Introduksjon til SPD og dens rolle

I en elektrisk systemer, er SPD-er vanligvis installert i avtakskonfigurasjon (parallellt) mellom strømførende ledere og jord. Driftsprinsippet til SPD kan ligne på en effektbryter.

Ved normal bruk (nr overspenning): SPD ligner på en åpen effektbryter.

Når det er en overspenning: SPD blir aktiv og utlader lynstrømmen til jord. Det kan sammenlignes med lukking av en effektbryter som ville kortslutte det elektriske nettet med jord via ekvipotensialet jordingssystem og de utsatte ledende delene i et veldig kort øyeblikk, begrenset til varigheten av overspenningen.

For brukeren er driften av SPD er helt gjennomsiktig da den bare varer en liten brøkdel av et sekund.

Når overspenning har blitt utladet, går SPD automatisk tilbake til normalen tilstand (strømbryter åpen).

1. Beskyttelsesprinsipper

1.1 Beskyttelsesmoduser

Det er to lynoverspenningsmoduser: Fellesmodus og Reststrømmodus.

Lyn overspenninger vises hovedsakelig i vanlig modus og vanligvis ved opprinnelsen til elektrisk installasjon. Overspenninger i feilstrømsmodus vises vanligvis i TT-modus og påvirker hovedsakelig sensitivt utstyr (elektronisk utstyr, datamaskiner osv.).

Fellesmodusbeskyttelse mellom fase/nøytral og jord

Fase/nøytral beskyttelse i et TT-jordingssystem er berettiget når nøytralen på fordelersiden er knyttet til en forbindelse med lav verdi (noen få ohm mens installasjonens jordingselektrode er flere titalls ohm).

Reststrøm modusbeskyttelse mellom fase og nøytral

Den nåværende avkastningen kretsen er da sannsynligvis via installasjonen nøytral i stedet for jord.

Resten strømmodusspenning U, mellom fase og nøytral, kan øke opp til en verdi lik summen av restspenningene til hvert element i SPD, dvs. doble beskyttelsesnivået i vanlig modus.

Fase/nøytral beskyttelse i et TT-jordingssystem

En lik fenomen kan oppstå i et TN-S jordingssystem hvis både N- og PE-ledere er separate eller ikke riktig ekvipotensial. Strømmen vil da sannsynligvis følg nøytrallederen på retur i stedet for beskyttelseslederen og bindingssystemet.

En teoretisk optimal beskyttelsesmodell, som gjelder for alle jordingssystemer, kan være definert, selv om SPD-er nesten alltid kombinerer fellesmodusbeskyttelse og reststrømmodusbeskyttelse (unntatt IT- eller TN-C-modeller).

Det er viktig å sjekk at SPDene som brukes er kompatible med jordingssystemet.

1.2 Kaskaderbeskyttelse

Akkurat som overstrømsbeskyttelse må gis av enheter med klassifiseringer som passer til hvert nivå av installasjonen (opprinnelse, sekundær, terminal) koordinert med hverandre, er beskyttelse mot transiente overspenninger basert på en lignende tilnærming ved å bruke en "kaskade" kombinasjon av flere SPD-er.

To eller tre nivåer av SPD er generelt nødvendige for å absorbere energien og begrense overspenninger indusert av kobling på grunn av høyfrekvente oscillasjonsfenomener.

Eksempelet nedenfor er basert på hypotesen der bare 80 % av energien ledes til jorden (80 %: empirisk verdi avhengig av type SPD og den elektriske installasjon, men alltid mindre enn 100 %).

Prinsippet om kaskadebeskyttelse brukes også for svakstrømsapplikasjoner (telefoni, kommunikasjon og datanettverk), som kombinerer de to første beskyttelsesnivåene i en enkelt enhet som vanligvis er plassert ved opprinnelsen til installasjonen.

