Ochrona przed przepięciami

Data publikacji

Spis treści

1. Wiadomości ogólne

Ograniczona odporność udarowa powszechnie stosowanych urządzeń i instalacji elektrycznych, a zwłaszcza urządzeń i systemów elektronicznych, komputerowych i telekomunikacyjnych, wymaga skutecznej ochrony przed przepięciami.
Do podstawowych przyczyn występowania przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych należą wyładowania atmosferyczne, przepięcia łączeniowe przenoszone z sieci rozdzielczej oraz przepięcia wewnętrzne powstające w instalacji elektrycznej obiektu.
Powszechnie stosowane urządzenia i instalacje elektryczne, a także systemy elektroniczne, komputerowe i telekomunikacyjne, posiadające ograniczoną odporność na udary przepięciowe, wymagają skutecznej ochrony przeciwprzepięciowej.
Wymaga się, aby wytrzymałość na przepięcia występujące w urządzeniu poszczególnych elemen-tów instalacji elektrycznych i elektronicznych była dobierana do spodziewanych wartości przepięć w zależności od kategorii przepięć występujących w określonej części instalacji.
Przepięcie przejściowe – jest to wartość szczytowa przepięcia występującego w urządzeniu w wyniku charakterystycznych zdarzeń powodujących przepięcia (np. wyładowanie piorunowe, włączenie linii elektroenergetycznej, uszkodzenie itp.).
Ochronę przed przepięciami przejściowymi należy zapewnić wszędzie tam, gdzie skutek powodo-wany przepięciem ma wpływ na życie ludzkie (np. w zakładach opieki medycznej, na utratę usług publicznych, działalność handlową, na bezpieczeństwo obiektów, w których przebywa duża liczba osób).
Wymagania dotyczące ochrony instalacji elektrycznych przed przepięciami atmosferycznymi przenoszonymi przez sieć rozdzielczą i przepięciami łączeniowymi są określone w normie PN-HD 60364-4-443:2016-3 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część: 4-443: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa — Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi — Ochrona przed przejściowymi przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi.

1.1. Projektowanie ochrony przed przepięciami
Przy projektowaniu ochrony przed przepięciami urządzeń i instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym należy, zgodnie z PN-EN 60305-2:2012 Ochrona odgromowa – Część 2: Zarządzanie ryzykiem, ustalić poziom ryzyka (CRL), a także:

1) ustalić przeznaczenie chronionego obiektu i kategorię i przepięć,
2) ocenić narażenie obiektu na wyładowanie piorunowe oraz na wnikanie przepięć z zewnątrz,
3) określić wartość przepięć, na jakie narażona jest instalacja i urządzenia elektryczne w budynku,
4) oszacować ewentualne straty jakie mogą wystąpić w obiekcie,
5) wydzielić urządzenie i instalacje, które wymagają szczególnej ochrony,
6) dokonać oceny wytrzymałości udarowej urządzeń elektrycznych zainstalowanych w obiekcie,
7) dobrać rodzaj urządzeń do ograniczania przepięć (SPD),
8) określić wymagany zakres kontroli stanu technicznego urządzeń i instalacji elektrycznej.

     Ocenę ryzyka przeprowadza się według 443.5 PN-HD 60364-4-443:2016-3 w celu ustalenia, czy konieczna jest ochrona przed przepięciami przejściowymi. W przypadku, gdy ocena ryzyka nie jest przeprowadzana, instalacje elektryczne powinny być chronione przed przepięciami przejściowymi.
Ochrona przed przepięciami przejściowymi nie jest wymagana dla domów jednorodzinnych, jeżeli łączny koszt instalacji poddawanej ochronie jest mniejszy niż 5-krotny koszt SPD umieszczonego w złączu instalacji.
Zgodnie z PN-HD 60364-4-443:2016-3 ochronę przed przepięciami łączeniowymi można rozpatrywać w przypadku urządzeń, które mogą wywoływać przepięcia łączeniowe lub przepięcia zakłóceniowe przekraczające wartości odpowiadające kategorii przepięć instalacji; np. tam, gdzie są zainstalowane odbiorniki indukcyjne lub pojemnościowe (np. silniki, transformatory, baterie kondensatorów).

1.2. Kategorie przepięć i znamionowe napięcia udarowe
Instalacje elektryczne w obiekcie budowlanym zostały, zgodnie z normą PN-HD 60364-4-443:2016-3 podzielone na cztery następujące kategorie:

Kategoria IV– urządzenia elektryczne o znamionowym napięciu udarowym nie mniejszym niż 6 kV w instalacji elektrycznej o napięciu 230/400 V. Nadają się one do stosowania w złączu instalacji lub w jego pobliżu, np. przed rozdzielnicą główną od strony zasilania. Charakteryzują się bardzo dużą wytrzymałością udarową i zapewniają wymagany wysoki stopień niezawodności. Przykłady takich urządzeń obejmują: liczniki energii elektrycznej i główne zabezpieczenia przetężeniowe;
Kategoria III – urządzenia elektryczne o znamionowym napięciu udarowym nie mniejszym niż 4 kV w instalacji elektrycznej o napięciu 230/400 V nadają się do stosowania w stałej instalacji po stronie odbiorów oraz w rozdzielnicy głównej, zapewniając duży stopień dostępności. Urządzenia kategorii III obejmują tablice rozdzielcze, kable zasilające, oprzewodowanie instalacji elektrycznej wraz z wyposażeniem elektrotechnicznym;
Kategoria II – urządzenia elektryczne o znamionowym napięciu udarowym nie mniejszym niż 2,5 kV w instalacji elektrycznej o napięciu 230/400 V nadają się do stosowania tylko w stałej instalacji, zapewniając stopień dostępności normalnie wymagany od urządzeń odbiorczych. Przykłady takich urządzeń obejmują urządzenia gospodarstwa domowego, elektryczne narzędzia przenośne itp.;
Kategoria I – urządzenia elektryczne o znamionowym napięciu udarowym nie mniejszym niż 1,5 kV w instalacji elektrycznej o napięciu 230/400 V nadają się do zastosowania tylko w instalacji stałej, w której SPD są zainstalowane na zewnątrz urządzenia, aby ograniczyć przejściowe przepięcia do określonego poziomu, Zaleca się, aby urządzenia o znamionowym napięciu udarowym odpowiadającym I kategorii przepięć nie były instalowane w złączu instalacji lub w jego pobliżu. Przykładem takich urządzeń są układy elektroniczne, np. komputery, sprzęt RTV itp.

1.3. Ochrona przed przepięciami na początku instalacji
Zgodnie z normą PN-HD 60364-4-443:2016-3 potrzebę zastosowania ochrony przed przepięciami na początku instalacji (IV kategoria instalacji) uzależnia się od:

a) rodzaju sieci rozdzielczej zasilającej instalację elektryczną budynku,
b) warunków wpływów zewnętrznych (liczba dni burzowych w roku),
c) poziomu przepięcia przejściowego na początku instalacji.

     W przypadku zasilania budynku z linii napowietrznej o konieczności stosowania ochrony przed przepięciami na początku instalacji decyduje poziom przepięć przejściowych i liczba dni burzowych w roku. Dla warunków wpływów zewnętrznych oznaczonych jako AQ1 (liczba dni burzowych w roku ≤ 25) norma nie wymaga stosowania ochrony. Natomiast dla warunków AQ2 (liczba dni burzowych w roku > 25) ochrona przeciwprzepięciowa w instalacji 230/400 V jest realizowana zależnie od poziomu przepięcia przejściowego U na początku instalacji:

a) nie jest wymagana, jeżeli U ≤ 4 kV,
b) jest zalecana, jeżeli 4 kV < U ≤ 6 kV,
c) jest wymagana, jeżeli U > 6 kV.

