Problem doboru odległości ochronnych nie był w zasadzie dotychczas uwzględniany przy projektowaniu systemu ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej.
Tworząc niezawodny system ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym, należy uwzględnić wiele wymagań dotyczących samej instalacji elektrycznej, ochrony odgromowej obiektów budowlanych oraz kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń. Szczególną uwagę należy zwrócić na:
– właściwą ocenę występującego zagrożenia stwarzanego przez prądy i napięcia udarowe;
– koordynację energetyczną pomiędzy poszczególnymi układami urządzeń do ograniczania przepięć SPD (Surge Protective Device) w wielostopniowych systemach ochrony;
– poziomy odporności udarowej przyłączy zasilania chronionych urządzeń;
– dopuszczalne odległości (tzw. odległości ochronne) pomiędzy SPD a chronionymi urządzeniemi.
Koordynację energetyczną pomiędzy urządzeniami do ograniczania przepięć określa producent w formie wymagań dotyczących odległości pomiędzy SPD różnych typów. Znacznie bardziej skomplikowane jest określanie odległości ochronnych pomiędzy SPD a przyłączami zasilania urządzeń (rys. 1).
Dotychczas problem doboru odległości ochronnych nie był praktycznie uwzględniany przy projektowaniu systemu ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej. Obecnie podjęto próbę ujednolicenia wymagań dotyczących tego zagadnienia.
Rys. 1 Wzajemne rozmieszczenie urządzeń do ograniczania przepięć i chronionych urządzeń: a) układ SPD typu 1 lub 2 i chronione urządzenie, b) SPD typu 3 a chronione urządzenie
Narażenia przepięciowe urządzeń
W przypadku stosowania długich przewodów pomiędzy SPD typu 2 lub 3 a przyłączami chronionego urządzenia o charakterze pojemnościowym (rys. 2a) mogą wystąpić napięcia ograniczone przez SPD z dodatkowymi oscylacjami.
O możliwości wystąpienia przepięć o takim charakterze w obwodzie warystor–obciążenia o charakterze pojemnościowym wspomniano w normie IEC 61643-12 [5].
Amplitudy przedstawionych przepięć (rys. 2b) dochodziły do podwojonej wartości napięcia panującego na warystorze (SPD typu 2 lub 3).
Rys. 2 Napięcie w układzie warystor–obciążenie pojemnościowe: a) schemat analizowanego obwodu, b) napięcia panujące na obciążeniu i warystorze
Badania laboratoryjne napięć występujących na kondensatorach w układach przewodów symulujących obwód przedstawiony na rys. 2a wskazują na występowanie przebiegów oscylacyjnych gasnących (rys. 3a), gdyż rzeczywisty kondensator nie stanowi tylko pojemności.
Wyniki rozważań teoretycznych wykazują również możliwość wystąpienia na kondensatorze napięcia UC o przebiegu oscylacyjnym gasnącym (rys. 2b),jeśli przy tworzeniu modelu kondensatora uwzględnione zostaną:
– pasożytnicze indukcyjności L związane z wyprowadzeniami i ich wewnętrznymi strukturami;
– niepożądane rezystancje – równoległe i szeregowe wynikające odpowiednio z upływności kondensatorów oraz strat wyprowadzeń i okładzin.
W przedstawionych rozważaniach kondensator zastępował przyłącze zasilania chronionych urządzeń. W rzeczywistych obwodach, modelując przyłącze zasilania urządzenia, należy wykorzystać bardziej rozbudowane układy połączeń rezystancji, pojemności i indukcyjności.
W konsekwencji przedstawionych oscylacji może nastąpić uszkodzenie urządzenia, nawet jeśli UP ≤ UW (gdzie Up – napięciowy poziom ochrony SPD, UW – poziom odporności udarowej chronionego urządzenia).
Rys. 3 Przebiegi napięć na warystorze i rzeczywistym kondensatorze (obwód z rys. 2a): a) wyniki badań laboratoryjnych, b) wyniki obliczeń z uwzględnieniem niepożądanych rezystancji i indukcyjności kondensatora
Projektując systemy ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej, należy uwzględnić informacje o poziomach odporności przyłączy chronionych urządzeń na działanie napięć i prądów udarowych. Na podstawie dostępnych danych w tab. 1 zestawiono wymagane poziomy odporności udarowej typowych urządzeń elektrycznych i elektronicznych.
