoća. Neopterećeni vod se ponovo nabije na trenutnu vrijednost napona mreže i luk između kontakata prekidača se ugasi. Opisani proces može se ponavljati više puta. Sklopni prenaponi nastali izjednačivanjem potencijala na odgovarajuću trenutnu vrijednost napona mreže imaju karakter prigušene oscilacije s tipičnom frekvencijom od nekoliko 100 kHz. Početna amplituda sklopnih prenapona uvijek odgovara razlici potencijala između kontakata prekidača u trenutku povratnog preskoka i može biti višestruko veća od nazivnog napona mreže. Drugi primjer imamo ukoliko se transformator u praznom hodu odvoji od mreže, njegov vlastiti kapacitet se nabija zbog energije preostale u magnetskom polju. Induktivnokapacitivni oscilatorni (LC) krug je prigušen omskim otporom koji energiju pretvara u toplinu. Rezultirajući sklopni prenapon može doseći vrijednost nekoliko puta veću od nazivne vrijednosti napona. Slijedeći primjer imamo kod dozemnog spoja. Ukoliko nastupi dozemni spoj faznog vodiča neuzemljene mreže, naponi zdravih faza prema zemlji porasti će s iznosa faznog napona na linijski napon. Ako se električni luk dozemnog spoja prekine nastaje slična situaciju kao kod isklapanja neopterećenog voda ili kapaciteta tj. pojaviti će se sklopni prenaponi s prigušenim oscilacijama.[1]

35

c) Prekidanje struje kratkog spoja prekidačem Brzo prekidanje struje KS bez gašenja električnog luka može izazvati visoke prenapone u NN mreži. Na primjer pri eksploziji osigurača pojavljuje se prenapon od oko 1,5 KV [3]. Opsežna mjerenja provedena u različitim niskonaponskim mrežama pokazala su da su prenaponi najvećim dijelom uzrokovani elektromagnetskim poljem električnog luka u sklopnim uređajima. Elektromagnetske smetnje nastale sklopnim operacijama u energetskim krugovima su u pravilu mnogo češće negoli smetnje uzrokovane udarom munje. Sklopni poremećaji mogu nastati izvan građevine i stići u zgrade preko električne mreže ili mogu nastati unutar građevine. Statistička studija sklopnih prenapona rezultirala je standardizacijom valnih oblika ovakvih poremećaja prikazanih na slici 2.24.[3]

a)

b)

c) Slika 2.24 Standardizirani naponski oblici sklopnih prenapona: a)slabo prigušeni 250/2500 µs val; b) val kod pojave „eksplozije“ osigurača 5/50 ns, c) Sinusoidalni prigušeni val 0.5 ms /100 kHz.

36

2.6. KVAROVI U MREŽI Različiti kvarovi u srednjenaponskoj i niskonaponskoj mreži mogu biti uzrokom prenaponskih poremećaja u niskonaponskoj mreži. Značajka koja ih razlikuje od ostalih prenapona je njihova frenkvencija koja je jednaka frenkvenciji mreže. Ovdje možemo opisati nekoliko događaja u mreži koji uzrokuju takve prenapone. Popratna (slijedna) struja iskrišta u srednjenaponskoj mreži Pri proradi odvodnika prenapona, temeljenom na tehnologiji iskrišta (npr, SiC odvodnici prenapona) uslijed udara groma u srednjenaponski vod, nastaje popratna struja kroz iskrište na frenkvenciji mreže. Ta struja diže potencijal uzemljivača te može izazvati dizanje potencijala neutralnog vodiča u niskonaponskoj mreži ako su SN i NN uzemljivači povezani. Prekid kontinuiteta N vodiča U monofaznim niskonaponskim mrežama, u slučaju prekida neutralnog vodiča, može nastati kolebanje faznog napona. Najopasnije za monofazne uređaje koji rade na faznom naponu je dizanje napona između faze i N vodiča na napon blizu linijskog napona. Proboj izolacije - spoj faznog vodiča s uzemljenjem U slučaju trofazne mreže s izoliranim zvijezdištem ili uzemljenim preko impedancije, kada jedna faza dođe u spoj s uzemljivačem, tada napon ostalih faza prema zaštitnom vodiču uzemljena poraste na linijski napon.

37

2.7. PUTNI VALOVI NA ELEKTROENERGETSKIM VODOVIMA Pri udaru groma u neki vodič (npr. nadzemnog voda) nastaju putni valovi. To znači da struja groma inducira otprilike jednake elektromagnetske valove koji se šire lijevo i desno od točke udara po pogođenom vodiču. Svaki valni poremećaj neovisno o svom izvoru širi se vodom na isti način. Kako bi fizikalno opisali poremećaj koji putuje vodom posegnuti ćemo za valnim jednadžbama putnih valova. Na slici 2.25 prikazan je model elementarnog dijela voda:

Slika 2.25 Model elementarnog dijela voda

Gdje su: -

jedinični djelatni otpor R1 [ Ω/km ], jedinični induktivitet L1 [ H/km ], jedinični kapacitet C1 [ F/km ], jedinični odvod G1 [ S/km ], u(x,t) – trenutna vrijednost napona u trenutku t na mjestu x, i(x,t) – trenutna vrijednost struje u trenutku t na mjestu x.

Pad napona na elementarnoj dionici voda je: .........................................(5) Priraštaj struje po elementarnoj dionici voda je: ...........................................(6)

Parcijalnim deriviranjem jednadžbi (5) i (6) sa

i

, te njihovim sređivanjem dobivamo

valne jednadžbe putnih valova za idealni vod (R1=0, G1=0):

38

...........................................(7) ...........................................(8) Opće rješenje valnih jednadžbi (7) i (8) prema d’Alembertu glasi: I (x,t) = f1(x − vt ) + f2(x + vt ) .................................................(9) U (x,t) = Zv f1(x − vt ) − Zv f2(x + vt )........................................(10)

U jednadžbama (9) i (10) predstavljaju f1 (x-vt) i f2 (x+vt) proizvoljne funkcije varijabli (xvt) i (x+vt). Fizikalna interpretacija funkcije f1 (x-vt) je putni val koji se kreće brzinom v u odlazećem smjeru, dok funkcija f2 (x+vt) predstavlja putni val koji kreće u povratnom smjeru. Zv je valna impedancija. Brzinu v možemo zapisati kao: ·

......................................................(11)

dok valnu impedanciju zapisujemo kao: .......................................................(12) Putni valovi putuju vodom brzinom svijetlosti na nadzemnom vodu. Zbog otpora voda oni ipak ne ostaju jednake veličine nego se smanjuju s vremenom odnosno s prevaljenim putem. Isto tako strmina putnog vala se smanjuje s vremenom odnosno s prevaljenim putem. Ta se činjenica objašnjava povećanjem otpora vodiča za veće struje i napone (fenomen korone). Dio vala u kojem su struja i napon relativno mali kreće se normalno brzinom svjetlosti kojom se inače kreću elektromagnetski valovi. Međutim onaj dio vala u kojem su struja i napon veći usporava korona. Zbog toga taj dio vala počne zaostajati i na taj način ublažavati strminu putnog vala. Na slici 2.26 prikazan je model na kojem naponski val Ud1 putuje vodom impedancije Z1 i dolazi do točke diskontinuiteta A gdje počinje vod impedancije Z2.

Slika 2.26 Model prolaska i refleksije naponskog vala

Na točkama diskontinuiteta dolazi do pretvorbe energije električnog polja (naponski val) u energiju magnetskog polja (strujni val) i obratno. Koliki će se dio jedne vrste energije pretvoriti u drugi zavisi o tome kolike su vrijednosti Z1 i Z2. 39

Primjerice, ukoliko je u točki A kratak spoj (Z2=0) sva energija se pretvara u strujni val odnosno Ud2 =0. Nasuprot tome, pri praznom hodu (npr. otvoren vod u točki A) je Z2=∞, pa naponski val u točki A raste na 2U zbog potpune refleksije upadnog vala istog predznaka. Na prikazanom modelu dio upadnog vala se reflektira kao Ui1 suprotnog predznaka i smanjuje Ud1 na vrijednost prolaznog vala Ud2. Prolazne i reflektirane naponske valove možemo prikazati izrazima:

· ·

..............................................(13) ...............................................(14)

gdje je faktor prigušenja α: .....................................................(15) faktor refleksije β: ....................................................(16) Odnos α i β iskazujemo kao α-β=1.

40

3.

ZAŠTITA OD PRENAPONA U NN INSTALACIJAMA

Područje zaštite od opasnih prijelaznih naponskih poremećaja odnosno prolaznih udarnih valova, možemo podijeliti u dvije međusobno isprepletene skupine metoda, aktivnosti, instalacija i uređaja: a) Primarna skupina - sprječavanje pojave prenapona i smanjenje veličine prenapona. U ovu skupinu spadaju metode procjene ugroženosti od udara groma, projektiranje, dimenzioniranje i izvedba sustava za zaštitu od munje, odnosno gromobrana, uzemljenja, izjednačenja potencijala, elektromagnetskog oklapanja, sprječavanje kvarova u mreži itd. b) Sekundarna skupina - sprječavanje prolaska i ulaska pertubacija odnosno prenapona izazvanih indirektnim efektima munje u štićenu električnu mrežu i uređaje. U ovu skupinu spadaju metode procjene ugroženosti od prenapona, projektiranje, dimenzioniranje i izvedba uređaja prenaponske zaštite odnosno iskrišta i odvodnika prenapona, a skraćeno je zovemo prenaponska zaštita. S obzirom da su atmosferski uzroci prenapona referentni za izbor prenaponske zaštite (vidjeti točku 2.5) prvi korak je napraviti proračun rizika od udara groma prema [6] .

3.1. SUSTAV ZAŠTITE OD MUNJE (LPS) Gromobranskom zaštitom ili točnije rečeno zaštitom od munje ljudi se bave već godinama, pa je ta problematika više manje poznata. No i u tom području, na razini svjetske normizacije, postojeće norme se mijenjaju odnosno točnije rečeno preslaguju na način da cijeli sustav postojećih normi dobiva nove oznake a pojedini dijelovi više starih normi biti će nova norma. Relativna novost je uvođenje analize rizika udara munje u predmetnu građevinu ili sustav. Poznato je da bez adekvatnog sustava zaštite od munje nema ni učinkovite prenaponske zaštite i da ta dva sustava u suštini čine jedinstvenu cjelinu koja treba osigurati elektromagnetsku kompatibilnost predmetnog objekta. Smatra se da se glavne i najučinkovitije mjere za zaštitu građevine od materijalnih šteta postižu s pomoću sustava zaštite od munje (LPS, skračeno od en: Light Protection Sistem). Taj se sustav obično sastoji od vanjskog i unutarnjeg sustava zaštite od munje. Vanjski je LPS namijenjen za: a) prihvaćanje izravnog udara munje u građevinu (s pomoću sustava hvataljka) b) odvođenje struje munje na siguran način prema zemlji (upotrebom sustava odvoda) c) raspršenje struje munje u zemlji (s pomoću sustava uzemljivača). Unutarnji LPS sprječava opasno iskrenje unutar građevine s pomoću vodiča za izjednačivanje potencijala ili udaljavanjem na sigurnosni razmak (neovisno o električnoj izolacije) između sastavnica vanjskog LPS-a i drugih vodljivih dijelova unutar građevine. Prije početka projektiranja sustava za zaštitu od munje potrebno je izvršiti analizu rizika od udara munje. Upravljanje rizikom je složena procedura koja obuhvaća:

41

-

procjenu rizika za građevinu, ljudske živote, kulturno naslijeđe i ekonomske gubitke zbog svih predvidivih modaliteta djelovanja munje (udar u građevinu ili pored nje, udar u opskrbne vodove ili pored njih, udar u susjednu građevinu ...); - poduzimanje mjera da se rizici smanje ispod razine prihvatljivih rizika (za svaku kategoriju): - 1: 100.000 za rizik gubitaka ljudskih života, i - 1:1.000 za ostale rizike. - izradu izvještaja sa izračunatim stvarnim rizicima i zaključcima o potrebnim mjerama (razred LPS-a, LPMS-a, tipovi opskrbnih vodova, izjednačivanje potencijala, mjere protupožarne zaštite itd.) Na slici 3.1 vidimo primjer dijagrama tijeka procjene rizika:

Slika 3.1 Dijagram tijeka procjene rizika [6]

42

3.1.1.

VANJSKI LPS

Sastavnice vanjskog LPS-a su gromobranske hvataljke, odvodi i uzemljivač. Dizajn i dimenzije sastavnica ovise o odabranom razredu LPS-a. Postoje četiri razine zaštite od munje (LPL en: light protecion level). Za svaku razinu zaštite određeni su najveći i najmanji parametri struje munje. U odnosu na LPL definirana su četiri razreda LPS (tablica 3.1), koja odabiremo na temelju procjene rizika. Tablica 3.1. Veza razine zaštite s razredom LPS-a

LPL I II III IV

efikasnost zaštite 0,98% 0.95% 0,90% 0,80%

Razred LPS-a I II III IV

Geometrija i raspored hvataljka i odvoda odreduje se na tri načina: metodom mreže (Faradayev kavez), metodom zaštićenog kuta, metodom kotrljajuće kugle. 3.1.1.1.

Metoda mreže

Hvataljke na krovnim površinama štićene građevine tvore mrežu čija širina „oka“ ovisi o odabranom razredu LPS-a prema tablici 3.2 Tablica 3.2. Odnos razreda LPS-a i geometrije mreže

I   II   III  

Širina oka mreze hvataljke  w, m   5 x 5   10 x 10   15 x 15  

Tipicni razmaci odvoda i  prstenova,m   10   10   15  

IV  

20 x 20  

20  

Razred LPS  

3.1.1.2.

