Ochrana před atmosférickým Ochrana před atmosférickým přepětímpřepětím

Ing. Eliška A. KubičkováIng. Eliška A. Kubičková Marek HeribanMarek Heriban

ÚvodÚvod Zdrojem atmosférického přepětí je bleskový výboj. Je to nejsilnější přírodní elektrický výboj. Vzniká za bouřky, a to zejména v letních měsících. Byly však pozorovány bleskové výboje i v zimě.Velikost proudu bleskového výboje může dosáhnout až 200kA a může ohrozit elektrická a elektronická zařízení do vzdálenosti 4km.Přímý úder blesku – proudový impuls se šíří po kovových konstrukcích a může se uzavírat např. vnitřkem budovy.Nepřímý úder blesku – proudový impuls se šíří po vedení a ohrožuje vzdálená zařízení. Vedením nízkého napětí může proniknout do silového rozvodu budov. Proud bleskového výboje ohrožuje silnoproudé části elektrických zařízení zkratem a následným požárem, slaboproudá zařízení ohrožuje rušením a poškozením elektronických obvodů.

Detekce přepětíDetekce přepětí a měření izolačního a měření izolačního odporuodporu

Aby bylo možné zajistit potřebnou ochranu před účinky a následky atmosférických výbojů, je nutno získat informace o četnosti výskytu úderů blesku a o výskytu přepětí. Přepěťová ochrana má při provozním napětí vysoký izolační odpor. Při výskytu přepětí přechází rychle do vodivého stavu a svádí špičky přepětí přes ochranný vodič na potenciál země. Po odeznění přepěťového stavu se přepěťová ochrana vrací zpět do původního stavu. Z detekčních přístrojů se v ochraně proti atmosférickým přepětím používají počítadla blesků, detektory blížící se bouřky, detektory přepětí a měřiče izolačního odporu.

Příklady používaných přístrojůPříklady používaných přístrojů

Počítadlo zásahů blesku

Detektor bouřkové aktivity

Zařízení rozpozná blížící se bouřku a její intenzitu. Na základě této informace jsou uvedena do činnosti další zařízení, která odpojí vnější zdroje, aby nedošlo k poškození připojené elektroinstalace.Dalšími funkcemi je vyslání akustického a optického signálu při blížící se bouřce a start systému záložního napájení.

Hladinový registrátor přepětí

Přístroj zaznamená výskyt přepětí v elektrické instalaci. Pracuje tak, že sleduje, jestli napětí ve sledovaných obvodech nepřekročilo nastavenou napěťovou hladinu. Uvedený přístroj umožňuje nastavení pěti hladin napětí a zaznamená přepěťový impuls od šířky 1s.Zařízení je odolné proti elektromagnetickému rušení a lze ho využítv rozvodech nn (připojení testovacími kabely k fázovým vodičům),vn (připojení ke kapacitním děličům pevně spojeným s fázovými vodiči) a vvn (připojení k diagnostickému výstupu kapacitních průchodek velkých transformátorů přes kapacitní člen).

Měřiče izolačního odporuMegmet je analogový přístroj a je speciálně určený na měření velkých izolačních odporů. Potřebné napětí se vyrábí v přístroji točením kličkou. Měření se provádí tak, že se spojí jeden vodič s přívodem fáze a druhý s částí přístroje (zařízení), na níž chceme změřit izolační odpor. Vypínač přístroje je v poloze „zapnuto“, není však připojen na síť. Dále se zatočí kličkou a ručička ukáže hodnotu izolačního odporu.

Elektronické měřiče izolačního odporu

Systém ochrany před přímým úderem Systém ochrany před přímým úderem blesku a atmosférickým přepětímblesku a atmosférickým přepětím

Prvotní snaha při ochraně objektů spočívá v zabezpečení proti přímému úderu blesku. Toto se provádí bleskosvody. Bleskosvody se skládají ze tří hlavních částí: jímače, svodu a uzemnění.Jímače jsou kovové části, které při úderu blesku zachycují bleskový výboj, a pomocí svodu a uzemnění ho svedou do země. Fyzikální podstata jímače spočívá v tom, že deformuje elektrické pole ve svém okolí a při přiblížení čela bleskového výboje vysílá proti tomuto výboji malé vstřícné výboje tzv. streamery, čímž vytvoří vodivý kanál pro svedení výboje do jímače. Typ, dimenzování a konstrukce bleskosvodu se řeší v závislosti na důležitosti chráněného objektu, konstrukci a umístění budovy. Přitom vždy neplatí, že blesk udeří do nejvýše položeného místa, ale vyhledává oblasti se zvýšenou elektrickou vodivostí.

