Ograniczenie przepięć.pdf

Edward MUSIAŁ

Oddział Gdański SEP

DOBEZPIECZANIE OGRANICZNIKÓW PRZEPIĘĆ

1. Wprowadzenie

Dla poprawnego funkcjonowania sieci, instalacji i urządzeń elektrycznych ważne jest skoor-

dynowanie rozmaitych systemów zabezpieczeń i ochron. Dotyczy to również koordynacji między

urządzeniami zabezpieczającymi i ochronnymi działającymi na różnej zasadzie i wykorzystującymi

odmienne kryteria działania, w tym współdziałania zabezpieczeń nadprądowych z zabezpieczenia-

mi podnapięciowymi i z zabezpieczeniami różnicowoprądowymi oraz z ogranicznikami przepięć.

Ograniczniki przepięć, zwłaszcza klasy I (odgromniki), mogą wymagać dobezpieczenia za pomocą

bezpieczników, wyłączników bądź innych urządzeń zabezpieczających, w tym termicznych i nadci-

śnieniowych. Dobór tych zabezpieczeń i ich usytuowania powinien uwzględniać nie tylko skutecz-

ność dobezpieczenia, ale również eliminację niepożądanych przerw w zasilaniu w razie ich zbędnej

interwencji. Gdzie stawia się wysokie wymagania co do ciągłości zasilania, tam wypada zapewnić

koordynację całkowitą zabezpieczeń nadprądowych z odgromnikami, aż do przepisowej granicy

spodziewanych obciążeń o rozkładzie losowym. W innych wypadkach można poprzestać na koor-

dynacji częściowej, tylko przy narażeniach o znaczącym prawdopodobieństwie występowania. Jest

to podejście analogiczne do usankcjonowanego w normach rozróżnienia między przetężeniową

wybiorczością całkowitą i wybiorczością częściową między zabezpieczeniami nadprądowymi.

Termin dobezpieczenie , wprowadzony pół wieku temu przez prof. Jana Piaseckiego, oznacza

dodatkowe, uzupełniające zabezpieczenie, logistyczne wzmocnienie przyrządu zabezpieczającego

lub ochronnego, którego skuteczność była niepełna, niewystarczająca w niektórych sytuacjach ru-

chowych. Dobezpieczenie jest jedynym poprawnym polskim odpowiednikiem angielskiego back-up

protection i niemieckiego Vorsicherung , terminów przez wielu dziwacznie tłumaczonych sylaba po

sylabie. Dobezpiecza się urządzenie zabezpieczające (wyłącznik nadprądowy, bezpiecznik, wyłącz-

nik różnicowoprądowy, stycznik i przekaźnik termobimetalowy) bądź urządzenie ochronne (ogra-

nicznik przepięć), a nie obiekt zabezpieczany (linię, silnik, transformator lub prądnicę).

W dziedzinie ochrony instalacji i sieci elektrycznych niskiego napięcia od przepięć atmosfe-

rycznych i łączeniowych nastąpił w ciągu ostatnich kilkunastu lat znaczny postęp w teoretycznym

rozpoznaniu narażeń, w opracowywaniu różnych koncepcji układów ochrony i w konstrukcji urzą-

dzeń ochronnych. Towarzyszyły temu na poziomie międzynarodowym (IEC) i regionalnym (CE-

NELEC) wielokrotne nowelizacje dawniejszych dokumentów normalizacyjnych i wprowadzanie do

nich nowych tematów, przedtem pozostających poza zakresem właściwości norm. Proces ten trwa

nadal, wiele tematów czeka na głębsze opracowanie bądź na zgrabniejsze ujęcie.

Racjonalnym bodźcem tego postępu jest rosnące upowszechnienie wrażliwego na przepięcia

sprzętu elektronicznego, zwłaszcza komputerów i sieci komputerowych oraz cyfrowego sprzętu

automatyki, pomiarów, zabezpieczeń i łączności. Trudno jednak oprzeć się wrażeniu, że są też po-

wody irracjonalne: zawodowy astygmatyzm (niezborność widzenia) ekspertów skłonnych do prze-

sady w eksponowaniu rangi problemów własnej dyscypliny oraz lobbing producentów natarczywie

kreujących zwiększony popyt na sprzęt ochronny. Efektem są niektóre podejrzane postanowienia

norm oraz przebiegłe sformułowania w rozporządzeniu Min. Infrastruktury [24], mające sugerować

wymóg powszechnego stosowania ograniczników przepięć (§ 183.1.10), a pomijające naturalne,

bezinwestycyjne środki ochrony. Pomija się milczeniem albo wspomina półgębkiem te postanowie-

nia norm IEC, które przeszkadzają w wyłudzaniu pieniędzy.

