Förstå överspänningsskyddsenheter (SPD)

Behovet av överspänningsskydd

Dagens värld är full av elektroniska produkter och elektriska apparater som är känsliga för skador från överspänningsstötar

Överspänningar orsakade av statisk urladdning, kapacitiva och induktiva belastningar eller blixtnedslag kan snabbt förstöra sofistikerad elektronisk utrustning och komponenter som används i industriella och kommersiella tillämpningar. Dessa ökningar förlamar verksamheten – särskilt de data- och kommunikationssystem som praktiskt taget alla företag förlitar sig på idag,

18:e upplagan Krav på överspänningsskydd

Medan den 17:e upplagan arbetade utifrån sannolikheten för ett blixtnedslag – den främsta orsaken till elektricitetsöverspänningar – enligt AQ-kriterierna, tar BS7671:2018 istället hänsyn till konsekvenserna av ett nedslag och tillhörande överspänning. Regel 443.4 anger nämligen att en SPD måste installeras där konsekvenserna orsakade av överspänning inkluderar:

• ‘Allvarlig skada på eller förlust av människoliv’
• ‘Avbrott i offentliga tjänster och/eller skada på kulturarvet’
• ‘Avbrott av kommersiell eller industriell verksamhet’
• ‘Påverkar ett stort antal samlokaliserade individer’

Detta innebär i praktiken att allt utom små bostäder nu måste ha ett tillräckligt överspänningsskydd.

Orsaker och konsekvenser av elektriska överspänningar

De flesta elöverspänningar orsakas antingen av blixtnedslag eller elbyte. En blixt kan bära en ström på 200 000A och är särskilt farlig eftersom övertändningen kan orsaka brand eller elektriska stötar. Omkopplingsstötar orsakade av att stora induktiva belastningar stängs av tenderar att vara mindre extrema men mer repetitiva, vilket potentiellt begränsar livslängden för systemkomponenter.

• Blixtnedslag — Storskalig påverkan, hög ström och spänning, men minst vanligt förekommande.
• Strömväxling — Allt fler förekomster:

1. Verktygs- och kundlastomkoppling – Motorer, stora belastningar, fel, kondensatorbanker, säkrings- och brytardrift, etc.
2. Källväxling — smarta elnät, generatorer, solcellssystem och vindkraftsgenerering, etc.

När det gäller SPD:er tjänar de till att förhindra skador på alla delar av en elektrisk installation och anslutna apparater. Detta orsakas av transient överspänning som överskrider den nominella hållfasthetsgränsen för elektrisk utrustning, vilket orsakar skador som brända komponenter, försämrad isolering och till och med smälta ledningar.

Typer av överspänningsskydd

Det finns tre huvudsakliga typer av överspänningsskydd i vanlig användning, beroende på var de är installerade i en installation.

För det första kan SPD:er av typ 1 ladda ur partiell blixtström med en vågform på 10/350 µs. Detta gör dem lämpliga för installation på matningssidan av huvudentrén, vilket skyddar hela installationen inklusive servicepanelen från överspänning. Vanligtvis använder de ett gnistgap för att rikta svallvågen mot jorden och förhindra att den når byggnaden.

För det andra är SPD:er av typ 2 avsedda att skydda utrustning som är ansluten till en installation. De är placerade på lastsidan av huvudentrén över fasneutral eller fasfas och förhindrar spridning av överspänning genom en metalloxidvaristor (MOV) med en 8/20µs strömvåg. MOV:er bibehåller mycket hög resistans tills överspänning påträffas, vid vilken punkt motståndet sjunker dramatiskt och överskottsström kan kanaliseras till jord.

Slutligen är SPD:er av typ 3 mycket mindre skala och bör endast användas tillsammans med en typ 2-enhet. De är speciellt utformade för att skydda känslig utrustning som tv-apparater och datorer från överspänning. Deras spänningsvågor tenderar att vara runt 1,5/50µs och strömvågor tenderar att vara runt 8/20µs.

Val och tillämpning av AC Power System SPD

Efter att ha fastställt vilken klass av SPD som krävs, måste rätt spänning och konfiguration bestämmas.

TN-C System

I detta system kombineras noll- och skyddsjordledaren i en enda ledare genom hela systemet. Denna ledare kallas en PEN, en “Protective Earth & Neutral”. Alla exponerade ledande utrustningsdelar är anslutna till PEN.

TN-S System

I detta system dras en separat noll- och skyddsjordledare genomgående. Skyddsjordsledaren (PE) är normalt en separat ledare, men kan också vara strömkabelns metallhölje. Alla exponerade ledande utrustningsdelar är anslutna till PE-ledaren.

TN-C-S System

I detta system är matningen konfigurerad enligt TN-C, medan nedströmsinstallationen är konfigurerad enligt TN-S. Den kombinerade PEN-ledaren uppstår vanligtvis mellan transformatorstationen och ingångspunkten till byggnaden, och jord och noll är separerade i huvudfördelningstavlan. Detta system är också känt som Protective Multiple Earthing (PME) eller Multiple Earthed Neutral (MEN). Matnings-PEN-ledaren är jordad på ett antal punkter i nätet och i allmänhet så närakonsumentens ingångspunkt som möjligt.

TT SYSTEM

Ett system som har en punkt av energikällan jordad och de exponerade ledande delarna av installationen anslutna till oberoende jordade elektroder. Den inkommande nollan är inte jordad vid huvudfördelaren.

I TT-systemet, för att överströmsskyddsanordningar (säkringar och brytare) ska fungera på avsett sätt, är det viktigt att SPD:er inte får ansluta direkt från fas till skyddsjord, utan från fas till noll och noll till jord. Därför bär neutral-till-PE SPD både PE till neutral impulsström och PE till fas impulsströmmar. Denna SPD rekommenderas att vara en GDT (Gas Discharge Tube) på grund av deras generellt överlägsna energihanteringsegenskaper.

IT-SYSTEM

Ett system har ingen direkt koppling mellan spänningsförande delar och jord, utan alla exponerade ledande delar av installationen är anslutna till oberoende jordade elektroder. Källan är antingen flytande eller jordad genom en hög impedans (för att begränsa felströmmar). Detta innebär att under ett fas till jord-fel fortsätter systemen att fungera. Detta har upptäckts och underhållsinsatser påbörjades för att åtgärda felet. Men under denna tid stiger fas till jord-spänningen till den vanliga linje tillNätspänning och installerade SPD måste klara detta under denna tid. De flesta installerade IT-system använder inte en nollledare – utrustningen strömförsörjs från linje till linje. IT-systemet används vanligtvis i äldre installationer i länder som Norge och Frankrike. Det används också i speciella tillämpningar, såsom intensivvårdsavdelningar på sjukhus och speciella industriella tillämpningar.

Samordning av överspänningsskydd

SPD:er bör ha en skyddsnivå som är betydligt lägre än den nominella impulsmotståndsspänningen. SPD:er bör också alltid vara från samma tillverkare.

En viktig faktor att tänka på när du installerar överspänningsskydd är den totala längden på de kablar som ansluter SPD:n till installationen. De bör vara så korta som möjligt, helst sammanlagt mindre än 0,5 m och inte i något fall mer än 1 m. SPD:er ska alltid installeras enligt tillverkarens instruktioner och helst på leveranssidan av jordfelsbrytare.