Klasický bleskosvod nebo též Franklinova typu navrhl v r. 1749 Benjamin Franklin. Roku 1752 G.Buffon a T.F.Dalibard provedli pokus, při němž vztyčili vysokou kovovou tyč. Při průchodu bouřkových mraků bylo mezi tyčí a zemí vidět sršení jisker.

Druhy bleskosvodůDruhy bleskosvodů

podle stupně poskytované ochrany, která je dána důležitostí objektu a velikostí možné škody, se rozlišují: normální bleskosvody a zesílené bleskosvody se silnějším dimenzováním.

podle konstrukce a provedení jímacího zařízení se rozlišují: hřebenová soustava, mřížová soustava, tyčový bleskosvod a dále vzdálený bleskosvod (stožárový, závěsový, klecový). Vzdálený bleskosvod není žádnou částí spojený s chráněným objektem ani mechanicky, ani vodivou cestou. Podle konstrukce je jímač buď připevněný na stožáru převyšujícím chráněný objekt nebo na lano zavěšené nad chráněným objektem anebo je tvořen sítí jímacích vedení zavěšenou nad chráněným objektem.

Tyčový bleskosvod Hřebenová soustava

Mřížová soustava – maximální rozměr oka: 20 x 60m

Vzdálený bleskosvod stožárový

Vzdálený bleskosvod závěsový

Podle doporučení EN 61024-1 se pro vyšetření ochranného prostoru používá elektrogeometrický model, z něhož lze určit potřebné parametry jímací soustavy.

Princip aktivního bleskosvodu je založen na tom, že vstřícný výboj pro vytvoření vodivé cesty je emitovaný z jímače podstatně dříve než u klasického hromosvodu. Této tzv. včasné emise vstřícného výboje (early streamer emission – ESE) je u moderních aktivních bleskosvodů dosaženo elektronickými obvody umístěnými v jímači.Existují i jiné metody urychlení vstřícného výboje. Již v roce 1914 navrhl maďarský fyzik Leo Szilard jímací tyč osazenou radioaktivními prvky. Tento typ bleskosvodu byl i průmyslově vyráběn až do roku 1980, kdy byly zpřísněny normy na ochranu před radioaktivním zářením. Jiný typ aktivního bleskosvodu pracuje na principu nabíjení kondenzátoru a násobení napětí. Energii získává z okolního elektrického pole za bouřky, takže nepotřebuje žádný napájecí zdroj. Tento typ aktivního bleskosvodu se označuje jako PULSAR.

Aktivní bleskosvodyAktivní bleskosvody

Tím, že aktivní bleskosvod vysílá vstřícný výboj dřív než klasický, je schopen zachytit a svést bleskový výboj ve větší vzdálenosti a tím podstatně zvětšit oblast ochrany před zásahem blesku. Model ochrany s aktivním bleskosvodem. V hlavici jímače jsou umístěny elektronickéobvody, které emitují sérii pulsů, jež způsobí ionizaci okolí hrotu jímací tyče. Ionizacezpůsobí emisi vstřícného trsového výboje a bylo naměřeno, že spojení tohoto trsového výboje se vstřícnou větví bleskového výboje je rychlejší než při použití Franklinovy tyče o 25 až 60ms. Dalšími výhodami aktivního bleskosvodu je jednodušší konstrukce, snazší údržba, úspora materiálu, dlouhá životnost. Díky struktuře bez velkého množství vodičů je možné použít tento bleskosvod i na historických budovách, aniž by došlo k narušení vzhledu stavby.

Výhrady proti aktivním bleskosvodůmVýhrady proti aktivním bleskosvodům

Přestože se aktivní bleskosvody vyrábí a používají již několik desítek let, stále se mezi odbornou veřejností vedou diskuse, o jejich přednostech. Řada vědců provádí výzkumy, a to v laboratořích (hlavně Německo), i v přírodních podmínkách (např. Malajsie), kde srovnávají vlastnosti klasických a aktivních bleskosvodů a vyvozují závěry, z nichž vyplývá, že aktivní bleskosvody nemají (nebo mají jen nepatrně) lepší fyzikální vlastnosti než klasické. Ve Spojených státech se stal případ, kdy soud na základě žaloby odborníků zakázal firmám vyrábějícím bleskosvody na principu ESE prohlašovat, že ochrannýprostor jejich zařízení přesahuje ochranný prostor Franklinovy jímací tyče, a to podle zákona zakazujícího nepravdivou reklamu. Soud dospěl k uvedenému závěru proto, že výrobci uváděly ochranné

prostory větší, než jaké byly schopny zajistit jimi dodávané bleskosvody a zákazníkům mohly vzniknout škody po zásahu úderu blesku. Provozovatelům venkovních sportovišť vznikly škody proto,že i s použitím aktivního bleskosvodu bylo nutno dodržet evakuační plán a tedy tyto organizace zakoupením zařízení nezískali žádnou hodnotu.Další problém je v normalizaci aktivních bleskosvodů, protože tatozařízení jsou uvedena v normách pouze ve třech státech: ve Francii,Španělsku a na Slovensku. Slovensko převzalo francouzskou normuNFC 17-102:1995 jako normu STN 34 1391:1998 Aktívne bleskozvody.

Další nekonvenční způsoby ochrany před úderem Další nekonvenční způsoby ochrany před úderem bleskublesku

Ochrana proti LEMP (lightning electro-magnetic puls) – indukce z blízkého a přímého úderu blesku je realizována kovovými stavebními prvky, které vytvářejí Faradayovu klec. Vodivé části staveb také současně tvoří přirozené (náhodné) svody, které mohou i překročit normou požadovanou ochranu a ušetří náklady na konstrukci bleskosvodů.

Lightning elimination – zamezení zásahu blesku je ochranný systém s mnoha hroty, které zneutralizují náboj mraku nad objektem nebo zruší elektrické pole v blízkosti objektu, čímž zabrání vzniku vstřícných výbojů, takže se mrak vybije ve větší vzdálenosti a bleskový výboj nezasáhne chráněný objekt. Výrobci jsou označovány jako systémy „s rozptylujícími paprsky“ nebo „s přenosem elektrického náboje“ a instalují se na vyvýšeném místě nad objektem.

Materiály bleskosvodůMateriály bleskosvodů

Hlavní požadavek na materiály bleskosvodu je odolnost protikorozním vlivům prostředí. Nejčastějším materiálem používaným v

ČRje žárově pozinkovaná ocel. V dnešní době, kdy ovzduší je stále víceznečištěné však již nevyhovuje, protože není dostatečně odolná protiagresivnímu prostředí a snižuje se životnost částí vyrobených z tohotomateriálu. Zavádí se proto nové materiály jako nerezová ocel, měď, hliník a jehoslitiny a plastické hmoty. Životnost těchto materiálů je několikrát vyššía provoz nevyžaduje údržbu, což vyvažuje nevýhodu vyšší ceny.

Ochrana před atmosférickým přepětímOchrana před atmosférickým přepětím

V důsledku bleskového výboje vzniká strmý elektromagnetický impuls (LEMP – Lightning Electromagnetic Pulse), viz obr., který může rušit, poškodit nebo zcela zničit elektrická a elektronická zařízení.