Metoda zaštićenog kuta

Metoda zaštićenog kuta (slika 3.2) je upotrebljiva za građevine jednostavnog oblika, gdje se štićeno područje nalazi ispod vodoravne ili vertikalne hvataljke, unutar kuta kojeg zatvara okomica hvataljke prema zemlji i zamišljena hipotenuza tako stvorenog pravokutnog trokuta. Ako trokut rotiramo oko okomice odnosno visine h, dobivamo zaštitni volumen.

43

Slika 3.2.

Metoda je podložna ograničenjima s obzirom na visinu hvataljke, odnosno povećanjem visine iznad štićenog objekta zaštićeni kut se smanjuje. 3.1.1.3.

Metoda rotirajuće kugle

S pomoću metode kotrljajuće kugle sustav hvataljki odgovarajuće je postavljen ako nijedna točka građevine koju treba zaštititi ne dolazi u dodir sa zamišljenom kuglom polumjera r, koji je ovisan o razredu LPS-a (vidi tablicu 2), kad ju se kotrlja oko i preko vrha građevine u svim mogućim smjerovima. Na taj način kugla smije dodirivati samo sustav hvataljki kako je prikazano na slici 3.3. Ovaj elektrogeometrijski model kugle nastao je na temelju izračuna kritične udaljenosti između središta kugle koje predstavlja trenutnu poziciju silaznog predvodnika munje i oplošja kugle pri kojoj može nastati proboj odnosno električni luk (munja). Tablica 3.3. Odnos razreda LPS-a i polumjera rotirajuće kugle [17]

Razred LPS‐a   I   II   III   IV  

Polumjer kotrljajuće kugle r, m   20   30   45   60  

44

 

  Slika 3.3. Model metode rotirajuće kugle

45

3.1.2. UNUTARNJI LPS Da bi LPS bio djelotvoran unutar štićene građevine potrebno je odrediti zone zaštite od munje LPZ (en: Lighting Protection Zone). Zone zaštite od munje stvorene su da bi građevina bila sigurnija od utjecaja elektromagnetskog udarnog vala (impulsa) munje LEMP-a (en: Lighting electromagnetic impulse) te su zone teorijski označeni prostori u kojima su značajke LEMP-a usporedive s razinom otpornosti unutarnjih sustava u tim zonama [8]. Na slici 3.4. vidimo primjer podjele građevine na unutarnje zone zaštite (LPZ-ove). Izjednačivanje potencijala zaštitnog vodiča opskrbnog voda je napravljeno putem sabirnica za izjednačivanje na granici zone LPZ 1. Dodatno su zaštitni vodovi koji ulaze u LPZ 2 (npr. u prostor s računalima) spojeni putem sabirnica za izjednačivanje na granici zone LPZ 2.

Slika 3.4. Podjela na zone zaštite od groma (LPZ) [1]

Zone su podjeljene na slijedeći način [1] [8]: LPZ 0 - zona gdje postoji opasnost zbog neprigušenoga elektromagnetskog polja i gdje na unutarnje sustave može djelovati puna ili djelomična udarna struja munje. LPZ 0 se dalje dijeli na sljedeće podzone: LPZ 0a - zona gdje postoji opasnost zbog izravnog udara munje i punoga elektromagnetskog polja munje. Na unutarnje sustave može djelovati puna udarna struja munje. LPZ 0b - zona koja je zaštićena od izravnih udara munje ali postoji opasnost utjecaja punog elektromagnetskog polja munje. Na unutarnje sustave mogu djelovati djelomične udarne struje munje. 46

Unutarnje zone: (zaštićene od izravnih udara munje) LPZ 1 - zona gdje je udarna struja ograničena dijeljenjem struje i SPD-ovima na granici zone. Elektromagnetsko polje munje može se prigušiti prostornim zaslonom. LPZ 2 - zona gdje se udarna struja može još ograničiti dijeljenjem ili dodatnim SPDovima na granici zone. Elektromagnetsko polje munje može se prigušiti s pomoću dodatnog prostornog zaslona. Ako bilo koji metalni vod prolazi granicu zone, a time i elektromagnetski oklop te zone, mora se na granici zone obuhvatiti odgovarajućim izjednačivanjem potencijala. Pasivni vodovi (npr. voda, plin) se jednostavno električki vodljivo spajaju s oklopom i uzemljivačem, dok se svi električni vodovi spajaju preko odgovarajućih odvodnika (struje munje ili prenapona), koji odvode energiju munje u zemlju, kako je to prikazano na slici 3.5.

Slika 3.5. Prikaz izjednačivanja potencijala [17]

47

3.2.

ZAŠTITA OD PROLAZNIH (UDARNIH) VALOVA

Općenito, električnu instalaciju štitimo od prenapona napravama za zaštitu od udarnog vala (SPD, en: Surge Protection Device), SPD odabiremo i ugrađujemo u električne instalacije i mreže da bi ih zaštitili od indirektnih efekata udara munje, sklopnih manipulacija i kvarova u mreži [3]. U naprave za zaštitu od udarnog vala ubrajamo slijedeće: odvodnike udarnog vala u niskonaponskim mrežama filtere valne apsorbere zaštitna iskrišta Osim navedenih, uređaji čija osnovna funkcija nije zaštitna, no svojom konstrukcijom štite od prolaznih valova jesu: transformatori UPS – uređaji kontinuiranog napajanja U praksi, ove naprave djeluju na dva načina, ograničavaju impulsni napon zahvaljujući „paralernoj vezi“ ili ograničavaju snagu koja se prenosi na principu „serijske veze“. [3] Princip rada odvodnika udarnog vala temelji se na njihovoj nelinearnoj naponsko strujnoj karakteristici. Povećanjem napona na stezaljkama odvodnika nelinearno se smanjuje omski otpor uređaja. Postoje brojne izvedbe odvodnika s strujama odvođenja od 1kA do 65kA i zaštitnim naponskim nivoom od 1,5kV do 2kV. Filteri koriste princip RLC petlje. Posebno se koriste za zaštitu od sklopnih prenapona. Transformatori se mogu također ponašati kao filteri, prigušujući sklopne prenapone i ograničavajući brzinu porasta čela vala. Valni apsorberi su kombinacija valnih odvodnika i filtera, time mogu apsorbirati veliku energiju pri prenaponu. S obzirom na serijsku prirodu filtera veličina uređaja je određena nominalnom strujom koja prolazi kroz njega. Stoga takvi uređaji se večinom koriste na krajevima mreže za zaštitu elektroničkih uređaja. Zaštitna iskrišta u NN mrežama koriste se kod neuzemljenih ili mreža uzemljenih preko impedancije (IT sustavi) i instaliraju se na SN/NN izlazu transformatora. Druga primjena zaštitnih iskrišta je pri zaštiti od nekontroliranog iskrenja između uzemljene instalacije i plinske instalacije odnosno drugih cijevovoda štićenih od korozije katodnom zaštitom kod kojih je zabranjeno izjednačenje potencijala odnosno spajanje na uzemljenje građevine.

48

3.2.1. 3.2.1.1.

PRINCIP ZAŠTITE OD PRENAPONA SA SPD Parametri za izbor naprava za zaštitu od udarnog vala (SPD)

Podnosivi udarni napon Uw opreme koju je potrebno zaštititi Napon Uw treba odrediti za: – elektroenergetske vodove i priključke opreme prema normi IEC 60664-1, – telekomunikacijske vodove i priključke opreme prema preporukama ITU-T K.20 i K.21, – druge vodove i opremu prema obavijestima dobivenim od proizvođača. Nazivni napon Un Nazivni napon odgovara nazivnom naponu štićenog sustava. Oznaka za nazivni napon na zaštitnim napravama za IT-instalacije najčešće je napisana za pojedine uređaje. U slučaju izmjeničnog napona označava se kao efektivna vrijednost. Maksimalni trajni radni napon UC Maksimalni trajni radni napon je efektivna vrijednost maksimalnog napona, koji se može trajno primijeniti na odgovarajuće priključnice uređaja prenaponske zaštite u pogonu. To je maksimalni definirani neprovodni napon za prenaponske odvodnike koji osigurava povratak u početno stanja nakon prorade i odvođenja (pražnjenja). Vrijednost UC ovisi o nazivnom naponu štićenog sistema kao i definirana je normom HRN HD 60364-5-534:2008, prema tablici 3.4. Tablica 3.4. Najmanji potrebni Uc SPD-a ovisno o konfiguraciji sustava

SPD spojen između

Konfiguracija sustava razdiobne mreže TN sustav

TT sustav

IT s

IT bez

neutralnim neutralnog linijskog vodiča i neutralnog

vodičem

vodiča

1,1 Uo

1,1 Uo

1,1 Uo

NA

1,1 Uo

1,1 Uo

U

1,1 x U

neutralnog vodiča i PE vodiča

Uoa

Uoa

Uoa

NA

linijskog vodiča i PEN vodiča

1,1 Uo

NA

NA

NA

linijskih vodiča

1,1 U

1,1 U

1,1 U

1,1 U

vodiča linijskog vodiča i PE vodiča

NA: nije primjenjivo Uo je napon linijskog prema neutralnom vodiču niskonaponskog sustava. U je napon linijskog prema linijskom vodiču niskonaponskog sustava. Tablica temelji na EN 61643-11. a Te vrijednosti se odnose na najgori slučaj uvjeta kvara

49

Zaštitna naponska razina Up (proradni napon) Zaštitna naponska razina SPD-a je maksimalna trenutačna vrijednost napona na priključnicama uređaja prenaponske zaštite, definirana standardnim testovima: - standardni prenaponski val 1,2/50 μs (100%); - naponski val strmine 1kV/μs; - preostali napon pri nazivnoj struji odvođenja (Ur) Naponski zaštitni nivo karakterizira sposobnost uređaja prenaponske zaštite da ograniči prenapon na razinu preostalog napona. Kada se koristi u elektroenergetskim mrežama, naponski zaštitni nivo definira mjesto postavljanja s obzirom na prenaponske kategorije u skladu sa DIN VDE 0110-1:1997-04. Ako su SPD-i potrebni prema HRN HD 60364-4-443 zaštitna razina Up SPD-a mora se odabrati prema podnosivom udarnom naponu kategorije II iz tablice 1 u HD 60364-4-443. Na isti način odabire se Up prema HRN EN 62305-4 za zaštitu od prenapona prouzrokovanih izravnim udarima munje Kao primjer u instalacijama 230/400 V zaštitna razina Up ne smije prijeći 2,5 kV. Za uređaje prenaponske zaštite namijenjene za zaštitu IT-mreža, zaštitni naponski nivo treba biti usklađen prema otpornosti opreme koja se štiti (DIN EN 6100-4-5:2001-12). Preostali napon odvodnika Ur (residual voltage) Tjemena vrijednost napona koji se javlja na priključcima odvodnika pri protjecanju struje odvođenja. Nazivna struja opterećenja IL Nazivna struja je najveća dopuštena pogonska struja, koja može trajno prolaziti kroz priključnice naprave za zaštitu od udarnog vala. Nazivna struja odvođenja (pražnjenja) In Nazivna struja odvođenja je vršna vrijednost strujnog impulsa, valnog oblika 8/20 μs, za koji je uređaj prenaponske zaštite predviđen prema određenoj normi. Maksimalna struja odvođenja (pražnjenja) Imax Maksimalna struja odvođenja je vršna vrijednost strujnog impulsa 8/20 μs, koju uređaj može sigurno provesti. Impulsna struja munje Iimp Impulsna struja munje je standardni impulsni strujni val oblika 10/350 μs s karakteristikama prirodnog udara munje (maksimalna vrijednost, naboj, specifična snaga), prema HRN EN 62305-1 Odvodnici struje munje moraju imati sposobnost odvođenja takve impulsne struje nekoliko puta bez da budu uništeni.

50

Ukupna struja odvođenja Vrijednost koja odgovara ukupnoj impulsnoj struji odvođenja za višepolne uređaje prenaponske zaštite kao i za kombinaciju uređaja prenaponske zaštite sastavljenu od jednopolnih elemenata. Slijedna (popratna) struja Is Struja radne (mrežne) frenkvencije koja nastavlja teći kroz odvodnik nakon prolaska udarnog vala. Slijedna struja se pojavljuje samo u odvodnicima koji rade na principu iskrišta. Kapacitet prekidanja, mogućnost gašenja slijedne struje Is Kapacitet prekidanja je očekivana efektivna vrijednost slijedne struje pogonske frekvencije, koja može biti automatski ugašena uređajem prenaponske zaštite uz narinut maksimalni trajni radni napon Uc. Kapacitet prekidanja se dokazuje pokusima u skladu s E DIN VDE 0675-6/A1:1996-03. Podnosiva struja kratkog spoja Podnosiva struja kratkog spoja je veličina struje kratkog spoja pogonske frekvencija na mjestu postavljanja uređaja prenaponske zaštite a koja je određena osiguračima ispred uređaja prenaponske zaštite. Provodna energija (E) Energija koju SPD može provesti bez oštećenja. Vrijeme odziva tA (tp, vrijeme prorade) Vrijeme odziva općenito pokazuje brzinu djelovanja svakog pojedinog elementa korištenog u uređajima prenaponske zaštite. Ovisno o brzini porasta (strmini du/dt) naponskog impulsa ili strmini di/dt strujnog impulsa vrijeme odziva se može mijenjati unutar određenih granica. Nadstrujna zaštita glavnih strujnih krugova SPD-a To je nadstrujni zaštitni uređaj (npr. osigurač ili prekidač) koji je montiran ispred SPD-a, na strani napajanja, za prekidanje slijedne struje pogonske frekvencije ako je premašen kapacitet prekidanja SPDa. Vrijednost privremenog prenapona UTOV Vrijednosti prenapona radne frenkvencije i ograničenog trajanja koje se mogu pojaviti na SPD. Takvi prenaponi često nastaju pri kvarovima dozemnog spoja i ovise o načinu uzemljenja mreže. Povišenje otpornosti na privremeni prenapon (TOV, temporary overvoltage) postiže se izborom višeg maksimalnog radnog napona odvodnika UC, no to znači da će njegov zaštitni nivo biti viši, a time i slabija efikasnost prenaponske zaštite. U katalozima odvodnika prenapona često se naznačuje vrijednost

.

