Jak co nejlépe ochránit například solární elektrárnu proti přepětí? Vynikající výsledky přináší kombinace svodičů přepětí v rámci patentované technologie VG. Jaké požadavky musí svodiče přepětí splňovat? Z čeho se skládá a na jakém principu funguje technologie VG?
Dlouhý čas existoval svodič typu 1 jen v technologii na bázi jiskřiště. Již deset let existuje svodič typu 1 také v technologii na bázi varistoru. Ale největší pokrok udělala tato technologie v posledních pěti letech. Firma CITEL vyrábí svodiče přepětí na bázi varistoru v kombinaci s plynem plněným jiskřištěm již více než 10 let. Tyto kombinované svodiče za dobu své existence ukázaly své opodstatnění v řadě aplikací. S postupující elektronizací neustále rostou nároky na spolehlivou ochranu proti přepětí.
„Firma CITEL vyrobila za 70 let své existence více než 5 miliard bleskojistek.“
Někteří výrobci neustále vylepšují technologii jiskřišť pro svodiče přepětí typu 1. Požadavky na spolehlivou ochranu však plní stále složitějšími a dražšími řešeními. I když vývoj varistorů dnes značně pokročil, nelze většinu požadavků na spolehlivou ochranu svodiči pouze na bázi varistorů vyřešit.
Historie technologie svodičů přepětí
Firma CITEL již dlouho pracuje na vývoji kombinovaných svodičů přepětí. Na bázi unikátní a patentované technologie VG dosáhla vynikajících výsledků, které kombinují výhody obou technologií (jiskřiště a varistor).
Protože firma CITEL je vedoucí firmou v oblasti bleskojistek, vyrábí je již více jak 70 let, dokázala využít všech poznatků z jejich aplikací a vyvinula unikátní uzavřené, plynem plněné jiskřiště (dále GSG – Gas-filled Spark Gap), které svými vlastnostmi poskytuje výjimečné vlastnosti svodičům. Nyní je zapotřebí vysvětlit základní rozdíl mezi bleskojistkou (GDT – Gas Discharge Tube) a speciálním plynem plněným jiskřištěm GSG.
Díky technologii VG nevzniká ve svodiči přepětí ani následný ani propustný proud
Rozdíl mezi jiskřištěm GSG a bleskojistkou GDT
Mnozí stále považují speciální plynem plněné jiskřiště (GSG) za pouhou bleskojistku. To je však mylný názor. Bleskojistky jsou testovány a vyráběny podle požadavků CCTTT (ITU-T K12), zatímco GSG jsou vyráběny podle požadavků IEC 61634-11, což je velký rozdíl.
Bleskojistka – GDT (Gas Discharge Tube) pro použití jako svodič typu 1 a 2 (T1 a T2) je poddimenzovaná – je nevhodná, naproti tomu pro použití jako svodič typu 3 (T3) je vhodná. Uzavřené, plynem plněné jiskřiště – GSG (Gas-filled Spark Gap) je pro použití jako svodič typu 1 a 2 (T1 a T2) správně dimenzované a je tudíž vhodné, naproti tomu pro použití jako svodič typu 3 (T3) je předimenzované a tudíž nevhodné.
Speciální plynem plněné jiskřiště GSG
Unikátní, plynem plněné výkonové jiskřiště (CSG) bylo vyvinuté speciálně pro energetiku. Toto plynem plněné jiskřiště (CSG) bylo vyvinuto v laboratořích firmy CITEL, která je druhým největším světovým výrobcem bleskojistek. Firma CITEL vykazuje dokonalou znalost technologie výroby bleskojistek, neboť za dobu existence firmy CITEL jich bylo vyrobeno více než 5 miliard kusů!
Plynem plněné jiskřiště je výkonové jiskřiště plněné inertním plynem se speciálně tvarovanými elektrodami z mědi či molybdenu splňující normu IEC 61 634-11. Toto plynem plněné jiskřiště je velmi robustní a je třikrát odolnější proti impulsnímu zatížení než klasický varistor a má také třikrát vyšší jmenovitý impulsní proud než vysokovýkonný varistor.