     W sytuacji, gdy obiekt zasilany jest z sieci kablowej lub napowietrzno-kablowej z ułożonym w ziemi kablem o długości minimum 150 m, zapewnione jest wystarczające tłumienie fal przepięciowych przenoszonych przez sieć zasilającą i nie ma potrzeby stosowania ochrony przeciwprzepięciowej na początku instalacji. Kabel podwieszony z izolowanymi żyłami i z uziemionym metalowym ekranem, jest uważany za równoważny linii kablowej ułożonej w ziemi.

▲ do góry

2. Urządzenia do ograniczania przepięć w instalacjach elektrycznych

Urządzenie do ograniczania przepięć SPD (ang. Surge Protective Device) jest urządzeniem przeznaczonym do ograniczania napięć udarowych i odprowadzania do ziemi prądów udarowych.

2.1. Podstawowe zadania urządzeń SPD w obiekcie budowlanym
Podstawowym zadaniem urządzenia SPD w obiekcie budowlanym jest ograniczanie do poziomów bezpiecznych dla instalacji elektrycznej i zasilanych urządzeń:

a) zagrożeń od części prądu piorunowego oddziałującego na instalację elektryczną podczas bezpośredniego wyładowania w urządzenia piorunochronne (LPS) obiektu lub w przewody sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia,
b) przepięć atmosferycznych indukowanych oraz przepięć łączeniowych.

     Urządzenia do ograniczania przepięć (SPD), w zależności od przeznaczenia, dzieli się w na odpowiednie typy podlegające próbom klasy I, II lub III (Tablica 1).

Tablica 1 Typy, klasy prób i przeznaczenie urządzeń do ograniczania przepięć

     2.2. Podział urządzeń do ograniczania przepięć w instalacjach elektrycznych
Urządzenia do ograniczania przepięć (SPD) stosowane w instalacjach elektrycznych wewnątrz obiektów budowlanych zawierają, co najmniej jeden element nieliniowy „ucinający przepięcie” lub ograniczający jego wartość szczytową.
Właściwości typowych ograniczników przepięć przeznaczonych do montażu w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym dzieli się na:

1) ucinające napięcie – duża impedancja przy braku przepięcia zmniejsza się gwałtownie w odpowiedzi na występowanie udaru napięciowego. Elementy stosowane do ucinania napięcia to: iskierniki, rury gazowe, tyrystory i triaki;
2) ograniczające napięcie – duża impedancja przy braku przepięcia, która zmniejsza się w sposób ciągły, w miarę wzrostu prądu udarowego i napięcia. Elementy stosowane do ograniczania napięcia to: warystory i diody ograniczające;
3) kombinowane – układ zawiera element ucinający napięcie i element ograniczający napięcie. Mogą one ucinać napięcie, ograniczać napięcie lub spełniać obie te funkcje równocześnie, w zależności od charakteru doprowadzonego napięcia (np. równoległe lub szeregowe połączenie iskiernika z warystorem).

     2.3. Właściwości charakteryzujące urządzenia do ograniczania przepięć
Iskiernikowe i warystorowe urządzenia do ograniczania przepięć (SPD) charakteryzują następujące właściwości:

1) SPD iskiernikowe
Podczas normalnej pracy SPD iskiernikowe stanowią przerwę w obwodzie. W momencie pojawienia się przepięcia, następuje przepływ prądu wyładowczego, po którym następuje przepływ prądu następczego (występuje tylko w ogranicznikach iskiernikowych).
W instalacjach narażonych na wnikanie prądu piorunowego z sieci zasilającej lub urządzenia piorunochronnego wymaga się instalowania SPD iskiernikowych w złączu lub rozdzielnicy głównej.
Działanie SPD iskiernikowego jest następujące:

a) stan izolowania w stanie normalnej pracy,
b) przewodzenie prądu wyładowczego po zapłonie ogranicznika,
c) przewodzenie prądu następczego, który płynie pod działaniem napięcia roboczego dzięki zjonizowaniu przestrzeni międzyelektrodowej przez prąd wyładowczy,
d) wyłączenie prądu następczego i przejście w stan izolowania.

     Prąd następczy jest w zasadzie równy spodziewanemu prądowi zwarciowemu, który może wystąpić w miejscu jego zainstalowania. Produkowane są urządzenia do ograniczania przepięć nieograniczające lub ograniczające prąd następczy;

2) SPD warystorowe
w normalnych warunkach wykazują przepływ prądu o niewielkiej wartości. Zbudowane są z krążków (spieków), zmienno-oporowych elementów półprzewodnikowych.
Ograniczenie napięcia do bezpiecznego poziomu następuje, jeśli poddana działaniu prze-pięcia impedancja warystora zmniejsza znacznie swoją wartość, od stanu praktycznie rozwartego obwodu do stanu o wysokiej przewodności, co powoduje, że potencjalnie destrukcyjna energia szkodliwego impulsu jest absorbowana przez warystor chroniący określone miejsca w obwodzie.
Prąd przepływający przez warystor może się z czasem zwiększać na skutek procesów starzeniowych oraz przyjmowania przepięć, które mogą naruszyć strukturę spieku.
Wzrost wartości prądu przepływającego przez warystor w sposób ciągły prowadzi do wzrostu strat mocy, a w konsekwencji wzrostu temperatury elementu. Postępująca degradacja struktury spieku może nabrać charakteru lawinowego, co może doprowadzić do zniszczenia SPD, a nawet do pożaru. W celu uniknięcia tego zjawiska, producenci wyposażają SPD warytorowe w odpowiednie zabezpieczenia termiczne.
Warystory są obecnie szeroko stosowane w energetyce, telekomunikacji i automatyce.
Urządzenia do ograniczania przepięć (SPD) mają za zadanie ochronę instalacji i urządzeń przed działaniem przepięć atmosferycznych, przepięć wewnętrznych oraz przed bezpośrednim oddziaływaniem części prądu piorunowego.

2.4. Oznaczenia urządzeń do ograniczania przepięć i wyrównywania potencjałów
Oznaczenia urządzeń do ograniczania przepięć i wyrównywania potencjałów przedstawia tablica 2.

Tablica 2. Oznaczenia urządzeń do ograniczania przepięć i wyrównywania potencjałów

▲ do góry

3. Wielostopniowy system ograniczania przepięć

3.1. Przy tworzeniu w instalacji elektrycznej wielostopniowego systemu ograniczania przepięć należy uwzględnić:

1) schemat rozmieszczenia w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym wielostopniowego systemu do ograniczania przepięć (SPD różnych typów), w zależności od przyjętych kategorii instalacji i stref zagrożenia piorunowego;
2) wartości szczytowe prądów udarowych poszczególnych SPD uzależnione od przyjętego poziomu ochrony urządzenia piorunochronnego obiektu;
3) liczbę urządzeń SPD i sposób ich połączeń należy dostosować do układu sieci oraz wymaganej kategorii przepięciowej;
4) rozmieszczenie poszczególnych układów SPD powinno zapewnić ograniczenie przepięć do poziomów leżących poniżej wytrzymałości udarowej przyłączy zasilania instalacji elektrycznej obiektu;
5) wytrzymałość zwarciową poszczególnych SPD należy dostosować do spodziewanej wartości prądu zwarcia, jaki może wystąpić w miejscu zainstalowania SPD;
6) koordynację rozkładu energii na poszczególne SPD różnych typów; instalacji i stref zagrożenia piorunowego;
7) zachowanie najmniejszych dopuszczalnych odległości pomiędzy zastosowanymi w instalacji elektrycznej obiektu budowlanego układami SPD różnych typów

     Rozmieszczanie urządzeń SPD różnych typów w wielostopniowym systemie ograniczania przepięć w obiekcie budowlanym, w zależności od strefy zagrożenia piorunowego oraz kategorii instalacji elektrycznej, przedstawiono na rysunku 1.