Rozlišujeme přímý úder blesku, který je zdrojem proudového impulsu, jenž proteče při úderu blesku bleskosvodem, ale částečně se uzavírá ikovovými částmi konstrukce budovy a ohrožuje elektronická zařízeníuvnitř objektu. Dále je též zdrojem sekundárního napěťového rázu, který se šíří po vedení. Nepřímý účinek od vzdáleného úderu blesku se projevuje zavlečením napěťového rázového impulsu z vnějšího vedení do vnitřního silovéhorozvodu budovy. Proti těmto účinkům se instaluje přepěťová ochrana.Ochranu proti přepětí řeší ČSN 33 2000-5-54, ČSN 33 2000-4-41, ČSN 34 1390, ČSN 33 0420 a uplatňuje se třístupňová ochrana.1.stupeň ochrany (třída B) se instaluje do přípojkové skříně, případně do samostatné skříně na vstupu napájecího kabelu (při nedostatku místa v přípojkové skříni)

2. stupeň ochrany (třída C) se instaluje do podružného rozváděče3. stupeň ochrany (třída D) se umisťuje (osazuje) do zásuvek neboke spotřebičům a obsahuje filtry pro potlačení energetických pulsůa vysokofrekvenčního rušení.Jako ochranné přístroje se používají svodiče bleskových proudů, kterése vyrábí v provedení jiskřišťové nebo varistorové. Dříve používané svodiče s otevřeným jiskřištěm byly nahrazeny jiskřšťovými svodičis řízenou ionizací. Svodiče se používají jako ochrana třídy B, C i D atéž jako kombinace (např. firma Moeller). Pro ochranu elektronických zařízení připojených na venkovní anténuse používají bleskojistky na principu plynové výbojky. Bleskojistka semontuje na venkovní anténu.

Příklady přístrojů na ochranu proti přepětíPříklady přístrojů na ochranu proti přepětí

Bleskojistka firmy BROK pro vysokofrekvenční anténní kabely a jejíparametryPrincip: pásmová propust s Lambda/4 zkratem naladěná na střed kmitočtového pásma 2.4 GHzProvedení: T konektor N-Female / N-Femaledoplněný vysoce účinnou přepěťovou ochranou s lambda/4 zkratemKmitočtové pásmo: 2,3 - 2,6 GHzZátěž: 2,5 kA pro vlnu 10/350 µsMaximální zbytkové napětí: < 10 VÚtlum: <= -0,6 dBČinitel zpětného odrazu: <= -20 dBPřipojení: standardní konektory N-Female / N-Female, 50 Ohmů k signálovécestě, splétaný Cu vodič o průřezu min. 2,5 mm k zemnící svorce   

 

Svodiče přepětí firmy Moeller Elektrotechnika s. r. o. s jiskřištěm s řízenou ionizacíKombinovaný svodič B + C SPB-12/280

Svodiče přepětí třídy D; zleva standardní provedení na lištu DIN, zásuvka se svodičem, provedení do instalační krabice a přenosný zásuvkový modul

Příklad ochrany rodinného domuPříklad ochrany rodinného domu

Energii od úderu vzdáleného blesku přivede do rodinného domu nejčastěji: přípojka nízkého napětí, po které se impulsy šíří galvanickou

cestou přípojka telefonu Blízký a přímý úder blesku – proudy se dostanou na vodič PEN a při vyrovnání fázového potenciálu dojde k průrazu izolace – zkraty, požáryMožná kombinace přístrojů: svodiče bleskových proudů pro 1.stupeň ochrany (třída B) s vlastním hromosvodem: FLP-A35+0,9-35kA/1fázi, na přepětí

900V nemá vlastní hromosvod: FLP-275V/25kA/1fázi

svodič pro 2.stupeň (třída C): SLP-275 /15kA/fáze ochrana telefonní linky – třístupňová ochrana – svodič bleskových

proudů BD-250T na vstupu kabelu do domu + kombinovaná ochrana napájení a tel. linky FAX-OVERDRIVE přímo

u přístroje (telefon, fax, modem), může svést až 10kA Instalace svodičů přepětí v zemnícím systému TNS – třífázová instalace TT – jednofázová instalace

Instalace svodičů přepětí v telekomunikačních a datových sítích

Možnosti umístění přepěťových ochran na domku využívajícímsolární články: rozváděč generátoru vstup měniče DC vstup měniče AC vstupní vedení sítě nn