Technologie VG zajistí výrazně příznivější průběhy napětí a proudu u přepěťových ochran
Požadavky na svodiče přepětí
Při návrhu a konstrukci přepěťových ochran je zapotřebí vyřešit některé často protichůdné požadavky:
- Následný proud, tzn. proud, který protéká přepěťovými ochranami na bázi jiskřiště po odeznění přepětí a který může dosáhnout až hodnot blízkých zkratovému proudu, je nutné bezpečně vypnout, což je náročné zejména u přepěťových ochran pro stejnosměrné napětí (přepěťové ochrany pro fotovoltaiku). Následný proud nebezpečně zatěžuje všechny části elektrického obvodu (kabely, pojistky, jističe apod.). Malé obloukové napětí na jiskřišti navíc způsobuje nesymetrii napájecího napětí s následným zatížením neutrálního vodiče a při nepříznivé hodnotě účiníku ztěžuje vypnutí zkratového proudu. Nesymetrie napájecího napětí může mít za následek u citlivých následně zapojených elektronických přístrojů jejich vypnutí.
- Propustný proud, což je proud, který protéká v klidovém stavu varistorem, i když je tento proud velmi malý a dosahuje hodnot výrazně menších než 1 mA, přece jen z dlouhodobého hlediska vyvolává stárnutí variátoru a tím snížení jeho životnosti. Toto stárnutí se může zvýšit vlivem vysoké vlhkosti či opakovaných zatížení varistoru napěťovými impulsy či špičkami.
- Napěťová ochranná hladina by měla být co nejnižší, aby přepěťová ochrana bezpečně ochránila následně zapojená elektrická zařízení.
- Splnění požadavků na krátkodobé provozní přepětí TOV, což je údaj pro přepětí delší než pouhé špičkové vlny 10/350 μs resp. 8/20 μs, které norma definuje pro testování ochran typu 1 resp. 2.
- Bezpečné odpojení přepěťové ochrany v případě jejího přetížení proudem větším, než pro jaký je ochrana dimenzována.
Tyto požadavky jsou často protichůdné a s dosavadními technologiemi obtížně splnitelné. Přepěťovými ochranami na bázi jiskřiště protéká po sepnutí vždy následný proud a jeho zhášení je obtížné především u ochran pro stejnosměrné napětí (fotovoltaika). Varistory zase protéká propustný proud, který je sice velmi malý (méně než mA), ale z dlouhodobého hlediska může ovlivnit parametry variátoru a působit na jeho předčasné stárnutí.
Svodič typu 1: Požadavky a řešení |
|
Požadavky na svodič typu 1:
Nabízejí se tato možná řešení:
|
Technologie VG: Vhodné řešení pro přepěťovou ochranu
Vhodným řešením výše uvedených požadavků je z pohledu firmy CITEL technologie VG, která vychází z kombinace plynem plněného jiskřiště GSG (Gasfilled Spark Gap), vysokovýkonného varistoru a tepelného odpojovacího zařízení, které musí zajistit bezpečné odpojení svodiče přepětí v případě poruchy.
U svodičů vyrobených technologií VG leží v normálním stavu téměř celé napětí na plynem plněném jiskřišti a varistorem neprotéká žádný propustný proud. Tím jsou odstraněny dva hlavní vlivy, které mohou způsobit předčasné stárnutí varistoru, což znamená výrazné zvýšení životnosti přepěťové ochrany.
Objeví-li se přepětí, plynem plněné výkonové jiskřiště rychle sepne a úbytek napětí leží na varistorovém bloku, což zajišťuje, že nedochází k následnému proudu s vysokými proudovými hodnotami ani k výraznější deformaci napěťové křivky.
Princip technologie VG |
|
Zapojením plynem plněného jiskřiště do série s varistorem se dosáhne:
|
Technologie VG zvyšuje životnost varistoru
Vzhledem k tomu, že svodičem na bázi technologie VG neprotéká žádný propustný proud a že v normálním stavu je téměř celý úbytek napětí na jiskřišti a nikoliv na varistoru, jsou odstraněny dvě hlavní příčiny vyvolávající předčasné stárnutí varistoru a tím dochází k řádovému zvýšení jeho životnosti.
Nízká napěťová ochranná hladina této kombinace pak umožňuje konstrukci kombinovaných svodičů přepětí typu 1+2+3 resp. 2+3, což u jiných technologií je velmi obtížné dosáhnout. Z výše uvedených důvodů jsou nejkvalitnější přepěťové ochrany CITEL vyráběny technologií VG.