Rys.1. Przykład wielostopniowego systemu ograniczania przepięć w obiekcie budowlanym

     3.2. Przy doborze właściwości poszczególnych układów SPD w wielostopniowym systemie ograniczania przepięć należy uwzględnić wymagania dotyczące:

a) skoordynowania podziału energii udarów pomiędzy poszczególne układy SPD zgodnie z ich zdolnościami do jej pochłaniania,
b) zapewnienia poziomów znamionowych napięć udarowych wytrzymywanych przez urządzenia w różnych miejscach instalacji elektrycznej (Rys. 1),
c) uwzględnienia wytrzymałości udarowej przyłączy zasilających chronione urządzenia i instalacje elektryczne.

     Odpowiednio dobrane i rozmieszczone w systemie wielostopniowym układy SPD różnych typów, powinny zapewniać bezawaryjne działanie urządzeń, nie powodować przerw w ich działaniu oraz poprawnie współpracować z innymi urządzeniami w instalacji elektrycznej.

▲ do góry

4. Urządzenia do ograniczania przepięć typu 1

Przy doborze i montażu urządzeń do ograniczania przepięć (SPD) powinny być spełnione następujące wymagania:
4.1. Zadaniem urządzeń do ograniczania przepięć SPD typu 1 jest ochrona instalacji elektrycznej oraz przyłączy zasilających urządzenia w obiekcie budowlanym przed zagrożeniami stwarzanymi przez:

1) Część prądu piorunowego jaki może wystąpić w głównym punkcie wyrównywania potencjałów w obiekcie budowlanym podczas bezpośredniego wyładowania w urządzenia piorunochronne tego obiektu;
2) Prąd piorunowy rozpływający podczas wyładowania w przewody linii elektroenergetycznej napowietrznej lub ułożone w ziemi kable niskiego napięcia;
3) Przepięcia atmosferyczne indukowane oraz wszelkiego rodzaju przepięcia łączeniowe dochodzące do obiektu z sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia.

     Układy iskiernikowe SPD typu 1 ograniczają zagrożenie piorunowe i przepięciowe do krótkotrwałych napięć udarowych, które nie powinny być groźne dla początkowej części instalacji elektrycznej oraz dla kolejnych stopni SPD typu 2 lub 3.

4.2. Wymagania instalacyjne urządzeń do ograniczania przepięć typu 1
Przy doborze i montażu urządzeń do ograniczania przepięć typu 1 powinny być spełnione następujące wymagania:

1) Układ połączeń SPD typu 1 powinien być dobrany odpowiednio do układu sieci;
2) Urządzenia do ograniczania przepięć typu 1 należy instalować za zabezpieczeniem głównym, w pobliżu miejsca wprowadzenie instalacji elektrycznej do obiektu posiadającego urządzenia piorunochronne. Takim miejscem może być np. złącze kablowe, rozdzielnica główna niskiego napięcia itp.
3) Minimalne przekroje przewodów stosowanych do połączeń SPD typu 1 są następujące:

a) połączenie SPD typu 1 z przewodami fazowymi należy wykonać przewodami o przekroju od 10 mm2 Cu do 16 mm 2Cu),
b) połączenie układu SPD typu 1 z główną szyną wyrównawczą (GSW) wykonać przewodem o przekroju 16 mm2 Cu (coraz częściej stosuje się 25 mm2 Cu);

4) Przewody stosowane do połączenia SPD powinny być możliwie najkrótsze – do 0,5 m, nie więcej jednak niż 1 m;
5) Dobrać SPD typu 1 o ograniczonych wartościach prądów następczych, w celu wyeliminowania zadziałania głównych zabezpieczeń przetężeniowych;
6) Zapewnić ochronę SPD typu 1 przed skutkami zwarć i określić potrzebę zastosowania dodatkowych zabezpieczeń;
7) Przy doborze SPD z „otwartymi iskiernikami – należy uwzględnić zagrożenie wydmuchem gazu.

4.3. Podstawowe parametry charakteryzujące urządzenia do ograniczania przepięć typu 1

1) prąd udarowy (I imp) – należy oszacować, na jakie przepięcia narażony jest obiekt (bezpośrednie wyładowania indukowane, przepięcia łączeniowe itp). Wartość prądu, jaki może przepłynąć przez SPD, zależy również od układu sieci, np. dla TN-S przyjmuje się, że wartość średnia prądu udarowego wynosi Iimp = 20 kA,
2) napięciowy poziom ochrony (Up) – jeżeli ogranicznik typu 1 jest zainstalowany na początku strefy I (kategoria instalacji IV lub III), to powinien ograniczać przepięcia poniżej 6 kV. W praktyce przyjmuje się Up < 4 kV, a w szczególnym przypadku, gdy ogranicznik typu 1 jest jedyną ochroną – Up < 2,5 kV,
3) napięcie trwałej pracy (Uc) – nie może być mniejsze niż 1,1 Uf. Dla układów TN-C, TN-S, TN-C-S i TT – Uc = 253 V. W przypadku układu sieci IT – Uc ≥ 440 V. W szczególnych przypadkach, gdy w budynku pracują duże maszyny elektryczne, napięcie Uc należy zwiększyć do 1,2 Uf.
4) liczba i sposób montażu SPD – są dostosowane do układu sieci zasilającej, np. dla układu TN-S – trzy ograniczniki między każdą z faz a przewodem ochronnym i jeden ogranicznik między przewodem neutralnym, a ochronnym (Rys.1),
5) ogranicznik warystorowy – powinien posiadać opcję wizualnej i zdalnej sygnalizacji uszkodzenia (nie wymaganej przez normę).

     Poziomy przepięć w instalacji elektrycznej obiektu budowlanego można odnieść również do spad-ków napięć zarówno na urządzeniach ograniczających, jak i na przewodach łączeniowych.
Przepływ prądu udarowego o stromości narastania 1 kV/μs wywołuje na przewodzie o długości 1 m spadek napięcia o wartości ok. 1 kV. Szczególnie duży spadek napięcia występuje na przewodzie łączącym SPD z główna szyną wyrównawczą. Prąd ten jest wielokrotnie większy od prądu w przewodach łączących SPD z przewodami fazowymi.

4.4. Zabezpieczanie urządzeń ograniczających przepięcia typu 1
W ochronie przed przepięciami stosuje się często układy zabezpieczające, w których oddzielne za-stosowanie pojedynczych elementów ochronnych nie zapewnia dostatecznego poziomu zabezpieczenia przed przepięciami lub przetężeniami. Łączenie elementów zabezpieczających powiększa odpowiednio ich ochronne zalety i umożliwia wyeliminowanie niepożądanych efektów ich pracy występujących podczas oddzielnego zastosowania.
Urządzenia ograniczające przepięcia typu 1 nie posiadają wewnętrznych zabezpieczeń zwarciowych i może powstać potrzeba ich ochrony przed skutkami zwarć. W praktyce eksploatacyjnej uwzględnia się przede wszystkim wymóg unikania ograniczeń ciągłości zasilania elektrycznego wskutek uszkodzenia ograniczników przepięć.
Problemu ten rozwiązuje przez zamontowanie w połączeniu szeregowym z ogranicznikami prze-pięć dodatkowych urządzeń zabezpieczających przed prądami przetężeniowymi i ziemnozwarciowy-mi (Rys. 2).
Jako zabezpieczenie dodatkowe (dobezpieczenie) SPD typu 1 stosuje się najczęściej bezpieczniki klasy gG, które powinny wytrzymać przepływ prądu następczego przynajmniej do chwili jego naturalnego przejścia przez zero. Jeżeli po tym czasie ogranicznik nie przerwał prądu następczego, to po-winien zadziałać bezpiecznik.
W przypadku, gdy prąd znamionowy zabezpieczeń głównych jest większy lub równy maksymalnemu zalecanemu zabezpieczeniu przez producenta, to konieczne jest dobezpieczenie ogranicznika.


Rys. 2. Zabezpieczenie ograniczników przepięć SPD typu 1
Oznaczenia: a) bez dobezpieczeń, b) z dodatkowym bezpiecznikiem F2
c) dwa układy „dobezpieczonych” SPD typu1.

