Ograniczenia przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych
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 powstające
podczas wyładowań piorunowych. Obecnie szkody wywołane przez przepięcia atmosferyczne są wielokrotnie
większe od zniszczeń powstających podczas bezpośrednich uderzeń piorunów w obiekty budowlane
(pożary, uszkodzenia budynków, uszkodzenia instalacji itp.).
Zaprojektowanie i wykonanie poprawnie działającego systemu ograniczania narażeń piorunowych do odpowiedniego
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 sąsiedztwie
tych instalacji,
poziomów odporności przyłączy zasilania i sygnałowych urządzeń na działanie napięć i prądów udarowych,
poziomów odporności urządzeń i systemów na oddziaływanie piorunowego pola elektromagnetycznego,
możliwości ograniczania występujących zagrożeń przez elementy i układy ograniczające napięcia i prądy
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 elektronicznych.
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 benzynowe,
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 obiekcie
budowlanym, w którym będą zainstalowane rozbudowane systemy elektroniczne, należy posiadać podstawowy
zasób wiedzy technicznej umożliwiający rozwiązywanie problemów związanych z:
ochroną odgromową obiektów budowlanych, ze szczególnym uwzględnieniem zasad ochrony przed bezpośrednim
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 polem
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 elektronicznych
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 informacje
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-odbiorczych,
wyrównania potencjałów oraz ekranowania w obiektach budowlanych.
Zasób wiedzy technicznej zawarty w przedstawionych normach jest dostateczny do ograniczenia narażeń
piorunowych w typowych obiektach budowlanych, w których pracują podstawowe systemy elektroniczne.
Przedstawione informacje mogą okazać się niewystarczające w przypadkach dużych obiektów przemysłowych
i telekomunikacyjnych, centrów obliczeniowych, elektrowni, lotnisk i innych obiektów zawierających
systemy elektryczne i elektroniczne, od których wymagane jest pewne i niezawodne działanie.
SPIS TREŚCI
1. Wstęp 7
1.1. Symbole graficzne elementów i układów ochronnych 11
2. Zagrożenie piorunowe instalacji w obiekcie budowlanym 12
2.1. Podstawowe parametry prądów piorunowych 12
2.2. Zagrożenie związane z rozpływem prądów piorunowych w obiekcie 15
2.3. Zagrożenia związane z zewnętrzną instalacją usługową 17
2.4. Zagrożenia związane z indukowaniem się udarów podczas wyładowania
w obiekt budowlany lub w jego pobliżu 18
2.5. Wyznaczanie napięć i prądów indukowanych w pętlach przewodów 18
2.5.1. Napięcia i prądy indukowane w strefie LPZ 1 19
2.5.2. Napięcia i prądy indukowane w kolejnych strefach 22
3. Napięcia i prądy udarowe w obwodach niskiego napięcia 22
3.1. Wyładowania piorunowe w LPS obiektów budowlanych 22
3.2. Wyładowania piorunowe w sąsiedztwie obiektu budowlanego 24
3.3. Wyładowania piorunowe w sąsiedztwie linii dochodzących do obiektu 25
3.4. Stany nieustalone w sieci elektroenergetycznej 27
3.5. Impulsy elektromagnetyczne eksplozji nuklearnych 28
3.5.1. Napięcia i prądy indukowane przez NEMP 30
3.6. Przepięcia rejestrowane w instalacji elektrycznej w obiektach budowlanych 31
3.7. Przenoszenie napięć udarowych przez transformatory 35
3.8. Napięcia i prądy udarowe w obwodach sygnałowych 35
3.8.1. Obwody telekomunikacyjne 36
3.8.2. Systemy informatyczne 40
3.8.3. 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 48
5.1.1. Udary 49
5.1.2. Przebiegi oscylacyjne tłumione 52
5.1.3. Serie szybkich zakłóceń impulsowych 52
5.2. Poziomy odporności udarowej urządzeń 53
5.2.1. Przyłącza zasilania 53
5.2.2. Przyłącza sygnałowe 55
6. Wyrównywanie potencjałów w obiektach budowlanych 57
6.1. Ogólne zasady wyrównywania potencjałów instalacji wprowadzanych
do obiektu budowlanego 57
6.1.1. Główna szyna wyrównawcza 60
6.1.2. 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 67
7.1.1. Zasady doboru i montażu 70
7.1.1.1. Układy połączeń SPD 72
7.1.1.2. Podstawowe zasady montażu 77
7.1.2. SPD o napięciowym poziomie ochrony poniżej 4000 V 81
7.1.3. SPD o napięciowym poziomie ochrony poniżej 2500 V 83
7.1.4. SPD o napięciowym poziomie ochrony poniżej 1500 V 84
