5. 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),

— typu sieci zasilającej (TN, IT).

Układy energoelektroniczne są urządzeniami o dużym prądzie w przewodzie ochronnym

(upływowym), wynikającym ze stosowania filtrów przeciwzakłóceniowych. Wymagają więc one

specjalnych wyłączników różnicowo-prądowych, dostosowanych do prądu upływowego. W

urządzeniach energoelektronicznych stosowana jest:

a) ochrona podstawowa (przed dotykiem bezpośrednim),

b) ochrona dodatkowa (przed dotykiem pośrednim),

c) ochrona równoczesna polegająca na obniżeniu napięcia roboczego (głównie obwodów sterowania)

do wartości bezpiecznej.

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.

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.

Ochrona dodatkowa (przed dotykiem pośrednim) polega na stosowaniu środków, które przy

uszkodzeniu izolacji roboczej i pojawieniu się napięcia na osłonach urządzeń powodują albo

samoczynne i szybkie ich wyłączenie, albo obniżenie występującego napięcia dotykowego do wartości

nie zagrażającej porażeniem. Wyłączenie układu przekształtnikowego jest wymagane z trzech

powodów:

— ochrony człowieka przed możliwością porażenia,

— 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 szybkie chroniące zawory. Bezpieczniki szybkie 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 szybkie bezpieczniki 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.

Istotny element ochrony pośredniej stanowi 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.