Tab. 1 Wymagane poziomy odporności udarowej przyłączy wejściowych zasilania urządzeń prądem przemiennym
|
Badane urządzenia
|
Udary 1,2/50-8/20 µs
|
|
Urządzenia powszechnego użytku, narzędzia elektryczne, podobne urządzenia elektryczne (PN-EN 55014-2)
|
2000 V/1000 V
|
|
Urządzenie automatyki przemysłowej (NAMUR NE 21)
|
|
|
Urządzenia informatyczne (PN-EN 55024)
|
|
|
Bezprzerwowe systemy zasilania (PN-EN 50091-2)
|
|
|
Urządzenia stosowane w kolejnictwie (PN-EN 50121-4)
|
|
|
Medyczne urządzenia elektryczne (PN-EN 60601-1-2)
|
± 2000 V/± 1000 V
|
|
Układy napędowe (PN-EN 61800-3) środowisko publiczne środowisko przemysłowe
|
2000 V/1000 V
|
|
Sprzęt pomiarowy, sterujący i laboratoryjny (PN-EN 61010-1) poziom podwyższony (zastosowanie przemysłowe) |
1000 V/500 V 2000 V/1000 V |
|
Urządzenia systemów alarmowych (PN-EN 50130-4)
|
500 V i 1000 V 500 V, 1000 V i 2000 V |
|
Dla udaru 1,2/50–8/20 µs podano poziomy odporności pomiędzy przewodami fazowym i neutralnym a przewodem ochronnym, przewodami fazowymi oraz między przewodami fazowymi a przewodem neutralnym.
|
|
Uwzględniając możliwość wystąpienia oscylacji oraz poziomy odporności udarowej przyłączy zasilania urządzeń, wprowadzono w przypadku przepięć atmosferycznych pojęcie odległości ochronnej lPO. Jest to maksymalna odległość pomiędzy układem SPD a chronionym urządzeniem (liczona wzdłuż przewodu), przy której zapewniona jest jeszcze ochrona przyłącza zasilania tego urządzenia.
Otrzymane wyniki wskazują [3], że do uproszczonej oceny zagrożenia można przyjąć następujące założenia:
– odległości ochronnej lPO można nie wyznaczać, jeśli długość przewodu pomiędzy SPD a chronionym urządzeniem jest mniejsza od 10 m i UP < Uw/2;
– jeżeli długość przewodu pomiędzy SPD a urządzeniem jest większa niż 10 m i UP > UW/2, to odległość ochronna może być oszacowana z następującej zależności
(1)
gdzie k = 25 V/m.
W przypadku stwierdzenia występowania odległości przekraczających lPO należy:
– zastosować dodatkowy SPD przed chronionym urządzeniem,
– zmniejszyć odległość zainstalowanego układu SPD względem chronionego urządzenia w taki sposób, aby nie przekraczać wymaganej odległości.
Podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w LPS obiektu budowlanego lub wyładowań w bliskim sąsiedztwie obiektu na skutek sprzężenia indukcyjnego i pojemnościowego w przewodach w instalacji elektrycznej mogą wystąpić przepięcia o znacznych wartościach.
Powstające przepięcia mogą dodawać się do napięciowych poziomów ochrony układu SPD i powodować zwiększenie wartości szczytowych przepięć dochodzących do przyłączy zasilania chronionych urządzeń.
Napięcia indukowane zależą od rozmiarów pętli obwodu oraz obecności ekranowania tego obwodu i ekranowania wnoszonego przez elementy konstrukcyjne budynku.
W celu oceny zagrożenia wywołanego przez napięcia atmosferyczne indukowane wprowadzono pojęcie odległości ochronnej lPI, która jest maksymalną długością przewodów między układem SPD a urządzeniem, przy której przepięcia dochodzące do przyłączy zasilania urządzeń nie przekraczają wartości dopuszczalnych.
Odległość ochronna lPI może być określona z zależności:
W przypadku wyładowania w bliskim sąsiedztwie obiektu:
(2)
W przypadku bezpośredniego wyładowania w urządzenie piorunochronne obiektu:
(3)
gdzie współczynnik KS0 uwzględniający skuteczność ekranowania urządzenia piorunochronnego na granicy stref 0 i 1 wynosi:
KS0 = 0,6· w0,5?ażurowe LPS z siatką o szerokości oka w [m],
KS0 = KC dla klasycznego urządzenia piorunochronnego.
Wartości pozostałych współczynników występujących w równaniach (2) i (3) zestawiono w tab. 2.
