Introduktion til SPD og dets rolle

I en elektrisk systemer, er SPD'er normalt installeret i tap-off-konfiguration (parallelt) mellem de strømførende ledere og jorden. Driftsprincippet for SPD kan ligne en afbryder.

Ved normal brug (nr overspænding): SPD ligner en åben afbryder.

Når der er en overspænding: SPD'en bliver aktiv og aflader lynstrømmen til jorden. Det kan sammenlignes med lukningen af ​​en afbryder, som ville kortslutte det elektriske netværk med jorden via ækvipotentialet jordingssystem og de udsatte ledende dele i et meget kort øjeblik, begrænset til varigheden af ​​overspændingen.

For brugeren er driften af ​​SPD er fuldstændig gennemsigtig, da den kun varer en lille brøkdel af et sekund.

Når overspænding er blevet afladet, vender SPD automatisk tilbage til sin normale tilstand tilstand (afbryder åben).

1. Beskyttelsesprincipper

1.1 Beskyttelsestilstande

Der er to lynoverspændingstilstande: Common mode og Reststrømstilstand.

Lyn overspændinger vises hovedsageligt i almindelig tilstand og normalt ved oprindelsen af elektrisk installation. Overspændinger i fejlstrømstilstand forekommer normalt i TT-tilstand og påvirker primært følsomt udstyr (elektronisk udstyr, computere osv.).

Common mode beskyttelse mellem fase/neutral og jord

Fase/neutral beskyttelse i et TT-jordingssystem er berettiget, når neutralen på fordelersiden er forbundet med en forbindelse med en lav værdi (et par ohm hvorimod installationens jordingselektrode er flere titusinder af ohm).

Reststrøm tilstandsbeskyttelse mellem fase og neutral

Det nuværende afkast kredsløb er så sandsynligvis via installationens neutrale snarere end jorden.

Det resterende strømtilstandsspænding U, mellem fase og nul, kan stige op til en værdi lig med summen af ​​restspændingerne for hvert element i SPD'en, dvs. dobbelt beskyttelsesniveau i almindelig tilstand.

Fase/neutral beskyttelse i et TT-jordingssystem

En lignende fænomen kan forekomme i et TN-S jordingssystem, hvis både N- og PE-lederne er adskilte eller ikke korrekt ækvipotentiale. Strømmen vil da sandsynligvis følg nullederen på dens retur i stedet for beskyttelseslederen og bindingssystemet.

En teoretisk optimal beskyttelsesmodel, som gælder for alle jordingssystemer, kan være defineret, selvom SPD'er faktisk næsten altid kombinerer common mode-beskyttelse og fejlstrømstilstandsbeskyttelse (undtagen IT- eller TN-C-modeller).

Det er væsentligt at kontrollere, at de anvendte SPD'er er kompatible med jordingssystemet.

1.2 Kaskadebeskyttelse

Ligesom overstrømsbeskyttelse skal ydes af enheder med klassificeringer, der er passende til hvert niveau af installationen (oprindelse, sekundær, terminal) koordineret med hinanden, er beskyttelse mod transiente overspændinger baseret på en lignende tilgang ved hjælp af en "kaskadekoblet" kombination af flere SPD'er.

To eller tre niveauer af SPD'er er generelt nødvendige for at absorbere energien og begrænse overspændinger induceret af kobling på grund af højfrekvente oscillationsfænomener.

Eksemplet nedenfor er baseret på hypotesen, hvor kun 80 % af energien ledes til jorden (80 %: empirisk værdi afhængig af typen af ​​SPD og den elektriske installation, men altid mindre end 100 %).

Princippet om kaskadebeskyttelse bruges også til svagstrømsapplikationer (telefoni, kommunikations- og datanetværk), der kombinerer de to første beskyttelsesniveauer i en enkelt enhed, der normalt er placeret ved installationens oprindelse.

