Ochrona urządzeń energoelektronicznych

Każde urządzenie energoelektroniczne może mieć różne własności w zależności od typu stosowanych zaworów (diody, tyrystory, tranzystory), systemu sterowania, poziomu ograniczania prądu i sposobu przetwarzania. Urządzenie może pracować w środowisku o różnym poziomie zapylenia i wilgotności oraz może być zasilane z sieci o różnej konfiguracji (TN, TT, IT) i o różnym poziomie mocy zwarcia.
Ochrona przeciwporażeniowa układów energoelektronicznych wymaga indywidualnego doboru do nich środków ochrony z uwagi na ich różną topologię, sposób działania i zasilanie. Prąd doziemienia wewnątrz przekształtnika zależy nie tylko od rezystancji pętli zwarcia, ale również od:
– reaktancji dławika sieciowego (lub transformatora prostownikowego),
– stopnia wysterowania zaworów,
– prądu ograniczenia przekształtnika,
– poziomu prędkości silnika (w przypadku układów napędowych prądu stałego),
– układu sieci zasilającej.

Układy energoelektroniczne są urządzeniami o dużym prądzie w przewodzie ochronnym (upływowym), wynikającym ze stosowania filtrów przeciwzakłóceniowych. Wymagają więc one specjalnych wyłączników różnicowoprądowych, dostosowanych do prądu upływowego. W urządzeniach energoelektronicznych stosowana jest:
a) ochrona podstawowa (przed dotykiem bezpośrednim),
b) ochrona dodatkowa (przed dotykiem pośrednim),
c) ochrona polegająca na obniżeniu napięcia roboczego (głównie obwodów sterowania) do wartości bezpiecznej.

1. Głównym elementem ochrony podstawowej w urządzeniach energoelektronicznych jest zastosowanie odstępów izolacyjnych w powietrzu i wzdłuż powierzchni osłoniętego wyposażenia, które powinny być dostosowane do stopnia zapylenia środowiska i do poziomu przepięć przejściowych przychodzących z sieci.
Układy energoelektroniczne są budowane zwykle w II lub III klasie przepięciowej o izolacji dopasowanej do spodziewanych w sieci przepięć (kształt 1,2/50 ms) i do środowiska wykazującego II stopień zabrudzenia (środowisko wolne od pyłów przewodzących).
Zastosowanie układu energoelektronicznego w innych warunkach może powodować to, że odstępy izolacyjne wzdłuż powierzchni lub w powietrzu będą niewłaściwie dobrane i warunki ochrony podstawowej nie będą spełnione. A zatem bezpieczna praca układu (z bezpośrednią ochroną przeciwporażeniową) wymaga, aby poziom przepięć przychodzących z sieci zasilającej nie przekraczał dopuszczalnej dla przekształtników wartości i aby warunki środowiskowe (zapylenie, wilgoć) nie były mniej korzystne, niż przewidział to producent.
2. Ochrona przed dotykiem bezpośrednim urządzenia energoelektronicznego polega na umieszczeniu go w szafie, której stopień ochrony — ze względu na wydzielające się w urządzeniu ciepło — zwykle nie jest wyższy niż IP 2X. Szafa powinna być zamykana na klucz lub wyposażona w wyłączniki drzwiowe, by w ten sposób obsługa była chroniona przed dotykiem bezpośrednim części przewodzących: obwodu głównego, sterującego i pomocniczego.
Otwarcie drzwi wyposażonych w odpowiednie wyłączniki powinno powodować wyłączenie układu energoelektronicznego. Dostęp do pracującego układu po otwarciu drzwi może mieć tylko personel konserwujący układ, odpowiednio przeszkolony, przy czym sam układ musi być wyposażony w środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim. Elementy pod napięciem powinny być opisane, odizolowane i osłonięte. Napisy ostrzegawcze powinny być trwałe, czytelne i zrozumiałe dla użytkownika.
3. Ochrona dodatkowa (ochrona przy uszkodzeniu) polega na stosowaniu środków, które przy uszkodzeniu izolacji roboczej i pojawieniu się napięcia na osłonach urządzeń powodują albo samoczynne ich wyłączenie, albo obniżenie występującego napięcia dotykowego do wartości nie zagrażającej porażeniem. Wyłączenie układu przekształtnikowego jest wymagane z trzech powodów:
– ochrony człowieka przed porażeniem elektrycznym,
– ochrony przekształtnika i instalacji przed możliwością wystąpienia pożaru,
– możliwości uszkodzenia części składowych przekształtnika (zwłaszcza zaworów)
i odbioru (silnika).

