Jak działają 3-fazowe zabezpieczenia przeciwprzepięciowe w redukcji przepięć elektrycznych?

W systemie 3-fazowym ochrona przeciwprzepięciowa działa poprzez wykrywanie nieprawidłowego przepięcia, przełączanie wewnętrznego ze stanu o wysokiej impedancji na stan niskiej impedancji, odchylanie prądu udarowego na ścieżkę uziemienia lub wiązania oraz ograniczenie napięcia dołączonego do podłączonego sprzętu. Nie „zablokuje” przepięcia. Zmniejsza napięcie szczytowe, zapewniając przepięciom kontrolowaną ścieżkę od wrażliwych obciążeń. Rezultatem jest niższe naprężenie elektryczne na izolację, zasilacze, napędy i elektronikę sterującą.

Systemy trójfazowe potrzebują tego podejścia nawet bardziej niż systemy jednofazowe, ponieważ mają więcej możliwych ścieżek przepięć. Przepięcia mogą pojawiać się między liniami (l–g), linia-do-linii (L–L) oraz w systemach z neutralnym, czasem neutralnym do gruntu (n–g). Dlatego zbudowane jest 3-fazowe urządzenie zabezpieczające przed przepięciami, aby zarządzać kilkoma trybami przepięć jednocześnie, a nie tylko z jednym.

W tym artykule wyjaśniono, jak urządzenia chroniące przed przepięciami działają w trójfazowych systemach zasilania, w jaki sposób przekierowują i ograniczają przepięcia przejściowe, jak stosowane są różne typy SPD (typ 1, typ 2 i typ 3) oraz jak rozmieszczenie i koordynacja wpływają na rzeczywiste działanie redukcji przepięć.

Co oznacza „przepięcie elektryczne” w systemach 3-fazowych 

Przepięcie elektryczne, bardziej poprawnie zwane przepięciami przejściowymi, jest bardzo krótkim i bardzo szybkim wzrostem napięcia. Zwykle trwa od mikrosekund do kilku milisekund. Dwa najczęstsze źródła to piorun (albo uderzenia bezpośrednie, albo wywołane wpływy na pobliskie linie) oraz przełączanie zdarzeń wewnątrz układu elektrycznego.

W instalacjach trójfazowych przemysłowych i komercyjnych wiele przepięć jest tworzonych wewnętrznie. Duże silniki, napędy o zmiennej częstotliwości, styczniki i banki kondensatorów przełączają znaczną energię. Za każdym razem, gdy prąd jest przerywany lub przekierowywany, indukcyjność systemu może generować skok napięcia. Oznacza to, że nawet jeśli zewnętrzne zasilanie sieciowe jest stabilne, obiekt może nadal doświadczać częstych przepięć przejściowych.

Jak działa 3-fazowy SPD 

Urządzenie zabezpieczające przed przepięciami, często skracane jako SPD (urządzenie zabezpieczające przed przepięciami), działa na prostej, ale starannie zaprojektowanej zasadzie: pozostaje niewidoczne podczas normalnej pracy i staje się przewodzące tylko wtedy, gdy napięcie staje się niebezpieczne.

Monitorowanie i zachowanie progowe

W normalnych warunkach wewnętrzne elementy ochronne urządzenia są w stanie wysokiej impedancji. Oznacza to, że prawie nie pobierają prądu i nie wpływają na system zasilania. SPD skutecznie „obserwuje” napięcie w sposób ciągły.

Gdy przejściowy przesuwa napięcie powyżej określonego poziomu progowego, zachowanie się zmienia. Elementy wewnętrzne szybko przełączają się w stan przewodzący. To przełączanie nie jest mechaniczne; dzieje się tak z powodu właściwości elektrycznych elementów wewnątrz urządzenia.

Przekierowanie (przekierowanie prądu) + zacisk

Gdy SPD staje się przewodzący, tworzy kontrolowaną ścieżkę o niskiej impedancji między przewodem zasilanym a systemem uziemienia lub wiązania. Prąd udarowy preferuje tę ścieżkę o niskiej impedancji zamiast przepływu przez wrażliwe urządzenia.

Jednocześnie urządzenie ogranicza napięcie szczytowe, które może pojawić się na obciążeniu. Często nazywa się to „zaciskaniem”. Ważne jest, aby zrozumieć, że napięcie nie jest zredukowane do zera. Pewne napięcie „szczegóły” lub „przepustowe” zawsze pozostaje. Celem jest utrzymanie tego szczątkowego napięcia na tyle niskiego, aby systemy izolacyjne i elementy elektroniczne nie były uszkodzone lub nadmiernie obciążone.

Ochrona wielomodowa w sieciach 3-fazowych

W systemach 3-fazowych przepięcia nie pojawiają się tylko w jeden sposób. Praktyczne urządzenie musi obsługiwać kilka ścieżek na raz:

• Linia do ziemi (L–G)
  
• Linia do linii (L–L)
  
• W systemach z neutralnym, czasem neutralnym do ziemi (n–g)
  

Dlatego też wewnętrznie rozmieszczone jest 3-fazowe urządzenie do sterowania przepięciami, aby wspólnie sterować tymi trybami. Nie zakłada, że przepięcie zawsze będzie odwoływało się do podstawy. Wiele szkodliwych stanów przejściowych w sprzęcie 3-fazowym pojawia się między fazami.

Kluczowe elementy wewnątrz 3-fazowego urządzenia zabezpieczającego przed przepięciami 

najbardziej nowoczesny Urządzenia ochrony przed przepięci Polegaj na niewielkiej liczbie sprawdzonych komponentów, ułożonych i skoordynowanych pod kątem wymaganych poziomów napięcia i prądu.

Najczęstszym elementem aktywnym jest warystor tlenku metalu (MOV). MOV zachowuje się jak bardzo wysoka rezystancja przy normalnym napięciu i jak niska rezystancja, gdy napięcie przekracza jego próg. Ta właściwość pozwala SPD na zmianę „nic nie robienia” na „kierowanie prądu” w ułamku mikrosekundy.

Ponieważ MOV i podobne elementy mogą się przegrzać lub ulegać degradacji po wielu silnych przepięciach, praktyczne urządzenie obejmuje również rozłączanie termiczne lub podobną ochronę. Zapobiega to pozostawaniu podłączonego komponentu uszkodzonego do systemu w niebezpieczny sposób. Wiele urządzeń zawiera również proste wskaźniki, takie jak okno lub dioda LED, aby pokazać, czy elementy ochronne są nadal połączone. Niektóre projekty zapewniają zdalny styk alarmowy, dzięki czemu stan może być monitorowany przez system sterowania.

Kluczowym praktycznym punktem jest to, że te urządzenia nie są trwałe. Za każdym razem, gdy pochłaniają energię przepięcia, zużywa się niewielką ilość ich pojemności. W wielu wydarzeniach powoli się degradują. To „konsumpcyjne” zachowanie jest normalne i jest powodem, dla którego istnieją wskaźniki stanu.

Typy SPD w systemach 3-fazowych 

Warunki dla Typy SPD Opisz, gdzie urządzenie jest zainstalowane w systemie zasilania i jakie środowisko przepięć jest przeznaczone do stawienia czoła. Nie są to poziomy jakości, są to kategorie aplikacji.

• Urządzenie zabezpieczające przed przepięciami typu 1: Zainstalowany przy wejściu lub bardzo w pobliżu wejścia serwisowego, przed głównym dystrybucją. Ma on na celu radzenie sobie z energetycznymi skokami pochodzących z zewnątrz, takimi jak zdarzenia związane z piorunami na liniach zaopatrzenia.
  
• Urządzenie zabezpieczające przed przepięciami typu 2: Zainstalowane w panelach dystrybucyjnych, centrach sterowania silników i podobnych płytach wewnętrznych. Jest to najczęstszy wybór do ochrony 3-fazowych paneli przemysłowych i komercyjnych przed przepięciami przychodzącymi i wewnętrznie generowanymi.
  
• Urządzenie zabezpieczające przed przepięciami typu 3: Zainstalowany blisko wrażliwego sprzętu. Nie jest przeznaczony do samodzielnego obsługi dużych energii przepięciowych i zależy od urządzeń upstream, aby zmniejszyć główny przepięcie, zanim go zobaczy.

• FDS20C/4-275 klasa II
• Oznaczenie: Typ 2
• Klasyfikacja: Klasa II
• Tryb ochrony: L→Pe , N→PE
• Napięcie nominalne un: 230 VAC/50(60)Hz
• maks. Ciągłe napięcie robocze UC (L-N): 275 VAC/50(60)Hz
• Wytrzymałość zwarciowa: 20 ka
• Ciągły prąd pracy IC: <20 µA
• Pobór mocy w trybie gotowości PC: ≤25 MVA
• Maksymalny prąd rozładowania (8/20 μs) Imax: 40 ka
• Nominalny prąd rozładowania (8/20 μs) W: 20 ka
• Poziom ochrony napięcia: ≤1,3 kV
• Odporność na izolację: ＞1000 MΩ
• Materiał obudowy: UL94V-0
• Stopień ochrony: IP20

Uzyskaj wycenę

W kompletnym systemie te typy są często łączone tak, że każdy z nich obsługuje część energii przepięciowej, do której najlepiej nadaje się.

Gdzie 3-fazowe SPD zmniejszają przepięcia najbardziej 

Ochrona przed prze Działa najlepiej, gdy jest nakładany etapami. Urządzenie przy wejściu do serwisu zmniejsza energię dużych przychodzących przepięć, zanim będą mogły rozprzestrzenić się w budynku. Urządzenia w panelach dystrybucyjnych zmniejszają następnie pozostałą energię, a także radzą sobie z przepięciami powstałymi przez przełączanie wewnętrzne. Wreszcie, ochrona w punkcie użytkowania może poradzić sobie z mniejszymi, szybszymi stanami przejściowymi, które pozostają.

Szczegóły instalacji fizycznej mają duże znaczenie. Połączenie między SPD a szyn zbiorczych lub przewodów powinno być jak najkrótsze i bezpośrednie. Długie przewody dodają indukcyjności, a indukcyjność wytwarza dodatkowe napięcie podczas szybkich zmian prądu. W praktyce oznacza to, że nawet bardzo dobre urządzenie do ochrony przed przepięciami może działać słabo, jeśli jest instalowane z długimi, zapętlonymi przewodami.

Jak 3-fazowe SPD zmniejszają przepięcia (przegląd ochrony przed zakłóceniami)

Ta tabela pokazuje logikę ochrony etapowej. Żadne pojedyncze urządzenie nie obsługuje wszystkiego. Każda lokalizacja redukuje część energii przepięciowej i szczytowe napięcie. Zanim przejściowy dotrze do wrażliwej elektroniki, jej amplituda i energia są znacznie niższe niż przy wejściu do serwisu.

Współczynniki wydajności w świecie rzeczywistym 

Rzeczywista wydajność urządzeń zabezpieczających przed przepięciami w systemach 3-fazowych zależy od kilku praktycznych czynników, nie tylko od samego urządzenia:

• Jakość systemu uziemiającego i klejącego silnie wpływa na to, jak łatwo można odprowadzić prąd udarowy od sprzętu.
  
• Krótkie, proste przewody przyłączeniowe zmniejszają wzrost napięcia indukcyjnego i poprawiają wydajność mocowania.
  
• Koordynacja między wieloma urządzeniami chroniącymi przed przepięciami zapobiega zbyt szybkiemu znoszeniu całego naprężenia i starzenia się przez jedno urządzenie.
  
• W wielu obiektach 3-fazowych wewnętrznie generowane przepięcia przełączania są częstsze niż zdarzenia związane z piorunami i muszą być uwzględnione w strategii ochrony.
  

Częste błędy 

Kilka typowych błędów instalacyjnych i planowania zmniejsza skuteczność ochrony przeciwprzepięciowej w rzeczywistych systemach:

• Używanie tylko jednego urządzenia ochrony przed przepięciami dla całego obiektu i zakładając, że będzie chronić wszystko w równym stopniu.
  
• Instalowanie urządzenia z dala od szyny zbiorczej lub z długimi, zapętlonymi przewodami, które dodają niepotrzebną indukcyjność.
  
• Ignorowanie przepięć między liniami i ustawianie ostrości tylko na ścieżkach liniowych w systemach 3-fazowych.
  
• Używanie tylko urządzenia typu 3 w pobliżu sprzętu bez ochrony typu 1 lub typu 2.
  
• Zakładając, że wskaźnik statusu pokazujący „OK” oznacza, że system jest doskonale chroniony przed wszystkimi możliwymi przepięciami.
  

Wniosek 

W 3-fazowym systemie zasilania ochrona przed przepięciami działa poprzez wykrywanie nieprawidłowego przepięcia, przełączanie na ścieżkę o niskiej impedancji, odchylanie prądu udarowego do masy i ograniczanie napięcia docierającego do sprzętu. Zmniejsza naprężenie elektryczne, a nie całkowicie eliminuje przepięcia. Ponieważ systemy 3-fazowe mają wiele ścieżek przepięć, ochrona musi obejmować tryby linii-do-linii i linii do masy. Najskuteczniejsze wyniki pochodzą z poprawnego umieszczenia, krótkich połączeń i koordynacji między różnymi typami SPD. Prawidłowo zastosowane urządzenia te znacznie zmniejszają wskaźniki awarii i przestoje, mimo że żaden system nie może usunąć wszystkich efektów przepięć.

Najczęściej zadawane pytania