51

Da bi vrijednost UC bila ispravno odabrana treba zadovoljiti slijedeći izraz:

..................................................(17) gdje je T(t) vrijeme trajanja prenapona Temperaturno područje rada θ Temperaturno područje rada pokazuje temperaturni opseg u kojem uređaje može raditi. Za uređaje koji se sami ne zagrijavaju to je područje jednako području promjene temperaturi okoline. Porast temperature uređaja koji se samo zagrijavaju ne smije prijeći maksimalnu naznačenu vrijednost. Mirna struja (struja „curenja“) If kroz SPD pri nazivnom naponu Un Poprečna struja koja prolazi kroz SPD pri „normalnom“ nazivnom naponu mreže. Ta se vrlo slaba struja pojavljuje kod varistorskih i diodnih SPD-a Zaštitna karakteristika odvodnika Predstavlja kombinaciju sljedećih karakteristika: - preostalog napona za strmu udarnu struju, - karakteristike preostalog napona u funkciji struje odvođenja za atmosferske udarne struje, - preostalog napona za sklopne udarne struje. Atmosferski zaštitni udarni nivo odvodnika je najviši preostali napon za nazivnu struju odvođenja. Sklopni udarni zaštitni nivo odvodnika je najviši preostali napon pri utvrđenim sklopnim udarnim strujama. Standardne vrijednosti nazivnih struja odvođenja za npr. varistorske ZnO odvodnike prenapona su 1,5KA , 2,5KA , 5KA , 10KA , 20KA

52

3.2.1.2.

Teorijski prikaz djelovanja SPD

Idealni odvodnik prenapona i uz vrlo velike struje održava uvijek konstantnu vrijednost napona. U praksi to nije moguće ostvariti, ali se svojstva realnih odvodnika nastoje čim više približiti idealnim. Odvodnik prenapona osim amplitude nailazeceg naponskog vala trebao bi smanjivati i njegovu strminu. Na slici 3.6. je prikazan princip odredivanja napona i struja odvodnika pri nailasku pravokutnog naponskog vala amplitude U1. Koristi se ekvivalentna shema prema Petersenu. Napon i struja kroz odvodnik dobivaju se iz presjecišta pravca 2 · i krivulje preostalog napona odvodnika .[9]

Slika 3.6. Određivanje napona i struja SPD-a pri nailasku pravokutnog naponskog vala amplitude U1

Djelovanje SPD možemo prikazati na U(i),t karakteristici (slika 3.7) naponskog i strujnog vala na stezaljkama odvodnika, kako bi stekli uvid u značenje parametara definiranih u prethodnoj točki.

Slika 3.7. Grafički prikaz parametara SPD-a

53

Atmosferski prenaponi se šire u obliku putnih valova na vodu. Na mjestima gdje se valni otpor voda mjenja, dolazi do refleksija i lomova putnih valova. Osobito, naponski val će se potpuno reflektirati na otvorenom kraju voda. Naponska razina u svakom trenutku i u svakoj tocki na vodu je rezultat sume različitih trenutnih vrijednosti svakog pojedinačnog naponskog vala. Uređaj za zaštitu od udarnih valova ograničava prenapone na iznos preostalog napona odvodnika samo na mjestu njegove ugradnje, dok s porastom udaljenosti od odvodnika raste i iznos napona. Zaštitna zona odvodnika proteže se na dio voda ispred i iza odvodnika prenapona. Udaljenost Xa od odvodnika na kojoj prenapon na štićenom objektu dostiže vrijednost izolacionog nivoa (za atmosferske ili sklopne prenapone) naziva se zaštitnom zonom.[9]

Slika 3.8. Zaštitna zona odvodnika prenapona

Prema slici 3.8. pretpostavljeno je da je u točki A postavljen odvodnik čiji je zaštitni nivo Up, pa će tako prolazni val putovati dalje u desno. Za onaj dio upadnog naponskog vala koji je iznad zaštitnog nivoa Up, odvodnik predstavlja kratki spoj, pa se tako taj dio naponskog vala reflektira sa suprotnim predznakom, ili se može zamisliti da je na tom mjestu nastao izvor vala, koji putuje na obje strane i s desne strane briše sve što je iznad Up. Lijevo od odvodnika uspostavlja se napon sa dvostrukom strminom 2s. Ako štićena oprema ima izolacioni nivo Uw (podnosivi napon), onda je očito da se zaštitna zona ispred odvodnika može odrediti iz:

2

............................................(17)

gdje je Xa u m, naponi u kV , a strmina s u kV m, ako se strmina izrazi u kV /svrijedi: ............................................................(18)

gdje je v brzina širenja vala vodom u m /sbrzina svijetlosti)pri čemu je: Xa u m.

54

3.2.1.3.

Primjer zaštite električnog sustava građevine od udarnih valova

Za ograničenje udarnih valova od munje na električnim vodovima, SPD-ovi moraju biti postavljeni na ulazu u svaki unutarnji LPZ (vidi sliku 3.9) i moraju biti međusobno usklađeni. Odabrani SPD-ovi i njihovo uklapanje u cjelokupan električni sustav u građevini mora jamčiti da će pojedinačna struja munje biti većinom odvedena u sustav uzemljivača na granici zona LPZ 0A/LPZ 1. Kad je većina energije pojedinačne struje munje odvedena na prvom SPD-u, sljedeći SPD-ovi moraju biti projektirani samo za preostali dio opasnog vala iza granice LPZ 0A i LPZ 1 kao i za učinke indukcije od elektromagnetskog polja unutar LPZ 1 (posebno ako LPZ 1 nema elektromagnetski zaslon). Vodovi koji dolaze iz zone LPZ 0A (gdje su mogući izravni udari munje) prenose djelomične struje munje. Na granici zona LPZ 0A i LPZ 1 stoga treba postaviti SPD-ove ispitane na I max (SPD-ovi ispitani na razred I) koji će te struje odvesti.Vodovi koji dolaze iz zone LPZ 0B (gdje su isključeni izravni udari munja, ali postoji puno elektromagnetsko polje), prenose samo inducirane valove. Na granici zona LPZ 0B i LPZ 1 treba učinke indukcije simulirati bilo strujnim valom oblika 8/20 μs (SPD-ovi ispitani na razred II) ili odgovarajućom kombinacijom ispitnih udarnih valova (SPD-ovi ispitani na razred III) prema normi IEC 61643-1.[8]

Slika 3.9. Usklađena SPD zaštita el. instalacija i uređaja

55

Zahtjevi za odabir SPD-ova na granici LPZ 1 i LPZ 2 određeni su veličinom preostalog prenapona na prijelazu zona LPZ 0 i LPZ 1 i učincima indukcije elektromagnetskog polja unutar LPZ 1. Ako se ne može provesti detaljnija analiza tih opasnosti, glavni udar treba simulirati s pomoću udarnog strujnog vala oblika 8/20 μs (SPD-ovi ispitani na razred II) ili kombinacije ispitnih udarnih valova (SPD-ovi ispitani na razred III) prema normi IEC 61643-1. Ako su na granici zona LPZ 0 i LPZ 1 postavljeni SPD-ovi s naponskim sklapanjem, postoji vjerojatnost da razina upadnog strujnog vala munje ne bude dovoljna za proradu odvodnika. U takvom slučaju ostali SPD-ovi iza tog SPD-a mogu biti izloženi valnom obliku 10/350 μs.

56

4.

NAPRAVE ZA ZAŠTITU OD UDARNOG VALA (SPD)

4.1. PODJELA SPD PREMA KRITERIJIMA ZA IZBOR 4.1.1. PODJELA PREMA PRIMJENI – RAZREDBA SPD-a SPD za električne sustave i opremu - nazivnog napona do 1000 V Odvodnici prenapona se dijele na klase i tipove prema korištenoj normi: • u skladu s DIN VDE 0675-6:1989-11 na odvodnike prenapona odnosno SPD klase A, B, C i D; • u skladu s EN 61643-11:2001 na SPD tip 1, 2 i 3; • u skladu s IEC 61643-1 (2002-01) na SPD Klase I, II i III SPD za (tele)komunikacijske instalacije i opremu - za zaštitu modernih elektroničkih sustava u telekomunikacijama i ostalim signalnim mrežama, nazivnog napona do 1000 V efektivne vrijednosti izmjeničnog napona i 1500 V istosmjernog napona, od indirektnog i direktnog udara munje i drugih tranzijentnih prenapona.

4.1.1.1. Podaci o razredbi SPD-a U praksi se upotrebljavaju podjednako oznake tip 1, 2, 3 i klasa I, II, III. Oznake su jednakovrijedne i predstavljaju razrede formirane na osnovi ispitnih postupaka određenih normom EN 61643-11, kako je prikazano u tablici 4.1. Tablica 4.1. Razredba SPD-a

SPD prema EN 62305 SPD ispitivan s Iimp SPD ispitivan s In SPD ispitivan s kombiniranim valom

SPD prema EN 61643-11 Tip 1 Tip 2 Tip 3

SPD ispitivan s Iimp Za SPD-e koji podnose djelomične struje munje s tipičnim valnim oblikom 10/350 μs potrebno je odgovarajuće ispitivanje udarnom strujom Iimp. Za energetske instalacije prikladno ispitivanje strujom Iimp. određeno je u ispitnom postupku za Razred I iz EN 61643-11. SPD ispitivan s In Za SPD-e koji podnose inducirane valovite (udarne) struje s tipičnim valnim oblikom 8/20 μs potrebno je odgovarajuće ispitivanje udarnom strujom In. Za energetske instalacije prikladno ispitivanje strujom In određeno je u ispitnom postupku za Razred II iz EN 61643-11. 57

SPD ispitivan s kombiniranim valom Za SPD-e koji podnose inducirane valovite (udarne) struje s tipičnim valnim oblikom 8/20 μs potrebno je odgovarajuće ispitivanje udarnom strujom Isc. Za energetske instalacije prikladno ispitivanje kombiniranim valom određeno je u ispitnom postupku za Razred III iz EN 61643-11, određujući napon otvorenog strujnog kruga (praznog hoda) Uoc 1,2/50 μs i struju kratkog spoja Isc 8/20 μs 2 Ω kombiniranog vala. 4.1.2. PODJELA PREMA KAPACITETU ODVOĐENJA I NJIHOVOM ZAŠTITNOM UČINKU Odvodnici udarnog vala za zaštitu instalacija i opreme od direktnog udara munje (primjena na granicama zona zaštite od munje - LPZ 0A i 1), (tip1, klasa I). Odvodnici udarnog vala za zaštitu instalacija, opreme i uređaja od indirektnih i udaljenih udara munje, sklopnih prenapona kao i elektrostatskih pražnjenja (primjena na granicama LPZ koje slijede iza 0B), (tip 2, klasa II). Kombinirani SPD - za zaštitu instalacija, opreme i uređaja od direktnog i indirektnog udara munje (primjena na granicama LPZ 0A i 1 kao i 0A i 2).

4.1.3. PODJELA PREMA NAČINU RADA SPD s naponskim sklapanjem SPD ima veliki otpor ako nema naponskog vala, ali mu se otpor naglo smanji kad takav val na njega naiđe. Uobičajeni primjeri uređaja s naponskim sklapanjem uključuju iskrišta, plinske izbojne cijevi (GDT), tiristore (silikonski upravljivi ispravljači) i triake. Takvi SPD-ovi imaju prekinutu U-I karakteristiku, a ponekad se nazivaju „crowbar” vrstom zaštite. Ovi uređaji naglim smanjenjem otpora režu amplitudu prenapona što proizvodi naponski val vrlo velike strmine na čelu koji može oštetiti izolaciju uređaja. Zbog ovoga je potreban pravilan izbor odnosno usklađenje prenaponske zaštite. Iskrište predstavlja uređaj koji ograničava prenapon, ali stvara kratak spoj pri djelovanju, tako da se štićeni dio mreže i uređaji moraju isključiti djelovanjem neke od zaštita od kratkih spojeva. SPD s naponskim ograničavanjem SPD velikog otpora kad nema naponskog vala i koji se pri nailasku vala postupno smanjuje s povećanjem udarne struje i napona. Uobičajeni primjeri uređaja koji se upotrebljavaju kao nelinearni uređaji su varistori (metal-oksidni (ZnO) odvodnici) i prigušne diode. Takvi se SPD-ovi ponekad nazivaju „clamping” vrstom zaštite i imaju neprekinutu karakteristiku napon/struja. 58

složeni SPD SPD koji sadrži obje vrste sastavnica i to s naponskim sklapanjem i naponskim ograničavanjem, pa se može ponašati kao naponski ventil, naponsko ograničavalo ili obavljati obje te uloge, ovisno o značajkama naponskog vala

4.2. GRAĐA I OSOBINE SPD-a Izvedba SPD se razlikuje ovisno o željenoj primjeni, zaštitnom učinku, kapacitetu odvođenja i načinu rada. 4.2.1. SPD S NAPONSKIM SKLAPANJEM 4.2.1.1.

