Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa obiektów budowlanych (część 2.)
Protection against lightning and overvoltages within structures
Strefy ochrony odgromowej
Rys. J. Wiater
Nowoczesne urządzenia elektryczne i elektroniczne bazują w większości przypadków na układach sterowanych przez mikroprocesory lub komputery. Napięcia znamionowe pracy systemów komputerowych są z roku na rok co raz bardziej obniżane ze względu m.in. na wymaganą coraz większą szybkość ich działania i coraz mniejsze wymagane zużycie energii.
Zobacz także
DEHN POLSKA sp. z o.o. Skuteczność zintegrowanych systemów ochrony przed przepięciami o częstotliwości sieciowej (POP) w instalacjach niskiego napięcia
Powszechna obecność wrażliwych urządzeń elektronicznych we współczesnych instalacjach niskiego napięcia modyfikuje wymagania w zakresie ich ochrony. Podczas gdy zagrożenia wywołane przejściowymi wyładowaniami...
Powszechna obecność wrażliwych urządzeń elektronicznych we współczesnych instalacjach niskiego napięcia modyfikuje wymagania w zakresie ich ochrony. Podczas gdy zagrożenia wywołane przejściowymi wyładowaniami atmosferycznymi są powszechnie uwzględniane w procesach projektowych, poważny problem eksploatacyjny stanowią długotrwałe wzrosty napięcia o częstotliwości sieciowej. Tradycyjne ograniczniki chroniące przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi (SPD) okazują się wobec nich nieskuteczne....
Ewimar Sp. z o.o. Nowe ograniczniki przepięć do systemów automatyki i nie tylko
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
RST sp. z o.o., dr inż. Tomasz Maksimowicz Ochrona przed przepięciami kamer IP i sieci Ethernet
Sieci Ethernet to już nie tylko sieci komputerowe, ale przede wszystkim uniwersalne media dla wszelkiego rodzaju systemów transmisji. Ogromne korzyści uzyskano dzięki opracowaniu standardu zasilania Power...
Sieci Ethernet to już nie tylko sieci komputerowe, ale przede wszystkim uniwersalne media dla wszelkiego rodzaju systemów transmisji. Ogromne korzyści uzyskano dzięki opracowaniu standardu zasilania Power over Ethernet (PoE), który znacząco przyczynił się do rozszerzenia obszaru zastosowań tej technologii. Doskonały przykład stanowią systemy monitoringu wizyjnego (VSS – Video Surveilance System, potocznie CCTV), gdzie jednym przewodem 4-parowym możliwa jest transmisja sygnału wizyjnego, sterowanie...
W artykule:• Dobór ogranicznika przepięć• Analiza ryzyka podstawą wyboru odpowiednich urządzeń odgromowych i przeciwprzepięciowych • Podstawowe zasady instalacji urządzeń przeciwprzepięciowych |
W chwili obecnej są to napięcia rzędu kilku woltów. Należy zauważyć, że postęp technologiczny zmniejsza odporność urządzeń na przepięcia, a ich uszkodzenia niosą za sobą bardzo duże straty finansowe. Wymusza to bardziej skuteczną ochronę urządzeń elektrycznych i elektronicznych od przepięć poprzez stosowanie – między innymi – wielostopniowych układów ograniczających (ang. SPD – Surge Protective Devices).
Dobierając SPD należy w pierwszej kolejności określić, czy w ogóle jest on potrzebny. Oceny tej dokonujemy poprzez analizę ryzyka zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 62305-2 [11] z uwzględnieniem szczegółowych przepisów narzuconych na mocy ustaw lub rozporządzeń. W przypadku specjalnych obiektów, jak np. stacje paliw płynnych – bez względu na wynik analizy ryzyka konieczne jest stosowanie urządzeń piorunochronnych oraz przeciwprzepięciowych.
W momencie gdy zdecydujemy się na wyposażenie instalacji elektrycznej w urządzenia do ograniczania przepięć, należy – zgodnie z zaleceniami norm ochrony odgromowej z serii PN-EN 62305 i jej strefową koncepcją ochrony odgromowej – podzielić analizowany obiekt na strefy LPZ (ang. Lightning Protection Zone), w których występuje określony stopień narażenia urządzeń na działanie udarów napięciowych i prądowych [11] (rys. 1.). Urządzenia pracujące w strefie LPZ0A są narażone na bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektromagnetycznego i prądu piorunowego o nieograniczonej wartości (w tym obszarze może dojść do bezpośredniego wyładowania piorunowego).
Urządzenia pracujące zaś w strefie LPZ0B narażone są na bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektromagnetycznego wywołanego przez prądy piorunowe, podobnie jak w strefie LPZ0A oraz napięć i prądów udarowych indukowanych przez prądy piorunowe. W tym obszarze i w sąsiadującym okablowaniu będą indukowały się prądy na skutek przepływu prądu wyładowania piorunowego. W strefie LPZ1 urządzenia są już chronione przed bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego przy jednoczesnym ograniczeniu na granicy strefy poziomu narażenia za pomocą ogranicznika przepięć i ekranów elektromagnetycznych. W kolejnych strefach poziomy napięć powinny być stopniowo obniżane za pomocą odpowiednio dobranych SPD tak, aby udarowe napięcie wytrzymywane zainstalowanych w tych strefach urządzeń było wyższe niż maksymalna wartość spodziewanego przepięcia.