Tyto svodiče se vyznačují tím, že jsou velice rychlé, nemají ani propustný ani následný proud a mají vysokou hodnotu impulsního bleskového i svodového proudu. Přitom napěťová ochranná hladina i zbytkové napětí jsou velice nízké. Touto technologií se již několik let vyrábějí svodiče přepětí CITEL typu 1+2+3 řady DS250VG a kompaktní svodiče přepětí typu 1+2+3 s malými rozměry řady DUT250VG (tří- a čtyřpólové provedení).
Firma CITEL chystá zavedení technologie VG pro svodiče přepětí pro DC napětí určené pro fotovoltaické aplikace
Technologie VG zajistí příznivý průběh napětí a proudu
Nesymetrie napájecího napětí u přepěťových ochran na bázi klasického jiskřiště může vést až k vypnutí citlivých následně zapojených elektronických přístrojů. Následný proud protéká obvodem po dobu 10 až 20 ms (20 ms u obvodů se špatným účiníkem), zatímco u technologie VG dochází k výrazně příznivějším průběhům napětí a proudu u přepěťových ochran.
Dalším problémem u klasických svodičů přepětí na bázi pouhého varistoru je krátkodobé provozní přepětí TOV. Například klasický svodič přepětí zvládá, v souladu s normou (pro vlnu 8/20 μs), proudovou špičku 40 kA. Často však není schopen zvládnout delší přepětí TOV s proudem pouhých 50 A.
Tato krátkodobá provozní přepětí TOV jsou pak nejčastější příčinou poruch u svodičů přepětí. Podle návrhu nové normy se vyžaduje, aby svodič přepětí zvládl definovaný proud při krátkodobém provozním přepětí TOV po dobu 5 s a při přepětí po dobu 200 ms a 120 min přešel do bezpečného chybového stavu.
|
Tabulka TOV
|
Současná norma
|
Připravovaná norma
IEC 61643-11
|
|
L-N
|
334 V (5 sec)
|
334 V (5 sec)
440 V (120 min)
|
|
L-PE Sítě TN
|
334 V (5 sec)
|
440 V (5 sec)
334 V (120 min)
|
|
L-PE Sítě TT
|
1 200 V + 253 V (200 ms)
|
1200 V + 253 V
(200 ms)
|
|
N-PE
|
1 200 V (200 ms)
|
1200 V (200 ms)
|
Technologie výroby svodičů přepětí: Porovnání výhod a nevýhod
Z uvedeného přehledu nám vychází následující porovnání výhod a nevýhod technologie svodičů přepětí na bázi plynem plněného jiskřiště, varistoru a technologie VG:
1. Plynem plněné jiskřiště:
Výhody:
- vysoká zatížitelnost
- spíná při nízkých hodnotách napětí
- dobrá izolace v trvalém provozu (není provozní proud)
Nevýhody:
- špatné zhášení oblouku
- vzniká následný proud
- deformace napěťové křivky
2. Vysokovýkonný varistor:
Výhody:
- nevzniká následný proud
- velmi rychlá reakce (řádově ns)
Nevýhody:
- provozní proud
- stárnutí
3. Technologie VG:
Výhody:
- odstraňuje nevýhody jak plynem plněného jiskřiště tak i varistoru
- spojuje výhody obou technologií
- umožňuje konstrukci prvního certifikovaného svodiče přepětí typu 1+2+3
- nevzniká ani následný ani propustný proud
Technologie VG kombinuje výhody jiných technologií
Znamená to, že svodiče přepětí vyráběné technologií VG v sobě spojují výhody jak technologie jiskřiště tak i technologie varistorů a že zároveň odstraňují jejich nevýhody a proto jsou perspektivní technologií svodičů přepětí vyráběných firmou CITEL.
Firma CITEL zatím touto technologií vyrábí přepěťové ochrany typu 1+2+3 pro AC napětí (řada DS250VG a DUT 250VG). V dubnu představila na veletrhu v Německu svůj svodič přepětí typu 2+3 označení DS40VG a připravuje se i zavedení této technologie pro svodiče přepětí pro DC napětí, které jsou určeny pro fotovoltaické aplikace.
Autory článku jsou Ing. Jan Hlaváček a Ing. Karel Veselý
Kontakt:
CITEL Electronics, org. sl.
Kundratka 17, 180 00 Praha 8
Tel.: +420 284 840 395
Fax: +420 284 840 195
E-mail: citel@citel.cz
Web: www.citel.cz
