ograniczanie przepiĘĆ w instalacjach … · stany nieustalone w sieci elektroenergetycznej ......

OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH

W OBIEKTACH BUDOWLANYCH

Renata MarkowskaAndrzej W. Sowa

SERIA: ZESZYTY DLA ELEKTRYKÓW – NR 9

Renata MarkowskaAndrzej W. Sowa

OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH

W OBIEKTACH BUDOWLANYCH

SERIA: ZESZYTY DLA ELEKTRYKÓW – NR 9

Recenzenci:mgr inż. Andrzej Boczkowski – Centralne Kolegium Sekcji Instalacji i Urządzeń Elektrycznych SEP

Kierownik projektuMichał Grodzki

Redakcja technicznaAgencja Reklamowa MEDIUM

KorektaAnna Kuziemska

Wszelkie prawa zastrzeżone© Copyright by Dom Wydawniczy MEDIUM© Copyright by Renata Markowska© Copyright by Andrzej W. Sowa

ISBN 978-83-929689-3-1

Wydawca i rozpowszechnianieDom Wydawniczy MEDIUM04-112 Warszawa, ul. Karczewska 18

Sprzedaż: księgarnia wysyłkowawww.ksiegarniatechniczna.com.pl

Skład i łamanieAgencja Reklamowa MEDIUMwww.agencjamedium.pl

Warszawa 2011, wydanie I

Pod patronatem miesięcznika

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l 3

SPIS TREŚCI

1. Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1. Symbole graficzne elementów i układów ochronnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2. Zagrożenie piorunowe instalacji w obiekcie budowlanym. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1. Podstawowe parametry prądów piorunowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2. Zagrożenie związane z rozpływem prądów piorunowych w obiekcie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3. Zagrożenia związane z zewnętrzną instalacją usługową. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4. Zagrożenia związane z indukowaniem się udarów podczas wyładowania w obiekt budowlany lub w jego pobliżu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5. Wyznaczanie napięć i prądów indukowanych w pętlach przewodów. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5.1. Napięcia i prądy indukowane w strefie LPZ 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5.2. Napięcia i prądy indukowane w kolejnych strefach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3. Napięcia i prądy udarowe w obwodach niskiego napięcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.1. Wyładowania piorunowe w LPS obiektów budowlanych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2. Wyładowania piorunowe w sąsiedztwie obiektu budowlanego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.3. Wyładowania piorunowe w sąsiedztwie linii dochodzących do obiektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.4. Stany nieustalone w sieci elektroenergetycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.5. Impulsy elektromagnetyczne eksplozji nuklearnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5.1. Napięcia i prądy indukowane przez NEMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.6. Przepięcia rejestrowane w instalacji elektrycznej w obiektach budowlanych . . . . . . . . . . . . . . 313.7. Przenoszenie napięć udarowych przez transformatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.8. Napięcia i prądy udarowe w obwodach sygnałowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.8.1. Obwody telekomunikacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.8.2. Systemy informatyczne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.8.3. Systemy kontrolno-pomiarowe w stacjach elektroenergetycznych. . . . . . . . . . . . . . . . 41

4. Strefowa koncepcja ochrony przed przepięciami. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5. Odporność udarowa przyłączy urządzeń. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.1. Badania odporności udarowej urządzeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.1.1. Udary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.1.2. Przebiegi oscylacyjne tłumione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.1.3. Serie szybkich zakłóceń impulsowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.2. Poziomy odporności udarowej urządzeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.2.1. Przyłącza zasilania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.2.2. Przyłącza sygnałowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6. Wyrównywanie potencjałów w obiektach budowlanych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576.1. Ogólne zasady wyrównywania potencjałów instalacji wprowadzanych do obiektu budowlanego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.1.1. Główna szyna wyrównawcza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.1.2. Główny pierścień wyrównawczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.2. Wyrównywanie potencjałów wewnątrz obiektu budowlanego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 7. Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

7.1. Urządzenia do ograniczania przepięć typu 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677.1.1. Zasady doboru i montażu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.1.1.1. Układy połączeń SPD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.1.1.2. Podstawowe zasady montażu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

o g r a n i c z a n i e p r z e p i ę ć w i n s t a l a c j a c h e l e k t r y c z n y c hw o b i e k t a c h b u d o w l a n y c h

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l4

7.1.2. SPD o napięciowym poziomie ochrony poniżej 4000 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817.1.3. SPD o napięciowym poziomie ochrony poniżej 2500 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837.1.4. SPD o napięciowym poziomie ochrony poniżej 1500 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847.1.5. Koordynacja właściwości SPD typu 1 z wymaganiami EMC urządzeń . . . . . . . . . . . . 867.1.6. Oddziaływanie prądów udarowych na zabezpieczenia nadprądowe . . . . . . . . . . . . . . 87

7.2. SPD typu 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 897.2.1. Zasady doboru i montażu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

7.3. SPD typu 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947.3.1. Dobór i instalacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8. Wielostopniowe systemy ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988.1. Układy SPD typu 1 i 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988.2. Układy SPD typu 2 i 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1038.3. Układ SPD a chronione urządzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1038.4. Zasady tworzenia wielostopniowego systemu ograniczania przepięć . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1058.5. Podstawowe błędy występujące przy projektowaniu i montażu systemów SPD . . . . . . . . . . . 109

8.5.1. Błędy w fazie projektowania instalacji elektrycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1098.5.1.1. Błędna ocena występującego zagrożenia instalacji elektrycznej. . . . . . . . . . 1098.5.1.2. Niewłaściwe rozmieszczenie układów SPD różnych typów. . . . . . . . . . . . . . 1098.5.1.3. Błędne układy połączeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118.5.1.4. Brak koordynacji poziomów ograniczania przepięć przez układy SPD z odpornością udarową chronionych urządzeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118.5.1.5. Różnice potencjałów pomiędzy instalacjami dochodzącymi do urządzenia . . 111

8.5.2. Błędy przy montażu SPD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118.5.2.1. Długie przewody stosowane do połączeń SPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118.5.2.2. Siły dynamiczne działające pomiędzy przewodami z prądem udarowym . . . 1128.5.2.3. Brak lub niewłaściwy dobór zabezpieczenia nadprądowego . . . . . . . . . . . . . 1128.5.2.4. Wydmuch gazów na zewnątrz SPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

8.6. Eksploatacja i konserwacja SPD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 9. Elementy i układy do ochrony przed przepięciami w obwodach sygnałowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

9.1. Elementy i urządzenia ograniczające przepięcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1179.1.1. Iskierniki gazowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1179.1.2. Warystory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1279.1.3. Diody zabezpieczające. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1319.1.4. Diody tyrystorowe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

9.2. Elementy i układy tłumiące przepięcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1379.2.1. Filtry dolnoprzepustowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1389.2.2. Filtry górnoprzepustowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1399.2.3. Sęki ćwierćfalowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1409.2.4. Właściwości ochronne filtrów przeciwzakłóceniowych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

9.3. Elementy i urządzenia separujące . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1449.3.1. Transformatory separujące . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1459.3.2. Transoptory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1459.3.3. Światłowody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1479.3.4. Zasady skutecznej separacji galwanicznej. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

10. Urządzenia do ograniczania przepięć w systemach przesyłu sygnałów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14910.1. Zasady doboru urządzeń ograniczających przepięcia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151


