W dobie czwartej rewolucji przemysłowej (Industry 4.0) stopień skomplikowania i miniaturyzacji układów elektronicznych w szafach sterowniczych sprawia, że są one niezwykle podatne na zakłócenia elektromagnetyczne. Skuteczna ochrona przepięciowa i powszechne stosowanie ograniczników przepięć (Surge Protective Devices, SPD) nie jest już jedynie opcją, lecz wymogiem technologicznym gwarantującym ciągłość procesów produkcyjnych.
Zewnętrzna ochrona odgromowa zapewnia ochronę budynku przed szkodliwym działaniem wyładowania atmosferycznego. Dzięki systemowi zwodów przewodów odprowadzających i uziemieniu prąd pioruna spływa do ziemi, nie naruszając struktury budynku (zewnętrzne urządzenie piorunochronne). Ale brak ochrony wewnętrznej (odstępy separujące, wyrównanie potencjałów) spowoduje, że systemy sterowania i automatyki mogą ulec uszkodzeniu w wyniku oddziaływania LEMP (Lightning ElectroMagnetic Pulse). Podobnie uszkodzenie lub zakłócenia w pracy systemów elektronicznych wewnątrz zakładu mogą wystąpić w wyniku przepięć generowanych przez operacje łączeniowe w rozbudowanym systemie instalacji elektrycznych wewnątrz obiektu.
Ramy prawne i normalizacja
Projektowanie systemów ochrony przepięciowej należy opierać się na aktualnych normach, które definiują zarówno sposób doboru ograniczników przepięć, jak i parametry techniczne, które muszą one spełniać.
PN-EN IEC 62305 (Ed.3.0): to wieloarkuszowa podstawowa norma dotycząca ochrony odgromowej. Definiuje ona strefową koncepcję ochrony (Lightning Protection Zones, LPZ), która jest kluczowa dla szaf zasilania i automatyki. Zawiera tez informacje o realizacji piorunochronnych połączeń wyrównawczych oraz zasadach koordynacji energetycznej dla wielostopniowej ochrony przepięciowej.
PN-HD 60364-4-443: Określa wymagania dotyczące ochrony instalacji niskiego napięcia przed przejściowymi przepięciami pochodzącymi od atmosferycznych wyładowań pośrednich oraz przepięć łączeniowych oraz podaje wymagania w zakresie kategorii przepięć chronionych urządzeń.
PN-HD 60364-4-444: Omawia środki zmniejszają zaburzenia elektromagnetyczne, w tym też wzajemną łączenie uziomów i połączenia wyrównawcze oraz sposób prowadzenia oprzewodowania.
PN-HD 60364-5-53: Podstawowa norma dla instalatorów i projektantów, dotycząca doboru i montażu urządzeń SPD. Zawiera informacje na temat skutecznej odległości ochronnej dla SPD oraz połączeń SPD (długość i przekroje przewodów).
PN-EN 61643-11: Norma produktowa dla ograniczników przepięć niskiego napięcia, klasyfikująca urządzenia na typ 1, typ 2 i typ 3.
PN-EN 61643-21: Dotyczy ograniczników stosowanych w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych (szafy automatyki, sterowniki PLC).
Architektura ochrony: Dobór SPD do szaf przemysłowych
Ochrona w zakładzie przemysłowym musi mieć charakter kaskadowy (stopniowy). Błędem jest zakładanie, że jeden ogranicznik na wejściu do zakładu zabezpieczy czułą elektronikę w oddalonych szafach sterowniczych. Jeżeli długość obwodu między SPD a urządzeniem jest zbyt duża, to propagacja udarów może prowadzić do zjawiska oscylacji. Układy wewnętrzne są chronione, jeżeli są one energetycznie skoordynowane z SPD od strony zasilania i gdy długość obwodu nie jest większa niż dziesięć metrów. Jeżeli odległość między SPD a urządzeniem poddawanym ochronie jest większa niż 10 m, należy zapewnić dodatkowe środki ochrony, takie jak dodatkoweSPD, zainstalowane jak najbliżej urządzenia poddawanego ochronie.