7.1.5. Koordynacja właściwości SPD typu 1 z wymaganiami EMC urządzeń 86
7.1.6. Oddziaływanie prądów udarowych na zabezpieczenia nadprądowe 87
7.2. SPD typu 2 89
7.2.1. Zasady doboru i montażu 91
7.3. SPD typu 3 94
7.3.1. Dobór i instalacja 97
8. Wielostopniowe systemy ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej 98
8.1. Układy SPD typu 1 i 2 98
8.2. Układy SPD typu 2 i 3 103
8.3. Układ SPD a chronione urządzenie 103
8.4. Zasady tworzenia wielostopniowego systemu ograniczania przepięć 105
8.5. Podstawowe błędy występujące przy projektowaniu i montażu systemów SPD 109
8.5.1. Błędy w fazie projektowania instalacji elektrycznej 109
8.5.1.1. Błędna ocena występującego zagrożenia instalacji elektrycznej 109
8.5.1.2. Niewłaściwe rozmieszczenie układów SPD różnych typów 109
8.5.1.3. Błędne układy połączeń 111
8.5.1.4. Brak koordynacji poziomów ograniczania przepięć przez układy SPD
z odpornością udarową chronionych urządzeń 111
8.5.1.5. Różnice potencjałów pomiędzy instalacjami dochodzącymi do urządzenia 111
8.5.2. Błędy przy montażu SPD 111
8.5.2.1. Długie przewody stosowane do połączeń SPD 111
8.5.2.2. Siły dynamiczne działające pomiędzy przewodami z prądem udarowym 112
8.5.2.3. Brak lub niewłaściwy dobór zabezpieczenia nadprądowego 112
8.5.2.4. 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 117
9.1.1. Iskierniki gazowe 117
9.1.2. Warystory 127
9.1.3. Diody zabezpieczające 131
9.1.4. Diody tyrystorowe 136
9.2. Elementy i układy tłumiące przepięcia 137
9.2.1. Filtry dolnoprzepustowe 138
9.2.2. Filtry górnoprzepustowe 139
9.2.3. Sęki ćwierćfalowe 140
9.2.4. Właściwości ochronne filtrów przeciwzakłóceniowych 141
9.3. Elementy i urządzenia separujące 144
9.3.1. Transformatory separujące 145
9.3.2. Transoptory 145
9.3.3. Światłowody 147
9.3.4. Zasady skutecznej separacji galwanicznej 147
10. Urządzenia do ograniczania przepięć w systemach przesyłu sygnałów 149
10.1. Zasady doboru urządzeń ograniczających przepięcia 151
10.2. Zasady poprawnego montażu i kontroli stanu SPD 161
10.2.1. Spadki napięć na przewodach łączących SPD 162
10.2.2. Koordynacja współdziałania pomiędzy SPD w układach wielostopniowych 164
10.2.3. Różnice potencjałów pomiędzy instalacjami dochodzącymi do urządzenia 165
10.3. Przykłady doboru urządzeń ograniczających przepięcia 166
10.3.1. Abonencka stacja końcowa w systemie cyfrowej transmisji sygnałów ISDN 166
10.3.2. Urządzenia stacji bazowych GSM 172
10.3.3. Transmisja sygnałów za pomocą kabli koncentrycznych 177
11. Koordynacja układania instalacji niskonapięciowych w obiektach budowlanych 178
11.1. Ogólne zasady układania przewodów w obiekcie budowlanym 178
11.2. Odstępy między przewodami różnych instalacji 180
11.3. Układanie przewodów między obiektami 184
12. Przykłady ochrony przed przepięciami instalacji i urządzeń w obiekcie budowlanym 186
12.1. Ograniczanie przepięć w systemach zasilania gwarantowanego 186
12.2. Instalacje prądu stałego 192
12.3. Ograniczanie przepięć w instalacjach elektrowni wiatrowych 196
12.3.1. Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej 197
12.3.2. Ograniczanie przepięć w systemach przesyłu sygnałów 197
12.4. Ochrona urządzeń na dachach obiektów 200
12.5. Ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych niewielkich obiektów 204
12.6. Ochrona systemów antenowych 206
12.7. Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa urządzeń systemów telewizji dozorowej 208
12.7.1. Poziomy odporności udarowej urządzeń 208
12.7.2. Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej 209
12.7.3. Ograniczanie przepięć dochodzących do przyłączy sygnałowych 210
12.7.4. Ochrona odgromowa kamer 212
12.8. Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa systemów fotowoltaicznych 214
12.8.1. Ochrona przed bezpośrednim działaniem prądu piorunowego 215
12.8.2. Ochrona przed przepięciami w instalacji elektrycznej 216
12.9. Ograniczanie przepięć w systemach kontrolno-pomiarowych 219
12.9.1. Sterowniki 219
12.9.2. Przetworniki i czujniki 222
12.9.3. Obwody iskrobezpieczne 224
12.10. Ograniczanie przepięć dochodzących do telekomunikacyjnych urządzeń abonenckich 228
12.11. Ograniczanie przepięć w okablowaniu strukturalnym 231
12.12. Ograniczanie przepięć w systemach telemechaniki 235
12.13. Iskierniki do połączeń wyrównawczych 236
13. Podsumowanie 239
14. Literatura 241