4.5. Układy połączeń SPD typu 1 w różnych układach sieci
Urządzenia do ograniczania przepięć typu 1 powinny być instalowane za głównymi zabezpieczeniami nadprądowymi:

1) w układach sieci TN i TT

a) pomiędzy każdy przewód fazowy a główną szyną wyrównawczą, jeżeli przewód neutralny jest uziemiony na początku instalacji,
b) pomiędzy każdy przewód fazowy oraz przewód neutralny, a główną szyną wyrównawczą, jeżeli przewód neutralny istnieje i nie jest uziemiony na początku instalacji,

2) w układzie sieci IT

a) pomiędzy każdy przewód fazowy a główną szyną wyrównawczą oraz, jeżeli przewód neutralny istnieje
b) pomiędzy przewód neutralny a główną szyną wyrównawczą.

     Typowe układy połączeń SPD w różnych układach sieci przedstawiają rysunki 3, 4, 5 i 6.


Rys. 3. Przykład połączeń SPD typu 1 w układzie sieci TN-C-S
Oznaczenia: L1; L2; L3; – przewody liniowe instalacji trójfazowej, PEN – przewód ochronno-neutralny, PE -przewód ochronny, N – przewód neutralny.


Rys. 4. Przykład połączeń SPD typu 1 w układzie sieci TN-S
Oznaczenia: L1; L2; L3; – przewody liniowe instalacji trójfazowej,
N – przewód neutralny, PE – przewód ochronny.


Rys. 5. Przykład połączeń SPD typu 1 w układzie sieci TT
Oznaczenia: L1; L2; L3; – przewody liniowe instalacji trójfazowej; N – przewód neutralny


Rys. 6. Przykład połączeń SPD typu 1 w układzie sieci IT
Oznaczenia: L1; L2; L3 – przewody liniowe instalacji trójfazowej, N – przewód neutralny.

4.6. Podstawowe zasady montażu SPD typu 1
Poziomy przepięć w instalacji elektrycznej obiektu budowlanego można odnieść również do spadków napięć zarówno na urządzeniach ograniczających, jak i na przewodach łączeniowych.
Przepływ prądu udarowego o stromości narastania 1 kV/μs wywołuje na przewodzie o długości 1 m spadek napięcia o wartości ok. 1 kV. Szczególnie duży spadek napięcia występuje na przewodzie łączącym SPD z główna szyną wyrównawczą. Prąd ten jest wielokrotnie większy od prądu w przewodach łączących SPD z przewodami fazowymi.
W celu zmniejszenia zagrożenia układy SPD należy umieszczać w miejscach, w których do ich przyłączenia można zastosować możliwie najkrótsze przewody. Jeżeli jest to możliwe długości przewodów powinny być nie dłuższe niż 0,5 m , ale nie mogą przekraczać 1 m. Zastosowanie dłuższych przewodów niż 0,5 m oznacza proporcjonalnie większy udarowy spadek napięcia przy przepływie prądu udarowego, co w efekcie uniemożliwia prawidłowe działanie SPD. Optymalne jest połączenie ogranicznika za pomocą układu V. Niedozwolone jest natomiast tworzenie pętli z przewodów łączących.
Ogranicznik SPD z iskiernikiem należy instalować w osobnej skrzynce, aby zapobiec uszkodzeniu innych urządzeń podczas zadziałania iskiernika. Miejsce montażu powinno być dostępne dla kontroli.
Podstawowe zasady montażu SPD typu 1 w instalacji elektrycznej obiektu budowlanego przedstawia rysunek 7.


Rys. 7. Podstawowe zasady montażu SPD typu 1 w instalacji elektrycznej obiektu
a) zalecane długości przewodów do połączeń urządzeń SPD typu 1,
b) układ V – eliminacja wpływu spadków napięć na indukcyjnościach połączeń.

▲ do góry

5. Urządzenia do ograniczania przepięć typu 2

5.1. Zadaniem SPD typu 2 jest ograniczanie przepięć do wartości poniżej 1,5 kV, odpowiadającej
I lub II kategorii przepięć. Takie właśnie poziomy przepięć wytrzymuje większość przyłączy zasilających urządzenia elektryczne.
SPD typu 2 powinien być instalowany pomiędzy:

a) przewodami fazowymi L1, L2, L3 i przewodem ochronnym (PE),
b) przewodami neutralnym (N) i ochronnym (PE).

     Budowa urządzeń do ograniczania przepięć typu 2
Urządzenia do ograniczania przepięć typu 2 budowane są najczęściej z wykorzystaniem SPD warystorowych. Może to być urządzenie o konstrukcji zwartej lub posiadać podstawę umożliwiającą montaż i rozwiązanie wyjmowanego modułu z warystorem.
W zależności od przyjętej konstrukcji montażowej SPD typu 2 mogą być:

a) wielopolowe – wykonane do podstawowych układów sieci trójfazowej, składające się z podstawy umożliwiającej montaż SPD na szynie 35 mm oraz wymiennych modułów,
b) jednopolowe – produkowane do montażu na typowej szynie 35 mm lub w gniazdach bezpiecznikowych.

     W konstrukcji urządzenia do ograniczania przepięć typu 2 przewidziano, w celu uniknięcia przerw w zasilaniu urządzeń, możliwość samoczynnego wyłączenia uszkodzonego SPD typu 2
W tym celu SPD typu 2 jest wyposażony w dodatkowe styki pomocnicze umożliwiające włączenie lampki lub głośnika, które sygnalizują uszkodzenie warystora.
SPD typu 2 podlegają następującym podstawowym badaniom próby:

a) znamionowym prądem wyładowczym In,
b) największym prądem wyładowczym Imax ,
c) napięciem udarowym 1,2/50 μs.

     Zalecanym kształtem prądu wyładowczego znamionowego In i największego Imax stosowanych do badań SPD typu 2 jest udar o czasie narastania czoła 8 μs i czasie trwania do półszczytu na grzbiecie 20 μs.
Wartości szczytowe znamionowego prądu wyładowczego In,, który może wielokrotnie przepłynąć przez SPD typu 2 nie powodując jego uszkodzenia, są wybierane z następującego szeregu wartości: 0,05; 025; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3, 0; 5,0; 10; 15; i 20 kA.
Przy czym największy prąd wyładowczy Imax powinien być większy od prądu znamionowego In.

5.2. Wymagania instalacyjne urządzeń do ograniczania przepięć typu 2
Urządzenia do ograniczania przepięć typu 2 instaluje się w miejscu wprowadzenia instalacji elektrycznej do obiektu budowlanego, w sytuacji gdy:

a) w obiekcie lub jego pobliżu istnieją warunki do indukowania się przepięć, które nie będą ograniczone przez SPD typu 1 (np. duże odbiory pracujące dorywczo, znaczne odległości pomiędzy ogranicznikiem a odbiornikami),
b) obiekt nie posiada instalacji odgromowej i nie jest zagrożony bezpośrednim lub bliskim wyładowaniem atmosferycznym,
c) budynek zasilany jest z sieci kablowej nienarażonej na bezpośrednie lub bliskie wyładowanie piorunowe,
d) w obiekcie znajdują się urządzenia, które należą do kategorii instalacji III lub II (wytrzymałość udarowa 4 lub 2,5 kV).

     Montaż SPD typu 2 należy wykonać na szynie 35 mm lub w gniazdach bezpiecznikowych w miejscach rozgałęzienia instalacji elektrycznej wewnątrz obiektu budowlanego (rozdzielnice główne, rozdzielnice oddziałowe, tablice rozdzielcze).