Podstawowa norma dotycząca ochrony przeciwprzepięciowej w instalacjach, PN-IEC 60364-

4-443 [15], ma niewygodny dla astygmatyków i autorów rozporządzenia [24] rozdział 443.3.1

Ograniczanie naturalne przepięć . Stanowi on, że nie jest potrzebna ochrona od przepięć atmosfe-

rycznych, jeśli obiekt jest zasilany z sieci kablowej albo napowietrznymi przewodami izolowanymi

i ekranowanymi. Nie jest też wymagana taka ochrona przy zasilaniu z sieci napowietrznej na tere-

nach o rocznej liczbie dni burzowych nieprzekraczającej 25, czyli na przeważającym obszarze Pol-

ski.

Ujednolicanie norm w skali światowej i regionalnej bynajmniej nie oznacza upowszechniania

jednakowych rozwiązań układów ochrony instalacji niskonapięciowych od przepięć atmosferycz-

nych. Nawet zaprojektowane w oparciu o te same normy, będą one rozmaite w różnych krajach,

a nawet w różnych regionach większych krajów, chociażby ze względu na inny poziom keraunicz-

ny, czyli inną roczną liczbę dni burzowych (w większości zamieszkałych regionów świata od nie-

spełna 10 do nawet ponad 200). W dodatku poza normami do dobrowolnego stosowania są w nie-

których krajach obligatoryjne przepisy prawa precyzujące wymagania uwzględniające specyficzne

warunki lokalne. Wymagania są łagodniejsze przy zasilaniu instalacji z sieci rozdzielczej TN,

zwłaszcza kablowej, a surowsze przy zasilaniu z sieci rozdzielczej TT, zwłaszcza napowietrznej.

Układ TN ma tę wyższość, że uziemienia przewodów ochronnych PEN i PE całej sieci są liczne i są

ze sobą równolegle połączone. Można wskazać tytułem przykładu [11] trzy dominujące koncepcje

ochrony w instalacjach budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej bez piorunochronu:

1) Koncepcja północnoamerykańska. Sieci wysoko- i niskonapięciowe mają punkty neutralne

uziemione, sieć rozdzielcza niskonapięciowa o układzie TN ma linie o bardzo małej długości, na

przykład od transformatora słupowego małej mocy do pobliskich budynków. Uważa się, że małe

jest prawdopodobieństwo przepięć, którym towarzyszy duży prąd. Stosuje się ograniczniki przepięć

w odbiornikach i w gniazdach wtyczkowych, a ograniczniki przy złączu tylko w instalacjach bar-

dziej wrażliwych bądź szczególnie narażonych.

2) Koncepcja niemiecka. Sieci rozdzielcze o układzie TN przy małym udziale linii napowietrz-

nych. Odgromniki instaluje się przede wszystkim w obrębie sieci rozdzielczych, natomiast w insta-

lacjach tylko w rejonach o rocznej liczbie dni burzowych zbliżonej do 30 (zwłaszcza w Bawarii)

i/lub w obiektach szczególnie wrażliwych. Stosuje się odgromniki o większym znamionowym prą-

dzie wyładowczym niż w wielu innych krajach.