Gnistgap basert komponenter designet for å slippe ut mesteparten av energien til jorden kombineres med varistorer eller dioder som begrenser spenningene til nivåer som er kompatible med utstyr som skal beskyttes.

Terminal beskyttelse er generelt kombinert med denne opprinnelsesbeskyttelsen. Terminalen beskyttelsen er nær utstyret, gitt ved bruk av nærhets-SPDer.

1.2.1 Kombinasjon av flere SPDer

For å begrense overspenninger så mye som mulig, må det alltid installeres en SPD i nærheten av utstyr som skal beskyttes 3.

Imidlertid dette beskyttelse beskytter kun utstyr som er direkte koblet til det, men over alt, dens lave energikapasitet tillater ikke all energien å bli utladet.

For å gjøre dette, en SPD er nødvendig ved opprinnelsen til installasjonen 1.

På samme måte, SPD 1 kan ikke beskytte hele installasjonen på grunn av at den tillater et beløp av gjenværende energi å passere og at lyn er et høyfrekvent fenomen.

Avhengig av omfanget av installasjonen og typene risiko (eksponering og følsomhet for utstyr, kritikalitet av kontinuitet i tjenesten), kretsbeskyttelse 2 er nødvendig i tillegg til 1 og 3.

Kaskaderbeskyttelse

Merk at første nivå av SPD (1) må installeres så langt oppstrøms som mulig installasjon for å redusere så mye som mulig de induserte effektene av lyn ved elektromagnetisk kobling.

1.3 Plassering av SPD-er

For effektiv beskyttelse ved bruk av SPD-er, kan det være nødvendig å kombinere flere SPD-er:

1. Hoved-SPD ➀

2. Krets SPD ➁

3. Nærhet SPD ➂

Ytterligere beskyttelse kan være nødvendig avhengig av skalaen (linjelengder) og følsomheten til utstyret som skal beskyttes (databehandling, elektronisk osv.). Hvis flere SPDer er installert, må meget presise koordineringsregler brukes.

 

Opprinnelsen til installasjon	Fordeling nivå	applikasjon nivå
De beskyttelse ved opprinnelsen til installasjonen (primær beskyttelse) shunter mest av hendelsesenergien (vanlig modus overspenning som bæres av kraftsystemet) til ekvipotensialbindingen systemet og til jorden.	Krets beskyttelse (sekundærbeskyttelse) supplerer opprinnelsesvernet med koordinering og begrenser reststrømmodus overspenninger som oppstår fra konfigurasjon av installasjonen.	Nærhet beskyttelse (terminalbeskyttelse) utfører endelig toppbegrensning av overspenninger, som er de farligste for utstyr.

Det er viktig å husk at beskyttelsen av den generelle installasjonen og utstyret er bare fullt effektiv hvis:

1. Flere nivåer av SPD-er er installert (cascading) for å sikre beskyttelse av utstyr som befinner seg et stykke fra opprinnelsen til installasjonen: nødvendig for utstyr plassert 30 m eller mer unna (IEC 61643-12) eller nødvendig hvis beskyttelsesnivået opp av hoved-SPD er høyere enn utstyrskategorien (IEC 60364-4-443 og 62305-4)

2. Alle nettverk er beskyttet:

2.1. Makt nettverk som forsyner hovedbygningen og også alle sekundære bygninger, eksternt belysningsanlegg av parkeringsplasser mv.

2.2. Kommunikasjon nettverk: innkommende linjer og linjer mellom ulike bygninger

1.4 Beskyttede lengder

Det er essensielt at utformingen av et effektivt overspenningsvernsystem tar hensyn til av lengden på linjene som forsyner mottakerne som skal beskyttes (se tabell under).

Faktisk over en viss lengde, kan spenningen påført mottakeren ved hjelp av en resonansfenomen, betydelig overstiger forventet grensespenning. De omfanget av dette fenomenet er direkte forbundet med egenskapene til installasjon (ledere og bindingssystemer) og med verdien av strømmen indusert av lysutladningen.