Ochrona człowieka przed porażeniem jest sprawą nadrzędną. Jednak koszt zaworów (tyrystorów lub tranzystorów) jest znaczny. W związku z tym półprzewodnikowe przyrządy mocy wymagają również ochrony. W przypadku zwarć międzyprzewodowych a do masy można dobierać przeciążalność prądową tak, że nie ulegną one uszkodzeniu przy przepływie prądu zwarcia. Zwykle wymaga się jednak, aby zwarcie zostało wyłączone w okresie kilkudziesięciu milisekund, co zwykle powodują bezpieczniki o działaniu szybkim chroniące zawory. Bezpieczniki takie należy brać pod uwagę przy ochronie przeciwporażeniowej jako elementy zabezpieczające ludzi i przekształtnik przed zwarciem.
W przypadku uszkodzenia izolacji podstawowej w elemencie przekształtnika, w przewodzie ochronnym PE obwodu głównego może płynąć prąd przemienny, stały lub zmienny o wartości zależnej od miejsca doziemienia.
Prąd doziemienia może mieć różną wartość w zależności np. od kąta wysterowania prostownika. W związku z tym pojęcie pętli zwarcia w układach przekształtnikowych nie ma zastosowania. Ochrona pośrednia obwodów głównych przekształtnika wymaga więc stosowania skojarzonego systemu różnych środków obejmujących zarówno samą instalację, jak i pozostałe urządzenia. Środki te zależą od rodzaju przekształtnika, jego mocy oraz sposobu zasilania.
W przypadku przekształtników umieszczonych w obudowach I klasy ochronności, do podstawowych środków skojarzonego systemu należą połączenia wyrównawcze między częściami składowymi układu energoelektronicznego i magistralą uziemiającą. Istotnym środkiem ochrony przeciwporażeniowej są połączenia wyrównawcze, gwarantujące ekwipotencjalizację stanowiska pracy, ponieważ układy energoelektroniczne mogą być wyłączane ze znacznym opóźnieniem.

Oprócz tych połączeń zastosowanie mają:
– czujniki lub wyłączniki różnicowoprądowe działające na składową stałą i przemienną,
– blokada bramkowa,
– zabezpieczenie przetężeniowe przekształtnika, w tym bezpieczniki o działaniu szybkim
stosowane do ochrony zaworów,
– podzespoły elektroniczne do wyłączania układu w przypadku przepalenia się bezpiecznika,
– urządzenie do kontroli stanu izolacji w układach zasilanych z sieci typu IT.

Istotnym elementem ochrony przy dotyku pośrednim (przy uszkodzeniu) jest szyna ochronna PE, instalowana wewnątrz obudowy przekształtnika, która powinna być połączona przewodem ochronnym z zaciskiem ochronnym PE rozdzielni zasilającej. Z szyną tą powinny być połączone przewodami wyrównawczymi, mocowanymi w sposób pewny, wszystkie części składowe układu i części przewodzące obce.

W odniesieniu do obwodów sterowania elektronicznego przekształtników, jeżeli obwody te są odizolowane od zasilania obwodów głównych i nie są uziemione, to producenci tych urządzeń stosują alternatywnie:
– transformatory o wzmocnionej izolacji (np. podwójnej) do zasilania obwodów regulacji
i sterowania w sposób oddzielający te obwody od obwodów głównych,
– transformatory o pojedynczej izolacji z uziemianym ekranem między uzwojeniem pierwotnym
i wtórnym,
– urządzenia do kontroli stanu izolacji obwodów sterowania elektronicznego.

W obwodach niskiego napięcia układów sterowania z reguły nie stosuje się bezpieczników. Zwykle wyposaża się je w układy elektroniczne ograniczające prąd w przypadku zwarcia obwodu wyjściowego zasilacza.

▲ do góry