Iskrišta

Iskrište je namjerno oslabljeno mjesto u sustavu na kojem treba doći do preskoka prije nego na ostalim elementima sustava. Najednostavnija izvedba iskrišta je sa dvije elektrode na međusobnom razmaku u zraku s točno određenim probojnim naponom, koji je niži od probojnog napona ostalih elemenata sustava. Jedna od elektroda je na potencijalu zemlje, a druga se nalazi pod naponom. Pri pojavi udarnog vala nastaje proboj dielektrika (zraka), odnosno električni luk između elektroda i struja se odvodi u zemlju. Za vrijeme prolaska struje između elektroda je stvoren ionizirani vodljivi kanal kroz koji nastavlja teći struja radne frekvencije nakon prolaska prenapona. Ta tzv. slijedna struja je jedan od glavnih nedostataka iskrišta. Drugi nedostatak je što naglo prekidanje udarnog vala proizvodi novi udarni val velike strmine čela što može oštetiti blisku instalaciju i uređaje. Glavna prednost odvodnika na tehnologiji iskrišta je mogućnost odvođenja velikih struja i niski preostali napon zbog male impendacije el. luka. Time je omogućeno provođenje velike energije uz relativno malo termičko opterećenje SPD-a, pa se iskrišta koriste kao zaštitni uređaji klase I odnosno tipa 1. Već spomenuti nedostaci su : - visoki napon prorade (zaštitni nivo) koji ovisi o strmini čela vala, - dugo vrijeme odziva koje također ovisi o strmini čela vala, - postojanje slijedne struje koju je potrebno ograničiti i spriječiti - ovisnost probojnog napona (napona prorade) iskrišta o atmosferskim prilikama (tlak, vlaga) u otvorenim izvedbama. Naponsko strujnu karakteristiku iskrišta možemo vidjeti na slici 4.2. Vidljivo je da nakon prolaska udarnog napona i odvođenja struje munje reda veličine 100kA, nastavlja se protjecanje struje kroz iskrište od nekoliko kA, pod utjecajem nazivnog napona. Ta struja praktički predstavlja struju kratkog spoja, te nadstrujna zaštita mora isključiti napajanje sustava.

59

Slika 4.2. Ponašanje iskrišta kao odvodnika struje munje

U praksi postoje nekoliko različitih izvedbi SPD-a na principu iskrišta. Sve izvedbe, naročito u novije vrijeme, teže otkloniti nedostatke iskrišta. Cijevni odvodnici prenapona Cijevni odvodnici su iskrišta kod kojih je omogućeno gašenje luka. Elektrode iskrišta postavljaju se na određenom međusobnom razmaku u specijalnu cijev, pa su zbog toga i dobili ime cijevni odvodnici. Cijev je napravljena od specijalnog izolacijskog materijala koji stvara plinove pod utjecajem temperature koja se razvija prilikom elektičnog luka . Plinovi stvoreni u cijevi su pod velikim pritiskom i oni struje prema vani kroz predviđene otvore, te na taj način otpuhuju luk i gase ga. Time se ograničava slijedna struja iskrišta. Kompresiona iskrišta (zatvorena u kapsuli) U uporabi su otvorena (sa ispuhom plazme stvorenog električnog luka u trenutku paljenja) ili zatvorena (kompresiona) iskrišta gdje je riješen problem ispuha plazme u momentu paljenja, te nije potrebno osiguravati sigurnosne razmake (slika 4.3) Naponske razine kreću se od 150 V do nekoliko KV. Konstrukcijski su različita iskrišta predvidena za NN mrežu (napajanje) i ona namjenjena indirektnom izjednačivanju potencijala, često nazivana i izolacijska iskrišta. Izolacijska iskrišta su "dugovječnija" poradi konstrukcijskih posebnosti jer nemaju nemaju problem prisilnog gašenja plazme i dodatnog zagrijavanja zbog slijednih struja.

60

a)

b)

c)

Slika 4.3 Građa kompresionog iskrišta: a) shematski prikaz presjeka, b) Prikaz kapsule iskrišta s isječenim kućištem, c) grafički simbol

Problem gašenja el. luka odnosno slijedne struje se rješava promjenjivom geometrijom iskrišta sa ciljem produženja puta ispuha plazme (kao npr. RADAX tehnologija koja kombinira radijalnu i aksijalnu geometriju) sa odabirom posebnih obloga komora iskrišta koje svojim kemijsko-fizikalnim svojstvima pospješuju gašenje luka. Konstrukcija iskrišta kombinacijom radijalnog i aksijalnog usmjeravanja plazme pospješuje njeno "hlađenje" i brže gašenje iskrišta a time i smanjenje negativnih efekata dugotrajnih slijednih struja koje uzrokuju dodatno zagrijavanje. Deklarirana izdržljivost (životni vijek) oko 10 nominalnih pražnjenja uz napomenu da se pod pojmom "izdržljivosti" podrazumjeva da nakon 10 pretrpljenih nominalnih udara dinamički prag paljenja iskrišta poraste preko 4 kV , čime je prijeđen prag naponske podnosivosti za instalacije i uređaje.[10] Neki uređaji koriste dodatne okidače za paljenje električnog luka iskrišta i time snizuju zaštitni nivo iskrišta (slika 4.3)

61

Slika 4.3 Primjer kompresionog iskrišta s okidačem luka

Plinski odvodnici prenapona Plinski odvodnici (GDT) su komponenete koje koriste kontrolirani izboj u plinom punjenim komorama . Izboj u plinu nastupi nakon porasta napona na elektrodama do točke paljenja plina, a nakon toga napon izmedu elektroda ostaje konstanatan (engl.: Holdover Voltage) i neovisan o struji. Obično se izrađuju u dvopolnoj i tropolnoj verziji i uporabljuju se uglavnom u SPD-ima namjenjenim zaštiti ICT opreme i instalacija, ali imaju primjenu i u energetskim kombiniranim SPD-ima Tip 3. Po deklariranim vršnim opterećenjima mogu doseći vrijednosti i do 100 kA (valni oblik 8/20 μsek).[10] Osim navedenog postoje i kombinirani odvodnici gdje se koriste iskrišta kao komponente. Starije izvedbe koristile su kombinaciju iskrišta i SiC varistora u serijskom spoju, no danas ZnO komponente istiskuju upotrebu SiC. Moderni SPD-ovi na bazi iskrišta predstavljaju nezamjenivi izbor za zaštitu od struje munje valnog oblika 10/350µs odnosno za primjenu u klasi I (tip1) za impulsne struje munje Iimp do 100KA 4.2.1.2.

Elektroničke komponente

Ovoj skupini SPD-a s naponskim isklapanjem pripadaju diode, tiristori, triaci i slične upravljive elektroničke sklopke. Karakterizira ih niska energetska izdržljivost odnosno male struje odvođenja In, mali preostali napon Ur i kratko vrijeme odziva. Te osobine ih čine primjenjivima u niskonaponskim instalacijama za zaštitu telekomunikacijskih linija.

62

4.2.2. SPD S NAPONSKIM OGRANIČAVANJEM Varistori odnosno naponski ovisni otpornici su glavni predstavnici ove vrste SPD-a. Suvremeni varistori su metal-oksidni (MOV metal oxide varistor), odnosno ZnO polikristalni o naponu ovisni nelinearni otpornici s negativnim temperaturnim koeficijentom, čija građa je prikazana na slici 4.4. Izrađuju se od smjese fino mljevene termostabilne keramike (punilo) i primjesa cinkova oksida (granule), ali i nekih drugih metalnih oksida (bizmuta, kobalta, mangana ...), koja se sinterira na visokoj temperaturi tvoreći prostornu polikristaličnu strukturu. Granule omeđene tankim slojem punila ponašaju se kao Zener diode spojene "leđa-u-leđa". Struktura prikazana na slici 4.4. ima strujno-naponske karakteristike ovisne o velicini granula u μm (naponski korak), volumenu (disipacija snage/specificna energija), promjeru (maksimalno dozvoljene struje), debljini (nominalni napon). Izrađuju se za napone od 2,5 V pa do 6.000 V, uz opterećenja i do 400 kA(8/20 μsek) odnosno 50 kA (10/350 μsek). [10]

Slika 4.4. Shematski prikaz građe varistorskog ZnO odvodnika prenapona s otpornosti ovisne o naponu

prikazom nelinearne

63

Cinkov oksid je poluvodič N tipa, te njegova vodljivost ovisi o dopiranim elementima ili o nepravilnostima u kristalnoj strukturi, odnosno nastankom nuldimenzijskih nepravilnosti, vakancija na mjestima gdje bi trebali biti atomi kisika (slika 4.5), cinkovi atomi disociraju u pozitivne ione (katione) i kvazislobodne elektrone.

Slika 4.5 Shematski prikaz nuldimenzijskih nepravilnosti u kristalu ZnO

ZnO keramika je izgrađena od kristalnih zrna cinkovog oksida i polikristalnih metaloksidnih aditiva na granicama ZnO zrna. Iz toga slijedi da je unutrašnjost zrna varistorske keramike električki vodljiva, dok su njegove vanjske zone (granice), gdje pojedine čestice tvore međusobne dodirne veze, izrazito izolacijske zbog toga što područje granica sadrži potencijalne barijere stvorene nečistoćama i nepravilnostima u polikristalnoj strukturi akceptorskog tipa. Navedeno ima za poslijedicu hvatanja kvazislobodnih elektrona na površini granica zrna, te površina postaje negativno nabijena. Negativni naboj površine je kompenziran pozitivno ioniziranim donorima u prostoru između granica dvaju zrna sa svake strane. Slijedom navedenog, napon narinut na promatrani uzorak ZnO keramike koncetrirati će se na granicama zrna i stvoriti vrlo jako, koncentrirano električno polje koje će sniziti potencijalnu barijeru granice i omogučiti slabu struju („mirnu struju“) kroz barijeru. Izolacijski efekt granica je odgovoran za nelinearnu U-I karakteristiku ZnO keramike. Pri probojnom naponu imamo vrlo nelinearnu promjenu struje (skokovita promjena). Za objašnjenje probojnog mehanizma predloženo je nekoliko teorija. Možemo izdvojiti dvije teorije kao najvjerojatnije: Teorija tunelskog proboja i teorija space-charge-limited-current (SCLC) . [11] [12] Mikroskopski gledano električno polje je veliko u međuprostoru između čestica ZnO i u blizini njihovih granica, a malo je unutar ZnO čestica. Struja koja teče kroz varistor prolazi kroz najmanji broj spojeva (najmanji otpor). Na mjestima gdje teče struja kroz granice zrna dolazi do največeg termičkog opterećenja. Stoga je neophodno stvoriti homogenu strukturu ZnO keramike kako bi u makroskopski gledajući imali jednoliku raspodjeljeno električno polje, struju i zagrijavanje strukture.

64

Nelinearna U-I karakteristika ZnO varistora može se opisati empirijskim izrazom [11]: I  C U





(19)

gdje su: I – struja kroz varistor U – napon na elektrodama varistora C –konstanta definirana kao nelinearna el. otpornost materijala, predstavlja ohmsku otpornost definiranu s naponom po jedinici duljine materijala (V/mm), dok materijalom 2

protječe gustoća struje od 1mA/cm [12]  - nelinearni eksponent ( za  =1 imamo linearnu karakteristiku el. vodljivosti) Nelinearni eksponent  izračunavamo prema izrazu [12]:



log I 2  log I 1 dI log I  dV log V log V2  log V1

(20)

gdje su: I1– struja kroz varistor pri naponu U1 I2– struja kroz varistor pri naponu U2 U2> U1

Slika 4.6 Strujno - naponska karakteristika ZnO varistora

65

Na I-U karakteristici prikazanoj slikom 4.6 razlikuju se tri područja. U samom početku je područje 1. ("prije proboja"), u kojem je struja protjecanja zanemarivo mala. U ovom području karakteristika je jako osjetljiva na temperaturu. Treba spomenuti da je struja propuštanja u prvom području pretežno kapacitivna, što se može vidjeti iz posebno nacrtane strujno-naponske karakteristike samo za kapacitivnu struju (crtkana linija). Relativna dielektrična konstanta vrlo je visoka. Krivulja koja odgovara radnoj komponenti struje u ovom području izmjerena je istosmjernim naponom, a kapacitivna izmjeničnim 50 (60) Hz. Pri istosmjernom naponu koji odgovara trajnom naponu protiče struja od oko 0.1 mA (radna komponenta), a pripadna kapacitivna komponenta pri 50 Hz za ovu vrijednost napona iznosi oko 0.75 mA. Glavni početni problem u eksploataciji prve generacije varistora bio je stabilnost karakteristike u prvom podrucju, pri vrlo malim strujama. Nakon većeg broja primljenih udara dešavao se pomak ove karakteristike prema većim vrijednostima struja, koje bi termički mogle uništiti odvodnik. Novije generacije odvodnika riješile su ovaj problem. Drugo područje od struje preko 1A izmjereno je udarnom strujom 8/20 μs. Na drugom području karakteristike jako je izražena nelinearnost, a temperaturna ovisnost je zanemariva. Na trećem području karakteristika više nije tako nelinearna, a za mjerenje karakteristike primjenjuju se strujni impusi oblika 8/20 μs ili 4/10 μs. Varistori odnosno MOV se danas upotrebljavaju na širokom području zaštite od udarnih napona od SN mreža (gdje zamjenjuju iskrišta i SiC varistore) do NN instalacija za zaštitu nadzemnih NN opskrbnih vodova (gdje također zamjenjuju starije izvedbe kombiniranih uređaja SiC i iskrišta). U niskonaponskim instalacijama imaju najširu primjenu kao SPDovi tipa 2 (klase II), (sl. 4.7).

a)

b)

c)