3) Koncepcja francuska. Sieci rozdzielcze o układzie TT z dużym udziałem linii napowietrz-

nych. Przy złączu ogranicznik (o znamionowym prądzie wyładowczym 5 kA) jest wymagany, jeżeli

Zasada SEP Single-Entry-Point jest wyraźnie zapisana aż w dwóch normach: w punkcie

444.3.14 normy PN-IEC 60364-4-444:2001 [16] oraz w punkcie 5.3 normy PN-IEC/TS 61312-

3:2004 [21]. Aż w dwóch normach, bo jest tak ważna! Zaleca ona wprowadzanie do budynku

wszelkich przewodzących przyłączy (rurociągów i kabli) w tym samym miejscu. Przestrzeganie jej

daje korzyści [12, 13] w każdej sytuacji (krótkie połączenia wyrównawcze, brak metalowych pętli,

w których mogą indukować się niebezpieczne napięcia), a nabiera szczególnej wagi w budynkach,

których konstrukcja nie daje wyraźnego ekranowania (brak metalowych konstrukcji nośnych i/lub

zbrojenia, brak metalowych osłon). Dlaczego nie ma o tym ani słowa w miejscu najwłaściwszym,

w rozporządzeniu Min. Infrastruktury [24], adresowanym również do architektów, inżynierów bu-

downictwa i techniki sanitarnej? Ten sam ośrodek szerzenia ignorancji wśród elektryków, który

zdominował Komitet Techniczny nr 55 ds. Instalacji Elektrycznych i Ochrony Odgromowej Obiek-

tów Budowlanych manipulował przy redagowaniu postanowień z zakresu elektryki w rozporządze-

niu Min. Infrastruktury [24]. Dlaczego wzorem innych krajów nie wprowadzono wymagania

pomieszczenia przyłączowego [6], co załatwiłoby definitywnie tę sprawę? Dlaczego wzorem

innych krajów nie wprowadzono wymagania sztucznego uziomu fundamentowego? Czyżby

dlatego, że wprowadzenie takich wymagań nie napędza popytu na żadne kosztowne aparaty i urzą-

dzenia?

„Osoby wykonujące samodzielne funkcje techniczne w budownictwie są odpowiedzialne za

wykonywanie tych funkcji zgodnie z przepisami, obowiązującymi Polskimi Normami i zasadami

wiedzy technicznej oraz za należytą staranność w wykonywaniu pracy…” (ustawa Prawo Bu-

dowlane, art. 12.6). Podobnie, jak nie należy używać słów powszechnie uważanych za nieprzyzwo-

ite, tak nie wolno wsłuchiwać się w porady techniczne osób powszechnie uważanych za nieprzy-

zwoicie nierozumne. I to niezależnie od formalnych stopni, tytułów i uprawnień, jakimi się legity-

mują.

budynek jest zasilany linią napowietrzną na terenie o poziomie keraunicznym wyższym niż 25,

a jest zalecany, jeśli budynek jest zasilany przewodami napowietrznymi prowadzonymi po fasadach

budynków, a instalacja zasila odbiorniki wrażliwe na przepięcia. Z takiego ogranicznika rezygnuje

się, jeśli budynek jest zasilany z sieci w całości wykonanej jako kablowa.

Piszący te słowa spędził lata 1974-1978 na wzgórzu Mont Amba w Kinshasie, w strefie rów-

nikowej z roczną liczbą dni burzowych bliską 100, w jednym z około stu parterowych domów czę-

ści mieszkalnej kampusu uniwersyteckiego. Instalacje domowe zasilane z sieci kablowej o układzie

TT nie miały żadnych ograniczników przepięć. Wszyscy przeżyli te cztery lata i nie odnotowali

żadnych materialnych szkód piorunowych; co prawda komputerów osobistych wtedy nie było. Nie

było też doniesień o takich szkodach w zaopatrzonych w piorunochrony kilkupiętrowych budyn-

kach administracyjnych i dydaktycznych oraz w klinikach uniwersyteckich dysponujących różno-

rodnym sprzętem elektromedycznym ówczesnej generacji. Te wspomnienia sprzed lat szefa depar-

tamentu elektrycznego uniwersytetu, do którego dochodziły informacje o poważniejszych uszko-

dzeniach, skłaniają do traktowania z rezerwą rozrzutnej taktyki tworzenia reguł technicznych po-

przez przejmowanie z każdego obszaru kultury technicznej wymagań najostrzejszych. I to w Polsce,

kraju nienajbogatszym, którego ponad 90% powierzchni ma roczną liczbę dni burzowych nieprze-

kraczającą 25. Inna sprawa, że publikowanie takich obrazoburczych stwierdzeń może wywołać re-

plikę sprawiającą wrażenie dodatkowych dni burzowych.