Zastosowanie koncepcji stref ochronnych (LPZ) przy realizacji ochrony przepięciowej szaf w obiektach przemysłowych
Szafy zasilające (rozdzielnice główne i obiektowe)
W głównych punktach zasilania, na granicy stref LPZ 0 i LPZ 1, stosuje się ograniczniki kombinowane typu 1+2 lub typu 1+2+3. Ich zadaniem jest odprowadzenie energii bezpośredniego wyładowania atmosferycznego (prąd udarowy Iimp o kształcie fali 10/350 μs). Ograniczniki te muszą charakteryzować się wysoką zdolnością gaszenia prądów następczych. W nowoczesnych szafach preferuje się technikę iskiernikową ze względu na brak prądu upływu i trwałość. Nowoczesne ograniczniki przepięć wyposażone są wewnętrzne układy zabezpieczeń nadprądowych, co pozwala na skrócenie przewodów łączeniowych. Przykładem takiego ogranicznika może być ogranicznik DEHNventil ACI, zapewniający napięciowy poziom ochrony < 1,5 kV przy odprowadzaniu prądu piorunowego 25 kA/biegun Może on pracować bez zewnętrznego dobezpieczenia w obwodach o spodziewanym prądzie zwarciowym Ik = 100 kA, Montaż bezpośrednio na szynie PE pozwala na znaczne skrócenie przewodów przyłączeniowych.
Ochrona przepięciowa w głównej szafie rozdzielczej na granicy stref LPZ 0 / LPZ1: kombinowany ogranicznik przepięć typu 1+2+3 (DEHNventil ACI)
Szafy automatyki i sterowania
Szafy automatyki znajdują się zazwyczaj w strefie LPZ 2 lub wyższej. Tutaj kluczowe jest obniżenie napięciowego poziomu ochrony (UP) do wartości bezpiecznej dla elektroniki.
zasilanie AC/DC: Stosuje się ograniczniki typu 2 (udar 8/20 μs) oraz typu 3 w bezpośrednim sąsiedztwie czułych odbiorników (np. zasilacze buforowe, sterowniki PLC).
obwody 24V DC: Elektronika sterownicza wymaga specjalnych ograniczników dla prądu stałego o niskim progu zadziałania.
linie sygnałowe i komunikacyjne: To, niestety, często pomijany element, który również wymaga ochrony przepięciowej. Pętle prądowe 4-20 mA, magistrale RS-485, Profinet czy Ethernet zabezpieczane są za pomocą specjalnych ograniczników (często dwustopniowych układów: odgromnik gazowy + diody Transil), które nie wprowadzają zakłóceń w transmisji danych (odpowiednia impedancja i pasmo).
Nawet najlepszy system ochrony przepięciowej nie zadziała poprawnie, jeśli zostanie błędnie zainstalowany. Jednym z czynników, na który należy zwracać uwagę, to indukcyjność przewodów łączeniowych. Przy bardzo szybkich narastaniach zboczy prądowych udarów przepięć długość przewodów montażowych jest czynnikiem krytycznym.
Zgodnie z PN-HD 60364-5-53 należy wziąć pod uwagę, że długość 1 m przewodu prostoliniowego przenoszącego prąd rozładowczy 10 kA (8/20) daje spadek napięcia około 1000 V. Jeżeli ten dodatkowy spadek napięcia zsumujemy z napięciem na zaciskach ogranicznika, to może się okazać, że przekroczone zostanie napięcie udarowe wytrzymywane przez dane urządzenie. Tym samym może dojść do uszkodzeń pomimo zastosowania SPD. Dlatego norma podaje, aby całkowita długość przewodów między punktami przyłączenia zespołu SPD nie była większa niż 0,5 m. W przypadku, gdy ogranicznik przepięć wymaga zewnętrznego dobezpieczenia, warunek ten może być trudny w praktycznej realizacji. Dlatego warto dla potrzeb ochrony szaf przemysłowych zastosować ograniczniki przepięć niewymagające stosowania zewnętrznych przetężeniowych urządzeń zabezpieczających.