Tab. 2 Wartości współczynników wykorzystywanych do określania odległości ochronnych
|
Podstawowe wymagania
|
Współczynniki
|
|
|
KS1= KS2
|
KS3
|
|
|
Wymagania dotyczące ekranowania przestrzennego oraz zasad układania przewodów względem ekranu
|
||
|
Brak ekranu przestrzennego
|
1
|
–
|
|
Ekran ażurowy lub przewody odprowadzające typu klatkowego o szerokości oka w [m]. Naturalne przewody odprowadzające (metalowe kolumny, konstrukcje żelbetowe) wykorzystywane do ochrony odgromowej
|
0,12?w
|
–
|
|
Pełny ekran o grubości od 0,1 mm do 0,5 mm
|
10-4 – 10-5
|
–
|
|
Wymagania dotyczące typów przewodów oraz zasad ich układania w obiekcie
|
||
|
Duże obiekty budowlane, kable nieekranowane ułożone wzdłuż różnych tras, możliwość występowania pętli tworzonych z przewodów o powierzchni rzędu 50 m2
|
–
|
1
|
|
Niewielkie obiekty, kable nieekranowane ułożone w tym samym kanale lub wzdłuż różnych tras, ale ograniczano możliwości występowania pętli (nie powinny przekraczać powierzchni 10 m2)
|
–
|
0,2
|
|
Kable nieekranowane układane w obiekcie budowlanym w sposób ograniczający możliwość występowania pętli do powierzchni 0,5 m2
|
–
|
0,02
|
|
Kable ekranowane, ekran o rezystancji 5 < RS ≤ 20 ?/km połączony na obu końcach kabla z szynami wyrównawczymi, do których przyłączono urządzenia
|
–
|
0,001
|
|
Kable ekranowane, ekran o rezystancji 1 < RS ≤ 5 ?/km połączony na obu końcach kabla z szynami wyrównawczymi, do których przyłączono urządzenia
|
–
|
0,0002
|
|
Kable ekranowane, ekran o rezystancji RS ≤ 1 ?/km połączony na obu końcach kabla z szynami wyrównawczymi, do których przyłączono urządzenia
|
–
|
0,0001
|
|
W przypadku przewodów ułożonych w ciągłym metalowym kanale połączonym na obu końcach do szyn wyrównawczych podane wartości KS3 należy pomnożyć przez 0,1
|
||
Jeśli zastosowano ekranowanie przestrzenne w obiekcie lub ekranowanie przewodów, to odległość ochronna lPI może nie być analizowana. W nowej normie PN-EN 62305-4 [4] wprowadzanej obecnie zakłada się, że zapewniona jest ochrona przyłącza zasilania urządzenia, jeśli są one skoordynowane energetycznie z SPD oraz dodatkowo spełniony jest jeden z warunków przedstawionych w tab. 3.
Tab. 3 Wymagania dotyczące odstępów pomiędzy SPD a chronionym urządzeniem
|
Wymaganie
|
Odległość pomiędzy SPD a przyłączem zasilania urządzenia
|
|
UP/F ≤ UN
|
W przypadku niewielkich długości przewodów pomiędzy SPD a chronionym urządzeniem (typowy przypadek – SPD jest instalowany przed chronionym urządzeniem)
|
|
UP/F ≤ 0,8·UN
|
W przypadku długości przewodów instalacji elektrycznej nie większej niż 10 m (typowy przypadek – układ SPD w rozdzielnicy piętrowej lub w kanale kablowym)
|
|
UP/F ≤ (UN – U1)/2
|
W przypadku długości przewodów instalacji elektrycznej większej od 10 m (typowy przypadek – układ SPD w miejscu wprowadzania instalacji do obiektu lub w rozdzielnicy piętrowej)
|
W przedstawionych układach połączeń SPD typu 1 i 2 poziom ograniczania przepięć uzależniony jest od ich charakteru.
W przypadku przepięć występujących pomiędzy przewodami fazowymi i neutralnym a przewodem ochronnym PE (przepięcia atmosferyczne, część przepięć wewnętrznych) działanie stosowanych układów SPD powoduje ograniczanie przepięć do następujących poziomów:
– napięciowego poziomu ochrony UP w przypadku napięć pomiędzy przewodami fazowymi L1, L2, L3 oraz N a przewodem ochronnym PE;
– kilkuset woltów pomiędzy przewodami fazowymi oraz przewodami fazowymi a przewodem neutralnym N.
Istnieje również możliwość wystąpienia przepięć wewnętrznych pomiędzy przewodami fazowymi oraz przewodami fazowymi a przewodem neutralnym.
W takim przypadku przepięcia przedostające się do chronionego urządzenia mogą osiągnąć wartości szczytowe przekraczające napięciowy poziom ochrony UP (rys. 4).
Rys. 4 Zagrożenie stwarzane przez przepięcia występujące pomiędzy przewodem fazowym i neutralnym
Rozwiązaniem zapewniającym ograniczanie przepięć przedstawionych na rys. 4 jest zastosowanie SPD typu 3 przed chronionym urządzeniem (rys. 5).
Rys. 5 Urządzenie do ograniczania przepięć typu 3 instalowane przed urządzeniem
Przedstawione informacje dotyczące zasad określania odległości ochronnych pomiędzy układami SPD a przyłączami zasilania chronionych urządzeń pozwalają lepiej ocenić zagrożenie przepięciowe urządzeń oraz zrozumieć zasady ograniczania przepięć w instalacjach elektrycznych.
Jednocześnie uwidacznia się konieczność prowadzenia dalszych badań narażeń przyłączy zasilania, których wyniki pozwolą na dokładniejszą ocenę zagrożenia przepięciowego urządzeń zasilanych z sieci z układami SPD różnych typów.
Andrzej Sowa
prof. Politechniki Białostockiej
Literatura
1. PN-EN 62305-1:2008 Ochrona odgromowa – Część 1: Wymagania ogólne.
2. PN-EN 62305-3:2009 Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia.
3. PN-EN 62305-4:2009 Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych.
4. PN-EN 62305-4:2011 Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych.
5. IEC 61643-12:2002 Low-voltage surge protective devices. Part 12: Surge protective devices connected to low-voltage Power distribution systems. Selection and application principles.
Artykuł jest oparty na referacie wygłoszonym na konferencji „Urządzenia piorunochronne w projektowaniu i budowie” (20.10.2011 r., Kraków); ukazał się w miesięczniku INPE (nr 150, marzec, 2012 r.).