Zanim zacznie ktoś w Polsce histerycznie straszyć piorunami, niech się zastanowi i odpowie,

jak sobie z nimi radzą w krajach o rocznej liczbie dni burzowych kilkakrotnie większej. I niech nie

wydyma pogardliwie ust, że najwyższe wskaźniki kerauniczne dotyczą biednych rejonów Afryki

i Azji, pozbawionych elektroniki. Nic bardziej błędnego. Wszędzie tam są komputery, jest automa-

tyka, jest łączność, w tym telefonia komórkowa, są wieże kontroli lotów i są bazy wojskowe na-

szpikowane elektroniką.

2. Odgromniki – ograniczniki przepięć klasy I pierwszego stopnia ochrony

W instalacjach narażonych na wnikanie prądu piorunowego z zasilającej sieci napowietrznej

i/lub z piorunochronu, pierwszy stopień ochrony, na granicy stref ochronnych 0 i 1, wymaga od-

gromników, czyli ograniczników przepięć klasy I. Są to ograniczniki iskiernikowe o nieciągłej cha-

rakterystyce napięciowo-prądowej, ucinające przepięcie, zdolne odprowadzać prądy piorunowe

o kształcie udaru 10/350 μs. Instaluje się je w złączu lub w głównej rozdzielnicy i zarazem w pobli-

żu głównej szyny wyrównawczej obiektu, co jest możliwe, jeśli przestrzega się wspomnianej wyżej

zasady SEP. Ze względu na skuteczność ochrony powinny być instalowane jak najbliżej miejsca

wprowadzenia przewodów do budynku [1], nawet przed rozliczeniowym pomiarem energii. Można

wyróżnić trzy stany ich działania:

1. Stan izolowania przy napięciu roboczym, nieprzekraczającym największego dopuszczalne-

go napięcia pracy ciągłej odgromnika U c , kiedy rezystancja między jego zaciskami jest rzędu giga-

oma (10 9 Ω). W instalacjach o napięciu fazowym U o odgromniki włączone pomiędzy fazę a ziemię

(L-E, L-PE) powinny mieć największe dopuszczalne napięcie pracy ciągłej U c co najmniej 1,5⋅ U o

w układzie TN i TT oraz 3 ⋅ U o w układzie IT. Natomiast odgromniki włączone pomiędzy przewód

fazowy a przewód neutralny (L-N) w układzie TT i TN-S – napięcie co najmniej 1,1⋅ U o .

2. Przewodzenie prądu wyładowczego po zapłonie odgromnika. Między zaciskami odgrom-

nika przepięcie narasta do poziomu udarowego napięcia zapłonu, wywołuje zapłon, po czym napię-

cie maleje do wartości napięcia obniżonego U res (spadku napięcia na łuku, na ogół 10÷50 V). Od-

prowadzany przez odgromnik prąd piorunowy pochodzi z fikcyjnego źródła o właściwościach zbli-

żonych do idealnego źródła prądu. Jest zatem wymuszeniem prądowym, którego wartość szczytowa

i przebieg w czasie nie zależą od zjawisk zachodzących w odgromniku, w bezpieczniku, wyłączni-

ku i w innych elementach znajdujących się na drodze jego przepływu. Co najwyżej, stwarzając

równoległe drogi przepływu i odpowiednio dobierając ich impedancje (impedancje udarowe, impe-

dancje falowe) można wpływać na wartość cząstkowego prądu płynącego określonym torem. Zdol-

ność przewodzenia przez odgromnik określoną liczbę razy prądu wyładowczego charakteryzuje

znamionowy prąd wyładowczy I n oraz maksymalny prąd wyładowczy I max o umownym kształcie

udaru T 1 /T 2 (czas czoła/czas grzbietu). W instalacjach narażonych na wnikanie prądu piorunowego

wymaga się odgromników o prądzie I n ≥ 5 kA, a odgromniki I n = 25 kA praktycznie wystarczają

nawet w warunkach największych narażeń [1].