Ochrona przepięciowa w głównej szafie rozdzielczej na granicy stref LPZ 0 / LPZ1: kombinowany ogranicznik przepięć typu 1+2+3 (DEHNventil ACI)
DEHNguard ACI
Przykładem takiego ogranicznika może być ogranicznik DEHNguard ACI. Innowacyjna technika Advanced Circuit Interruption (ACI) firmy DEHN niezawodnie chroni instalacje przed przepięciami, a jedocześnie sam aparat nie wymaga dobezpieczenia. Rozwiązanie zabezpieczające SPD przed to prądami zwarcia spełnia wymagania opisane w normie PN-EN IEC 61643-01:2025. W ograniczniku DEHNguard ACI jest to kombinacja wyłącznika i iskiernika, która jest połączona szeregowo z warystorem. Dzięki temu rozwiązaniu każdy prąd zwarciowy, który mógłby płynąć przez warystor (przy uszkodzeniu jego struktury wewnętrznej), zostaje przerwany. Prąd resztkowy zostaje ograniczony do takiego poziomu, że nie spowoduje zadziałania bezpieczników topikowych rzędu 16A gG. Oznacza to znacznie większą dostępność i bezpieczeństwo pracy instalacji w porównaniu z standardowymi ogranicznikami typu 2 z zewnętrznym dobezpieczeniem.
W przypadku szaf przemysłowych ważny jest też sposób montażu aparatów wewnątrz rozdzielnicy. Zastosowanie podstawy wyposażonej w zaciski push-in upraszcza i przyspiesza proces montażowy. Nie bez znaczenia jest też fakt, że ogranicznik DEHNguard ACi do połączenia wymaga w każdym przypadku przewodów o przekroju 6 mm2 Cu. Ułatwia to montaż, a dzięki mniejszemu promieniowi zginania można użyć krótszych przewodów i zaoszczędzić miejsce w szafie.
Ogranicznik przepięć typu 2 z techniką ACI (DEHNguard MP ACI)
Kolejną zaletą techniki ACI jest brak prądu upływu, co znacznie wydłuża żywotność ograniczników. Technika ACI sprawia, że dzięki szeregowemu połączeniu iskiernika i warystora nie występuje prąd upływu. Zapobiega to przedwczesnemu starzeniu się warystorowych ograniczników przepięć oraz pozwala oszczędzić czas i koszty ich wymiany przed upływem szacowanego okresu użytkowania. Ograniczniki ACI zapobiegają również przypadkowemu zadziałaniu systemu monitoringu izolacji. Wewnętrzny układ połączeń czyni aparaty z techniką ACI odpornym na przepięcia dorywcze (np. spowodowane przerwaniem przewodu neutralnego). Przepięcia dorywcze mogą zniszczyć konwencjonalne ograniczniki przepięć. Nowe ograniczniki ACI mają znacznie lepszą wytrzymałość na przepięcia dorywcze. Poprawia to dostępność instalacji i pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze przeznaczone na wykonanie napraw.
W nowoczesnych szafach nie można montować ograniczników różnych typów w sposób losowy. Muszą one być skoordynowane energetycznie. Ograniczniki przepięć DEHNguard ACI spełniają wymóg koordynacji energetycznej z innymi SPD typu 2 i 3, tym samym zapewniają poprawną współpracę i zabezpieczają inne urządzenia elektroniczne wewnątrz szafy, których obwody wejściowe chronione są małymi warystorami pastylkowymi.
Ochrona przepięciowa wewnątrz szafy przemysłowej
Ochrona przepięciowa w szafach sterowniczych i zasilających nowoczesnego zakładu przemysłowego to jeden z ważnych czynników wpływających na ciągłość procesu produkcyjnego. Aby była skuteczna, musi spełniać trzy warunki:
prawidłowy dobór urządzeń pod kątem stref LPZ i wytrzymałości udarowej (zgodnie z PN-EN 62305),
ochrona wielopoziomowa, obejmująca nie tylko tory zasilania AC, ale również obwody sterowania DC i linie transmisji danych,
rygorystyczny montaż, ze szczególnym uwzględnieniem minimalizacji długości połączeń i separacji obwodów.
Zlekceważenie tych zasad prowadzi do pozornej ochrony, która w warunkach rzeczywistego wyładowania lub awarii w sieci energetycznej nie zabezpieczy kosztownych sterowników PLC, falowników i systemów SCADA przed zniszczeniem lub zawieszeniem pracy.
Więcej informacji na temat wykorzystanie SPD z techniką ACI można znaleźć na stronie firmy DEHN https://www.dehn.pl/pl/rozwiazania-techniczne/technika-aci.