Bardziej właściwym pytaniem jest: jakie dokładnie ograniczniki i jak podłączone to powodują? Nie od dziś wiadomo, że istnieją różne typy SPD, parametry, producenci oraz ceny. A znane są przypadki, że urządzenia zabezpieczające przed przepięciami, potocznie zwane też ochronnikami, zamiast chronić – podnoszą ryzyko wystąpienia pożaru w rozdzielnicy.
SPD (ang. Surge Protecting Device), czyli po polsku ogranicznik przepięć, jest stosunkowo prostą rzeczą, która przez większość czasu nic nie robi, za wyjątkiem sytuacji przepięcia. Takowe pojawiają się niemal codziennie, praktycznie wszędzie i o każdej porze roku.
Przepięcia możemy podzielić na łączeniowe oraz wyładowcze. Te pierwsze są związane z indukcyjnością przewodów zarówno w sieci, instalacji oraz nawet w przedłużaczach. Czym jest indukcyjność to temat na inny artykuł, jeśli nie na książkę. Warto wiedzieć, że zmiana natężenia prądu spowodowana włączeniem lub wyłączeniem każdego urządzenia powoduje, iż ta indukcyjność „broni się” przed tą zmianą, poprzez wytworzenie własnego napięcia.
Co innego gdy mamy do czynienia z malutką lampką nocną, inaczej gdy sąsiad korzysta z spawarki, a jeszcze inaczej gdy cała pobliska sieć ulega włączeniu po przerwie lub przełączeniu linii/transformatora na inną – co dzieje się bardzo często i może nawet nie zostać zauważone.
Inaczej bajka wygląda gdy piorun uderzy w słup energetyczny zaraz pod budynkiem lub w jego piorunochron połączony z tym samym uziemieniem co instalacja elektryczna. Osoby nieobeznane z tematem, a podające się za elektryków, z uporem maniaka twierdzą, że nie da się zabezpieczyć instalacji i urządzeń przed takowym zdarzeniem. Tym samym robią krzywdę wielu nieświadomym osobom, które nie chcą mieć uszkodzonych urządzeń, instalacji ani pożaru – gdyż źle zabezpieczona instalacja może właśnie wywołać pożar w ciągu ułamka sekundy już w trakcie bliskiego spotkania z piorunem.
Uderzenie pioruna, zwane inaczej elektrycznym wyładowaniem atmosferycznym, to de facto zwarcie elektryczne okładek kondensatora – jedną okładką jest naelektryzowana chmura, a drugą ziemia lub obiekt na ziemi.
Większość wyładowań atmosferycznych, to wyładowania ujemne i wyjątkowo zdarzają się dodatnie. W jego trakcie pojawia się bardzo krótki (krócej niż pół tysięcznej części sekundy) impuls o bardzo dużym natężeniu prądu. Konkretnie jego wartość wynosi kilkanaście-kilkadziesiąt kiloamperów (1 kA = tysiąc amper). W bardzo rzadkich przypadkach przekracza 100 kA.
Wbrew pozorom, od wielu lat istnieją zadajniki potrafiące wygenerować impuls prądu 100 kA o czasie trwania 0.35 ms. Na tej podstawie jesteśmy w stanie ocenić wytrzymałość danego ogranicznika oraz to czy np. nie ulegnie on częściowemu uszkodzeniu.
Znamionową wytrzymałość 100 kA 0.35 ms posiadają jedynie ograniczniki typu T1, które przeważnie są iskiernikowe i kosztują minimum tysiąc złotych, a nie kilkadziesiąt. Nawet najdroższy ogranicznik T2 nie wytrzyma takiej „imprezy”.
Co powoduje, że ogranicznik wybucha i jaka jest różnica między warystorem a iskiernikiem?
Każdy przewodnik oraz każdy izolator posiada rezystancję (oporność) elektryczną. W przypadku elementów mających charakter czysto rezystancyjny, cała energia elektryczna zamieniana jest na ciepło. Przy czym moc to ilość wydzielanej energii w ciągu danego czasu. Przykładowo 100 W to 100 J energii na każdą sekundę.
Wydzielaną moc można bardzo łatwo obliczyć za pomocą jednego z dwóch wzorów. I^2 * R oraz U^2 : R. Czyli natężenie prądu do kwadratu razy rezystancja, a to drugie to napięcie do kwadratu podzielone przez rezystancja.