Slika 4.7 MO varistori: a) na nadzemnom neizoliranom vodu, b) za montažu na Din šinu, c) pojednostavljena shema

66

Kao što je vidljivo na shemi 4.7 c) moderni SPD na bazi MO varistora imaju serijski spojen termodinamički prekidač koji ih štiti od preopterećenja. Prednosti MOV SPD-a: - Isplativa proizvodnja uz prihvatljivu cijenu, - relativno brzo vrijeme odziva, - pri udarnom valu ne stvara kratak spoj i nema slijednu struju, - ne „reže“ val već ga ograničava, - nizak zaštitni nivo – ovisno o izvedbi, - konstantan preostali napon tijekom prorade. Nedostaci MOV SPD-a: - relativno visok preostali napon, zbog relativno visoke impedancije pri proradi, - visoka termička naprezanja – starenje materijala, može doći do eksplozije odvodnika, - protok energije ovisi o dimenzijama varistora, - mirna struja If pri nazivnom radnom naponu mreže. Na slici 4.8 vidimo usporedbu naponskih karakteristika iskrišta i MO varistora pri testu hibridnim generatorom s impulsnim naponom 6KV, strmine čela 1.2/50 µs

Slika 4.8 Usporedba naponskih karakteristika MOV i kompresionog iskrišta (Spark Gap) [13]

Udarni val je ograničen s MO varistorskim SPD klase II (Uc = 350 V AC, Imax = 40 kA, 8/20 µs) na Ur = 840 V . Vidljivo je da udarni valovi brzog porasta mogu biti brzo i efikasno ograničeni s MOV. Za usporedbu kod kompresionog iskrišta klase II izmjerene su velike razine proradnog napona s vrhuncem na 1410 V. [13]

67

4.2.3. SLOŽENI SPD Složeni uređaji za zaštitu od udarnog vala u sebi sadrže komponente s naponskim sklapanjem (iskrišta) i komponente s naponskim ograničavanjem (varistori) U prošlosti primjer za takve uređaje bili su kombinirani SPD-ovi od iskrišta i SiC varistora. Moderni uređaji izrađuju se s komponentama kompresionog iskrišta u „kapsuli“ i MO varistora. Cilj ove kombinacije je: - sniziti naponsku zaštitnu razinu prorade (MOV), - skratiti vrijeme odziva (MOV), - spriječiti slijednu struju (MOV), - povečati mogućnost vođenja impulsne struje10/350µs do 100KA (iskrište), - sniziti preostali napon Ur . Posebno je zanimljiva kombinacija kompresionog iskrišta i varistora proizvođača Dehn + Sohne u uređaju trgovačkog imena Dehventil koji u sebi objedinjuje SPD tipa 1 i 2 (slika 4.9)

Slika 4.9 a) Izgled kombiniranog SPD-a tip 1 i 2 „DEHNventil, b) pojednostavljena shema

Uređaj ovakvog tipa pokriva zaštitu u klasi I i II i usklađen je s klasom III (tip 3), tako da u prenaponskoj usklađenoj zaštiti zamjenjuje dva SPD-a i rasprežne elemente (kabel ili prigušnica), što je ušteda u prostoru i novcu.

68

5.

PRIMJENA UREĐAJA ZA ZAŠTITU OD UDARNOG VALA

5.1. POTREBA PRIMJENE SPD-a Potreba primjene SPD-a u niskonaponskim distributivnim mrežama Da bi procjenili potrebu za postavljanjem zaštite, odnosno odredili parametre zaštite, potrebno je procjeniti učestalost pogodaka munje u NN mrežu. Za određivanje broja udara munje u nadzemnu NN mrežu može se koristiti izraz (20), koji se koristi i za VN vodove [16],. Gustoća udara groma definirana je brojem udara po jedinici površine tijekom perioda od jedne godine. Njome se opisuje ugroženost neke lokacije od udara. Srednja gustoća udara groma može se procijeniti relacijom prema:

........................................(21) pri čemu je Td prosječni broj grmljavinskih dana u godini (keraunički nivo). Postrojenja su redovito dobro zaštićena od direktnog udara groma u fazne vodiče, tako da prenaponi mogu naići u postrojenje preko priključenih dalekovoda. Broj udara groma u nadzemni vod računa se iz relacije predložene od strane radne grupe IEEE:

................................(22) pri čemu je: w- prosječni razmak između zaštitnih vodiča u [m], (0 za jedno zaštitno uže), hz -prosječna visina zaštitnog užeta iznad tla u [m]. Potreba primjene SPD-a u niskonaponskim instalacijama Zaštita NN instalacija od udarnih valova pomoću SPD-a primjenjuje se na temelju procjene rizika kako je objašnjeno u HRN EN 62305-2 u poglavlju upravljanja rizikom Najpogodnije zaštitne mjere mora odabrati projektant prema udjelu svake sastavnice rizika u ukupnom riziku R, kao i prema tehničkim i gospodarskim značajkama različitih zaštitnih mjera. Moraju se odrediti kritični parametri kako bi se upotrijebile najučinkovitije mjere za smanjenje rizika R. Za svaku vrstu gubitaka postoji više zaštitnih mjera koje same za sebe ili u kombinaciji s drugima zadovoljavaju uvjet R ≤ RT, gdje je RT prihvatljivi rizik. Mora se prihvatiti rješenje koje ima tehničke i gospodarske prednosti. Pojednostavljeni postupak za odabir zaštitnih mjera prikazan je u dijagramu toka za za opskrbne vodove na slici 5.1. U svakom slučaju, izvoditelj radova ili projektant trebaju utvrditi najkritičnije sastavnice rizika i smanjiti ih, uzimajući u obzir i gospodarske aspekte. [6]

69

Slika 5.1. Postupak odabira zaštitnih mjera za opskrbne vodove [6]

Sastavnice rizika navedene na slici 5.1 su slijedeće: Procjena sastavnica rizika zbog udara munja u građevinu RB – sastavnica koja se odnosi na materijalne štete RC – sastavnica koja se odnosi na kvarove unutarnjih sustava Procjena sastavnica rizika zbog udara munja u opskrbni vod spojen na građevinu (S3) RU – sastavnica koja se odnosi na ozljede živih bića RV – sastavnica koja se odnosi na materijalne štete RW – sastavnica koja se odnosi na kvarove unutarnjih sustava Procjena sastavnica rizika zbog udara munja pokraj opskrbnog voda spojenog nagrađevinu (S4) RZ – sastavnica koja se odnosi na kvarove unutarnjih sustava

70

Ako je vjerojatnost rizika pojedine sastavnice veća od dozvoljenog, to može imati slijedeće posljedice: [15] a) posljedice po ljudski život, npr. sigurnosne službe, liječnička oprema u bolnicama; b) posljedice po javne službe, npr. gubitak javnih službi, IT centri, muzeji; c) posljedice po komercijalnu i industrijsku aktivnost, npr. hoteli, banke, industrija, trgovačke kuće, farme; d) posljedice po skupine pojedinaca, npr. velike stambene zgrade, crkve, uredi, škole; e) posljedice po pojedince, npr. male ili srednje stambene zgrade, mali uredi. Kod mogućnosti posljedica pod a), b), c) prenaponska zaštita je obavezna Za razine posljedica d) i e) zahtjev za zaštitu ovisi o rezultatu izračuna. Izračun se izvodi uporabom pojednostavljene formule za određivanje duljine d koja se zasniva na dogovoru i zove se dogovorena (konvencionalna) duljina. [15] Zaštita je potrebna ako je: d > dc ......................................................................................(23) gdje je: d dogovorena duljina u km opskrbnog voda razmatrane građevine s najvećom vrijednošću od 1 km; dc kritična duljina; 1 2 dc u km jednaka je za razinu posljedica d) i za razinu posljedica e) Ng Ng gdje je Ng učestalost udara po km2 godišnje. Određivanje dogovorene duljine d: Konfiguracija niskonaponskog distribucijskog voda, njegovo uzemljenje, izolacijska razina razmatrane pojave (induktivna sprega, otporna sprega) dovode do različitih odabira za d. Niže predloženo određivanje predstavlja dogovorno najnepovoljniji slučaj, na osnovi pojednostavljenje metode prema IEC 61662: d  d1 

d2 d3  K g Kt

.............................................................(24)

Dogovorno d se ograničuje na 1 km, gdje je: d1 duljina niskonaponskog nadzemnog opskrbnog voda do građevine, ograničena na 1 km; d2 d3

duljina niskonaponskog podzemnog nezaslonjenog voda do građevine, ograničena na 1 km; duljina visokonaponskog nadzemnog opskrbnog voda do građevine, ograničena na 1 km; 71

Duljina visokonaponskog podzemnog opskrbnog voda se zanemaruje. Duljina zaslonjenog niskonaponskog podzemnog voda se zanemaruje. Kg = 4 je redukcijski faktor zasnovan na odnosu utjecaja udara između nadzemnih vodova i podzemnih nezaslonjenih kabela, izračunan za specifični otpor tla od 250 Ωm; Kt = 4 je tipični redukcijski faktor za transformator. U praksi se vjerojatnost pojave navedenih sastavnica odnosno procjena ukupnog rizika R izračunava i donosi računalnim alatima izrađenim na osnovi smjernica norme HRN EN 62305-2. To su npr. IEC Risk assessment calculator (na slici 5.2) i DEHNsupport.

Slika 5.2 Izgled aplikacije za proračun rizika“ IEC Risk assessment calculator“

72

5.2. ODABIR SPD-a Osnovni cilj prenaponske zaštite je postići zaštitni naponski nivo manji od podnosivog napona štićene instalacije i uređaja te sigurno odvesti struju odvođenja u zemlju bez oštećenja SPD i instalacije uz neprekidno napajanje štićenih uređaja. Izbor parametara odvodnika prenapona predstavlja kompromis u zadovoljenju slijedećih zahtjeva: • što veća otpornost u odnosu na privremene prenapone; • što niža zaštitna razina (niži preostali napon); • što veća sposobnost apsorpcije energije (veća energetska podnosivost); • što niža cijena. Ukratko, da bi izabrali SPD s zadovoljavajućim parametrima moramo znati: - podnosivi napon instalacije i uređaja Uw , - očekivanu impulsnu struju (udarni strujni val) Iimp i struju odvođenja In, - maksimalno dozvoljeni zaštitni nivo (proradni napon) Up, - očekivanu vrijednost i trajanje privremenih prenapona UTOV, - nazivni radni napon mreže (instalacije), - vrijednost nadstrujne zaštite prije SPD-a. U tablici 5.1. prikazane su kategorije podnosivog napona instalacije i uređaja Uw. Tablica 5.1. Kategorije podnosivog udarnog napona instalacija i uređaja (15)

Nazivni napon

Potrebni udarni podnosivi napon opreme

instalacije a V

kV b Oprema na

Oprema

Aparati i trošila

Posebno

početku

razdiobnih i

(udarna

štićena oprema

instalacije

krajnjih strujnih

podnosiva

(udarna

(udarna

krugova

kategorija II)

podnosiva

podnosiva

(udarna

kategorija IV)

podnosiva

Trofazni sustavi

kategorija I)

kategorija III) 230/400

6

4

2,5

1,5

400/600

8

6

4

2,5

1000

12

8

6

4

277/440

a Prema IEC 60038 b Ovaj udarni podnosivi napon primjenjuje se između aktivnih vodiča i PE

73

Na slici 5.3 prikazan je odnos parametara sustava odnosno instalacije i uređaja koji se štite i parametara SPD-a koje je potrebno odabrati.

Slika 5.3 Prikaz naponskih parametara odvodnika prenapona i parametara sustava

Odabir parametara SPD-a mora zadovoljiti uvjete iz slike 5.1. i odabire ih se prema izrazima i tablici iz točke 3.2.1.1. Parametri SPD-a. Odabir prema odvodnoj struji (In) i udarnoj struji (Iimp) Odabir veličine impulsne struje I imp može se temeljiti na podacima prikazanim u tablici 5.2 gdje su odabrane vrijednosti Iimp prikazane ovisno o razini zaštite od munje (LPL). Tablica 5.2 Očekivani udarni strujni valovi u vodovima zbog udara munja (5)

74

Ako su SPD-i potrebni prema HD 60364-4-443, nazivna odvodna struja In ne smije biti manja od 5kA 8/20 za svaki način zaštite. U slučaju postavljanja SPD u TT sustavu na strani opskrbe ispred RCD-a, nazivna odvodna struja In za prenaponsku zaštitnu napravu spojenu između neutralnog i PE vodiča ne smije biti manja od 20 kA 8/20 za trofazne sustave i 10 kA 8/20 za jednofazne sustave. Ako su SPD-i potrebni prema HRN EN 62305-4, udarna struja munje Iimp prema EN 61643-11 mora se izračunati prema HRN EN 62305-4 (točka A.4.). Ako se vrijednost struje ne može ustanoviti, vrijednost Iimp ne smije biti manja od 12,5 kA za svaki način zaštite. U slučaju postavljanja SPD-a u TT sustavu na strani opskrbe ispred RCD-a, udarna struja munje Iimp za prenaponsku zaštitnu napravu spojenu između neutralnog i PE vodiča mora se izračunati slično prema gore spomenutim normama. Ako se vrijednost struje ne može ustanoviti, vrijednost Iimp ne smije biti manja od 50 kA za trofazne sustave i 25 kA za jednofazne sustave. Kad se jedan jedini SPD uporablja za zaštitu prema oboje HRN EN 62305-4 i HD 603644-443, vrijednosti za In i Iimp moraju biti u skladu s gornjim vrijednostima.[14] Odabir prema očekivanoj struji kratkog spoja i vrijednosti prekidanja slijedne (posljedične) struje Podnosivost kratkog spoja kombinacije SPD i nadstrujne zaštitne naprave (OCPD) kako je naveo proizvođač SPD-a mora biti jednaka ili veća od najveće struje kratkog spoja očekivane u točki postavljanja. Dodatno, kad je proizvođač izjavio vrijednost prekidanja posljedične struje, ona mora biti jednaka ili veća od očekivane struje kratkog spoja između linijskog i neutralnog vodiča (jednopolne struje kratkog spoja) u točki postavljanja. SPD-i spojeni između neutralnog i PE vodiča u TT ili TN sustavima, koji omogućuju posljedičnu struju energetske frekvencije nakon prorade (npr. iskrišta) moraju imati vrijednost prekidanja posljedične struje veću ili jednaku 100 kA. U IT sustavima vrijednost prekidanja posljedične struje za SPD-e spojene između neutralnog vodiča mora biti ista kao za SPD-e spojene između linijskog i neutralnog vodiča.