10.2. Zasady poprawnego montażu i kontroli stanu SPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16110.2.1. Spadki napięć na przewodach łączących SPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16210.2.2. Koordynacja współdziałania pomiędzy SPD w układach wielostopniowych . . . . . . . . 16410.2.3. Różnice potencjałów pomiędzy instalacjami dochodzącymi do urządzenia . . . . . . . . 165

10.3. Przykłady doboru urządzeń ograniczających przepięcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16610.3.1. Abonencka stacja końcowa w systemie cyfrowej transmisji sygnałów ISDN . . . . . . . 16610.3.2. Urządzenia stacji bazowych GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17210.3.3. Transmisja sygnałów za pomocą kabli koncentrycznych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

11. Koordynacja układania instalacji niskonapięciowych w obiektach budowlanych . . . . . . . . . . . . . . . . 17811.1. Ogólne zasady układania przewodów w obiekcie budowlanym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17811.2. Odstępy między przewodami różnych instalacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18011.3. Układanie przewodów między obiektami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

12. Przykłady ochrony przed przepięciami instalacji i urządzeń w obiekcie budowlanym . . . . . . . . . . . . 18612.1. Ograniczanie przepięć w systemach zasilania gwarantowanego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18612.2. Instalacje prądu stałego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19212.3. Ograniczanie przepięć w instalacjach elektrowni wiatrowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

12.3.1. Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19712.3.2. Ograniczanie przepięć w systemach przesyłu sygnałów. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

12.4. Ochrona urządzeń na dachach obiektów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20012.5. Ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych niewielkich obiektów . . . . . . . . . . . . . . 20412.6. Ochrona systemów antenowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20612.7. Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa urządzeń systemów telewizji dozorowej . . . . . . 208

12.7.1. Poziomy odporności udarowej urządzeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20812.7.2. Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20912.7.3. Ograniczanie przepięć dochodzących do przyłączy sygnałowych . . . . . . . . . . . . . . . . 21012.7.4. Ochrona odgromowa kamer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

12.8. Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa systemów fotowoltaicznych . . . . . . . . . . . . . . . . 21412.8.1. Ochrona przed bezpośrednim działaniem prądu piorunowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21512.8.2. Ochrona przed przepięciami w instalacji elektrycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

12.9. Ograniczanie przepięć w systemach kontrolno-pomiarowych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21912.9.1. Sterowniki. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21912.9.2. Przetworniki i czujniki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22212.9.3. Obwody iskrobezpieczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

12.10. Ograniczanie przepięć dochodzących do telekomunikacyjnych urządzeń abonenckich. . . . . . 22812.11. Ograniczanie przepięć w okablowaniu strukturalnym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23112.12. Ograniczanie przepięć w systemach telemechaniki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23512.13. Iskierniki do połączeń wyrównawczych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

13. Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23914. Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241


1. Wstęp

Cechą charakterystyczną współczesnych urządzeń elektrycznych i elektronicznych jest ich stosunkowo niewielka odporność udarowa. Dotyczy to zarówno odporności na bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektromagnetycznego, jak i odporności na działanie napięć i prądów udarowych dochodzących do tych urządzeń z sieci zasilającej oraz z linii przesyłu sygnałów.

Znaczną część uszkodzeń urządzeń i systemów elektronicznych wywołują napięcia i prądy udarowe po-wstające podczas wyładowań piorunowych. Obecnie szkody wywołane przez przepięcia atmosferyczne są wie-lokrotnie większe od zniszczeń powstających podczas bezpośrednich uderzeń piorunów w obiekty budowla-ne (pożary, uszkodzenia budynków, uszkodzenia instalacji itp.).

Zaprojektowanie i wykonanie poprawnie działającego systemu ograniczania narażeń piorunowych do od-powiedniego poziomu wymaga posiadania niezbędnych informacji dotyczących:

podstawowych parametrów charakteryzujących zagrożenie występujące podczas:– bezpośrednich wyładowań piorunowych w obiekty budowlane lub w ich bliskim sąsiedztwie,– bezpośrednich wyładowań piorunowych w instalacje dochodzące do obiektów lub wyładowań w są-

siedztwie tych instalacji,poziomów odporności przyłączy zasilania i sygnałowych urządzeń na działanie napięć i prądów udaro-wych,poziomów odporności urządzeń i systemów na oddziaływanie piorunowego pola elektromagnetycznego,możliwości ograniczania występujących zagrożeń przez elementy i układy ograniczające napięcia i prą-dy udarowe,wybranych zagadnień zewnętrznej i wewnętrznej ochrony odgromowej obiektów budowlanych.Narażenia powstające wskutek bezpośredniego oddziaływania rozpływającego się prądu piorunowego lub

przepięcia atmosferyczne są szczególnie groźne dla urządzeń pracujących w rozbudowanych systemach elek-tronicznych. W takich przypadkach nawet drobne uszkodzenie pojedynczego urządzenia może unieruchomić cały system. Analizując zagrożenie piorunowe należy zwrócić uwagę na:

wszelkiego rodzaju systemy telekomunikacyjne,sieci komputerowe,urządzenia stosowane w służbie zdrowia,systemy, których awaria lub błędne działanie może stworzyć zagrożenie dla środowiska naturalnego (np. systemy elektroniczne w zakładach przemysłu chemicznego),systemy kontrolno-pomiarowe w energetyce,urządzenia w rozległych systemach elektronicznych instalowane na otwartym terenie (np. stacje benzy-nowe, oczyszczalnie ścieków itp.).Powyższe fakty powodują gwałtowny wzrost zainteresowania problematyką kompleksowej ochrony przed

piorunowym impulsem elektromagnetycznym, ze zwróceniem szczególnej uwagi na stworzenie warunków bezawaryjnego i niezawodnego działania systemów elektronicznych.

Przystępując do projektowania urządzenia piorunochronnego LPS (Lightning Protection System) w obiek-cie budowlanym, w którym będą zainstalowane rozbudowane systemy elektroniczne, należy posiadać podsta-wowy zasób wiedzy technicznej umożliwiający rozwiązywanie problemów związanych z:

ochroną odgromową obiektów budowlanych, ze szczególnym uwzględnieniem zasad ochrony przed bezpo-średnim oddziaływaniem rozpływającego się prądu piorunowego,ochroną przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym,ochroną instalacji elektrycznej oraz zasilanych urządzeń przed rozpływającym się prądem piorunowym oraz przepięciami atmosferycznymi,