Ograniczniki zarówno warystorowe, jak i iskiernikowe, podczas normalnej pracy mają bardzo bardzo dużą rezystancję, więc ilość wydzielanego przez nich ciepła, jest tak niska, że praktycznie niemożliwa do zmierzenia.
Są one elementami które nie posiadają stałej rezystancji i zależy ona głównie od wartości napięcia. Nie wdając się w niezbyt istotne szczegóły, po przekroczeniu napięcia progowego, rezystancja gwałtownie spada i płynie duży prąd – taki jest właśnie cel działania ogranicznika.
Całość obwodu elektrycznego, jaki tworzy wyżej wspomniany kondensator (chmura oraz ziemia), zostaje zamknięty poprzez powietrze (piorun to inaczej dosłownie prąd płynący poprzez powietrze wskutek gigantycznej wartości napięcia), sieć, instalację oraz ogranicznik. Tworzą one sumaryczną rezystancję. Czym szybciej i bardzie spadnie rezystancja ogranicznika, tym mniej energii wydzieli się na nim w postaci ciepła oraz z tych samych powodów wartość szczytowa przepięcia (niezbyt chcianego i krótkotrwałego wzrostu napięcia) zostanie bardziej ograniczona.
Jak widać, w powyższym akapicie, oszczędzanie na ograniczniku to ryzykowanie nie tylko uszkodzeniem zasilanych urządzeń, ale także ryzykowanie uszkodzeniem instalacji, pożarem, a nawet porażeniem prądem, gdyż piorun to płynący znaczny prąd o bardzo dużej wartości napięcia, dla którego powietrze często nie jest problemem.
W jaki sposób wzrost temperatury w ograniczniku powoduje eksplozję lub zapalenie się?
Druga możliwość, jest chyba oczywista – trójkąt ognia to paliwo (materiał palny), temperatura oraz tlen. Tani osprzęt elektryczny często jest produkowany z użyciem palnych tworzyw bez dodatków tzw. samogaszących. Wybuch jest efektem gwałtownego i znacznego wzrostu temperatury, co powoduje pękanie od naprężeń (siła spowodowana rozszerzalnością termiczną) oraz wzrost temperatury powietrza w rozdzielnicy – bywały przypadki, że drzwi rozdzielnicy „przeinstalowały się” na przeciwległą ścianę…
Jest jeszcze jedna niepozorna rzecz, o której się często zapomina, a również może doprowadzić do pożaru podczas przepięcia. Wyżej wspomniałem o zamknięciu obwodu chmura-ziemia – oczywiście uczestniczą w tym przewody, które także mają swoją rezystancję i wydziela się na nich ciepło podczas przepływu prądu (tak samo jak przy prawie wszystkim innym). W prawidłowo zaprojektowanej i prawidłowo wykonanej instalacji, temperatura między miedzią (lub innym przewodnikiem – w tym aluminium) a izolacją przewodu, nie przekroczy 200 °C.
Aby spełnić normy i zarazem mieć bezpieczną instalację (ww. limit temperatury) to koniecznie należy pamiętać o minimalnym przekroju połączeń wyrównawczych i ochronnych, a mniejsze stosować dopiero za ogranicznikiem. W każdym projekcie powinna być podana wartość przekroju dla każdego przewodu, ale podstawowa zasada nie jest skomplikowana – dla ograniczników T2 nie mniej niż 6 mm^2 Cu oraz dla T1 nie mniej niż 16 mm^2 Cu. Przy czym uziom obligatoryjnie zawsze nie mniej niż 16 mm^2 Cu.
Na koniec nadmienię jeszcze o dwóch innych rzeczach, które są „wiedzą tajemną” 😉
Przy stosowaniu równocześnie ogranicznika T1 oraz T2 powinno się stosować ograniczniki tego samego producenta i stosować minimalny odstęp przewodów między nimi podany w instrukcji lub na stronie internetowej oczywiście producenta.
Druga rzecz, to sposób podłączenia (kształt T, V, obecność dobezpieczenia), który niekoniecznie ma wpływ na możliwość wybuchu SPD, ale mają bardzo bardzo duży wpływ na wartość szczytową przepięcia – na nic się nie zda nawet najdroższy ogranicznik, jeśli nie został on podłączony prawidłowo. Przy czym, jeśli to możliwe, należy stosować jak najkrótsze przewody przy SPD, a nie tyle ile maksymalnie pozwala norma, oraz to samo z ich przekrojem – oczko więcej nigdy nie zaszkodzi.