5.3. Wymagania dotyczące doboru i montażu urządzeń do ograniczania przepięć typu 2
Przy doborze i montażu urządzeń do ograniczania przepięć typu 2 powinny być spełnione następujące wymagania:

a) Układ połączeń SPD typu 2 powinien być dobrany odpowiednio do układu sieci;
b) Miejsce instalacji układu SPD typu 2 uzależnione jest od jego przeznaczenia. Układy dwustopniowe należy instalować w rozdzielnicach piętrowych, rozdzielnicach oddziałowych, tablicach rozdzielczych wewnątrz obiektu. W przypadku gdy nie występuje zagrożenie od prądu piorunowego, to układy SPD typu 2 można instalować w miejscu wprowadzenia instalacji do obiektu (zamiast SPD typu 1);
c) Zapewnić ochronę SPD typu 2 przed skutkami zwarć i określić potrzebę zastosowania dodatkowych zabezpieczeń;
d) Przewody stosowane do połączenia SPD powinny być możliwie najkrótsze – do 0,5 m, nie więcej jednak niż 1 m;
e) Miejsce montażu SPD typu 2 musi być wyznaczone przed zainstalowanym urządzeniem różnicowoprądowym;
f) Należy zachować wymagane odległości pomiędzy układami SPD typu 1 i 2. Jeżeli zachowanie wymaganych odległościjest niemożliwe do wykonania należy zastosować indukcyjności sprzęgające lub SPD typu 1 o obniżonych napięciowych poziomach ochrony;
g) Podczas badania stanu izolacji przewodów instalacji elektrycznej warystorowe SPD typu 2 powinny zostać odłączone na czas próby.

5.4. Układy połączeń SPD typu 2 w różnych układach sieci
Układy połączeń urządzeń do ograniczania przepięć SPD typu 2 są takie same, jak w przypadku SPD typu 1. Jeżeli urządzenie SPD jest zainstalowane w drugim stopniu systemu ograniczania przepięć w układzie sieci TN wskazane jest ich łączenie SPD z przewodem PEN lub PE.
Przykłady przyłączenia SPD typu 2 do sieci o układzie TN-C i TN-S przedstawia rysunek 8.


Rys. 8. Przykłady połączeń układów SPD typu 2
a) w sieci o układzie TN-C, b) w sieci o układzie TN-S.

▲ do góry

6. Urządzenia do ograniczania przepięć typu 3

6.1. Cel stosowania urządzeń do ograniczania przepięć typu 3
Celem stosowania urządzeń do ograniczania przepięć typu 3 jest ochrona przyłączy zasilających instalacje elektryczne w obiekcie budowlanym przed przepięciami atmosferycznymi wywołanymi przez odległe wyładowania atmosferyczne oraz przed wewnętrznymi przepięciami łączeniowymi.
Zadaniem urządzenia SPD typu 3 jest ograniczenie przepięć pomiędzy:

a) przewodami fazowymi (L1, L2, L3) a przewodem neutralnym (N),
b) przewodami fazowymi (L1, L2, L3) i neutralnym (N), a przewodem ochronnym (PE).

     Urządzenia do ograniczania przepięć typu 3 stosuje się w przypadku:

a) występowania zbyt dużych odległości pomiędzy układami SPD typu 2 i chronionymi urządzeniami, a także, gdy w obiekcie lub jego pobliżu istnieją warunki do indukowania się przepięć, które są przepuszczane przez SPD typu 1 i typu 2, a wytrzymałość udarowa urządzeń jest bardzo mała (poniżej zapewnianej przez SPD typu 1 i typu 2);
b) ochrony urządzeń o nieznanej odporności udarowej lub o odporności udarowej mniejszej niż odporność udarowa przyłączy zasilających pozostałe urządzenia w obiekcie, w szczególności odbiorniki specjalne, wrażliwe na działanie przepięć, takie jak np. sprzęt komputerowy itp.

6.2. Podstawowe parametry charakteryzujące urządzenia do ograniczania przepięć typu 3
Do podstawowych parametrów charakteryzujących urządzenia do ograniczania przepięć typu 3 zalicza się:

1) znamionowy prąd wyładowczy Imax– dobierany na podstawie oceny zagrożeń występujących w
instalacji,
2) napięciowy poziom ochrony Up – ograniczniki typu 3 mają za zadanie ograniczyć przepięcia do poziomu kategorii I (1,5 kV), ale w praktyce dobiera się Up < 1,5 kV, z uwagi na wytrzymałość udarową wielu urządzeń chronionych przez niego,
3) napięcie trwałej pracy – Uc, które nie może być mniejsze niż Uc ≥ 1,1 Uf (podobnie jak ogranicznik SPD typu 1),
4) liczbę i sposób montażu SPD – powinny być dostosowane do układu sieci oraz zaleceń producenta, np. dla układu sieci TN-S stosuje się trzy ograniczniki między każdą z faz a przewodem ochronnym i jeden ogranicznik między przewodem neutralnym a ochronnym,
5) odległości pomiędzy poszczególnymi SPD – powinny być zachowane w przypadku stosowania układu wielostopniowego, a jeśli jest to niemożliwe, stosuje się element indukcyjny lub ograniczniki hybrydowe;
6) wizualną i zdalną opcję sygnalizacji uszkodzenia ogranicznika (nie wymaganą przez normę) powinien posiadać warystorowy SPD typu 3.

6.3. Montaż ograniczników typu 3
Ograniczniki przepięć SPD typu 3 należy instalować jak najbliżej chronionego urządzenia, na szynie 35 mm, w puszkach rozgałęźnych, gniazdach, kanałach kablowych, bezpośrednio w gniazdach wtyczkowych lub jako układy przenośne włączane do gniazd wtyczkowych w urządzeniach odbiorczych.
Dopuszczalna odległość pomiędzy układem SPD typu 3, a chronionym urządzeniem może zawierać się w granicach od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów. SPD typu 3 powinny posiadać akustyczne lub optyczne wskaźniki uszkodzenia, a w niektórych przypadkach dodatkowe zestyki, które mogą być wykorzystywane do zdalnej sygnalizacji uszkodzenia.
Urządzenia do ograniczania przepięć typu 3 instaluje się za urządzeniami różnicowoprądowymi. Układy połączeń warystorów i iskierników powodują, że przy ograniczeniu wielu przepięć wewnętrznych pomiędzy przewodem fazowym (L) i przewodem neutralnym (N) nie następuje zadziałanie urządzenia różnicowoprądowego.
Eliminowany też jest prąd upływu między przewodem fazowym lub neutralnym a ochronnym.
Prawidłowo dobrany i zainstalowany SPD typu 3 zapewnia ochronę, np. kilku sąsiednich gniazd wtyczkowych tej samej jedno- lub trójfazowej instalacji.

6.4. Układy filtrujące
Szkodliwy wpływ impulsów zakłócających, dochodzących do urządzeń elektronicznych, można ograniczyć stosując filtry na wejściu i wyjściu urządzenia. W większości przypadków impulsy wywołane przez zewnętrzne źródła zaburzeń charakteryzują się krótkimi czasami narastania i wysokoczęstotliwościowymi oscylacjami.
Do ochrony czułych urządzeń elektronicznych mają zastosowanie filtry ograniczające szkodliwy wpływ impulsów zakłócających, np. dolnoprzepustowe typu π, pasmowo-przepustowe typu T oraz SPD typu 3 z dodatkowym filtrem (Rys. 9).
Dobierając filtr do zabezpieczonego urządzenia należy uwzględnić możliwość występowania następujących zjawisk:

a) rezonansu indukcyjności L1 lub L2 z obciążeniem lub źródłem sygnału (Rys. 9a). Problem ten można rozwiązać dodając do podłużnej gałęzi filtru dolnoprzepustowego dławiki z rdzeniem ferrytowym. Prawidłowo zaprojektowane dławiki umożliwiają uzyskanie minimalnej reaktancji i rezystancji w paśmie przepustowym filtru oraz znacznych wartości reaktancji w paśmie zaporowym;
b) rezonansu w układzie pojemności – obciążenie w filtrach dolno-przepustowych typu π (Rys. 9b) . W takich przypadkach na kondensatorze wejściowym może wystąpić wzrost napięcia doprowadzający do jego zniszczenia.
Na rysunku 5 przedstawiono filtry dolno-przepustowy lub pasmowo-przepustowy typu T
(Rys. 9a) i typu π (Rys. 9b) oraz przykładowy układ SPD typu 3 z dodatkowym filtrem (Rys. 9c).