75

5.3. NAČIN POSTAVLJANJA SPD-a Učinkovitost SPD zaštite ne ovisi samo o pravilnom odabiru SPD-ova, nego također i o njihovom pravilnom postavljanju (ugradnji), pri čemu treba uzeti u obzir: – mjesto ugradnje SPD-ova – spojne vodiče – zaštitni razmak zbog pojave oscilacija – zaštitni razmak zbog pojave indukcije. Unutarnji sustavi su zaštićeni: – ako je njihov podnosivi udarni napon Uw veći ili jednak SPD-ovoj naponskoj razini zaštite UP uvećanoj za pad napona na priključnim vodovima – ako su energetski usklađeni sa SPD-om koji prethodi. Zaštitna razina SPD-a ovisna je o preostalom naponu pri određenoj nazivnoj struji In. U skladu s jakošću struje koja teče kroz SPD, mijenja se i vrijednost napona na stezaljkama SPD-a. Ako je SPD spojen na opremu koju treba zaštititi, induktivni gubitak napona ΔU na priključnim vodovima dodat će se zaštitnoj razini napona UP SPD-a. Rezultantna efektivna zaštitna razina napona UP/f, definirana kao napon na izlazu SPD-a, kao rezultat napona zaštitne razine i gubitka napona u vodovima/spojevima (vidi sliku 5.2) može se pretpostaviti da je: - za naponski ograničavajuću vrstu SPD-a UP/f = UP + ΔU ............................................................................... (25) - za naponski sklopivu vrstu SPD-a. UP/f = max (UP, ΔU) ...................................................................... (26) Za neke sklopive vrste SPD-a može se pri gubitku napona ΔU zahtijevati dodavanje napona luka. Taj napon luka može doseći nekoliko stotina volta. Za složene vrste SPD-a mogu biti potrebne i složenije formule. Kad kroz SPD teče djelomična struja munje i kad je duljina priključnih vodova ≤ 0,5 m, treba pretpostaviti da je ΔU = 1 kV po metru duljine ili dodati za sigurnost najmanje 20 %. Ako SPD vodi samo inducirane udarne struje, ΔU se može zanemariti.

76

Slika 5.4 Prenapon između vodiča pod naponom i sabirnice za izjednačivanje potencijala

Na slici 5.4 oznake imaju slijedeća značenja: I - djelomična struja munje. UP/f = UP + ΔU - prenapon između vodiča pod naponom i sabirnice za izjednačivanje potencijala. UP - ograničavajući napon SPD-a (zaštitna razina) ΔU = ΔUL1+ΔUL2 - induktivni gubitak napona na (spojnim) vodičima za izjednačivanje potencijala. H, dH/dt - jakost magnetskog polja i derivacija jakosti tog polja po vremenu. Udarni napon (prenapon) UP/f između vodiča pod naponom i sabirnice za izjednačivanje potencijala je veći od zaštitne naponske razine UP tog SPD-a, zbog induktivnog gubitka napona ΔU na spojnim vodičima (čak i ako se amplitude UP i ΔU nužno ne pojave istodobno). Naime, djelomična struja munje koja teče kroz SPD inducira dodatni napon u petlji na zaštićenoj strani strujnog kruga iza SPD-a. Stoga najveći napon koji ugrožava spojenu opremu može biti znatno veći od naponske zaštitne razine UP tog SPD-a.

77

Mjesto ugradnje SPD-a u NN distribucijskoj mreži U nadzemnoj NN mreži danas se koriste metal-oksidni varistorski odvodnici prenapona klase II, najčešće s In=10kA i maksimalnom impulsnom strujom 65kA valnog oblika 4/10µs. SPD-ove ugrađujemo u ormarić TS-a i na kraju mreže. U novije vrijeme odvodnici prenapona se postavljaju i na prvom stupu NN mreže ispred TS.[16] Mjesto ugradnje SPD-a u NN instalaciji građevine Naprave za zaštitu od udarnih valova potrebno je ugraditi: a) Na ulazu voda u građevinu (na granici zone LPZ 1, npr. na glavnoj razdjelnoj ploči), odnosno na najbližem povoljnom mjestu za odvođenje udarne struje u zemlju. U tu svrhu se koriste: - SPD-ovi ispitani strujom Iimp (tipičan valni oblik 10/350, npr. SPD ispitan prema razredu I), odnosno odvodnici udarne struje munje, - SPD-ovi ispitani strujom In (tipičan valni oblik 8/20, npr. SPD ispitan prema razredu II). b) Blizu uređaja koji treba zaštititi (na granici zone LPZ 2 i viših zona, npr. na sekundarnom razdjelniku ili na utičnici) Ovdje se koriste: - SPD-ovi ispitani strujom In (tipičan valni oblik 8/20, npr. SPD ispitan prema razredu II) - SPD-ovi ispitani kombiniranim valom (tipičan valni oblik struje 8/20, npr. SPD ispitan prema razredu III). Spojni vodiči Spojni vodiči su vodiči od linijskog vodiča do prenaponske zaštitne naprave i od prenaponske zaštitne naprave do glavne stezaljke za uzemljenje ili do zaštitnog vodiča. S povećanjem duljine opskrbnih vodiča prenaponske zaštitne naprave (SPD-a) učinkovitost prenaponske zaštite se smanjuje. Za dosezanje najveće zaštite opskrbni vodiči trebaju biti što je moguće kraći. Strujne petlje trebaju se izbjeći. Ukupna duljina spojnih vodića svakog SPD (po jednom polu) prvenstveno ne bi trebala prijeći 0,5 m, ali ni u kojem slučaju ne treba prijeći 1 m. Spojni vodiči SPD-a tipa 1 (klase I) moraju imati najmanji presjek od 6 mm2 za bakar ili istovrijedni. SPD tipa 2 (klase II) potrebno je spajati najmanjim presjekom od 4 mm2 za bakar ili istovrijedni, dok SPD tipa 3 (klase III) treba spajati Cu vodičem presjeka ne manjeg od 1,5 mm2. [8] Ako postoji sustav zaštite od munje, potreban je za Tip 1 SPD prema EN 61643-11 najmanji presjek od 16 mm2 za bakar ili istovrijedni.

78

Zaštitni razmak zbog pojave oscilacija lpo Tijekom prorade SPD-a, napon između njegovih stezaljka ograničen je na vrijednost Up/f na mjestu SPD-a. Ako je duljina kruga između SPD-a i opreme prevelika, napredovanje udarnog vala može dovesti do pojave oscilacija. U slučaju otvorenog kruga na stezaljkama opreme, napon se može povećati na 2UP/f , dok kvar na opremi može nastati čak i ako je Up/f ≤ Uw. Zaštitni razmak zbog oscilacija lpo je najveća duljina kruga između SPD-a i opreme za koju SPD zaštita još odgovara (uzimajući u obzir pojavu oscilacija i kapacitivni teret). To ovisi o tehnologiji SPD-a, pravilima ugradnje te kapacitivnosti tereta. Ako je duljina strujnoga kruga manja od 10 m ili je UP/f < Uw /2, zaštitni se razmak može zanemariti. Ako je najveća duljina strujnoga kruga između SPD-a i opreme veća od 10 m i UP/f > Uw /2, zaštitni razmak zbog oscilacija može se izračunati s pomoću sljedeće jednadžbe: ..................................................(27) gdje je k = 25 V/m. Zaštitni razmak zbog pojave indukcije lpi Udari munja u građevinu ili u tlo pokraj građevine mogu inducirati prenapone u petljama krugova između SPD-a i opreme koji se dodaju Up i time smanjuju zaštitnu učinkovitost SPD-a. Inducirani prenaponi povećavaju se s veličinom petlje (način vođenja vodova, duljina strujnih krugova, razmak između PE i vodiča pod naponom, površina petlje između elektroenergetskih i signalnih vodova), a smanjuju se s prigušenjem jakosti magnetskog polja (prostorno zaslanjanje i/ili zaslanjanje vodova). Zaštitni razmak zbog pojave indukcije lpi je najveća duljina strujnoga kruga između SPD-a i opreme, za koju još zaštita SPD-a zadovoljava (uzimajući u obzir pojavu indukcije). Općenito, treba zahtijevati smanjivanje petlji između SPD-ova i opreme ako je magnetsko polje zbog munje preveliko. S druge strane magnetsko se polje i učinci indukcije mogu smanjiti na jedan od sljedećih načina: – prostornim zaslanjanjem zgrade (LPZ 1) ili pojedinih prostora (LPZ 2 i više zone) – zaslanjanjem vodova (uporaba zaslonjenih kabela ili kabelskih kanala). Uz pridržavanje tih mjera opreza, razmak za zaštitu od pojave indukcije lpi može se zanemariti.

79

5.3.1. OSNOVNI SPOJEVI OVISNO O SUSTAVU UZEMLJENJA MREŽE Prenaponske zaštitne naprave spajaju se ovisno o tipu sustava razdiobe (TN, TNC-S, TT, IT): - između svakog faznog vodića i neutralnog vodića - između svakog faznog vodića i PEN vodića - između svakog faznog vodića i PE - između neutralnog i PE vodića 5.3.1.1.

Instaliranje SPD-a u TN sustavima (spoj tip A)

Slika 5.5 Pojednostavljena shema spoja SPD-a u TN sustavima [14]

OCPD1 - Nadstrujna zaštitna naprava na početku instalacije OCPD2 - Nadstrujna zaštitna naprava koju zahtijeva proizvođač SPD-a 3 - Glavna stezaljka ili sabirnica za uzemljenje 4 - Prenaponske zaštitne naprave koje osiguravaju zaštitnu razinu prema prenaponskoj kategoriji II 5 - Spoj sa zemljom prenaponskih zaštitnih naprava, ili 5a ili 5b, što je kraće 6 - Oprema (uređaj) RA – Uzemljenje (otpor uzemljenja) instalacije RB – Uzemljenje (otpor uzemljenja) opskrbnog sustava

80

5.3.1.2.

Instaliranje SPD-a u TT sustavima

Spoj tip B – SPD na strani tereta iza RCD (strujna zaštitna sklopka)

Slika 5.6 Pojednostavljena shema spoja SPD-a u TT sustavima (tip B) [14]

OCPD1 - Nadstrujna zaštitna naprava na početku instalacije OCPD2 - Nadstrujna zaštitna naprava koju zahtijeva proizvođač SPD-a 3 - Glavna stezaljka ili sabirnica za uzemljenje 4 - Prenaponske zaštitne naprave koje osiguravaju zaštitnu razinu prema prenaponskoj kategoriji II 5 - Spoj sa zemljom prenaponskih zaštitnih naprava, ili 5a ili 5b, što je kraće 6 - Oprema (uređaj) 7- Strujna zaštitna sklopka (RCD) RA – Uzemljenje (otpor uzemljenja) instalacije RB – Uzemljenje (otpor uzemljenja) opskrbnog sustava

81

Spoj tip C – SPD na strani opskrbe ispred RCD (strujna zaštitna sklopka)

Slika 5.7 Pojednostavljena shema spoja SPD-a u TT sustavima( tip C) (14)

OCPD1 - Nadstrujna zaštitna naprava na početku instalacije OCPD2 - Nadstrujna zaštitna naprava koju zahtijeva proizvođač SPD-a 3 - Glavna stezaljka ili sabirnica za uzemljenje 4 - Prenaponske zaštitne naprave koje osiguravaju zaštitnu razinu prema prenaponskoj kategoriji II 4a - prenaponska zaštitna naprava (kombinacija SPD-a 4 i 4a u seriji koja osigurava zaštitnu razinu prema prenaponskoj kategoriji II) 5 - Spoj sa zemljom prenaponskih zaštitnih naprava, ili 5a ili 5b, što je kraće 6 - Oprema (uređaj) 7- Strujna zaštitna sklopka (RCD) RA – Uzemljenje (otpor uzemljenja) instalacije RB – Uzemljenje (otpor uzemljenja) opskrbnog sustava

82

5.3.1.3.

Instaliranje SPD-a u IT sustavima (spoj tip A)

Slika 5.8 Pojednostavljena shema spoja SPD-a u IT sustavima (14)

OCPD1 - Nadstrujna zaštitna naprava na početku instalacije OCPD2 - Nadstrujna zaštitna naprava koju zahtijeva proizvođač SPD-a 3 - Glavna stezaljka ili sabirnica za uzemljenje 4 - Prenaponske zaštitne naprave koje osiguravaju zaštitnu razinu prema prenaponskoj kategoriji II 5 - Spoj sa zemljom prenaponskih zaštitnih naprava, ili 5a ili 5b, što je kraće 6 - Oprema (uređaj) 7- Strujna zaštitna sklopka (RCD) RA – Uzemljenje (otpor uzemljenja) instalacije RB – Uzemljenje (otpor uzemljenja) opskrbnog sustava

83

5.3.1.4.