Na granicy poszczególnych stref LPZ należy stosować SPD obniżające maksymalne spodziewane wartości szczytowe przepięć do ustalonego poziomu – stosownie do przyjętych kategorii wytrzymałości udarowej chronionych urządzeń wg normy PN-HD 60364-4-443 [14]. Koncepcję wielostopniowego układu ograniczającego przepięcia przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Układ czterech ograniczników przepięć chroniących instalację elektryczną, gdzie: ZK – złącze kablowe, kWh – licznik energii elektrycznej, R1 – rozdzielnica, np. piętrowa, Urz. El – końcowe urządzenie elektryczne
Dobierając ogranicznik przepięć należy uwzględnić:
- miejsce jego instalacji,
- napięcie trwałej pracy Uc,
- napięciowy poziom ochrony Up.
Na podstawie informacji dotyczącej miejsca instalacji SPD można wybrać technologię, w której powinien on być wykonany.
Na granicy stref LPZ0 i LPZ1 zaleca się stosowanie ogranicznika typu ucinającego napięcie lub kombinowanego, w którym wykorzystano technologię iskiernikową. Stosowanie technologii warystorowej w tym miejscu należy uznać za niewłaściwe i niebezpieczne. Zalecana wartość prądu impulsowego deklarowanego dla SPD na granicy strefy LPZ0 i LPZ1 to 25 kA/pole (kształt 10/350 μs). Podobne wymagania znajdziemy w PKP Polskich Liniach Kolejowych [18], gdzie w punkcie 5.4.3.1.1 kategorycznie zabrania się stosowania ograniczników typu 1, których główne elementy są wykonane w technologii warystorowej z uwagi na ich małą odporność na oddziaływanie częściowych prądów piorunowych i przenoszonych przez nie ładunków elektrycznych.
Dobierając ogranicznik przepięć nie można zapomnieć o parametrze określającym maksymalne napięcie ciągłej pracy (Uc), musi ono być większe od maksymalnego napięcia fazowego danej sieci. Biorąc pod uwagę wytyczne normy PN-EN 60038:2012 [15] napięcie ciągłej pracy SPD powinno być co najmniej o 10% większe od napięcia znamionowego sieci. Dobierając ograniczniki należy pamiętać o przepięciach dorywczych pojawiających się w sieciach. Napięciowy poziom ochrony Up powinien być mniejszy niż deklarowana przez producenta najmniejsza wytrzymałość udarowa urządzenia zainstalowanego w danej sieci i w danym fizycznym miejscu jego użytkowania.
Analiza ryzyka podstawą wyboru odpowiednich urządzeń odgromowych i przeciwprzepięciowych
W znowelizowanym w 2017 r. Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r., jako normy, w oparciu o które należy realizować ochronę odgromową obiektów budowlanych, zostały przywołane normy europejskie z serii EN 62305, jako normy PN-EN. Nowa norma PN‑EN 62305 ma zastosowanie do projektowania, instalowania, sprawdzania i konserwacji urządzeń piorunochronnych LPS (ang. Lightning Protection System) w obiektach budowlanych.
Na początku analizy ryzyka projektant winien zapoznać się szczegółowo z obiektem budowlanym, dla którego będzie liczone ryzyko. Należy ustalić, jaki rodzaj prac wykonywany będzie w budynku. Na tej podstawie można określić typy potencjalnych strat mogących wystąpić na skutek wyładowania piorunowego (L). Norma wymienia możliwość utraty życia ludzkiego, utratę możliwości świadczenia usług, utratę dziedzictwa kulturowego oraz utratę wartości ekonomicznej (obiektu i jego zawartości). Straty mogą być powodowane wymienionymi w normie potencjalnymi źródłami zagrożenia (S). Należy rozpatrzyć wszystkie możliwe przypadki. Każde źródło zagrożenia (S) może wywołać określony rodzaj szkody (D). Dla każdego typu strat identyfikuje się i oblicza komponenty ryzyka (R) dla obiektu budowlanego i urządzenia usługowego. Jeśli wyznaczone ryzyko jest większe od tolerowanego należy obiekt wyposażyć w zalecane normą rozwiązania techniczne, które przekładają się na zmniejszenie ryzyka – np. wyposażenie obiektu w urządzenie piorunochronne (LPS) zmniejsza wyznaczone ryzyko (rys. 3).
Rys. 3. Zestawienie elementów ryzyka
Każda zmiana w projekcie budynku polegająca na dołożeniu kolejnego rozwiązania technicznego powoduje zmianę poziomu ryzyka. Wówczas należy przeprowadzić obliczenia nowych wartości komponentów ryzyka i ponownie porównać z wartością tolerowaną. Każdy rodzaj ryzyka to suma odpowiednich komponentów, a każdy z nich może być oszacowany za pomocą równania ogólnego:
Rx = Nx ⋅ Px ⋅ Lx (2)
gdzie:
Nx – spodziewana średnia roczna liczba wyładowań piorunowych oddziaływujących na obiekt,
Px – prawdopodobieństwo uszkodzenia obiektu lub nietolerowanego zakłócenia jego pracy,
Lx – wynikowa strata ekonomiczna.