Gnistgab baseret komponenter designet til at udlede det meste af energien til jorden kombineres med varistorer eller dioder, der begrænser spændingerne til niveauer, der er kompatible med udstyr, der skal beskyttes.

Terminal beskyttelse er generelt kombineret med denne oprindelsesbeskyttelse. Terminalen beskyttelsen er tæt på udstyret, leveret ved hjælp af nærheds-SPD'er.

1.2.1 Kombination af flere SPD'er

For at begrænse overspændinger så meget som muligt, skal der altid installeres en SPD tæt på udstyr, der skal beskyttes 3.

Dog dette beskyttelse beskytter kun udstyr, der er direkte forbundet til det, men over alt sammen tillader dens lave energikapacitet ikke al energien at blive udledt.

For at gøre dette, en SPD er nødvendig ved installationens oprindelse 1.

Ligeledes SPD 1 kan ikke beskytte hele installationen på grund af, at den tillader et beløb af resterende energi til at passere, og at lyn er et højfrekvent fænomen.

Afhængigt af omfanget af installationen og typerne af risiko (eksponering og følsomhed af udstyr, kritikalitet af kontinuitet i service), kredsløbsbeskyttelse 2 er nødvendigt ud over 1 og 3.

Kaskadebeskyttelse

Bemærk, at første niveau af SPD (1) skal installeres så langt opstrøms som muligt for installation for så meget som muligt at reducere de inducerede virkninger af lyn ved elektromagnetisk kobling.

1.3 Placering af SPD'er

For effektiv beskyttelse ved hjælp af SPD'er, kan det være nødvendigt at kombinere flere SPD'er:

1. Hoved-SPD ➀

2. Kredsløbs-SPD ➁

3. Nærheds-SPD ➂

Ekstra beskyttelse kan være nødvendig afhængigt af skalaen (linjelængder) og følsomheden af ​​det udstyr, der skal beskyttes (computere, elektronisk osv.). Hvis flere SPD'er er installeret, skal der anvendes meget præcise koordineringsregler.

 

Oprindelse af installation	Fordeling niveau	Ansøgning niveau
Det beskyttelse ved installationens oprindelse (primær beskyttelse) shunter mest af den indfaldende energi (almindelig tilstand overspænding båret af strømsystemet) til potentialudligningen system og til jorden.	Kredsløb beskyttelse (sekundær beskyttelse) supplerer oprindelsesbeskyttelsen med koordinering og begrænser reststrømstilstand overspændinger, der opstår fra konfiguration af installationen.	Nærhed beskyttelse (terminalbeskyttelse) udfører endelig spidsbegrænsning af overspændinger, som er de farligste for udstyr.

Det er vigtigt at huske på, at beskyttelsen af ​​den samlede installation og udstyr er kun fuldt ud effektiv, hvis:

1. Flere niveauer af SPD'er er installeret (cascading) for at sikre beskyttelsen af ​​placeret udstyr et stykke fra installationens oprindelse: påkrævet for udstyr placeret 30 m eller mere væk (IEC 61643-12) eller påkrævet, hvis beskyttelsesniveauet op af hoved-SPD er højere end kategorien af ​​udstyr (IEC 60364-4-443 og 62305-4)

2. Alle netværk er beskyttet:

2.1. Strøm netværk, der forsyner hovedbygningen og også alle sekundære bygninger, eksternt belysningsanlæg af parkeringspladser mv.

2.2. Meddelelse netværk: indgående linjer og linjer mellem forskellige bygninger

1.4 Beskyttede længder

Det er essentielt at designet af et effektivt spændingsoverspændingsbeskyttelsessystem tager højde for af længden af ​​de ledninger, der forsyner de modtagere, der skal beskyttes (se tabel under).

Faktisk over en vis længde kan den spænding, der påføres modtageren, ved hjælp af en resonansfænomen, betydeligt overstiger den forventede begrænsningsspænding. Det omfanget af dette fænomen er direkte forbundet med egenskaberne ved installation (ledere og limningssystemer) og med værdien af ​​strømmen induceret af lysudladningen.

En SPD er korrekt kablet når:

1. Den beskyttede udstyr er ækvipotentielt bundet til den samme jord, som SPD'en er til tilsluttet

2. SPD'et og dets tilhørende sikkerhedskopieringsbeskyttelse er tilsluttet:

2.1. Til netværk (strømførende ledninger) og til hovedbeskyttelsesstangen (PE/PEN) på kortet med lederlængder så korte som muligt og mindre end 0,5 m.

2.2. Med ledere, hvis tværsnit passer til SPD-kravene (se tabel nedenfor).

Tabel 1 – Maksimum linjelængde mellem SPDe og enhed, der skal beskyttes

SPD stilling		Ved installationens start		Ikke ved installationens oprindelse
Leder tværsnit		ledninger (indenlandsk)	store kabler (industri)	ledninger (indenlandsk)	store kabler (industri)
Sammensætning af bindingssystemet	PÅ leder	< 10 m	10 m	< 10 m*	20 m*
	maskede/ækvipotentiale	10 m	20 m	20 m*	30 m*

* Beskyttelse anbefales på brugsstedet, hvis afstanden er større

1.4.1 Effekt af dobbeltspænding

Over en vis længde d, vil kredsløbet beskyttet af SPD'en begynde at give genlyd, når induktans og kapacitans er ens:

Lω = -1 / Cω

Kredsløbet impedansen reduceres derefter til dens modstand. På trods af den del, der er absorberet af SPD, restlynstrømmen I på kredsløbet er stadig impulsbaseret. Dens stigning, på grund af resonans, vil resultere i betydelige stigninger i Ud, Uc og Urm spændinger.

Under disse forhold, kan den spænding, der påføres modtageren, fordobles.

Effekt af dobbelt spænding

Hvor:

•C – kapacitet, der repræsenterer belastningen

•Ld – strømforsyningsledningsinduktans

•Lrm – bindingssysteminduktans

Installationen af SPD'er må ikke påvirke kontinuiteten i tjenesten negativt, hvilket ville være i modstrid med det ønskede mål. De skal installeres, især ved oprindelse af bolig- eller lignende installationer (TT-jordingssystemer), i i forbindelse med en S-type forsinket fejlstrømsenhed.

Advarsel!!!! Hvis der er betydelige lynnedslag (> 5 kA), den sekundære reststrøm enheder kan stadig udløses.

2. Installation af SPD'er

2.1 Tilslutning af SPD'er

2.1.1 Forbindelsessystem eller jordforbindelse

Standardiseringsorganer bruge det generiske udtryk "jordingsenhed" til at betegne både begrebet binding system og en jordingselektrode, der ikke skelner mellem to. I modsætning til modtaget udtalelse er der ingen direkte sammenhæng mellem værdien af ​​jordingselektroden, leveret ved lav frekvens for at sikre sikkerheden af mennesker, og effektiviteten af ​​den beskyttelse, som SPD'er giver.

Som vist nedenfor, denne type beskyttelse kan etableres selv i mangel af en jording elektrode.

Impedansen af afladningskredsløbet for den strøm, der shuntes af SPD'en, kan opdeles i to dele.

Den første, den jordingselektrode, er dannet af ledere, som normalt er ledninger, og ved jordens modstand. Dens i det væsentlige induktive natur betyder, at dens effektiviteten falder med frekvensen på trods af ledningsforholdsregler (længdebegrænsning, 0,5 m regel). Den anden del af denne impedans er mindre synlig, men væsentlig ved høj frekvens, fordi den i virkeligheden består af afvigende kapacitet mellem installation og jord.

Selvfølgelig relative værdier for hver af disse komponenter varierer afhængigt af typen og skala af installationen, placeringen af ​​SPD'en (hoved- eller nærhedstype) og i henhold til jordingselektrodeskemaet (jordsystem).

Det har den dog blevet bevist, at spændingsoverspændingsbeskytterens andel af udladningsstrømmen kan nå 50 til 90% på ækvipotentialsystemet, mens beløbet direkte afladet af jordingselektroden er omkring 10 til 50 %. Bindingssystemet er afgørende for at opretholde en lav referencespænding, som er mere eller mindre den samme på tværs af hele installationen.

SPD'erne burde være forbundet til dette bindingssystem for maksimal effektivitet.

Minimum anbefalet tværsnit for tilslutningslederne tager hensyn til maksimal afladningsstrømværdi og egenskaberne ved afslutningen af ​​levetiden beskyttelsesanordning.

Det er urealistisk at øge dette tværsnit for at kompensere for forbindelseslængder, der ikke gør det overholde 0,5 m-reglen. Faktisk ved høj frekvens er impedansen af ledere er direkte forbundet med deres længde.

I elektrisk tavler og store paneler, kan det være en god idé at reducere impedans af forbindelsen ved at bruge de udsatte metal ledende dele af chassis, plader og kabinetter.

Tabel 2 – Minimum tværsnit af SPD-forbindelseslederne

SPD kapacitet		Tværsnit (mm2)
klasse II SPD	SStandard: Imax < 15 kA (x 3-klasse II)	6
	EØget: Imax < 40 kA (x 3-klasse II)	10
	HHøj: Imax < 70 kA (x 3-klasse II)	16
Klasse I SPD		16

Brugen af udsatte metal ledende dele af kabinetter som beskyttelsesledere er tilladt af standard IEC 60439-1, så længe dette er blevet certificeret af fabrikant.

Det er det altid foretrækkes at beholde en ledningsleder til at forbinde beskyttelseslederne til klemrækken eller solfangeren, som så fordobler forbindelsen lavet via de udsatte ledende dele af kabinettets chassis.

2.1.2 Tilslutningslængde

I praksis er det anbefales, at den samlede længde af SPD-kredsløbet ikke overstiger 50 cm. Dette krav er ikke altid nemt at implementere, men ved at bruge det tilgængelige udsatte ledende dele i nærheden kan hjælpe.

Samlet længde af SPD kredsløb

* kan være installeret på samme DIN-skinne. Installationen vil dog være bedre beskyttet, hvis begge dele enheder er installeret på 2 forskellige DIN-skinner (SPD under beskyttelsen)

Antallet af lynnedslag, som SPD'en kan absorbere, vil falde med værdien af afladningsstrøm (fra 15 slag for en strøm med værdi In til et enkelt slag ved Imax/Iimp).

0,5 m regel Ind teori, når lynet slår ned, spændingen Ut som modtageren er til udsat er den samme som beskyttelsesspændingen Op af spændingsstødet beskytter (for sin In), men i praksis er sidstnævnte højere.

Faktisk spændingsfald forårsaget af impedanserne af SPD-forbindelseslederne og dens beskyttelsesenhed er tilføjet til dette:

Ut = UI1 + Ud + UI2 + Op + UI3

For eksempel spændingsfald i 1 m leder tilbagelagt af en 10 kA impulsstrøm for 10 μs vil nå 1000 V.

Δu = L × di / dt

•     di – Nuværende variation 10.000 A

•     dt – Tidsvariation 10 μs

•     L – induktans på 1 m leder = 1 μs

•     Værdi Δu lægges til spændingen op

Den samlede længde Det skal derfor være så kort som muligt. I praksis anbefales det 0,5 m ikke overskrides. I tilfælde af vanskeligheder kan det være nyttigt at bruge bred, flad ledere (isolerede fletninger, fleksible isolerede stænger).

0,5 m SPD forbindelsesregel

Jordforbindelsen leder af spændingsoverspændingsbeskytteren bør ikke være grøn/gul i fornemmelse af definitionen af ​​en PE-leder.

Almindelig praksis er sådan, at denne markering dog ofte anvendes.

Nogle ledninger konfigurationer kan skabe koblinger mellem opstrøms og nedstrøms ledere af SPD, som sandsynligvis vil få lynbølgen til at sprede sig gennem hele installationen.

SPD ledninger konfiguration #1

Opstrøms og nedstrøms ledere forbundet på spændingsoverspændingsbeskyttelsesklemmen med en fælles vej.

SPD ledninger konfiguration 1

SPD ledninger konfiguration #2

Input og output ledere fysisk godt adskilt og forbundet på samme terminal.

SPD ledninger konfiguration 2

SPD ledninger konfiguration #3

Forbindelse ledere for lange, udgangsledere fysisk adskilt.

SPD ledninger konfiguration 3

SPD ledninger konfiguration #4

Forbindelse ledere så korte som muligt med returleder fra jordklemmen tæt på de strømførende ledere.

SPD ledninger konfiguration 4

2.2 End of life-beskyttelse af SPD'er

SPD er en enhed, hvis levetid kræver særlig overvejelse. Dens komponenter ældes hver gang der er et lynnedslag.

I slutningen af ​​livet en intern enhed i SPD'en afbryder den fra forsyningen. En indikator (tændt beskytteren) og en valgfri alarmfeedback (tilbehør for statusfeedback monteret) angive denne status, som kræver udskiftning af modulet berørte.

Hvis SPD overstiger dens begrænsende kapacitet, kan den blive ødelagt ved at kortslutte sig selv. EN kortslutnings- og overbelastningssikring skal derfor monteres i serie opstrøms for SPD'en (dette omtales almindeligvis til SPD-grenen).

Figur X – Installationsprincipper SPD'er med tilhørende beskyttelse

I modsætning til bestemt modtaget udtalelse, skal en spændingsoverspændingsbeskytter altid være beskyttet mod mulige kortslutnings- og overbelastningsstrømme. Og det gælder alle spændingsoverspændingsbeskyttere, både klasse II og klasse I, uanset typen af anvendte komponenter eller teknologier.

Denne beskyttelse skal ydes efter de sædvanlige forskelsbehandlingsregler.

2.3 Koordinering af SPD'er

Arrangering af flere SPD'er i kaskade kræver, at de koordineres, så hver af dem absorberer energi på en optimal måde og begrænser spredningen af ​​lynnedslaget gennem installationen så meget som muligt.

Koordinationen af SPD'er er et komplekst begreb, som skal være genstand for specifikke undersøgelser og tests. Minimumsafstande mellem SPD'er eller indsættelse af afkoblingsdrosler anbefales ikke af producenterne.

Primær og sekundære SPD'er skal koordineres, så den samlede energi, der skal spredes (E1 + E2) deles mellem dem i henhold til deres udledningskapacitet. Det anbefalet afstand d1 gør det muligt at afkoble spændingsoverspændingsbeskytterne og forhindrer dermed, at for meget af energien går direkte ind i den sekundære SPD med risiko for at ødelægge den.

Dette er en situation, som faktisk afhænger af karakteristikaene ved hver af SPD'erne.

Figur X – Koordinering af SPD'er

To ens spændingsoverspændingsbeskyttere. For eksempel Up: 2 ​​kV og Imax: 70 kA) kan være installeret uden at afstanden d1 er nødvendig: energien deles mere eller mindre ligeligt mellem de to SPD'er. Men to forskellige SPD'er (f.eks Up: 2 ​​kV/Imax: 70 kA og Up: 1,2 kV/Imax: 15 kA) bør være mindst 8 m fra hinanden til undgå, at der stilles for store krav til den anden spændingsoverspændingsbeskytter.

Hvis ikke angivet, tag d1 min (i meter) som værende 1 % af forskellen mellem Up1 og Up2 (in volt). For eksempel:

Up1 = 2,0 kV (2000 V) og Up2 = 1,2 kV (1200 V)

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

Et andet eksempel, hvis:

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