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:

a) reaktancji dławika sieciowego (lub transformatora prostownikowego),
b) stopnia wysterowania zaworów,
c) prądu ograniczenia przekształtnika,
d) poziomu prędkości silnika (w przypadku układów napędowych prądu stałego),
e) 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. Ochrona urządzeń energoelektronicznych
     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 podstawowa (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 przy uszkodzeniu (ochrona przy dotyku pośrednim) 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:

a) ochrony człowieka przed porażeniem elektrycznym,
b) ochrony przekształtnika i instalacji przed możliwością wystąpienia pożaru,
c) 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:

a) czujniki lub wyłączniki różnicowoprądowe działające na składową stałą i przemienną,
b) blokada bramkowa,
c) zabezpieczenie przetężeniowe przekształtnika, w tym bezpieczniki o działaniu szybkim stosowane do ochrony zaworów,
d) podzespoły elektroniczne do wyłączania układu w przypadku przepalenia się bezpiecznika,
e) 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:

a) transformatory o wzmocnionej izolacji (np. podwójnej) do zasilania obwodów regulacji i sterowania w sposób oddzielający te obwody od obwodów głównych,
b) transformatory o pojedynczej izolacji z uziemianym ekranem między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym,
c) 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