Instaliranje Tipova 1, 2, 3 SPD-a u TNC-S sustavu

Slika 5.9 Pojednostavljena shema spoja SPD-a u TNC-S sustavima (14)

1 – Početak instalacije – glavni razdjelni ormar 2 - Razdjelnik 3 - Utičnica 4 – Glavna sabirnica za izjednačenje potencijala 5 - Prenaponska zaštitna naprava (SPD) Tip 1 (Klasa I) 5 - Spoj sa zemljom prenaponskih zaštitnih naprava, ili 5a ili 5b, što je kraće 6 – Spoj na uzemljenje SPD-a 7 – Fiksna oprema (uređaj) koju treba štititi 8 - Prenaponska zaštitna naprava (SPD) Tip 2 (Klasa II) 9 - Prenaponska zaštitna naprava (SPD) Tip 3 (Klasa III) 10 – Rasprežni element ili potrebna duljina kabela OCPD1, OCPD2, OCPD3: nadstrujne zaštitne naprave Instalacija SPD Tipa 2 i 3 je obrađena u HRN HD 60364-4-443 koja se bavi zaštitom instalacije od indirektnih udara munje, dok je u HRN EN 62305-4 obuhvaćena i zaštita od direktnih i bliskih udara munje, gdje se normira ugradnja SPD-a tip 1. 84

5.3.2.

USKLAĐIVANJE (KOORDINACIJA) SPD-a

Usklađivanje energija potrebno je da se izbjegne prenaprezanje SPD-ova unutar sustava. Stoga se naprezanje pojedinih SPD-ova mora odrediti ovisno o njihovom mjestu postavljanja i značajkama. Čim se u kaskadi postave dva ili više SPD-a, potrebno je proučiti usklađenost tih odvodnika i opreme koju se štiti. Energetsko usklađivanje je postignuto kad je dio energije kojoj je podvrgnut svaki SPD manji ili jednak njegovoj podnosivoj energiji. Osnovna opasnost od munje slijedi iz njene tri sastavnice: – prvog udara munje – slijednih kratkih udara – dugog udara Sve tri sastavnice odnose se na pojedinačne struje od kojih se munja sastoji. Pri usklađivanju niza SPD-ova, kad se gleda raspodjela energije (naboj i amplituda), prevladavajući čimbenik je prvi kratki udar. Slijedni kratki udari imaju manje specifične energije, ali veće strmine struje. Dugi udar je dodatni čimbenik naprezanja koji nije potrebno uzeti u obzir pri usklađivanju. Parametri ukupne struje munje za razne razine zaštite (LPL) navedeni su u tablici 2.3. Međutim, pojedini SPD podnosi samo dio te ukupne struje munje, što zahtijeva određivanje raspodjele struje, bilo računalnom simulacijom s pomoću programa za analizu mreža, bilo približnim vrijednostima iz tablice 5.2. Za usklađivanje energija treba uzeti u obzir valne oblika vala prema razredbi SPD-a: - 10/350 μs za Iimp, - 8/20 μs za In, - kombinirani val napona praznog hoda Uoc 1,2/50 μs i struju kratkog spoja Isc 8/20 μs 2 Ω, - struja strmine čela 0,1 kA/μs služi za ispitivanje raspregnutosti slijedećeg SPD-a u nizu. Veličine podnosive energije treba uzeti iz: – električnih ispitivanja prema normi IEC 61643-1, – tehničkih obavijesti proizvođača SPD-a. Postoje tri osnovna načela usklađivanja: – usklađivanje karakteristika napon/struja (bez odvojnih članova) Ta se metoda osniva na karakteristici napon/struja i može se primijeniti na vrste SPD-a koje ograničuju napon (npr. varistor (MOV) ili dioda). Metoda nije jako osjetljiva na oblik strujnog vala. – usklađivanje uz uporabu namjenskih odvojnih članova Za potrebe usklađivanja mogu se kao odvojni članovi upotrijebiti dodatne impedancije s dovoljno velikom podnosivošću udarnih valova. Odvojni članovi u obliku djelatnih otpora upotrebljavaju se prvenstveno u informatičkim, a induktivni prvenstveno u elektroenergetskim sustavima. Za učinkovitost usklađivanja induktivnih otpora odlučujući je parametar strmina struje di/dt. 85

– usklađivanje uz uporabu SPD-a sa sklapanjem (bez odvojnih članova) Usklađivanje se može postići također i uporabom SPD-a sa sklapanjem ako elektronički sklop može jamčitida neće biti prekoračena podnosiva energija sljedećeg SPD-a u nizu. Slika 5.10 prikazuje osnovni model energetskog usklađivanja SPD-ova. Taj model vrijedi samo ako se može zanemariti impedancija mreže za izjednačivanje potencijala i međuinduktivitet između te mreže i instalacije nastale priključivanjem odvodnika SPD 1 i SPD 2.

Slika 5.10 Osnovni model energetskog usklađivanja SPD-a [8]

Na slici 5.10 vidimo odvojni član odnosno rasprežni element spojen između SPD1 i SPD2. Zadaća je odvojnih članova zapravo dvostruka, ograničavanje struje kroz SPD i osiguravanje dodatnog pada napona koji pribrojen nominalnom naponu SPD-a više klase doseže prag provodenja SPD-a niže klase. Odvojni članovi mogu se načiniti kao odvojene naprave ili koristeći prirodnu impedanciju kabela između SPD-ova (u tom slućaju je potrebno postići dovoljnu duljinu kabela). Induktivitet voda ovisi o položaju dvaju paralelnih vodiča: ako su oba vodiča (fazni i zaštitni) unutar istog kabela, induktivitet iznosi približno 0,5 μH/m do 1 μH/m (ovisno o presjeku vodiča). Ako su vodiči odvojeni, treba pretpostaviti veće vrijednosti induktiviteta (ovisno o razmaku vodiča). Odvojni (rasprežni) član nije potreban ako se usklađenost energije može postići s pomoću drugih pogodnih mjera (npr. usklađivanjem karakterisitika napon/struja SPD-ova ili s pomoću naponski sklapanih SPD-ova posebno konstruiranih za sklapanje pri niskim naponima - „SPD sklopki“).

86

5.3.2.1.

Primjer usklađivanja naponski sklopivih i naponski ograničavajućih vrsta SPD-a

S obzirom da je u niskonaponskim instalacijama najčestalija prenaponske zaštita postignuta usklađenjem naponski sklopivog SPD-a (iskrišta) i naponski ograničavajućeg SPD-a (MO varistora), ovdje će biti prikazane osnovne značajke takve koordinacije. Pretpostavimo da na shematskom modelu na slici 5.11 SPD1 predstavlja iskrište (SG, spark gap), a SPD2 predstavlja metal-oksidni varistor (MOV) Prorada iskrišta (SPD 1) ovisi o zbroju preostalih napona Ur na MOV (SPD 2) i dinamičkom padu napona na odvojnom članu UDE. Čim napon U1 prijeđe dinamički probojni napon iskrišta Uiskr, iskrište proradi i usklađivanje je postignuto. To ovisi samo o: – karakteristici MOV-a – strmini i amplitudi dolazne udarne struje – odvojnom članu (induktivni ili djelatni otpor). Kad se kao odvojni član upotrijebi induktivni otpor, mora se uzeti u obzir vrijeme porasta i vršna vrijednost udarne struje. Što je veća strmina di/dt, tim je potreban manji induktivni otpor za rasprezanje. Pri usklađivanju SPD-ova ispitanih na Iimp (razred I ispitivanja) i SPD-ova ispitanih na In (razred II ispitivanja) treba uzeti struju munje s najmanjom strminom od 0,1 kA/μs. Usklađivanje tih SPD-ova mora se postići kako za struju munje oblika 10/350 μs, tako jednako i za najmanju strminu struje od 0,1 kA/μs. Slika 5.10 prikazuje osnovno načelo usklađivanja energije uz uporabu karakteristika naponski sklopivog SPD 1 i naponski ograničavajućeg SPD 2.

a)

87

b)

c) Slika 5.11 Karakteristike usklađenih i neusklađenih SPD-a za strujni val 10/350µs: a) W-I karakteristika;b) I - t neusklađena; c) I -- t usklađena. (8)

U obzir treba uzeti dvije osnovne situacije: – kad iskrište ne proradi: Ako iskrište (SG) ne proradi, cijela udarna struja teče kroz varistor (MOV). Kao što je prikazano na slici 5.11.b, usklađivanje nije postignuto ako je energija tog udarnog vala veća od podnosive energije varistora. Ako je potrebno postaviti dodatni induktivni otpor kao odvojni član, usklađivanje se mora izračunati za najgori slučaj sa strminom udarne struje od 0,1 kA/μs. – kad iskrište proradi : Ako iskrište (SG) proradi, vremensko trajanje prolaza struje kroz MOV je znatno smanjeno. Kako je prikazano na slici 5.11.c, odgovarajuća usklađenost je postignuta ako iskrište proradi prije nego što energija prijeđe podnosivu vrijednost za MOV.

88

Pri određivanju potrebne veličine odvojnog člana moraju se uzeti u obzir dinamičke karakteristike napon/struja obaju SPD-ova. Uvjet za uspješno usklađivanje je da iskrište proradi prije nego što energija prijeđe podnosivu vrijednost za varistor (MOV), odnosno: U1 = U2 + UDE = U2 + LDE ·di/dt .............................................(28) gdje je LDE potreban induktivitet odvojnog člana, prorada iskrišta događa se pri U1 = Uiskr , pa je postignuta usklađenost prorade iskrišta prije prekoračenja energije Wmax koju može podnijeti varistor na osnovi izraza (14) možemo zapisati: LDE = (Uiskr – U2) / (di/dt) .................................................(29) gdje je U2 = f(Imax) za valni oblik 10/350 μs vrijedi: LDE-10/350 μs = (Uiskr – U2) / (Imax / 10 μs)..............................(30) za valni oblik 0,1kA/μs vrijedi: LDE-0,1kA/μs = (Uiskr - U2) / (0,1 kA/μs) ).................................(31) Tražena LDE je veća vrijednost između induktiviteta LDE-10/350 μs i LDE-0,1kA/μs Na slici 5.12 prikazana je shema i karakteristike strujnog kruga s usklađenjem na udarni val oblika 10/350 µs. Prorada iskrišta ovisi o preskočnom naponu Uiskr kao i o zbroju napona U2 na MOV (SPD 2) i na odvojnom članu UDE. Napon U2 ovisi o struji i (vidi karakteristiku napon/struja MOV-a), s obzirom na to da UDE = LDE • di/dt ovisi o strmini struje. Za oblik strujnog vala 10/350 μs, strmina struje di/dt ≈ Imax / 10μs ovisi o dopuštenoj amplitudi Imax varistora (MOV) (određenoj iz podnosive energije Wmax). S obzirom na to da oba napona UDE i U2 ovise o Imax, napon U1 na iskrištu također ovisi o Imax. Što je veća Imax, tim je veća i strmina napona U1 na iskrištu. Stoga se za taj kriterij preskočni napon iskrišta Uiskr obično iskazuje udarnim preskočnim naponom pri 1 kV/μs.

a) 89

b)

c) Slika 5.12 a) Shema str. kruga s usklađenjem na udarni val oblika 10/350 µs; b) W-I-U karakteristika za LDE=8µF (neusklađeno) c) W-I-U karakteristika za LDE=10µF (usklađeno)

Za nagib od 0,1 kA/μs (slika 5.13), strmina struje di/dt = 0,1 kA/μs je konstantna. Odatle je konstantan i napon UDE, s obzirom na to da je napon U2 ovisan o Imax kao i prije. Strmina napona U1 na iskrištu stoga slijedi karakteristiku napon/struja MOV-a i mnogo je manja u usporedbi s prvim primjerom. Preskočni napon iskrišta se smanjuje s duljinom trajanja pada napona na iskrištu zbog dinamične karakteristike proradnog napona iskrišta (to trajanje ovisi o Imax određenoj iz podnosive energije Wmax MOV-a.) Stoga treba pretpostaviti da se preskočni napon Uiskr smanjuje gotovo do proradnog istosmjernog napona (DC) od 500 V/s zbog produljenog trajanja struje kroz MOV. Za odvojni induktivitet LDE mora se na kraju upotrijebiti veća vrijednost između dvaju induktiviteta LDE-10/350 μs i LDE-0,1kA/μs . 90

a)

b)

91

c) Slika 5.13 a) Shema str. kruga s usklađenjem na udarni val oblika 0,1 kA/μs; b) W-I-U karakteristika za LDE=10µF(neusklađeno) c) W-I-U karakteristika za LDE=12µF(usklađeno)

92

5.3.2.2.

Osnovni načini usklađivanja u sustavima prenaponske zaštite

Način I Svi SPD-ovi imaju kontinuirane karakteristike napon/struja (npr. varistori (MOV) ili prigušne diode) i jednake preostale napone Ur. Usklađivanje SPD-ova i opreme koju treba zaštititi normalno se postiže impedancijama vodova između njih (vidi sliku 5.12).