3. Wyłączanie prądu następczego , który w przestrzeni międzyelektrodowej, uprzednio zjoni-

zowanej przez prąd wyładowczy, płynie pod działaniem napięcia roboczego. Prąd następczy jest w

przybliżeniu równy spodziewanemu prądowi zwarciowemu w miejscu zainstalowania zwykłego

odgromnika (przy rodzaju zwarcia odpowiadającym zwarciu biegunów, między którymi są włączo-

ne pobudzone odgromniki). Prąd następczy powinien być wyłączony przez sam odgromnik najpóź-

niej przy pierwszym naturalnym przejściu przez zero, zatem czas jego przepływu w sieci 50 Hz nie

powinien przekraczać 10 ms. Zdolność wyłączania prądu następczego I f jest związana z określonym

przebiegiem spodziewanego napięcia powrotnego TRV, podobnie jak to jest w łącznikach przy wy-

łączaniu prądów roboczych i zwarciowych.

Zwykłe odgromniki, nieograniczające prądu następczego, wtrącając do obwodu rezystancję

łuku w niewielkim stopniu zmniejszają wartość prądu następczego i jego skutek cieplny I 2 t w po-

równaniu z wartościami spodziewanymi. Ich zdolność wyłączania prądu następczego I f jest niedu-

ża, wynosi od 1,5 kA do 4 kA. Jeśli spodziewany prąd następczy jest od niej większy, to odgromnik

wymaga dobezpieczenia, a tę rolę zwykle spełnia bezpiecznik klasy gG. Jego rolą jest przetrzymać

prąd następczy przynajmniej do chwili pierwszego naturalnego przejścia przez zero, by mógł go

wyłączyć odgromnik, a gdyby to się nie stało – samemu go wyłączyć. W tym celu bezpiecznik po-

winien przetrzymywać bez nadwerężenia topika sumaryczną całkę Joule’a (sumaryczny skutek

cieplny) najpierw prądu piorunowego, a zaraz potem – prądu następczego I f przepuszczaną przez

odgromnik w przeciągu 10 ms. Sumowanie obu całek Joule’a (skutków cieplnych prądu) wynika

z założenia adiabatycznego nagrzewania topika, tzn. bez wymiany ciepła z otoczeniem. Wytwórca

odgromników podaje największy dopuszczalny prąd znamionowy I nmax bezpiecznika klasy gG, któ-

ry jest w stanie dobezpieczyć odgromnik i zarazem podaje prąd zwarciowy wytrzymywany przez

odgromnik wespół z tym bezpiecznikiem. Odgromniki nie mają wbudowanych bezpieczników, za-

tem rolę dobezpieczenia spełnia bezpiecznik zewnętrzny, poprzedzający w instalacji odgromnik,

najbliższy od strony zasilania. Zatem pierwszym zadaniem bezpiecznika poprzedzającego odgrom-

nik może być wyłączanie prądu następczego przekraczającego zdolność wyłączania odgromnika,

aby nie dopuścić do jego zniszczenia, do trwałego zwarcia elektrod i/lub rozerwania obudowy.

Tuż przed rokiem 2000 pojawiły się nowe konstrukcje odgromników coraz silniej ogranicza-

jących prąd następczy oraz jego skutek cieplny i wykazujące tak dużą zdolność wyłączania spo-

dziewanego prądu następczego I f = 25÷50 kA, że ich dobezpieczanie nie jest potrzebne (rozdz. 6).

Tablica 1. Obliczeniowe parametry pierwszego udaru prądu piorunowego 10/350 μs w zależności od

poziomu ochrony [19, 21]

Poziom ochrony

III i IV

Wartość szczytowa prądu I G

200

150

100

Całka Joule’a W G

kA 2 s

10000

5600

2500

Znamionowy i maksymalny prąd wyładowczy odgromnika tak się dobiera, zależnie od po-

ziomu ochrony (tabl. 1), aby prawdopodobieństwo ich przekroczenia było dostatecznie małe. Jed-

nak ze względu na losowy rozkład parametrów piorunów i znikome, ale niezerowe prawdopodo-

bieństwo wystąpienia wartości większych, ryzyka przekroczenia wykluczyć nie można. Trzeba się

liczyć z możliwością uszkodzenia odgromnika, również ze zwarciem elektrod, co zresztą może się

zdarzyć również w następstwie stopniowego ich zużywania się po wielokrotnym przepływie prądu

wyładowczego o wartości zbliżonej do znamionowej. Zwarcie elektrod odgromnika jest zwarciem

L-PE, uszkodzeniem izolacji doziemnej instalacji, w następstwie którego w układach TN i TT po-

przedzające zabezpieczenie (nadprądowe lub różnicowoprądowe) powinno dokonać samoczynnego

wyłączenia zasilania ze względu na zagrożenie porażeniowe. Zatem drugim zadaniem bezpiecznika

poprzedzającego odgromnik może być samoczynne wyłączanie zasilania w razie trwałego zwarcia

w odgromniku lub w innym miejscu poprzecznej gałęzi ochrony.