En SPD er riktig kablet når:

1. Den beskyttede utstyr er ekvipotensialbundet til samme jord som SPD er til tilkoblet

2. SPD og dens tilhørende sikkerhetskopibeskyttelse er tilkoblet:

2.1. Til nettverk (strømførende ledninger) og til hovedbeskyttelsesstangen (PE/PEN) på kortet med lederlengder så korte som mulig og mindre enn 0,5 m.

2.2. Med ledere hvis tverrsnitt er passende for SPD-kravene (se tabellen nedenfor).

Tabell 1 – Maksimum linjelengde mellom SPDe og enheten som skal beskyttes

SPD-posisjon		Ved opprinnelsen til installasjonen		Ikke ved opprinnelsen til installasjonen
Dirigent tverrsnitt		ledninger (innenlands)	store kabler (industri)	ledninger (innenlands)	store kabler (industri)
Komposisjon av bindingssystemet	PÅ dirigent	< 10 m	10 m	< 10 m*	20 m*
	meshed/ekvipotensial	10 m	20 m	20 m*	30 m*

* Beskyttelse anbefales på bruksstedet hvis avstanden er større

1.4.1 Effekt av dobbel spenning

Over en viss lengde d, vil kretsen som er beskyttet av SPD begynne å resonere når induktans og kapasitans er like:

Lω = -1 / Cω

Kretsen impedansen reduseres deretter til motstanden. Til tross for delen absorbert av SPD, restlynstrømmen I på kretsen er fortsatt impulsbasert. Det er økning, på grunn av resonans, vil resultere i betydelige økninger i Ud, Uc og Urm-spenninger.

Under disse forhold, kan spenningen påført mottakeren dobles.

Effekt av dobbel Spenning

Hvor:

•C – kapasitet som representerer lasten

•Ld – strømforsyningslinjeinduktans

•Lrm – bindingssysteminduktans

Installasjonen av SPD-er må ikke påvirke kontinuiteten i tjenesten negativt, noe som ville være det i strid med ønsket mål. De må installeres, spesielt ved opprinnelse til husholdningsinstallasjoner eller lignende installasjoner (TT-jordingssystemer), i sammen med en S-type forsinket jordfeilbryter.

Forsiktighet! Hvis det er er betydelige lynnedslag (> 5 kA), den sekundære reststrømmen enheter kan fortsatt utløses.

2. Installere SPD-er

2.1 Koble til SPD-er

2.1.1 Forbindelsessystem eller jordforbindelse

Standardiseringsorganer bruk det generiske uttrykket "jordingsenhet" for å betegne både konseptet binding systemet og det til en jordingselektrode, uten å skille mellom to. I motsetning til mottatt oppfatning er det ingen direkte sammenheng mellom verdien av jordingselektroden, gitt ved lav frekvens for å sikre sikkerheten av mennesker, og effektiviteten av beskyttelsen som tilbys av SPD-er.

Som vist nedenfor, denne typen beskyttelse kan etableres selv i fravær av jording elektrode.

Impedansen til utladningskretsen til strømmen shuntet av SPD kan brytes ned i to deler.

Den første, den jordingselektrode, er dannet av ledere, som vanligvis er ledninger, og av bakkens motstand. Dens i hovedsak induktive natur betyr at dens effektiviteten avtar med frekvensen, til tross for forholdsregler ved kabling (lengdebegrensning, 0,5 m regel). Den andre delen av denne impedansen er mindre synlig, men viktig ved høy frekvens fordi den faktisk består av strøkapasitet mellom installasjonen og jord.

Selvfølgelig relative verdier for hver av disse komponentene varierer i henhold til typen og skalaen til installasjonen, plasseringen av SPD (hoved- eller nærhetstype) og i henhold til jordingselektrodeskjemaet (jordingssystem).

Men det har det blitt bevist at overspenningsvernets andel av utladningsstrømmen kan nå 50 til 90% på ekvipotensialsystemet mens beløpet direkte utladet av jordingselektroden er rundt 10 til 50 %. Bindingssystemet er avgjørende for å opprettholde en lav referansespenning, som er mer eller mindre den samme over hele installasjonen.

SPD-ene bør være koblet til dette bindingssystemet for maksimal effektivitet.

Minstekrav anbefalt tverrsnitt for tilkoblingslederne tar hensyn til maksimal utladningsstrømverdi og egenskapene til slutten av levetiden beskyttelsesanordning.

Det er urealistisk å øke dette tverrsnittet for å kompensere for koblingslengder som ikke gjør det overholde 0,5 m-regelen. Faktisk, ved høy frekvens, impedansen til ledere er direkte koblet til deres lengde.

I elektrisk sentralbord og store paneler, kan det være lurt å redusere impedansen til koblingen ved å bruke de eksponerte metallledende delene av chassis, plater og kabinetter.

Tabell 2 – Minimum tverrsnitt av SPD-forbindelseslederne

SPD-kapasitet		Tverrsnitt (mm2)
Klasse II SPD	SStandard: Imax < 15 kA (x 3-klasse II)	6
	EØkt: Imax < 40 kA (x 3-klasse II)	10
	HHøy: Imax < 70 kA (x 3-klasse II)	16
Klasse Jeg SPD		16

Bruken av eksponerte metall ledende deler av innkapslinger som beskyttende ledere er tillatt av standard IEC 60439-1 så lenge dette er sertifisert av produsent.

Det er alltid å foretrekke å beholde en ledningsleder for tilkobling av beskyttelseslederne til rekkeklemmen eller kollektoren, som da dobler koblingen som gjøres via de eksponerte ledende delene av kabinettets chassis.

2.1.2 Tilkoblingslengde

I praksis er det det anbefalt at den totale lengden på SPD-kretsen ikke overstiger 50 cm. Dette kravet er ikke alltid lett å implementere, men ved å bruke det tilgjengelige eksponerte ledende deler i nærheten kan hjelpe.

Total lengde på SPD-krets

* kan installeres på samme DIN-skinne. Installasjonen vil imidlertid være bedre beskyttet hvis begge deler enheter er installert på 2 forskjellige DIN-skinner (SPD under beskyttelsen)

Antallet av lynnedslag som SPD kan absorbere vil avta med verdien av utladningsstrøm (fra 15 slag for en strøm med verdi In til et enkelt slag ved Imax/Iimp).

0,5 m regel Inn teori, når lynet slår ned, spenningen Ut som mottakeren er til utsatt er det samme som beskyttelsesspenningen Opp av spenningsstøtet beskytter (for sin In), men i praksis er sistnevnte høyere.

Faktisk spenningsfall forårsaket av impedansene til SPD-forbindelseslederne og dens beskyttelsesanordning er lagt til dette:

Ut = UI1 + Ud + UI2 + Opp + UI3

For eksempel spenningsfall i 1 m leder ført over av en 10 kA impulsstrøm for 10 μs vil nå 1000 V.

Δu = L × di / dt

•     di – Nåværende variasjon 10 000 A

•     dt – Tidsvariasjon 10 μs

•     L – induktans på 1 m leder = 1 μs

•     Verdi Δu legges til spenningen Opp

Den totale lengden Den må derfor være så kort som mulig. I praksis anbefales det 0,5 m ikke overskrides. Ved vanskeligheter kan det være nyttig å bruke bred, flat ledere (isolerte fletter, fleksible isolerte stenger).

0,5 m SPD koblingsregel

Jordforbindelsen lederen til spenningsoverspenningsvernet skal ikke være grønn/gul i følelse av definisjonen av en PE-leder.

Vanlig praksis er slik at denne merkingen imidlertid brukes ofte.

Noen ledninger konfigurasjoner kan skape koblinger mellom oppstrøms og nedstrøms ledere av SPD, som sannsynligvis vil føre til at lynbølgen sprer seg gjennom hele installasjonen.

SPD ledninger konfigurasjon #1

Oppstrøms og nedstrøms ledere koblet til spenningsoverspenningsvernklemmen med en felles vei.

SPD ledninger konfigurasjon 1

SPD ledninger konfigurasjon #2

Inngang og utgang ledere fysisk godt adskilt og koblet på samme terminal.

SPD ledninger konfigurasjon 2

SPD ledninger konfigurasjon #3

Forbindelse ledere for lange, utgangsledere fysisk adskilt.

SPD ledninger konfigurasjon 3

SPD ledninger konfigurasjon #4

Forbindelse ledere så korte som mulig med returleder fra jordklemmen nær de strømførende lederne.

SPD ledninger konfigurasjon 4

2.2 End of life-beskyttelse av SPD-er

SPD er en enhet hvis levetid krever spesiell vurdering. Komponentene eldes hver gang det er et lynnedslag.

På slutten av livet en intern enhet i SPD kobler den fra strømforsyningen. En indikator (på beskytteren) og en valgfri alarmtilbakemelding (tilbehør for statustilbakemelding montert) indikerer denne statusen, som krever utskifting av modulen bekymret.

Hvis SPD overskrider dens begrensede kapasitet, kan den bli ødelagt ved å kortslutte seg selv. EN kortslutnings- og overbelastningsvern må derfor monteres i serie oppstrøms for SPD (dette refereres vanligvis til SPD-grenen).

Figur X – Installasjonsprinsipper SPDer med tilhørende beskyttelse

I strid med viss mottatt mening, må et overspenningsvern alltid beskyttes mot mulige kortslutnings- og overbelastningsstrømmer. Og dette gjelder alle overspenningsvern, både klasse II og klasse I, uavhengig av type av komponenter eller teknologier som brukes.

Denne beskyttelsen skal gis i henhold til vanlige diskrimineringsregler.

2.3 Koordinering av SPDer

Arrangere flere SPDer i kaskade krever at de koordineres slik at hver av dem absorberer energi på en optimal måte og begrenser spredningen av lynnedslaget gjennom installasjonen så mye som mulig.

Koordineringen av SPD er et komplekst konsept som må være gjenstand for spesifikke studier og tester. Minimumsavstander mellom SPD-er eller innsetting av frakoblingsspoler anbefales ikke av produsenter.

Primær og sekundære SPD må koordineres slik at den totale energien som skal spres (E1 + E2) deles mellom dem i henhold til deres utslippskapasitet. De anbefalt avstand d1 gjør at spenningsoverspenningsvernene kan kobles fra og forhindrer dermed at for mye av energien går direkte inn i den sekundære SPD med fare for å ødelegge den.

Dette er en situasjon som faktisk avhenger av egenskapene til hver av SPDene.

Figur X – Koordinering av SPDer

To like overspenningsvern. For eksempel Opp: 2 kV og Imax: 70 kA) kan være installert uten at avstanden d1 er nødvendig: energien vil bli delt mer eller mindre likt mellom de to SPDene. Men to forskjellige SPD-er (for eksempel Opp: 2 kV/Imaks: 70 kA og Opp: 1,2 kV/Imaks: 15 kA) bør være minst 8 m fra hverandre til unngå at det stilles for mye krav til det andre overspenningsvernet.

Hvis ikke angitt, ta d1 min (i meter) som 1 % av forskjellen mellom Up1 og Up2 (in volt). For eksempel:

Opp1 = 2,0 kV (2000 V) og Up2 = 1,2 kV (1200 V)

⇒ d1 = 8 m min. (2000 – 1200 = 800 >> 1 % av 800 = 8 m)

Et annet eksempel, hvis:

Up1 = 1,4 kV og Up2 = 1,2 kV ⇒ d1 = 2 m min