�

�

��

�

��

��

�

��



wyrównywaniem potencjałów wewnątrz obiektów budowlanych, ekranowaniem przed piorunowym po-lem elektrycznym i magnetycznym,zakresem badań, doborem i rozmieszczaniem urządzeń ograniczających przepięcia SPD (Surge Protective Device) w instalacji elektrycznej oraz w liniach przesyłu sygnałów,sposobem prowadzenia badań odporności urządzeń i systemów na działanie napięć i prądów udarowych oraz wymaganymi dopuszczalnymi poziomami odporności przyłączy zasilania i sygnałowych urządzeń chronionych systemów na działanie udarów,zasadami koordynacji odporności udarowej przyłączy urządzeń z istniejącym zagrożeniem piorunowym oraz z możliwościami różnorodnych urządzeń ograniczających przepięcia,zasadami prowadzenia badań i wymaganymi poziomami odporności urządzeń oraz całych systemów elek-tronicznych na działanie impulsowego pola magnetycznego,koordynacją układania przewodów wszelkiego rodzaju instalacji wewnątrz obiektów budowlanych,doborem materiałów stosowanych do budowy urządzeń piorunochronnych.Podstawowe informacje dotyczące projektowania i wykonawstwa urządzeń piorunochronnych zawarto

w normach zestawionych w tabelach 1.1. i 1.2.Należy zauważyć, że w tabelach ograniczono się tylko do zestawienia norm zawierających podstawowe in-

formacje i zalecenia dotyczące ochrony odgromowej i ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej i liniach przesyłu sygnałów. Dodatkowo należy uwzględnić wymagania dotyczące:

kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń, należy zwrócić szczególną uwagę na poziomy odporności udarowej przyłączy zasilania i sygnałowych urządzeń (rozdział 5),układania sieci kablowych służących do rozprowadzania sygnałów telewizyjnych, radiofonicznych i usług interaktywnych, tworzenia systemów uziomowych, dotyczy to szczególnie obiektów nadawczo-odbior-czych,wyrównania potencjałów oraz ekranowania w obiektach budowlanych.Zasób wiedzy technicznej zawarty w przedstawionych normach jest dostateczny do ograniczenia nara-

żeń piorunowych w typowych obiektach budowlanych, w których pracują podstawowe systemy elektronicz-ne. Przedstawione informacje mogą okazać się niewystarczające w przypadkach dużych obiektów przemysło-wych i telekomunikacyjnych, centrów obliczeniowych, elektrowni, lotnisk i innych obiektów zawierających systemy elektryczne i elektroniczne, od których wymagane jest pewne i niezawodne działanie. Na ochronę odgromową takich systemów zwrócono szczególną uwagę w niniejszej monografii.

Tabela 1.1. Zestawienie norm zawierających podstawową wiedzę techniczną z dziedziny ochrony odgromowej obiektów budowlanych oraz ograniczania napięć i prądów udarowych wywołanych przez wyładowania piorunowe w obiektach

Zakres tematyczny Zestawienie norm

Kompleksowa ochro-na odgromowa obiek-tów budowlanych

PN-EN 62305-1:2008 Ochrona odgromowa. Część 1: Wymagania ogólnePN-EN 62305-2:2008 Ochrona odgromowa. Część 2: Zarządzanie ryzykiemPN-EN 62305-3:2009 Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiek-tów budowlanych i zagrożenie życiaPN-EN 62305-4:2009 Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych

Ochrona odgromowa i ograniczanie prze-pięć w typowych sys-temach telekomuni-kacyjnych

ITU-T Recommendation K.12 (02/2006) Series K: Protection against interference. Characteristics of gas discharge tubes (GDT) for the protection of telecommunica-tions installationsITU-T Recommendation K.27. (05/96) Protection against interference. Bonding configurations and earthing inside a telecommunication building

�

�

�

�

�

��

�

�

�



Ochrona odgromowa i ograniczanie prze-pięć w typowych sys-temach telekomuni-kacyjnych

ITU-T Recommendation K.31. (03/93) Bonding configuration and earthing of tele-communication installations inside a subscriber’s buildingsITU-T Recommendation K.35. (05/96) Protection against interference. Bonding configuration and earthing at remote electronic sitesITU-T Recommendation K.39. (10/96) Risk assessment of damages to telecommu-nication sites due to lightning dischargeITU-T Recommendation K.40. (10/96) Series K: Protection against interference. Protection against LEMP in telecommunications centersITU-T Recommendation K.46. (07/2003) Series K: Protection against interference. Protection of telecommunication lines using metallic symmetric conductors aga-inst lightning-induced surgesITU-T Recommendation K.47. (12/2000) Series K: Protection against interference. Protection of telecommunication lines using metallic conductors against direct li-ghtning dischargesITU-T Recommendation K.56. (07/2003) Series K: Protection against interference. Protection of radio base station against lightning dischargeITU-T Recommendation K.57. (09/2003) Series K: Protection against interference. Protection measures for radio base stations sited on power line towersITU-T Recommendation K.66. (12/2004) Series K: Protection against interference. Protection of customer premises from overvoltagesITU-T Recommendation K.67. (02/2006) Series K: Protection against interference. Expected surges on telecommunication and signaling networks due to lightningITU-T Recommendation K.71. (07/2007) Series K: Protection against interference. Protection of customer antenna installationsITU-T Recommendation K.72. (04/2008) Series K: Protection against interfer-ence. Protection of telecommunication lines using metallic conductors against lightning: Risk managementITU-T Recommendation K.73. (04/2008) Series K: Shielding and bonding for ca-bles between buildingsITU-T Recommendation K.77. (01/2009) Series K: Characteristics of Metal Oxide Varistors (MOVs) for the protection of telecommunications installations

Tabela 1.2. Zestawienie podstawowych norm zawierających zalecenia dotyczące elementów ograniczających przepięcia oraz ochrony instalacji elektrycznej


Elementy i urządze-nia ograniczające przepięcia w instala-cji elektrycznej i sys-temach przesyłu sy-gnałów

PN-EN 61643-11:2006 Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć. Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania i próby (oraz PN-EN 61643-11:2006/A11:2007 (oryg.))PKN-CLC/TS 61643-12:2007 Low-voltage surge protective devices. Part 12: Surge protective devices connected to low-voltage power systems. Selection and application principles (oryg.)PN-EN 61643-21:2004 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 21: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych. Wymagania eksploatacyjne i metody badańANSI/IEEE Std. C62.41, 1991 IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits




Elementy i urządze-nia ograniczające przepięcia w instala-cji elektrycznej i sys-temach przesyłu sy-gnałów

ANSI/IEEE Std. C62.45, 1987 IEEE Guide on Surge Testing for Equipment Con-nected to Low-Voltage AC Power CircuitsIEEE C62.31-1987 IEEE Standard Test Specifications for Gas-Tube Surge Protec-tive DevicesPN-EN 61643-311:2002 Elementy do niskonapięciowych urządzeń ograniczają-cych przepięcia. Część 311: Wymagania dla iskierników gazowych (GDT) (oryg.)PN-EN 61643-321:2003 Elementy do niskonapięciowych urządzeń ograniczają-cych przepięcia. Część 321: Wymagania dla diod lawinowych (ABD) (oryg.)PN-EN 61643-331:2008 Elementy do niskonapięciowych urządzeń ograniczają-cych przepięcia. Część 331: Wymagania dla warystorów z tlenków metali (MOV) (oryg.)PN-EN 61643-341:2003 Elementy do niskonapięciowych urządzeń ograniczają-cych przepięcia. Część 341: Wymagania dla ograniczników tyrystorowych (oryg.)PN-T-83020:1996 Ochronnik telefoniczny abonencki. Ogólne wymagania i bada-nia

Instalacje elektryczne w obiektach budow-lanych

PN-IEC 60364-4-442:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochro-na instalacji niskiego napięcia przed przejściowymi przepięciami i uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach wysokiego napięciaPN-HD 60364-4-443:2006 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 4-443: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez zaburze-niami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi. Ochrona przed prze-pięciami atmosferycznymi i łączeniowymiPN-IEC 60364-4-444:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochrona przed zakłóceniami (EMI) w instalacjach obiektów budowlanychPN-IEC 60364-5-534:2003 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Do-bór i montaż wyposażenia elektrycznego. Urządzenia do ochrony przed przepię-ciamiPN-HD 60364-5-54:2007 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemienia, przewody ochron-ne i przewody połączeń ochronnych (oryg.)PN-EN 60364-5-54:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemienia, przewody ochronnePN-IEC 60364-5-548:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Do-bór i montaż wyposażenia elektrycznego. Układy uziemiające i połączenia wyrów-nawcze instalacji informatycznychPN-IEC 60364-7-707:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Wy-magania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Wymagania dotyczące uziemień instalacji urządzeń przetwarzania danych


1.1. Symbole graficzne elementów i układów ochronnych

Powszechnie używane symbole graficzne oraz podstawowe informacje o różnorodnych elementach i ukła-dach stosowanych do ochrony przed przepięciami w obwodach zasilania i sygnałowych urządzeń zestawio-no w tabeli 1.3.