3. Wzajemne usytuowanie odgromników i bezpieczników

Na rys. 1 przedstawiono klasyczne przypadki usytuowania bezpieczników względem od-

gromników włączonych w wyodrębnionej poprzecznej gałęzi ochrony. Jeśli bezpiecznik dobezpie-

czający jest wymagany, nie musi być on umieszczony w gałęzi ochrony (rys. 1a, b); równie dobrze

rolę dobezpieczenia może pełnić bezpiecznik w torze zasilania (rys. 1c), np. bezpiecznik w złączu,

jeśli jego prąd znamionowy nie jest większy niż wskazana przez producenta największa dopusz-

czalna wartość I nmax . Zadziałanie bezpiecznika w gałęzi ochrony (rys. 1a, b) odcina odgromnik od

chronionej instalacji, a bezpiecznika w torze zasilania (rys. 1c) – zakłóca zasilanie instalacji. Oby-

dwa zdarzenia są niepożądane i dlatego bezpiecznik powinien zadziaływać tylko w razie koniecz-

ności, jeśli odgromnik nie jest w stanie sam poprawnie wyłączyć prądu następczego. Zatem bez-

piecznik powinien z zasady mieć prąd znamionowy równy największemu dopuszczalnemu I nmax ,

podanemu przez wytwórcę. Jest to sytuacja szczególna, odmienna niż w wielu innych przypadkach

doboru bezpieczników, kiedy zastosowanie bezpiecznika o prądzie mniejszym niż największy do-

puszczalny poprawia skuteczność zabezpieczenia, a nie powoduje żadnych następstw niepożąda-

nych.

F1...F3

F4...F6

Rys. 1. Usytuowanie odgromników względem bezpieczników złącza (F1…F3) i ewentualnych bez-

pieczników gałęzi poprzecznej (F4…F6) przy zasilaniu z sieci o układzie TN: a) gałąź odgromników z

bezpiecznikami przyłączona za bezpiecznikami złącza; b) gałąź odgromników z bezpiecznikami przyłą-

czona przed bezpiecznikami złącza; c) gałąź odgromników bez bezpieczników przyłączona za bez-

piecznikami złącza; d) gałąź odgromników bez bezpieczników przyłączona przed bezpiecznikami złą-

cza

Rozważając zalety i wady czterech przedstawionych układów zauważa się, co następuje. Bez-

pieczniki w gałęzi poprzecznej (rys. 1a, b) są niepożądane, jeżeli podstawowym imperatywem jest

niezawodność ochrony przeciwprzepięciowej, bo zadziałanie bezpiecznika i odłączenie odgromnika

mogą pozostać niezauważone, a jeżeli nie działa pierwszy stopień ochrony, to nieskuteczne są dal-

sze stopnie. Są zaś pożądane, jeżeli ciągłości zasilania instalacji przypisuje się większe znaczenie

niż niezawodności ochrony przeciwprzepięciowej.

Umiejscowienie odgromników w instalacji obiektu budowlanego bywa przedmiotem kontro-

wersji przy uzgadnianiu dokumentacji technicznej. Dostawca energii nie chce ich widzieć po swojej

Bywa, że poprzedzający bezpiecznik w gałęzi wzdłużnej (rys. 1c) ma prąd znamionowy

większy niż dopuszczalny i wtedy trzeba odgromnik dobrać do bezpiecznika, trzeba przewymiaro-

wać odgromnik. Zdarzyć się to może zwłaszcza wtedy, gdy bezpiecznikiem poprzedzającym jest

zabezpieczenie na początku przyłącza (rys. 1d).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: