Ako nás ochráni prepäťovka v zásuvke?

Ako nás ochráni prepäťovka v zásuvke?
12.06.2015 09:53 | Články | vxmery
Prezrel som si niekoľko e-shopov s bežnou elektronikou a našiel som pomerne veľa zásuviek a predlžovačiek s popismi ako vstavaná prepäťová ochrana, ochrana proti pulzému prepätiu a podobne. Prídeme teda do obchodu a kúpime si takúto predlžovačku v dobrej viere, že budeme mať našu elektroniku v bezpečí.



V skutočnosti sme iba podľahli ilúzii bezpečia, ktorú podporujú obchodníci tým, že v popise neuvádzajú žiadne bližšie údaje o úrovni ochrany, akú sú tieto zariadenia schopné poskytnúť.

 

Na túto tému bolo popísaných veľa odborných článkov. Ich spoločným menovateľom je však pomerná zložitosť a tým aj ťažšia čitateľnosť pre niekoho, kto sa touto oblasťou priamo či nepriamo nezaoberá. Skúsim sa teda prehrabať v prístupnej literatúre s úmyslom preložiť pár dôležitých faktov z tejto oblasti do jazyka bežného človeka.

Legislatívny rámec

Je pomerne široký a od pádu železnej opony postupne zladený s normami EÚ. Kto by sa chcel oboznámiť podrobnejšie s odbornou terminológiou môže si pozrieť predovšetkým tieto normy:

STN EN 61643-11              Nízkonapäťové prepäťové ochrany. Časť 11: Prepäťové ochrany zapojené v sieťach nízkeho napätia. Požiadavky a skúšky.

STN EN 62305-1                Ochrana pred bleskom. Časť 1: Všeobecné princípy.

STN EN 62305-4                Ochrana pred bleskom. Časť 4: Elektrické a elektronické systémy v stavbách

STN EN 50160: 2011        Charakteristiky napätia elektrickej energie dodávanej z verejnej elektrickej siete

Základné údaje

Pripomeňme si teda zopár základných faktov. Nominálne napätie je vo väčšine štátov EU 230 Voltov medzi fázovým a neutrálnym vodičom a nominálna frekvencia je 50 Hz. Akákoľvek zmena týchto hodnôt mimo normou definovanú toleranciu je nežiadúca, pretože môže spôsobiť škody na majetku a v krajnom prípade i na zdraví a životoch. O kvalite napätia v distribučnej sieti hovorí norma EN 50160 (viď hore). Norma okrem iného povoľuje výkyvy napätia ± 10% od nominálnej hodnoty čo znamená, že v zásuvke je dovolený maximálny rozsah napätia od 207 do 253 Voltov. Niekde, ako napríklad v datacentrách je aj takýto výkyv neprípustný a preto používajú špeciálnu technológiu na filtrovanie (aktívne a pasívne filtre) a stabilizáciu napájania (UPS – zdroje nepretržitého napájania), čo sú pomerne drahé ale zároveň nevyhnutné zariadenia pre bezpečnú prevádzku takýchto lokalít citlivých na kvalitu napájacej siete. Ale čo my v bežnej domácnosti?

Napájacie zdroje v modernej elektronike a spotrebičoch sú konštruované tak, aby rozptyl napätia ±10%  bezpečne zvládli. Žehlička žiadny výkyv nezaregistruje a zdroj notebooku takisto. Čo sa však môže stať, ak sú tolerancie dané normou prekročené rušením v elektrickej sieti? A čo ho vôbec spôsobuje? A akými cestami sa k nám môže dostať?

Zdroje rušenia v sieti

Zdrojov rušenia môže byť viac, prehoďme zopár slov aj o nich. Niektoré máme na svedomí my. Ak máme šťastie na blízkosť fabriky alebo pracovitých susedov s cirkulárkami a elektrickými zváračkami, môžeme pociťovať priemyselné rušenie ako dôsledok zapínania a vypínania veľkých motorov, ktoré sa vedia odvďačiť ako správna induktívna záťaž vygenerovaním prepätia. Veľké rušenie môže spôsobiť aj náhodná prevádzková manipulácia v sieti. Napríklad cez polčas Premier League si 20 miliónov Angličanov v rovnakom čase zapne varnú kanvicu o výkone 2000W lebo si chcú dopriať svoj obľúbený čaj. To zas spôsobí veľký pokles napätia. Dominanciu deštrukčných dôsledkov rušenia v sieti však majú atmosférické vplyvy, čo sú najmä blesky. Zrejme si vieme vybaviť situáciu, keď sme počas búrky zaznamenali rušivé čiary cez televíznu obrazovku (v lepšom prípade) alebo zašumenie v rádiu. V horšom prípade sa náhle zablesklo a tma (to máme radi pri finále Ligy majstrov). Venujme teda trochu pozornosti javu, zvanému blesk.

 

Bleskovo o blesku

Celosvetovo je aktivita bleskov pomerne presne sledovaná a na základe prehľadnej mapy vidíme, že aj keď nepatríme medzi najexponovanejšie krajiny, nemôžeme si dovoliť ochranu ignorovať.

Ako nás NASA informuje, priemerný výskyt zásahu blesku na štvorcový kilometer za rok je u nás je okolo 5. Kto sa chce bleskom vyhnúť, doporučené destinácie sú Grónsko, Antarktída alebo Kamčatka.

Ak sa chceme presvedčiť, či sa nás to naozaj týka, pozrime si detailnejší pohľad na naše územie,  ako to vyzeralo od Tatier k Dunaju počas vydarenej búročky 27.7.2014. SHMÚ na svojej stránke zverejnil detekciu bleskov.

 

Bleskom o parametroch blesku

Aby sme aspoň zhruba vedeli o akej energii je reč, vedzme, že úder blesku s najväčšou energiou trvá okolo 10 až 50 µs, čo je čas za ktorý stíhačka letiaca rýchlosťou zvuku preletí asi 1 cm. Za tento čas pretečie prúd typicky 5 až 50 kA, čo je rádovo prúd tečúci v trakčných motoroch lokomotív schopných utiahnuť 1000 tonový vlak. Sú to približné údaje pre blesky v prírode, pretože jediný človek, ktorý vedel o blesku kedy a kam udrie aby sme ho mohli zmerať presne, bol Marty McFly vo filme Návrat do budúcnosti (Back To Future). Správne, bolo to 12 novembra 1955 o 22:04 J.   

 

 

Účinky pri zásahu blesku

Vidíme teda, že sa jedná o ohromnú energiu za veľmi krátky čas. Keby sme si to chceli približne predstaviť, je to akoby sa na úbočí úzkej doliny roztrhla hrádza a dolu kopcom sa hnala prívalová vlna. Ako vieme, takáto vlna má okrem samotnej ničivej sily vody aj sekundárne účinky a to je naplavený materiál, ktorý nesie so sebou a ktorý má takisto deštrukčný vplyv na všetky prekážky stojace v ceste.

Ak sa teda vrátime k blesku, prípade priameho alebo nepriameho zásahu potrebujeme vziať do úvahy tri javy, ktoré sa v dôsledku rôznych prírodných zákonov prejavujú rovnako  – nebezpečným prepätím v mieste dopadu a na všetkých metalických vedeniach v okolí. Tieto tri javy nazvali odborníci takto:

  1. Priama galvanická väzba
  2. Induktívna väzba
  3. Kapacitná väzba

Priama galvanická väzba je znázornená na obrázku ako príklad nepriameho zásahu blesku v blízkosti objektu.

Obr. Galvanická väzba

Čo sa stane? Prechod bleskového prúdu spôsobí zvýšenie potenciálu zeme, ktorý sa prenesie na náš zemnič a cez zemniace vodiče (v žlto-zelenom pyžamku) na všetky pripojené zariadenia nielen zásuvkách ale aj tieniace plášte signálnych káblov, teda xDSL modemov, smerovačov, zabezpečovacích zariadení atď. Paradoxne ochranný prvok našej inštalácie spôsobí prepätie na všetkom, čo je vodivo prepojené cez zemniaci vodič.

Induktívna väzba. To je čo? Rýchlym prechodom bleskového prúdu, príde k veľkej zmene elektromagnetického (EM) poľa za krátky čas a teda sa vo vodičoch v blízkosti vedenia bleskozvodu naindukuje prepätie, ktoré opäť  zasiahne všetky pripojené zariadenia. A je mu jedno, či je to silový, koaxiálny alebo signálny kábel. A nielen to.

Obr. Induktívna väzba

Ak je EM pole dostatočne veľké, spoľahlivo zničí všetky procesory s vysokou integráciou polovodičov, čo sú dnes vlastne všetky čipy používané v elektronike. Samozrejme ľudia vo svojej kreativite tento jav náležite využili, takže teoreticky môže prísť deň, keď sa na komunikáciu budú opäť používať tamtamy a dymové signály.

Kapacitná väzba. Tak do tretice. Keďže po priamom zásahu vzrastie potenciál na všetkých vedeniach v našom vzorovom domčeku, bude sa chovať ako dobre nabitý kondenzátor ako opäť ukazuje obrázok.

Obr. Kapacitná väzba

Keďže je však vodivo prepojený minimálne cez silové vedenia s ostanými objektmi v okolí, urobí presne to, keď sa takýto kondenzátor vyskratuje. V tomto prípade budú radosť z prepätia na svojich rozvodoch zdieľať aj naši susedia. Preto hovoríme o kapacitnej väzbe, ktorá je opäť znázornená na obrázku.

Čisto teoreticky ak máme to zriedkavé šťastie, že sa nám cez otvorené okno alebo komín dostane do domu guľový blesk, tam pomôže iba hromničná sviečka, pretože iba tá bude schopná fungovať aj po návšteve tohto tajomného útvaru.

Zaujímavé je, že o tomto prírodnom úkaze sa vie v podstate stále toľko málo, čo Jules Verne popísal v Ceste do stredu Zeme v roku 1864.

Obr. Ilustrácia guľového blesku v Ceste do stredu Zeme a realita z Petržalky 25.8.2007

Ochrana zariadení

Ako sme si stručne ukázali, ochrana pred prepätím nie je nejaká paranoja ale reálny fakt. Ako príklad zariadení, ktoré je potrebné chrániť, si predstavme rodinný dom vybavený prípojkou na internet, satelitnou TV, zabezpečovacím zariadením, klimatizáciou a solárnymi panelmi ako je znázornené na obrázku nižšie. Všetky vymenované zariadenia majú jedno spoločné – sú pripojené metalickými káblami (silovými alebo signálnymi) ku domovým rozvodom a teda umožňujú preniknutiu prepätia spôsobmi uvedenými vyššie. Urobme si teda sumár bodov, ktorým treba venovať pozornosť.

1. Prívod napätia; hlavný NN rozvod 230/400V

2. Zabezpečovacie zariadenie prípadne požiarna signalizácia (EZS, EPS)

3. Telefónne vedenie; xDSL metalické pripojenie

4. Televízna a satelitná anténa

5. Anténne vedenia

6. Klimatizácia

7. Solárne panely

8. Zásuvky

 

Vidíme, že ak chceme takto vybavený dom ochrániť, je jasné, že to treba pojať ako komplexný projekt, kde je namieste konzultácia s odborníkmi, ktorí navrhnú príslušné typy prepäťových ochrán a ich presné umiestnenie. Musia byť splnené obidve podmienky, inak celý projekt nemá význam. Základom je samozrejme poctivo urobený a riadne uzemnený bleskozvod, čo nie je nič nové. Čo však pre niektorých nové je, že podľa normy STN 33 1500 je potrebné vykonávať pravidelné revízie bleskozvodov. Napríklad pre obytné domy, rodinné domy a poľnohospodárske objekty je predpísaná vizuálna kontrola každé 2 roky a revízia každé 4 roky.

V praxi to znamená, že keď budeme poisťovni hlásiť škodovú udalosť po zásahu blesku a nepreukážeme sa platnou revíznou správou, máme zavarené na komplikácie pri plnení. Základ máme, poďme ďalej podľa nášho vzorového domčeku.

Predtým si však vysvetlime zopár pojmov, ktoré bezprostredne s prepäťovými ochranami súvisia.

Aby sa jasne určilo, kam ktorá prepäťová ochrana patrí, tak boli spomínanou normou STN EN 62305-4 definované tzv. zóny ochrany pred bleskom (LPZ = Lightning Protection Zone) takto:

LPZ 0A je vonkajší nechránený priestor mimo chráneného objektu, v ktorom je

možný priamy úder blesku.

LPZ 0B je vonkajší priestor chránený zachytávačom bleskozvodu, priestor v tesnej blízkosti

vonkajších múrov terás a nižších budov. V zóne je nepravdepodobný úder blesku. Táto zóna je vhodná napríklad na montáž antén.

LPZ 1 je vnútorný priestor v chránenom objekte. Priamy úder blesku nie je

možný. Intenzita elektromagnetického poľa je závislá od konštrukcie a spôsobu tienenia

objektu.

LPZ 2 je vnútorný priestor so zvýšenou triedou ochrany, ktorý sa nachádza v zóne LPZ 1.

LPZ 3 je vnútorný priestor objektu alebo kovových skríň, chránený účinným

tienením proti vplyvom elektromagnetických polí a prepäťovými ochranami, v ktorom

nevznikajú prakticky žiadne elektromagnetické impulzy ani prepätia od bleskového výboja.

 

Keď si tieto zóny predstavíme na zjednodušenej schéme domčeku, tak to bude vyzerať takto:

 

Teraz pár slov ku označeniu prepäťoviek. V našej i zahraničnej literatúre sa stretneme s dvomi skratkami:

SPD z anglického Surge Protection Device alebo

TVSS ako Transient Voltage Surge Suppressor

Prepäťovky delíme na tri typy, ktorých úlohou je zviesť bleskový prúd a zraziť prepätie zvedením do zeme. Samotný popis technických parametrov by vydal za samostatný článok, my teraz veci ako iskrisko, varistor, nominálny výbojový prúd alebo bleskový výbojový prúd riešiť nebudeme. Podrobné technické parametre napokon uvádza každý výrobca prepäťoviek. To je ten veľký rozdiel medzi špecializovaným predajcom a bežným obchodom spomínaným v úvode.

Typ 1 (predošlé označenie B) Zvodič bleskových prúdov, ktorý sa umiestňuje na rozhranie zón LPZ0 a LPZ1, požadovaná úroveň ochrany 4 kV. Môžeme teda hovoriť o hrubej ochrane pri priamom alebo blízkom zásahu blesku.

Typ 2 (predošlé označenie C) Prepäťová ochrana, ktorá sa umiestňuje na rozhranie zón LPZ1 a LPZ2, požadovaná úroveň ochrany 2,5 kV, čiže stredná ochrana. Chráni pri vzdialenom zásahu blesku alebo spínacích prepätiach

Typ 3 Prepäťová ochrana (predošlé označenie D), ktorá sa umiestňuje na rozhranie zón LPZ2 a LPZ3. Chráni do 1,5 kVA, jemná ochrana určená pre spotrebiče napájané zo zásuviek. Toto je typ ochrán, ktoré sa predávajú v bežných obchodoch, čiže tretí stupeň, ktorý si splní svoju funkciu, ak sú správne inštalované predošlé dva stupne.

Pomerne často výrobcovia ponúkajú tzv. kombinovanú ochranu Typ1 + Typ2 (alebo označovanú ako B+C).

 

Umiestnenie SPD

1. Začneme prívodom napätia (NN) 400/230V do domu, ktorým je hlavný rozvádzač. Je to pre nás vstup do objektu, zvyčajne vybavený ističmi pre celý dom.

Tam by sme mali mať SPD Typ 1 a Typ 2 (kombinovaný), ktorý sa dáva na rozhranie zón LPZ 0 a LPZ 1.

Takáto prepäťovka nás ochráni pred prepätím pri priamom i nepriamom údere blesku.

Schéma zapojenia pre štvorpólový (t.j. tri fázy + neutrál) typ a obrázok, ako môže taká prepäťovka vyzerať:

http://www.saltek.eu/sites/default/files/db-vyrobku-2/F_FLP-B%2BC_MAXI_VS_4.PNG

2. Druhý bod je zabezpečovacie zariadenie a/alebo požiarna signalizácia (EZS, EPS). Tento rozvádzač býva spravidla umiestnený blízko hlavného rozvádzača.

Keďže potrebuje napájanie, máme pripojenie na 230V a zároveň nízkonapäťové signálne káble ku senzorom. A tie máme po celom dome. V tesnej blízkosti zariadenia by sme mali mať SPD typ 3, prepäťovku s integrovaným odrušovacím vysokofrekvenčným filtrom proti impulznému prepätiu a vf rušeniu.

Schéma zapojenia a obrázok:

3. Ďalším obľúbeným miestom pre vznik prepätia, je telefónne vedenie, ktoré je však vo veľkej miere používané ako xDSL dátová prípojka. Tam patrí SPD typ 3, zvyčajne je to kombinovaný zásuvkový adaptér a konektory RJ45 alebo RJ11 na signálny kábel, ako znázorňuje obrázok.

 

Výhoda tohto riešenia je, že napr. xDSL modem máme chránený aj po silovom aj po signálnom vedení jedným zariadením.

4. Na TV a/alebo satelitnú anténu použijeme takisto zásuvkový adaptér s kombinovanou ochranou na 230V a koaxiálneho kábla.