Tabela 1.3. Podstawowe symbole graficzne elementów i układów ochrony przed przepięciami

Symbol graficzny

NazwaSymbol

graficznyNazwa

w

Warystor (symbol ogólny) Element zmienno oporowy ogra-niczający przepięcia. Zastosowa-nie: instalacja elektryczna i syste-my przesyłu sygnałów

FiltrFiltr stosowany w układach ochrony przed zakłóceniami

Iskiernik gazowy dwuelektro-dowy (element gazowyładowczy dwuelektrodowy)Element ucinający przepięcia sto-sowany w systemach przesyłu sy-gnałów

Iskiernik gazowy trójelektrodo-wy (element gazowyładowczy trójelektrodowy)Element ucinający przepięcia sto-sowany w systemach przesyłu sy-gnałów

Dioda lawinowa jednokierunko-wa (dioda zabezpieczająca)Element ograniczający przepięcia stosowany w systemach przesy-łu sygnałów

Dioda lawinowa dwukierunkowa (dioda zabezpieczająca)Element ograniczający przepięcia stosowany w systemach przesy-łu sygnałów

Urządzenie ograniczające prze-pięcia w torach przesyłu sygna-łów (symbol ogólny)Układ składający się z połączenia kaskadowego dwóch lub więcej elementów ochronnych

Urządzenie ograniczające przepięciaObwód składający się z diody za-bezpieczającej oraz diod o nie-wielkiej pojemności stosowany do ograniczania przepięć w obwo-dach wysokoczęstotliwościowych

transformatorseparujący

Transformator separującyZapewnia separację pomiędzy ob-wodami i umożliwia pracę urzą-dzeń przy znacznych różnicach potencjałów (nawet do 50 kV)

TransoptorUmożliwia separację pomiędzy obwodami przy różnicy napięć od kilkuset woltów do kilku kilo-woltów

Urządzenie do ograniczania prze-pięć SPD w instalacji elektrycz-nej (symbol ogólny)Urządzenie ograniczające prze-pięcia oraz chroniące przed bez-pośrednim oddziaływaniem czę-ści prądu piorunowego

Szyna wyrównywania potencjałów



2. Zagrożenie piorunowe instalacji w obiekcie budowlanym

Zaprojektowanie oraz dobór możliwie najbardziej efektywnych i ekonomicznych rozwiązań ochrony przed przepięciami urządzeń i systemów elektrycznych i elektronicznych w obiekcie budowlanym wymaga określe-nia poziomów narażeń powstających wskutek wyładowań piorunowych w różnych punktach instalacji zasila-jących i sygnałowych w tym obiekcie. Znajomość wielkości tych narażeń w poszczególnych strefach ochron-nych obiektu [42, 105], w zestawieniu z poziomami odporności zainstalowanych w tych strefach urządzeń i systemów, pozwoli ocenić potrzebę stosowania urządzeń chroniących przed przepięciami oraz właściwie do-brać ich rodzaj, parametry i charakterystyki.

Oceniając zagrożenie urządzeń i systemów w obiekcie budowlanym należy rozważyć następujące rodzaje elektromagnetycznych narażeń piorunowych:

napięcia/prądy udarowe powstające w instalacjach w wyniku rozpływu prądów piorunowych podczas bez-pośredniego wyładowania w obiekt,napięcia/prądy udarowe powstające w zewnętrznych instalacjach usługowych dołączonych do obiektu wskutek wyładowania pioruna w te instalacje lub w ich pobliżu,napięcia/prądy udarowe indukowane w pętlach tworzonych przez przewody instalacji podczas wyładowa-nia pioruna w obiekt lub w jego pobliżu,impulsowe pole elektromagnetyczne oddziałujące bezpośrednio na urządzenia wewnątrz obiektu podczas wyładowania pioruna w obiekt lub w jego pobliżu.W normie ochrony odgromowej IEC 62305-1 [39] stwierdzono, że zagrożenie związane z działaniem pola

elektromagnetycznego bezpośrednio na urządzenie może być pominięte w przypadku, gdy urządzenie to speł-nia wymagania odpowiednich norm EMC produktu w zakresie emisyjności i odporności na pola elektroma-gnetyczne o częstotliwości radiowej.

Rozpływ prądu pioruna podczas bezpośredniego wyładowania w obiekt budowlany lub dołączone do nie-go zewnętrzne instalacje usługowe, jak również napięcia/prądy indukowane w przewodach instalacji zasilają-cych i sygnałowych można wyznaczyć za pomocą specjalistycznego oprogramowania komputerowego wyko-rzystującego do obliczeń zaawansowane metody numeryczne. Symulacje takie pozwalają na stosunkowo do-kładne określenie wartości szczytowych i kształtów impulsów napięciowych/prądowych w różnych miejscach instalacji. Wymaga to jednak dużych nakładów pracy i specjalistycznej wiedzy z zakresu metod modelowania matematycznego. Dlatego w praktyce do określenia poziomów narażeń piorunowych stosuje się przybliżo-ne zależności matematyczne. Podstawowe zależności zawarto w normach ochrony odgromowej IEC 62305-1 oraz IEC 62305-4 [39, 42].

2.1. Podstawowe parametry prądów piorunowych

Przeprowadzenie oceny zagrożenia piorunowego wymaga posiadania podstawowych informacji o nastę-pujących wartościach charakteryzujących prąd piorunowy wyładowania doziemnego:

wartość szczytowa: Im,maksymalna stromość narastania: Smax = (dip/dt)max,ładunek przenoszony przez prąd: Qimp = ∫ip dt,energia właściwa: W/R = ∫ip

2 dt.Do opisu kształtu prądu piorunowego wykorzystuje się również czasy trwania czoła T1 oraz do półszczy-

tu T2 na grzbiecie prądu udarowego. Zasady określania tych czasów przedstawiono na rysunku 2.1.W wielokrotnym doziemnym wyładowaniu piorunowym występuje także składowa długotrwała, którą cha-

rakteryzuje czas trwania Tlong na poziomie 10% wartości maksymalnej oraz ładunek całkowity Qlong.

�

�

�

�

��


100%

50%

0%

90%

t T1

10%

100%

50%

0%

T2

50%

t

i i

Rysunek 2.1. Kształt czoła oraz całego przebiegu prądu symulującego prądy pierwszego i kolejnych wyładowań w kanale

Maksymalne wartości charakteryzujące prądy wielokrotnego wyładowania piorunowego w zależności od wybranego poziomu ochrony odgromowej zestawiono w tabeli 2.1.