Rys. 9. Filtry ograniczające szkodliwy wpływ impulsów zakłócających
a) pasmowo-przepustowy typu T, b) dolnoprzepustowy typu π, c) SPD typu 3 z dodatkowym filtrem.

6.5. Układy połączeń SPD typu 3
Układ SPD 3 instaluje się w połączeniu „szeregowym” bezpośrednio przed chronionym urządzeniem w przypadku, jeżeli służy on do ochrony czułych urządzeń elektronicznych lub w instalacjach, w których występują przepięcia wewnętrzne o znacznych wartość szczytowych. (Rys.10a).
Układ SPD typu 3 instaluje się w połączeniu równoległym w przypadku instalacji elektrycznej, w której zastosowano bezpieczniki o większych wartościach prądów znamionowych w porównaniu z wartościami dopuszczalnymi dla wybranego SPD (Rys.10b).


Rys. 10. Przykłady połączeń SPD typu 3
a) szeregowe, b) równoległe.

▲ do góry

7. Strefowa ochrona przeciwprzepięciowa

7.1. Zagrożenie pożarowe i porażeniowe
Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa ma na celu zabezpieczyć obiekt przed skutkami wyładowań piorunowych lub przepięć łączeniowych pochodzących z sieci zasilającej, a w konsekwencji ograniczyć zagrożenia pożarowe i porażeniowe w obiekcie. Niewłaściwie zaprojektowana i wykonana instalacja może stwarzać niebezpieczeństwo dla obiektu, w szczególności dla znajdujących się w obiekcie ludzi, zwierząt domowych i urządzeń.

Przykłady zagrożeń jakie mogą w związku z tym wystąpić

1) Zastosowanie przewodu łączącego ogranicznik przepięć w instalacji odbiorczej o zbyt małym przekroju może stać się przyczyną pożaru wskutek zapłonu izolacji tego przewodu podczas przepływu prądu o znacznej wartości;
2) Ograniczniki przepięć mogą stwarzać zagrożenie pożarowe lub wybuchowe wskutek przepływu prądu następczego. Taka sytuacja będzie miała miejsce: w przypadku niewłaściwego doboru zabezpieczenia poprzedzającego ogranicznik przepięć albo, gdy ogranicznik zostanie przyłączony do głównego toru zasilającego przewodem o zbyt małym przekroju;
3) Zastosowanie warystorowego ogranicznika przepięć w instalacji wykonanej w układzie TT, w przypadku zniszczenia struktury warystora, może wystąpić zagrożenie porażenia prądem elektrycznym. W celu wyeliminowania tego zagrożenia w układzie TT należy stosować ograniczniki przepięć będące połączeniem warystora i iskiernika;
4) Zwarcie w ograniczniku przepięć w instalacjach zasilanych w układzie TT spowodowane prą-dem udarowym lub prądem następczym powoduje uszkodzenie instalacji podstawowej i stwarza zagrożenie porażenia prądem elektrycznym. Nie ma znaczenia w tym przypadku rodzaj zastosowanego ogranicznika. Problem występuje zarówno przy zastosowaniu ogranicz-nika przepięć warystorowego, jak i iskiernikowego.

     Ograniczniki przepięć stosowane w układzie TT posiadają specjalną konstrukcję stanowiącą połączenie elementów warystorowych z iskiernikiem, które zapewnia galwaniczne oddzielenie przewodu ochronnego (PE) od pozostałych przewodów. Zwarcie w ograniczniku przepięć połączonym pomiędzy przewodem liniowym (L), a przewodem neutralnym (N) spowoduje przepływ dużego prądu, który pod warunkiem poprawnego wykonania instalacji, spowoduje samoczynne wyłączenie zasilania w określonym czasie.
Ogranicznik iskiernikowy łączący przewód N z przewodem PE nie jest narażony na przepływ prądu następczego. Jednocześnie zostaje wyeliminowane zagrożenie przypadkowego wyłączenia wyłącznika różnicowoprądowego powodowane krótkotrwałymi przepięciami.

7.2. Dobezpieczenie ograniczników przepięć
Termiczne zabezpieczenie ogranicznika przepięć nie zawsze jest skuteczne. W przypadku przekroczenia dopuszczalnego maksymalnego prądu wyładowczego Imax, może nastąpić zniszczenie struktury spieku, prowadzące w konsekwencji do zwarcia krążków warystorowych.
W celu niedopuszczenia do zniszczenia lub zapłonu obudowy krążków warystorowych, należy ograniczniki zabezpieczyć bezpiecznikiem zainstalowanym w gałęzi poprzecznej. Bezpiecznik ten powinien mieć prąd znamionowy nie większy niż określony przez producenta ogranicznika. Ważny jest także właściwy dobór przewodów w wyodrębnionej poprzecznej gałęzi ochrony.
Przewody te przyłączone są do torów głównych, które zostały dobrane na długotrwałą obciążalność prądową i przeciążalność wynikającą z obciążenia szczytowego oraz na spodziewane prądy zwarciowe.
W przypadku ograniczników iskiernikowych przewody, którymi są one przyłączone, nie są narażone na skutki przeciążeń (w normalnych warunkach przez iskiernik prąd nie płynie). W skutek przepływu prądu piorunowego przestrzeń międzyelektrodowa iskiernika ulega zjonizowaniu i następuje przepływ prądu następczego, który powoduje większy przyrost temperatury niż prąd piorunowy. W tej sytuacji, przewody w gałęzi poprzecznej, powinny być dobrane do spodziewanych prądów zwarciowych.

7.3. Strefowa koncepcja ochrony przeciwprzepięciowej
Tworząc system ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej należy uwzględnić wymagania norm dotyczące ogólnych zasad ochrony oraz zalecenia producentów określające szczegółowe możliwości współdziałania ograniczników przepięć różnych typów.
Ogólna zasada ochrony polega na tworzeniu wewnątrz obiektu stref, w których występuje określony stopień narażenia urządzeń na działanie:

a) napięć i prądów udarowych występujących w sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia,
b) napięć i prądów udarowych występujących w systemach przesyłu sygnałów,
c) impulsowego pola elektromagnetycznego (LEMP).

     Norma PN-EN 62305-1-2008 Ochrona odgromowa – Część 1: Wymagania ogólne, określa zasady tworzenia strefowej koncepcji ochrony i jest optymalnym, pod względem ekonomicznym i niezawodnym w działaniu, rozwiązaniem ochrony odgromowej obiektów budowlanych oraz systemów ograniczania przepięć w instalacjach niskonapięciowych w tych obiektach. Przy jej stosowaniu należy uwzględnić zalecenia zawarte w normach ochrony odgromowej i przepięciowej oraz wymagania dotyczące odporności udarowej urządzeń.


Rys. 11. Podział obiektu na strefy ochronne – rozmieszczenie ograniczników SPD
Oznaczenia: Z – złącze, 1 – rozdzielnica główna (tablica rozdzielcza), 2 – ochrona urządzeń.

     Urządzenia do ograniczania przepięć na granicy stref, według PN-EN 62305-4: 2011P Ochrona odgromowa – Część 4. Urzadzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach –  oznacza się numerami tych stref, np. SPD 0/1, SPD 1/2, SPD 2/3.
Tworzenie stref ochronnych wymaga wprowadzenia dodatkowych ekranów oraz kolejnych stopni ograniczania przepięć i prądów udarowych. Wykorzystywane są do tego celu ekranujące właściwości:

1) żelbetowych ścian pomieszczeń wewnątrz obiektu,
2) litych ekranów pomieszczeń,
3) stalowych osłon i obudów samych urządzeń.

     Szczególną uwagę należy zwrócić na:

a) systemy układów urządzeń ograniczających przepięcia,
b) skuteczności ekranowania przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym naturalnych i sztucznych ekranów występujących w obiekcie.

7.4. Charakterystyka poszczególnych stref
W podzielonym na strefy obiekcie, przy przejściu z jednej strefy do drugiej, następuje ograniczenie wartości szczytowych przepięć występujących w instalacjach niskonapięciowych oraz impulsów pola elektromagnetycznego do poziomów dopuszczalnych w danej strefie.
Urządzenia ograniczające przepięcia, przeznaczone do pracy w danej strefie, należy dobierać w taki sposób, aby ich odporność udarowa była większa w porównaniu z dopuszczalnymi wartościami szczytowymi udarów, jakie mogą wystąpić w rozważanym obszarze.
Strefa 0a
Zagrożone są przede wszystkim urządzenia elektryczne i elektroniczne (pracujące na wolnym powietrzu), na bezpośrednie działanie prądu piorunowego o nieograniczonej wartości szczytowej oraz impulsowego pola elektromagnetycznego. Są to najczęściej urządzenia nieekranowane przed polem elektromagnetycznym i niezabezpieczone przed napięciami i prądami udarowymi. Wartości szczytowe występujących przepięć wynikają z wytrzymałości udarowej izolatorów, izolacji kabli lub urządzeń wewnątrz obiektów budowlanych. Ogólnie przyjmuje się, że stwarzający zagrożenie prąd piorunowy osiąga w czasie 10 ms wartość 100 kA.
Strefa 0b
Urządzenia pracujące w tej strefie narażone są na:

a) bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektromagnetycznego wywołanego przez prąd piorunowy o nieograniczonych wartościach szczytowych oraz
b) napięć i prądów udarowych indukowanych przez prąd piorunowy w instalacjach przewodzących.

     Urządzenia występujące w tej strefie instalowane są najczęściej w nieekranowanych obiektach, pozbawione własnych ekranów elektromagnetycznych (np. metalowych osłon lub obudów) oraz urządzeń ograniczających przepięcia w instalacji elektrycznej lub w liniach przesyłu sygnałów.
Wartości szczytowe napięć udarowych w tej strefie wynoszą:

– w sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia 10 kV,
– w liniach transmisji sygnałów 6 kV.

      Strefa 1
Obszar w strefie 1 jest pozbawiony bezpośrednich uderzeń pioruna. Urządzenia elektroniczne pracujące w tej strefie są chronione przed:

a) bezpośrednim działaniem impulsowego pola elektromagnetycznego – wykorzystywany jest
pojedynczy ekran, który tworzą najczęściej połączone ze sobą przewodzące elementy konstrukcji budynku,
b) napięciami i prądami udarowymi – elementy i układy ograniczające przepięcia, tworzące
tzw. ochronę podstawową – jednostopniowy układ ograniczników przepięć.

     Impulsowe pole elektromagnetyczne jest redukowane, gdy wnikając ze strefy Ob trafia na przeszkodę w postaci ekranu, jaki mogą tworzyć połączone ze sobą elementy przewodzące konstrukcji budynku takie jak:

– żelbetowe, zbrojone ściany,
– lite ekrany pomieszczeń,
– metalowe osłony i obudowy samych urządzeń.

     Wartości szczytowe napięć udarowych występujących w tej strefie wynoszą:

– w instalacji elektrycznej 6 kV,
– w liniach transmisji sygnałów 4 kV.

      Strefy 2 i 3
Podobnie tworzy się kolejne strefy ochrony odgromowej. Pomiędzy strefami w instalacji elektrycznej i w liniach przesyłu sygnałów powinny być instalowane elementy lub układy ograniczające przepięcia atmosferyczne.
Ograniczniki przepięć SPD instalowane pomiędzy strefami należy dobierać w taki sposób, aby ich odporność udarowa była większa niż dopuszczalne wartości szczytowe sygnałów udarowych, jakie mogą wystąpić w danej strefie.
Ochrona obiektów budowlanych oraz wrażliwych na przepięcia systemów elektronicznych, zapewniona jest najczęściej przez wielostopniowy system ochrony przeciwprzepięciowej. Wartości dopuszczalnych poziomów napięć w poszczególnych strefach wynoszą:
w sieci elektroenergetycznej 230/400 V:

– strefa 2 – 4 kV,
– strefa 3 – 2,5 kV,
– strefa 4 – 1,5 kV.

     w liniach przesyłu sygnałów (przewód-ziemia)

– strefa 2 – 2 kV,
– strefa 3 – 1 kV,
– strefa 4 – 0,5 kV.

     Przy wyznaczaniu poszczególnych stref należy zwrócić uwagę na:

a) przestrzeganie zasad wyrównywania potencjałów instalacji dochodzących do obiektu budowlanego,
b) właściwy dobór i rozmieszczenie ograniczników przepięć różnych typów,
c) zasadę ograniczania udarów poniżej odporności udarowej urządzeń zainstalowanych w danej strefie.

     Trójstopniowy system ograniczania przepięć w obiekcie budowlanym polega na instalowaniu układów ograniczników:

– typu 1 na granicy stref 0 i I,
– typu 2 na granicach stref I i II,
– typu 3 na granicy stref II i III.

▲ do góry

8. Wyrównywanie potencjałów w obiekcie

W przypadku bezpośredniego wyładowania piorunowego w zewnętrzną instalację odgromową obiektu budowlanego, prąd piorunowy powinien być bezpiecznie odprowadzany do systemu uziomowego.
Zastosowanie poprawnie zaprojektowanej i wykonanej instalacji zewnętrznej nie eliminuje jednak różnic potencjałów pomiędzy poszczególnymi instalacjami oraz przewodzącymi elementami wewnątrz obiektu. W typowych przypadkach prąd piorunowy rozpływający się w przewodach odprowadzających może wywołać różnice potencjałów o znacznych wartościach.
Wewnątrz obiektu budowlanego, w którym brak systemu wyrównywania potencjałów lub został on wykonany w sposób nieprawidłowy, powstające różnice potencjałów mogą spowodować:

a) zagrożenie porażeniowe ludzi przebywających wewnątrz obiektu,
b) uszkodzenie instalacji elektrycznej oraz obwodów przesyłu sygnałów,
c) uszkodzenie urządzeń,
d) zagrożenie pożarowe.

     Ograniczenie występujących zagrożeń w wyniku wyładowań atmosferycznych, przepięć łączeniowych wewnętrznych i zewnętrznych, zapewnia poprawnie wykonane wyrównywanie potencjałów instalacji przewodzących wprowadzanych do obiektu oraz przebiegających w jego wnętrzu.
Zgodnie z wymaganiami norm PN-EN 62305 w obiekcie budowlanym należy wyrównać potencjały wszystkich przewodzących instalacji do niego wprowadzanych oraz instalacji ułożonych wewnątrz obiektu. Wyrównanie potencjałów należy wykonać przy pomocy niskoimpendancyjnych połączeń:

a) bezpośrednich – między przewodzącymi instalacjami i urządzeniami, na których nie występuje trwale potencjał elektryczny,
b) ochronnikowych – między urządzeniami uziemionymi, a izolowanymi od ziemi oraz znajdującymi się pod napięciem przewodami urządzeń elektrycznych.