Slika 5.14 Način I usklađenja

Ur (SPD 1) = Ur (SPD 2) = Ur (SPD 3) = Ur (SPD 4) Način II Svi SPD-ovi imaju kontinuiranu karakteristiku napon/struja (npr. varistori (MOV) ili prigušne diode). Preostali napon U r raste stupnjevito od SPD-a 1 do SPD-a 3 i nema potrebe za odvojnim odnosno rasprežnim RL članovima. Ta inačica usklađivanja namijenjena je elektroenergetskim mrežama. Preostali napon zaštitne naprave unutar opreme koju treba zaštititi (SPD 4) mora biti veći od preostalog napona SPD-a ugrađenog izravno ispred opreme (SPD 3). Ur (SPD 1) < Ur (SPD 2) < Ur (SPD 3) < Ur (SPD 4) Način III SPD 1 ima diskontinuiranu karakteristiku napon/struja (npr. iskrišta). SPD-ovi koji slijede iza njega imaju kontinuiranu karakteristiku napon/struja (npr. MOV ili prigušne diode). Svi SPD-ovi imaju jednaki preostali napon Ur (vidi sliku 5.15). Značajka ove inačice jest da se kod sklapanja SPD-a 1, postiže smanjenje poluvremena izvornoga strujnog vala 10/350 μs, što znatno pomaže SPD-u koji je postavljen iza njega.

93

Slika 5.15 Način III usklađenja

Ur (SPD 1) < Ur (SPD 2) < Ur (SPD 3) < Ur (SPD 4) Način IV Mogu se upotrijebiti kombinirani SPD-ovi koji sadrže unutarnju kaskadu međusobno usklađenih SPD-ova i serijske impedancije, ili filtre. Uspješna unutarnja usklađenost jamči prijenos minimalne energije na sljedeće SPD-ove ili opremu. Ti SPD-ovi trebaju u potpunosti biti usklađeni s drugim SPD-ovima u sustavima prenaponske zaštite na prethodne načine. 5.3.2.3

Postupak ugradnje usklađene SPD-zaštite

Usklađenu SPD-zaštitu treba ugraditi na sljedeći način: 1) Na ulazu voda u građevinu (na granici LPZ 1, npr. na glavnom razdjelniku (GRO)) ugraditi SPD 1 2) Odrediti podnosivi udarni napon Uw unutarnjih sustava koje treba zaštititi 3) Odabrati zaštitnu naponsku razinu Up1 za SPD 1, da se osigura da efektivna razina zaštite bude Up/f1 ≤ Uw 4) Provjeriti zahtjeve zaštitnih razmaka lpo/1 i lpi/1 Ako su uvjeti 3) i 4) ispunjeni, oprema je zaštićena odvodnikom SPD 1. U drugom slučaju, potrebno je ugraditi dodatni SPD 2 ili više njih. 5) Uz opremu (na granici LPZ 2, npr. na sekundarnom razdjelniku (RO) ili na utičnici ), ugraditi SPD 2, i energetski ga uskladiti s prethodnim odvodnikom SPD 1 6) Odabrati zaštitnu razinu Up2 za SPD 2 tako da se osigura da efektivna zaštitna razina bude Up/f2 ≤ Uw. 7) Provjeriti zahtjeve zaštitnih razmaka lpo/2 i lpi/2 Ako su ispunjeni uvjeti 6) i 7), oprema je zaštićena usklađenim odvodnicima SPD 1 i SPD 2. U drugom slučaju potrebno je ugraditi dodatni SPD 3 (ili više njih) uz opremu (npr. na utičnici) i energetski ga uskladiti s prethodnim SPD 1 i SPD 2 . 94

Osnovni princip usklađene trostupanjske zaštite u TNC-S sustavu razdiobe je prikazan na slici 5.16

Tip 1

Tip 2

Tip 3

Slika 5.16 Princip trostupanjske zaštite

Prikazana instalacija s međusobno usklađenim SPD-ima je na taj način potpuno zaštićena od očekivanih prenapona u vodovima. U praksi, usklađenost djelovanja SPD-a različitih klasa moguće je postići na način da duljina voda između odvodnika klase I i II bude najmanje 15 m a između klase II i III 5m. Naime, navedene duljine vodova svojim induktivitetom djeluju kao dostatni rasprežni elementi izmedu zaštitnih modula sa različitom brzinom odziva i/ili zaštitnom naponskom razinom. U protivnom redovito dolazi do uništenja energetski slabijih SPD-a, odnosno onih sa nižom naponskom razinom . Ako poradi smještajnih posebnosti ovaj uvjet nije moguće ispuniti (npr. GRO i RO u zajedničkom ormaru), tada je neophodno između SPD-a različitih klasa u vodove ugraditi odgovarajuće induktivitete.

95

6.

ZAKLJUČNA RAZMATRANJA

U današnje vrijeme neophodno je imati stalno raspoloživu električnu energiju, bilo iz sigurnosnih razloga, čisto ekonomskih, ili jednostavno zbog udobnosti u domaćinstvima. Zaštita od kvarova prouzročenih prenaponima je važan čimbenik u sigurnoj i pouzdanoj opskrbi električnom energijom. U ovom radu dat je pregled i analizirane su zaštitne mjere za smanjenje prenapona u niskonaponskim instalacijama. Da bi efikasno zaštitili NN instalaciju od udarnih naponsko-strujnih valova potrebno je primjeniti niz mjera, kao što su: a) Estimacija valnih poremećaja koji se mogu pojaviti u NN mreži i instalaciji. b) Procjena rizika odnosno vjerojatnosti pojave kvara koji mogu ugroziti ljude i ostala živa bića, imovinu te stvoriti ekonomsku i ekološku štetu. c) Ugradnja zaštitnog uzemljenja. d) Ugradnja LPS odnosno gromobrana kada je to potrebno prema procjeni rizika. e) Ugradnja unutarnjeg LPS odnosno izjednačivanje potencijala metalnih masa sa zaštitnim PE vodičem opskrbnog voda na granicama zaštitnih zona (LPZ). f) Ugradnja zaštitnih iskrišta tamo gdje je zabranjeno galvanski spojiti metalne mase sa zaštitnim PE vodičem. g) Primjena uređaja za zaštitu od udarnih valova odnosno odvodnika prenapona - odabir mjesta ugradnje na osnovi a) i b), - odabir tipa (1,2,3) odnosno klase SPD-a, - odabir parametara (In, Iimp, Un, Ur, Uc itd.) SPD-a, - odabir načina spajanja s obzirom na sustav razdiobe (TN, TNC-S, TT, IT), - usklađivanje (koordinacija) različitih tipova SPD-a, - usklađivanje SPD-a s nadstrujnom zaštitom i RCD zaštitom. Osim ovih osnovnih teoretskih zaštitnih mjera, postoji još niz vrlo važnih praktičnih mjera pri izvedbi električne instalacije koje treba primjeniti. To su naprimjer: - spajanje PE vodiča napojnog voda na zaštitno uzemljenje na samo jednom mjestu (GSIP), kako bi izbjegli induktivne petlje, - što kraći spojni vodiči SPD-a (<1m), - poštivanje propisanih duljina vodova između dva SPD-a ili spajanje rasprežnih induktiviteta, - korištenje RCD strujne zaštitne sklopke s vremenskom odgodom kada se SPD spaja poslije sklopke. Izostavljanje ili pogrešna primjena samo jedne od navedenih mjera može potpuno onesposobiti sustav zaštite od prenapona.

96

Općenito, pri izvedbi NN mreža i instalacija, ovisno o zahtjevima procjene rizika odnosno važnosti sigurne opskrbe električnom energijom, trebalo bi se pridržavati slijedećih uputa: Elektroenergetska opskrba – izvedba TNC-S sustava uzemljenja - postavljanje odvodnika (SPD) duž opskrbnog voda i na njegovim krajevima – elektromagnetsko zaslanjanje (oklapanje) kabela. Za kabele u zemlji vrlo učinkovitu zaštitu pruža neprekinuti metalni zaslon odgovarajuće debljine. Učinkovita zaštitna mjera od prenapona je povećani podnosivi udarni napon kabela i opreme. Odvojna sučelja Radi izbjegavanja raznih utjecaja mogu se između postojeće i nove opreme ili između udaljenih instalacija postaviti odvojna sučelja: uređaji s razredom zaštite II, odvojni transformatori, kabeli s optičkim vlaknima ili optički pretvornici. Trase vodova i zaslanjanje vodova Velike petlje nastale načinom polaganja vodova mogu dovesti do vrlo visokih induciranih napona ili struja, što se može izbjeći vođenjem električnih i signalnih (dojavnih) vodova jednih uz druge i tako na najmanju mjeru smanjiti površinu petlje. Preporučljivo je koristiti zaslonjene signalne vodove. Također se u većim građevinama preporučuje dodatno zaslanjanje, npr. s pomoću metalnih kabelskih kanala koji su spojeni na sustav za izjednačivanje potencijala. Svi ti zasloni moraju na oba kraja biti spojeni na sustav izjednačivanja potencijala. Trase vodova i njihovo zaslanjanje kao zaštitne mjere postaju to važnije što je manja učikovitost prostornog zaslona zone LPZ 1 i što je veća površina petlje. Prostorni zaslon Prostorni zaslon zone LPZ za zaštitu od magnetskih polja zahtijeva u pravilu širinu oka mreže manju od 5m. Zaštitna zona LPZ 1, nastala postavljanjem normalnog vanjskog LPS-a prema normi IEC 62305-3 (hvataljka, odvodi i sustav uzemljivača) u pravilu ima širinu oka mreže i razmake veće od 5m, što kao rezultat ima zanemarujući učinak zaslanjanja. Ako je potrebna veća učinkovitost zaslanjanja, vanjski se LPS mora dograditi. Za zaštitne zone LPZ 1 i više zone može se pojaviti potreba postavljanja prostornog zaslona za zaštitu elektroničkih sustava koji ne zadovoljavaju zahjeve podnosivosti na radiofrekvencijska zračenja i zahtjeve otpornosti na utjecaje. Spajanje (izjednačivanje potencijala) Izjednačivanje potencijala za struju munje s frekvencijama do nekoliko MHz zahtijeva postavljanje mreže niske impedancije u pravilu širine oka oko 5m. Svi opskrbni vodovi koji ulaze u LPZ moraju se na nju spojiti izravno ili preko odgovarajućeg SPD-a što je 97

bliže moguće granici zaštitne zone LPZ. Ako se u postojećim građevinama ti uvjeti ne mogu ispuniti, moraju se poduzeti druge pogodne zaštitne mjere. Uređaji za zaštitu od udarnog vala U svrhu upravljanja udarnim valovima na vodovima, odnosno kada se to traži temeljem procjene rizika prema [6], moraju se postaviti SPD-ovi na ulazima u svaku zonu zaštite (LPZ) i po mogućnosti i pred opremu koju treba zaštititi. SPD-ovi tipa 1, 2 i 3 pravilno odabrani ovisno o očekivanoj impulsnoj, nazivnoj struji odvođenja i podnosivom naponu instalacije (opreme), međusobno usklađeni predstavljaju potpunu zaštitu od udarnih valova. Za manje stambene građevine i obiteljske kuće koje nemaju gromobran često nije ekonomski opravdano ugrađivati trostupanjsku zaštitu. U takvim građevinama ovisno o konfiguraciji NN mreže, zemljišta i kerauničkih osobina lokaliteta, dovoljno je primjeniti SPD tipa 2 na ulazu voda u građevinu (GRO) i eventualno SPD tipa 3 na utičnicama preko kojih se napaja osjetljiva oprema.

98

Popis literature: 1. Peter Hasse: „Overvoltage protection of low voltage systems“, IEE, London, UK, 2000. 2. Ivica Fudurić: „Zaštita od munje i zaštita od prenapona“, stručni članak 3. Christophe Seraudie: „LV surges and surge arresters, LV insulation co-ordination“ Cahier technique n° 179, first issue, March 1999 4. Web portal hrvatskog fizikalnog društva: http://eskola.hfd.hr/clanci/atmosferski_elektr/Grom2006a.htm 5. HRN EN 62305-1: Zaštita od munje – 1. dio: Opća načela 6. HRN EN 62305-2: Zaštita od munje – 2. dio: Upravljanje rizikom 7. Prof.dr.sc Ivo Uglešić: „Prijelazne pojave i elektromagnetska kompatibilnost u EES-u“, Skripta, Zavod za visoki napon FER, Zagreb, 2009. 8. HRN EN 62305-4: Zaštita od munje – 4. dio: Električni i elektronički sustavi unutar građevina 9. Prof.dr.sc Ivo Uglešić, Dr.sc. Viktor Milardić: „Izabrana poglavlja tehnike visokog napona III i IV dio“., Skripta, Zavod za visoki napon FER, Zagreb, 2007. 10. Ivica Fuduric, dipl. ing: „Životni vijek uredaja za zaštitu od struje munje i prenapona“, stručni članak 11. Tehničko informativni dokument tvrtke ABB Power Technology Products AB: Technical information – „Physical properties of zinc oxide varistors“ 12. Michio Matsuoka: “Nonohmic properties of zinc oxide ceramics”, Japanese journal of applied physics, Vol 10. No 6, june 1971 13. Dipl.-Ing. Holger Heckler , Prof. Dr.-Ing. Klaus Scheibe, Dr.-Ing. Martin Wetter: IX th

th

International Symposium on Lightning Protection, 26 -30 November 2007 – Foz do Iguaçu, Brazil , stručni članak 14. HD 60364-5-534: Niskonaponske električne instalacije – 5-53.dio: Odabir i ugradba električne opreme; Odvajanje, sklapanje i upravljanje 534.točka: Prenaponske zaštitne naprave 15. HRN HD 60364-4-443: 2007: Električne instalacije zgrada 4-44.dio: Sigurnosna zaštita – Zaštita od naponskih smetnji i elektromagnetskih smetnji 443.točka: Zaštita od atmosferskih i sklopnih prenapona 16. Milardić, V., Uglešić, I, Pavić, I, Prenaponska zaštita objekata..., Energija, god. 55 (2006), br. 3., str. 352-371 17. Mr. sc. Ernest Mihalek, Ivica Fudurić: „Projektiranje sustava zaštite od munje“, Seminar HKIE, Zagreb 2009

99