Tabela 2.1. Maksymalne wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prądy piorunowe wyładowań doziemnych [102]

Parametry charakteryzujące prąd piorunowy

Pierwszy udar krótkotrwały Kolejny udar krótkotrwały

Poziom ochrony odgromowej Poziom ochrony odgromowej

I II III i IV I II III i IV

Wartość szczytowa Im, w [kA] 200 150 100 50 37,5 25

Stromość narastania Smax, w [kA/μs] 20 15 10 200 150 100

Czas trwania czoła T1, w [μs] 10 0,25

Czas trwania do półszczytu T2, w [μs] 350 100

Ładunek impulsowy Qimp, w [C]*) 100 75 50 – – –

Całkowity ładunek Qcał, w [C]**) 300 225 150 – – –

Energia właściwa W/R, w [kJ/Ω] 10 000 5600 2500 – – –

Udar długotrwały

Parametry prądu Symbol JednostkaPoziom ochrony odgromowej

I II III i IV

Ładunek długiego udaru Qlong C 200 150 100

Parametry czasu Tlong s 0,5

Przebieg czasowy długotrwałej składowej prądu piorunowego

I(t)

10%10%

T t

Objaśnienia: *) – ponieważ zasadnicza część całkowitego ładunku jest zawarta w pierwszym udarze, to uznaje się, że podane wartości zawierają ładunek wszystkich udarów krótkotrwałych, **) – ładunek całkowity – suma ładunku krótkotrwałego i ładunku składowej długotrwałej prądu



Do opisu matematycznego przebiegów czasowych prądów pierwszego i kolejnych udarów krótkotrwałych w kanale doziemnego wyładowania piorunowego zalecane jest [102] stosowanie równania:

i t

Ik

tt

e t( )( / )

( / )max /=

+−τ

ττ1

10

1101

2 (2.1.)

gdzie:Imax – wartość szczytowa prądu,k – współczynnik korekcyjny wartości szczytowej prądu,τ1, τ2 – odpowiednio stałe czasu czoła i czasu grzbietu,t – czas.Wartości współczynników występujących w równaniu (2.1.) zestawiono w tabeli 2.2.

Tabela 2.2. Wartości współczynników występujących w równaniu (2.1.) opisującym przebiegi prądów piorunowych pierwszego i kolejnych wyładowań w kanale [102]

Wyładowanie Pierwsze wyładowanie w kanale Kolejne wyładowanie w kanale

Poziom ochronyImax,

w [kA]k τ1,

w [μs]τ2,

w [μs]Imax,

w [kA]k τ1,

w [μs]τ2,

w [μμs]

I 200

0,930 19,0 485

50

0,993 0,454 143II 150 37,5

III i IV 100 25

Podejmowane są również próby wprowadzenia dodatkowej „ujemnej” składowej krótkotrwałej prądu pio-runowego o kształcie 1/200 μs w wielokrotnym wyładowaniu doziemnym [39]. Prąd o takim kształcie pro-ponowany jest do określania zagrożeń piorunowych w normie KTA 2206 [65] oraz proponowanych zmianach w normie EN 62305-3 [39]. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących przebieg czasowy prą-du o kształcie 1/200 μs zestawiono w tabeli 2.3.

Tabela 2.3. Podstawowe informacje o tzw. „ujemnej składowej” prądu doziemnego wyładowania piorunowego [39]

Charakterystyka Podstawowe parametry Wartości współczynników w równaniu (2.1.)

Poziom ochronyWartość

szczytowa Stromość

narastaniaImax,

w [kA]k τ1,

w [μs]τ2,

w [μs]

I 100 kA 100 kA/μs 100

0,986 1,82 285II 75 kA 75 kA/μs 75

III i IV 50 kA 50 kA/μs 50

Kształt 1/200

100%

50%

0%

i

t

50%

100%

50%

0%

i

t 200 μs

10%

90%

1 μs


Wymagania zapewnienia pewnej ochrony przed oddziaływaniem prądu piorunowego powodują wzrost zna-czenia badań laboratoryjnych oddziaływania prądów udarowych na:

poszczególne elementy urządzenia piorunochronnego,urządzenia do ograniczania przepięć SPD w instalacji elektrycznej oraz obwodach przesyłu sygnałów,konstrukcje przewodzące w obiektach budowlanych.W prowadzonych badaniach podstawową sprawą jest wytworzenie prądów udarowych o określonych war-

tościach szczytowych oraz kształtach.W normach ochrony odgromowej przedstawiono propozycje schematów zastępczych obwodów generato-

rów wykorzystywanych do symulacji zagrożeń piorunowych

2.2. Zagrożenie związane z rozpływem prądów piorunowych w obiekcie

Podczas bezpośredniego wyładowania w obiekt budowlany prąd pioruna odprowadzany jest do uziomu za pomocą rozbudowanej sieci przewodzących elementów, na którą składają się przewody odprowadzające urządzenia piorunochronnego (LPS – ang. Lightning Protection System) i naturalne elementy konstrukcyj-ne obiektu oraz przewody zewnętrznych instalacji usługowych dołączonych do obiektu (wodociągowa, kana-lizacyjna, gazowa, linie zasilające, telekomunikacyjne itp.). Zagrożenie w różnych punktach instalacji zależy więc od podziału prądu piorunowego.

Zgodnie z zaleceniami zawartymi w normach dotyczących ochrony odgromowej obiektów budowlanych [39, 102] oraz badań urządzeń ograniczających przepięcia [96], w pierwszym przybliżeniu można przyjąć rów-nomierny podział prądu piorunowego pomiędzy uziom obiektu a dołączone do niego zewnętrzne przewodzą-ce instalacje usługowe (rys. 2.2.).

bezpośrednie wyładowaniepiorunowe w obiekt

instalacja piorunochronna

zwody

100%

instalacja elektryczna

rurociąg wodnyrurociąg gazowy

rurociąg kanalizacyjny

uziomfundamentowy

50%

50%

prze

wod

y od

prow

adza

jące

prze

wod

y od

prow

adza

jące

prze

wod

y od

prow

adza

jące

główna szynawyrównawcza

Rysunek 2.2. Podział prądu piorunowego w obiekcie budowlanym

��



Bardziej dokładny sposób wyznaczenia podziału prądu pomiędzy poszczególne zewnętrzne instalacje usłu-gowe zawarto w aneksie E normy IEC 62305-1 [39]. Zgodnie z nim, część prądu wpływająca do pojedynczej zewnętrznej instalacji usługowej wynosi:

w przypadku instalacji ułożonej w ziemi:

I I

ZZ Z n n Z Zf = ⋅ + + ⋅( )1 1 2 1 2/

(2.2.)

w przypadku instalacji ułożonej nad powierzchnią ziemi:

I I

ZZ Z n n Z Zf = ⋅ + + ⋅( )2 2 1 2 1/

(2.3.)

gdzie:I – wartość szczytowa całkowitego prądu pioruna odpowiadająca założonej klasie LPS,n1 – całkowita liczba zewnętrznych części przewodzących lub instalacji podziemnych,n2 – całkowita liczba zewnętrznych części przewodzących lub instalacji ułożonych nad powierzchnią ziemi,Z – konwencjonalna impedancja uziemiająca systemu uziomowego obiektu,Z1 – konwencjonalna impedancja uziemiająca zewnętrznej części przewodzącej lub instalacji podziemnej (tab. 2.4.),Z2 – rezystancja uziemienia systemu uziemiającego łączącego zewnętrzną instalację nadziemną z ziemią; jeśli rezystancja uziemienia Z2 punktu uziemiającego nie jest znana, można przyjąć wartość impedancji Z1 (tab. 2.4.), odpowiadającą wartości rezystywności gruntu istotnej dla punktu uziemiającego.

Tabela 2.4. Wartości impedancji uziemiających Z i Z1 dla różnej rezystywności gleby [102]

ρ, w [Ωm] Z1, w [Ω]*)Impedancja uziemiająca Z związana z klasą LPS, w [Ω]**)

I II III i IV

≤ 100200500100020003000

81116222835

4 610101010

4 610151515

4 610204060

Uwaga! Podane wartości odnoszą się do konwencjonalnej impedancji uziemiającej zakopanego przewodu w warunkach udarowych (udar 10/350 μs)Objaśnienia: *) – wartości odnoszą się do zewnętrznych instalacji dłuższych niż 100 m. Dla instalacji krótszych od 100 m w gruntach o dużej rezystywności (> 500 Ωm) wartości Z1 mogą zostać podwojone, **) – system uziemiający zgodny z IEC 62305-3

W powyższych wzorach założono taką samą wartość Z2 dla każdego punktu uziemiającego. Jeśli warunek ten nie jest spełniony, należy posłużyć się bardziej skomplikowanymi wzorami.

Przyjmując przybliżenie, zgodnie z którym prąd pioruna rozdzielany jest równomiernie po 50% pomiędzy system uziomowy obiektu a wszystkie dołączone do niego instalacje zewnętrzne (rys. 2.2.) oraz zakładając, że Z1 = Z2, część prądu pioruna wpływającą do pojedynczej instalacji zewnętrznej można obliczyć ze wzo-ru [96, 102]:

�

�


I I n nf = ⋅ +( )0 5 1 2, / (2.4.)

W aneksie E normy IEC 62305-1 podano również przybliżone wzory pozwalające określić, jaka część prą-du przypada na pojedynczy przewód instalacji zewnętrznej (np. linii elektroenergetycznej, telekomunikacyj-nej itp.), a mianowicie [39]:

w przypadku linii nieekranowanej i nie ułożonej w metalowych rurkach:

I I nf f' '/= (2.5.)

w przypadku linii ekranowanej:

I I R n R Rf f S S C' '/= ⋅ ⋅ +( ) (2.6.)

gdzie:n’ – całkowita liczba przewodów linii,RS – oporność przypadająca na jednostkę długości ekranu,RC – oporność przypadająca na jednostkę długości przewodu wewnętrznego.

Prowadząc szczegółowe obliczenia podziału prądów piorunowych w zewnętrznych liniach elektroenerge-tycznych należy wziąć pod uwagę szereg innych czynników mogących mieć wpływ na wartości szczytowe i kształty wyznaczanych prądów, w szczególności:

długości linii,różne impedancje przewodów neutralnego i fazowych,różne impedancje transformatora oraz obecność urządzeń chroniących ten transformator przed przepię-ciami,stosunek konwencjonalnych rezystancji uziemienia transformatora oraz elementów po stronie obciąże-nia transformatora,zwielokrotnionych równoległych odbiorców energii.

2.3. Zagrożenia związane z zewnętrzną instalacją usługową

Oceniając zagrożenie związane z zewnętrznymi instalacjami usługowymi dołączonymi do obiektu budow-lanego należy uwzględnić efekty powodowane:

bezpośrednim wyładowaniem pioruna w instalację usługową,wyładowaniem pioruna w pobliżu instalacji usługowej,indukowaniem się udarów podczas wyładowania pioruna w pobliżu obiektu budowlanego lub w ten obiekt (w tym drugim przypadku źródłem pola jest prąd płynący w urządzeniu piorunochronnym budynku lub w ekranie strefy LPZ 1).W przypadku bezpośredniego wyładowania w instalację usługową, należy wziąć pod uwagę rozpływ prą-

du piorunowego w obu kierunkach tej instalacji oraz przebicia izolacji. W aneksie E normy PN-IEC 62305-1 [102] podano spodziewane wartości szczytowe oraz kształty prądów udarowych powstających w zewnętrz-nych liniach, zasilającej i telekomunikacyjnej, wskutek wyładowań piorunowych w odniesieniu do poziomu ochrony odgromowej (LPL). Parametry te przytoczono w tabeli 2.5.

�

�

��

�

�

��



Tabela 2.5. Oczekiwane impulsy prądów udarowych wywołanych wyładowaniami piorunowymi w zewnętrznych liniach zasilających i telekomunikacyjnych dochodzących do obiektu [102]

LPL

Linia zasilająca Linia telekomunikacyjna

Wyładowanie w: Wyładowanie w:

linię pobliżu liniiobiekt lub

w jego pobliżulinię pobliżu linii

obiekt lub w jego pobliżu

Wyładowanie bezpośrednieKształt 10/350 μs, [kA]

Wyładowanie pośrednieKształt 8/20 μs, w [kA]

Prąd induko-wany*)

Kształt 8/20 μs, w [kA]

Wyładowanie bezpośrednieKształt 10/350 μs, w [kA]

Wyładowanie pośrednieKształt:mierzony 5/300 μs/sza-cowany 8/20 μs, w [kA]

Prąd induko-wany*)

Kształt 8/20 μs, w [kA]

III–IV 5 2,5 0,1 1 0,01/0,05 0,05

I–II 10 5 0,2 2 0,02/0,1 0,1

Objaśnienia: *) – dotyczy nieekranowanej strefy LPZ 1

W przypadku linii ekranowanych, wartości prądów odpowiadające wyładowaniu w linię lub w jej pobliżu można zmniejszyć dwukrotnie. Przy czym zakłada się, że rezystancja ekranu jest w przybliżeniu równa rezy-stancji wszystkich przewodów w układzie równoległym.

2.4. Zagrożenia związane z indukowaniem się udarów podczas wyładowania w obiekt budowlany lub w jego pobliżu

Prądy udarowe indukowane w pętlach tworzonych przez przewody instalacji w obiekcie budowlanym pod-czas wyładowania pioruna w ten obiekt (źródłem pola jest prąd płynący w urządzeniu piorunochronnym bu-dynku lub w ekranie strefy LPZ 1) lub w jego pobliżu mogą osiągać stosunkowo duże wartości. Parametry tych udarów odpowiadają w przybliżeniu parametrom prądów udarowych spodziewanych w zewnętrznych li-niach zasilających i telekomunikacyjnych przedstawionych w tabeli 2.5.

Podane w tabeli parametry dotyczą przypadków indukowania się prądów wewnątrz nieekranowanej stre-fy LPZ 1. Przy czym za nieekranowaną strefę należy uważać taką strefę LPZ 1, której ekran przestrzenny ma szerokość oka większą niż 5 m.

W przypadku ekranowanej strefy LPZ 1 (chronionej zgodnie z PN-IEC 62305-4 za pomocą zewnętrznego LPS o szerokości oka sieci mniejszej niż 5 m), wartości prądów udarowych indukowanych wskutek wyłado-wania w obiekt budowlany lub w jego pobliżu są dużo niższe od podanych w tabeli 2.5. Podobnie prądy uda-rowe indukowane w strefach LPZ 2 i kolejnych są sukcesywnie redukowane.