     Przedstawione w normie PN-EN 62305-1 zalecenia dotyczą zarówno obiektów posiadających urządzenia piorunochronne, jak również obiektów niechronionych przed wyładowaniem piorunowym.      Zgodnie z tymi zaleceniami wyrównanie potencjałów instalacji przewodzących, linii przesyłu sygnałów i elektroenergetycznych wprowadzonych do obiektu polega na:

a) bezpośrednim przyłączeniu do głównej szyny wyrównawczej wprowadzonych do obiektu wszelkich instalacji przewodzących, elementów urządzeń piorunochronnych, metalowych elementów konstrukcji obiektu. itp. Optymalnym rozwiązaniem jest wprowadzanie wszelkich instalacji w jednym, wspólnym miejscu;
b) bezpośrednim przyłączeniu do głównej szyny wyrównawczej następujących elementów i instalacji:

– metalowych rur instalacji wodnej, gazowej, centralnego ogrzewania, ciepłej wody, itp,;
– telekomunikacyjne, pomocnicze i pomiarowe elektrody uziemiające;
– ekrany lub przewodzące elementy konstrukcyjne linii transmisji sygnałów;
– przewody PEN lub PE sieci elektroenergetycznej;

c) zainstalowaniu ograniczników przepięć w instalacjach wprowadzonych do obiektu i przyłączeniu do głównej szyny wyrównawczej:

– przewodów liniowych i neutralnego (jeśli taki występuje) instalacji elektrycznej,
– przewodów przesyłu sygnałów.

     Przykład połączenia części przewodzących instalacji wprowadzonych do obiektu z główną szyną wyrównawcza przedstawia rysunek 12.


Rys. 12. Połączenie instalacji przewodzących z szyną wyrównywania potencjałów

     Jeżeli instalacje zewnętrzne są wprowadzone do obiektu w różnych miejscach, to w każdym z tych miejsc należy zainstalować szynę wyrównawczą. Do połączonych ze sobą szyn wyrównawczych, za pomocą wewnętrznego przewodu otokowego, należy przyłączyć przewodzące elementy konstrukcji żelbetowej i inne metalowe elementy ekranujące obiektu budowlanego.
W przypadku wprowadzania zewnętrznych części przewodzących nad ziemią, szyny wyrównawcze powinny być połączone z poziomym, wewnętrznym lub zewnętrznym przewodem otokowym, połączonym z przewodami odprowadzającymi urządzenia piorunochronnego oraz ze zbrojeniem, jeśli ono istnieje.
Główna szyna wyrównawcza umieszczana jest najczęściej na poziomie ziemi możliwie najbliżej miejsca, w którym wchodzą instalacje przewodzące i połączona z uziomem budynku. Do szyny wyrównawczej należy również przyłączyć występujące w obiekcie części metalowe dźwigów, przewody wentylacyjne itp.
Połączenia urządzeń do ograniczania przepięć z główną szyną wyrównawczą powinny być możliwie najkrótsze i o małej impedancji.
Wstawki izolacyjne, które mogą występować w rurociągach gazowych lub wodnych należy, za zgodą dostawców gazu i wody, mostkować za pomocą iskierników.
Rurociągi paliwowe z ochroną katodową należy łączyć z szyną wyrównywania potencjałów przez iskiernik.

▲ do góry

9. Eksploatacja urządzeń do ograniczania przepięć

Urządzenia do ograniczania przepięć powinny być poddawane oględzinom i przeglądom w terminach określonych w normach dotyczących ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej.
W programach przeglądów i konserwacji urządzeń ograniczających przepięcia należy określić częstotliwość ich przeprowadzania oraz zakres, który powinien obejmować:

– sprawdzenie dokumentacji technicznej,
– oględziny,
– przeprowadzenie właściwych prób,
– sporządzenie dokumentacji z prób i pomiarów.

9.1. Przeglądy eksploatacyjne urządzeń do ograniczania przepięć
Przeglądy eksploatacyjne urządzeń do ograniczania przepięć należy przeprowadzać w czasie kontroli stanu technicznego instalacji elektrycznej, a także w innych terminach wynikających z potrzeb określonych w instrukcjach eksploatacyjnych poszczególnych typów SPD.
W czasie eksploatacji urządzeń do ograniczania przepięć należy w szczególności:

1) sprawdzić potrzebę uzupełnienia systemu ograniczania przepięć w przypadku rozbudowy lub wprowadzenia zmian w obiekcie lub w instalacji elektrycznej;
2) zapewnić, aby sprawdzania układów SPD dokonywane były przez specjalistę z dziedziny ochrony odgromowej;
3) podczas oględzin i przeglądów sprawdzić, czy nie ma oznak wskazujących na uszkodzenie ograniczników lub zadziałanie zabezpieczeń przetężeniowych zainstalowanych w układzie SPD;
4) Badania specjalistyczne urządzeń do ograniczania przepięć mogą być przeprowadzone tylko przez odpowiednio przygotowane laboratoria – praktycznie nie istnieje możliwość ich wykonania w czasie kontroli stanu technicznego instalacji elektrycznej i eksploatowanych układów SPD. Przeprowadzenie dokładnych badań właściwości urządzeń do ograniczania przepięć wymaga zastosowania specjalistycznego sprzętu;
5) podczas badania stanu izolacji przewodów instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym, w której znajdują się warystorowe SPD typu 2, na czas badania stanu izolacji, należy je odłączyć od instalacji elektrycznej lub, jeśli istnieje taka możliwość, należy na ten czas wyjąć wkładki z warystorami.

9.2. Sprawdzanie urządzeń do ograniczania przepięć
Bieżąca kontrola pracy urządzeń iskiernikowych SPD typu 1, w sytuacji jeżeli nie posiadają one wskaźników poprawnego działania, nie jest monitorowana w czasie eksploatacji i nie ma możliwości sprawdzenia ich właściwości.
Można w ramach próby ocenić aktualny stan SPD typu 1 na podstawie pomiarów statycznego napięcia zapłonu iskierników lub rezystancji izolacji przy określonym napięciu.
Wykonanie próby na drodze pomiarów polega na:

1) doprowadzeniu do SPD typu 1 narastającego napięcia przemiennego lub stałego i określenie napięcia zapłonu iskierników;
2) przed przystąpieniem do pomiaru rezystancji izolacji, należy uzyskać informacje o wymaganym napięciu probierczym i wartości rezystancji izolacji, jaka wystąpi przy tym napięciu. Odczytu należy dokonać po 5 sekundach od chwili doprowadzenia do zacisków SPD napięcia o określonej wartości, np. 500 V.

9.3. Urządzenia ograniczające przepięcia typu 2 – powinny mieć zapewnioną możliwość samoczynnego odłączania SPD od instalacji elektrycznej w razie uszkodzenia wewnętrznego (warystora). Informację o uszkodzeniu SPD i jego „odłączeniu” jest zmiana koloru w „okienku kontrolnym” w przypadku ograniczników instalowanych na szynie 35 mm.
SPD typu 2 przeznaczone do montażu w gniazdach bezpiecznikowych posiadają dodatkowe styki, które wysuwają się przy ich uszkodzeniu. Urządzenie do ograniczania przepięć typu 2 może równie posiadać styk pomocniczy umożliwiający włączenie obwodu elektrycznego (np. głośnik, lampki) sygnalizujące uszkodzenie SPD. Posiadanie powyższych wskaźników uszkodzenia umożliwia uzyskanie informacji o stanie SPD w ramach prowadzonych oględzin. Dodatkowo użytkownik, poza kontrolą wskaźnika uszkodzenia, może sprawdzić:

a) napięcie zadziałania warystora przy doprowadzeniu do niego narastającego napięcia stałego,
b) poziom napięcia wywołujący w warystorze przepływ prądu o określonej wartości, wynoszącej najczęściej 1 mA.

9.4. Urządzenia do ograniczania przepięć typu 3 – powinny być wyposażone w akustyczne lub optyczne wskaźniki uszkodzenia, a w niektórych przypadkach – w styki pomocnicze wykorzystywane do zdalnej sygnalizacji uszkodzenia. Okresy pomiędzy poszczególnymi sprawdzaniami układów SPD są analogiczne jak w przypadku urządzenia piorunochronnego obiektu budowlanego.
Przestrzeganie powyższych zasad powinno zapewnić pewną i niezawodną ochronę instalacji i urządzeń elektrycznych przed napięciami i prądami udarowymi, jakie mogą wystąpić w instalacji elektrycznej.

▲ do góry