2.5. Wyznaczanie napięć i prądów indukowanych w pętlach przewodów

Skutki oddziaływania piorunowego pola elektromagnetycznego na urządzenia i instalacje związane są głównie z impulsem pola magnetycznego, który ma ten sam kształt fali co prąd piorunowy. Z punktu widze-nia ochrony wpływ pola elektrycznego ma mniejsze znaczenie.

Jak wspomniano na początku, zagrożenia związane z oddziaływaniem piorunowego pola magnetycznego bezpośrednio na urządzenia spełniające wymagania testów emisyjności i odporności na pola o częstotliwości


radiowej (RF) zdefiniowanych w normach EMC produktu mogą zostać pominięte [42, 105]. Znacznie poważ-niejsze skutki wiążą się z oddziaływaniem impulsowego pola magnetycznego na pętle tworzone przez prze-wody różnorodnych instalacji wewnątrz obiektu budowlanego, powodując indukowanie w nich napięć i prą-dów udarowych.

Uproszczone sposoby wyznaczania wartości szczytowych napięć i prądów indukowanych w prostokątnych pętlach przewodów zawarto w załączniku A normy PN-IEC 62305-4 [105].

W normie tej czoło prądu oraz pola magnetycznego krótkiego udaru wyładowania piorunowego reprezen-towane jest za pomocą tłumionego przebiegu oscylacyjnego. Częstotliwość oscylacji oraz czas do osiągnięcia wartości szczytowej wynoszą:

dla pierwszego udaru, odpowiednio 25 kHz i 10 μs,dla udaru następnego, odpowiednio 1 MHz i 0,25 μs.

Wartości napięć i prądów indukowanych w obiekcie będą w dużej mierze zależały od ekranowania przestrzen-nego. Należy zatem posiadać podstawowe informacje o konstrukcji ekranów oddzielających strefy.

W praktyce, ekrany oddzielające strefy LPZ tworzone są przez metalowe części budynku, zbrojenie sufi-tów, ścian i podłóg, metalowe ramy, dach i elewacje. Komponenty te połączone ze sobą tworzą ażurowy ekran przestrzenny. W normie PN-IEC 62305-4 stwierdzono, że ekran taki jest skuteczny w przypadku szerokości oka siatki mniejszej niż 5 m [105].

2.5.1. Napięcia i prądy indukowane w strefie LPZ 1

Ekran wyznaczający strefę LPZ 1 jest zwykle częścią zewnętrznego urządzenia piorunochronnego obiektu. W przypadku bezpośredniego wyładowania pioruna w taki obiekt, prąd piorunowy będzie płynął przez ekran strefy LPZ 1. W takim przypadku wartość szczytową natężenia pola magnetycznego w strefie LPZ 1 można wyznaczyć ze wzoru [105]:

H k I w d d A mH w r1 = ⋅ ⋅ ⋅( )/ ( / ) (2.7.)

gdzie:dr – odległość pomiędzy rozważanym punktem a dachem ekranowanej strefy LPZ 1, w [m],dw – odległość pomiędzy rozważanym punktem a ścianą ekranowanej strefy LPZ 1, w [m],I – wartość szczytowa impulsu prądu pioruna odpowiadająca poziomowi ochrony, w [A],kH – współczynnik konfiguracji, typowo kH = 0,01 (1/ m ),w – szerokość oka siatki ażurowego ekranu strefy LPZ 1, w [m].Zależność ta obowiązuje tylko dla obszaru bezpieczeństwa wewnątrz ażurowego ekranu, tj. w odległości od ekranu równej szerokości oka siatki w.

Największe wartości pola magnetycznego obserwowane są w pobliżu ścian i dachu. Zatem z najgorszym możliwym przypadkiem mamy do czynienia wówczas, gdy urządzenia lub instalacje znajdują się w odległości od ściany lub dachu równej dystansowi bezpieczeństwa. Wykorzystując zależność (2.7.) oraz uwzględniając parametry impulsów prądu pioruna, wyprowadzono wzory pozwalające obliczyć napięcia i prądy indukowane wewnątrz strefy LPZ 1 przez pole magnetyczne bezpośredniego wyładowania pioruna. Wartości szczytowe napięcia dla otwartego obwodu UOC oraz prądu dla zwartego obwodu ISC pętli wynoszą [105]:

dla pierwszego udaru:

U b l d w d I VOC w r f= ⋅ ⋅ +( )⋅( )⋅1 26 1 1 1, ln / [ ]/ (2.8.)

I b l d w d I L ASC w r f= ⋅ ⋅ ⋅ +( )⋅( )⋅−12 6 10 16

1 1, ln / / [ ]/ (2.9.)

��

�



dla udarów następnych:

U b l d w d I VOC w r s= ⋅ ⋅ +( )⋅( )⋅50 4 1 1 1, ln / [ ]/ (2.10.)

I b l d w d I L ASC w r s= ⋅ ⋅ ⋅ +( )⋅( )⋅−12 6 10 16

1 1, ln / / [ ]/ (2.11.)

gdzie:b – szerokość pętli, w [m],l – długość pętli, w [m],d1/r – średnia odległość pętli od dachu, w [m],d1/w – odległość pętli od ściany ekranu, większa lub równa dystansowi bezpieczeństwa od ekranu równemu szerokości oka siatki w, w [m],w – szerokość oka ażurowego ekranu, w [m],If – wartość szczytowa prądu pioruna udaru pierwszego, według poziomu ochrony, w [kA],Is – wartość szczytowa prądu pioruna udaru następnego, według poziomu ochrony, w [kA],L – indukcyjność własna pętli, w [H].Indukcyjność własna pętli może być wyznaczona z następującej zależności [105]:

Ll b l b l b r b l

=⋅ + − ⋅ +( ) + ⋅ ⋅ ( ) + + ( )( )⎡

⎣⎢⎤⎦⎥+

+

0 8 0 8 0 4 2 1 1

0

2 2 2, , , ln / / /

,, ln / / /( )

4 2 1 110

2

6

⋅ ⋅ ( ) + + ( )( )⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

⎧

⎨⎪⎪

⎩⎪⎪

⎫

⎬⎪⎪

⎭⎪⎪

⋅ −

b l r l bH (2.12.)

gdzie:r – promień przewodu, w [m].

W przypadku pobliskiego wyładowania piorunowego, pole magnetyczne oddziałujące na ekranowaną stre-fę LPZ 1 aproksymowane jest falą płaską.

Wartość szczytową natężenia pola magnetycznego padającej fali płaskiej wewnątrz strefy LPZ 1 w przy-padku braku ekranu wyrażono wzorem [105]:

H I s A ma0 2= ⋅( )/ [ / ]π (2.13.)

gdzie:I – wartość szczytowa prądu pioruna odpowiadająca poziomowi ochrony, w [A],sa – odległość pomiędzy miejscem uderzenia pioruna a środkiem ekranowanej strefy LPZ 1, w [m].

Przy czym odległość sa może być równa:odległości pomiędzy środkiem strefy LPZ 1 a pobliskim obiektem (np. masztem), w przypadku wyładowa-nia w ten obiekt, lubminimalnej odległości pomiędzy środkiem strefy LPZ 1 a kanałem pioruna, w przypadku wyładowania w ziemię w pobliżu LPZ 1.W drugim przypadku minimalna odległość pomiędzy środkiem strefy LPZ 1 a kanałem pioruna odpowiada

najbardziej niekorzystnemu przypadkowi (najwyższe wartości natężenia pola). Dla odległości mniejszych niż minimalna zakłada się, że wyładowanie następuje bezpośrednio w obiekt. Ta minimalna odległość jest funk-cją geometrii obiektu (strefy LPZ 1) oraz promienia R toczącej się kuli odpowiadającego maksymalnej wartości prądu pioruna dla danego poziomu ochrony obiektu [102]. Odległość tę można obliczyć ze wzorów [105]:

s R H H L dla H Ra = ⋅ ⋅ − + <2 22 (2.14.)

�

�

�


s R L dla H Ra = + ≥2 (2.15.)

gdzie:R – promień toczącej się kuli odpowiadający maksymalnej wartości prądu pioruna dla danego poziomu ochro-ny obiektu,L – wymiar poziomy obiektu, długość lub szerokość w zależności od kierunku padania fali (mniejsza odległość odpowiada krótszemu z wymiarów),H – wysokość obiektu.

W takim przypadku wartość szczytowa natężenia pola magnetycznego wewnątrz ekranowanej strefy LPZ 1 wynosi [105]:

H H A mSF1 0

2010= / [ / ] (2.16.)

gdzie:SF – skuteczność ekranowania obliczona ze wzorów przedstawionych w tabeli 2.6., w [dB].

Tabela 2.6. Tłumienność magnetyczna ażurowego ekranu przestrzennego dla fali płaskiej [105]

MateriałSF, w [dB]

25 kHz (udar pierwszy) 1 MHz (udar następny)

Miedź lub aluminium 20 8 5⋅ ( )log , w 20 8 5⋅ ( )log , w

Stal*) 20 8 5 1 18 10 6 2⋅ ( ) + ⋅⎡⎣

⎤⎦

−log , w r 20 8 5⋅ ( )log , w

Objaśnienia: *) – przenikalność μr = 200, w – szerokość oka sieci ażurowego ekranu, w [m], r – promień pręta ażurowego ekranu, w [m]Uwaga! SF = 0 w przypadku ujemnych wyników wzorów. SF zwiększa się o 6 dB, jeżeli zainstalowana jest oczkowa sieć połączeń wyrównawczych, zgodnie z PN-EN 62305-4 [105]

Zależność ta obowiązuje tylko w obszarze bezpieczeństwa wewnątrz ażurowego ekranu, tj. w odległości od ekranu równej dystansowi bezpieczeństwa wynoszącemu:

w · SF/10, dla SF ≥ 10, w [m],w, dla SF < 10, w [m].Wykorzystując otrzymane według powyższych wzorów wyniki obliczeń oraz uwzględniając podstawowe

parametry impulsów prądu pioruna, wyprowadzono wzory pozwalające obliczyć napięcia i prądy indukowane wewnątrz strefy LPZ 1 przez pole magnetyczne wyładowania pobliskiego. Wartości szczytowe napięcia w przy-padku otwartego obwodu UOC i prądu w przypadku zwartego obwodu ISC pętli wynoszą [105]:

dla pierwszego udaru:

U b l H VOC f= ⋅ ⋅ ⋅0 126 1, [ ] (2.17.)

I b l H L ASC f= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅−1 26 10 61, / [ ] (2.18.)

dla udarów następnych:

U b l H VOC s= ⋅ ⋅ ⋅5 04 1, [ ] (2.19.)

I b l H L ASC s= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅−1 26 10 61, / [ ] (2.20.)

��

�

�



gdzie:b – szerokość pętli, w [m],l – długość pętli, w [m],H1/f – wartość szczytowa natężenia pola magnetycznego udaru pierwszego wewnątrz LPZ 1, w [A/m], wyzna-czona ze wzorów (2.13.)–(2.16.),H1/s – wartość szczytowa natężenia pola magnetycznego udaru następnego wewnątrz LPZ 1, w [A/m], wyzna-czona ze wzorów (2.13.)–(2.16.),L – indukcyjność własna pętli, w [H], wyznaczona ze wzoru (2.12.).

2.5.2. Napięcia i prądy indukowane w kolejnych strefach

Przez ekrany stref LPZ 2 i wyższych nie będą płynęły znaczące części prądów piorunowych. W takim przypadku, w pierwszym przybliżeniu wartość natężenia pola magnetycznego wewnątrz kolejnej strefy LPZ n + 1 może być wyznaczona następująco [105]:

H H A mn nSF

+ =12010/ [ / ]/ (2.21.)

gdzie:Hn – wartość natężenia w pola magnetycznego wewnątrz strefy LPZ n, w [A/m],SF – skuteczność ekranowania obliczona ze wzorów przedstawionych w tabeli 2.6., w [dB].

Zakłada się, że natężenie pola magnetycznego wewnątrz stref o numerach 2 i wyższych jest równomierne. Dla przypadku Hn = H1 natężenie pola magnetycznego w strefie LPZ 2 wyznacza się następująco [105]:

dla wyładowania bezpośredniego w ekran strefy LPZ 1 – wykorzystując wzór (2.6.), w którym dw i dr są odległo-ściami pomiędzy ekranem strefy LPZ 2 a odpowiednio ścianą i dachem ekranowanej strefy LPZ 1, w [m],dla wyładowania w pobliżu strefy LPZ 1 – wykorzystując wzór (2.16.).Wyznaczone w ten sposób wartości obowiązują w obszarze bezpieczeństwa wewnątrz ażurowego ekranu,

tj. w odległości od ekranu równej:w · SF/10, dla SF ≥ 10, w [m],w, dla SF < 10, w [m].Napięcia i prądy indukowane wyznacza się podobnie jak w strefie LPZ 1 dla przypadku wyładowania pobli-

skiego, tj. za pomocą wzorów (2.17.)–(2.20.), zastępując w nich wartości natężenia pola w strefie LPZ 1 war-tościami natężenia pola w strefie LPZ n.

3. Napięcia i prądy udarowe w obwodach niskiego napięcia

Podstawowymi źródłami napięć i prądów udarowych w obwodach niskiego napięcia (instalacja elektrycz-na w obiekcie budowlanym, obwody sygnałowe) są wyładowania piorunowe oraz stany nieustalone w syste-mie elektroenergetycznym. W wyjątkowych przypadkach uwzględniane są także przepięcia wywołane przez eksplozje nuklearne. Zestawienie takich źródeł zakłóceń wynika z faktu wspólnego ich rozpatrywania w czę-ści norm i zaleceń.

3.1. Wyładowania piorunowe w LPS obiektów budowlanych

Prąd piorunowy rozpływający się w elementach urządzenia piorunochronnego indukuje napięcia/prądy udarowe w układach przewodów ułożonych wewnątrz obiektów budowlanych. Wyniki obliczeń numerycz-nych napięć indukowanych w układach ekranowanych i nieekranowanych przewodów o długości 100 m przez prądy piorunowe o wartościach szczytowych i kształtach zalecanych przez normy ochrony odgromowej ze-stawiono w tabeli 3.1.

�

�

��

Niedostępne w wersji demonstracyjnej.

Zapraszamy do zakupu

pełnej wersji książki

w serwisie

ograniczanie przepiĘĆ w instalacjach … · stany nieustalone w sieci elektroenergetycznej ......

Documents