Oczywistym jest, jeśli ryzyko jest mniejsze od tolerowanego obiektu nie trzeba wyposażać w rozwiązania techniczne chroniące przez wyładowaniami piorunowymi.
Tam, gdzie urządzenie piorunochronne (LPS) nie zostało jeszcze sprecyzowane przez: upoważnioną instytucję, ubezpieczyciela lub nabywcę, tam projektant ochrony odgromowej powinien, na podstawie podanej w PN-EN 62305-2 [11] procedury szacowania ryzyka, zdecydować, czy obiekt chronić za pomocą LPS, czy nie i jakiej klasy ma być urządzenie piorunochronne, tak aby ryzyko było na poziomie tolerowanym.
W normie PN-EN 62305 urządzenie piorunochronne odpowiedniej klasy stanowi jeden ze środków minimalizacji ryzyka i to właśnie projektant w ramach analizy zarządzania ryzykiem ma zdecydować, jakiej klasy ma być urządzenie piorunochronne oraz czy i jakie dodatkowe środki ochrony będą najbardziej odpowiednie dla rozpatrywanego obiektu z punktu widzenia technicznego i ekonomicznego. Aby uniknąć nieporozumień, w normie PN-EN 62305-3 [12] zostały wyraźnie określone cztery klasy LPS (I do IV), w sposób odpowiadający poziomom ochrony (LPL), zdefiniowanym w pierwszym arkuszu normy, tj. PN-EN 62305-1 [10] (tab. 1.).
Tabela 1. Powiązanie poziomów ochrony odgromowej (LPL) z klasami LPS
Postępując zgodnie z zapisami PN‑EN 62305-2 [11], do analizy ryzyka nie wystarcza tylko znajomość wymiarów geometrycznych (rzutów) obiektu i miejsca jego usytuowania, ale również potrzebny jest szereg innych szczegółowych danych, jak na przykład:
- identyfikacja samego obiektu i jego powiązania z obiektami sąsiednimi;
- szczegółowa identyfikacja instalacji znajdujących się w obiekcie oraz innego wyposażenia wewnątrz obiektu;
- określenie liczby osób mogących przebywać w obiekcie lub w strefie do 3 m na zewnątrz obiektu;
- identyfikacja skutków oddziaływania uszkodzeń obiektu na środowisko.
W normie PN-EN 62305-2 [11] zawarto metodykę analizy i ocenę szkód piorunowych.
Przyjęto w niej, że miarą zagrożenia piorunowego obiektu, zarówno bez uwzględnienia zastosowanych w obiekcie środków ochrony, jak i z uwzględnieniem ich skuteczności, jest wartość R ryzyka spodziewanych szkód piorunowych. Określone zostały w niej zasady oszacowania ryzyka powodowanego przez piorunowe wyładowania doziemne w obiektach budowlanych i w urządzeniach usługowych. Dodatkowo zdefiniowano i wyjaśniono podstawowe pojęcia oraz omówiono: metodę oceny ryzyka, jego kategorie i komponenty w odniesieniu do obiektów i urządzeń usługowych, procedury szacowania tych komponentów i zasady ich grupowania z uwzględnieniem standardowych procedur pozwalających dokonać wyboru właściwych środków ochrony i zredukować ryzyko do dopuszczalnego poziomu.
Podstawowe zasady instalacji urządzeń przeciwprzepięciowych
W obiekcie budowlanym przeznaczeniem urządzeń do ograniczania przepięć (SPD) jest ochrona instalacji elektrycznych i urządzeń przed działaniem przepięć atmosferycznych bezpośrednich i indukowanych oraz przepięć wewnętrznych, a także przed bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego.
Urządzenia do ograniczania przepięć stosowane obecnie w instalacjach elektrycznych wewnątrz obiektów budowlanych zawierają co najmniej jeden element nieliniowy ucinający przepięcie lub ograniczający jego wartość szczytową.
W zależności od przeznaczenia, SPD powinny być poddane próbom klasy I, II lub III. Urządzenia do ograniczania przepięć badane zgodnie z wymogami poszczególnych klas będą nazywane odpowiednio SPD typu 1, 2 lub 3.
Urządzenia do ograniczania przepięć typu 1 należy instalować za głównymi zabezpieczeniami nadprądowymi w następujących układach połączeń [9], [13]:
- w systemach sieci TN i TT:
- jeżeli przewód neutralny jest uziemiony na początku instalacji, między każdy nieuziemiony przewód fazowy a ziemię,
- jeżeli przewód neutralny nie jest uziemiony na początku instalacji, między każdy przewód fazowy a ziemię oraz między przewód neutralny a ziemię,
- w systemach sieci IT:
- między każdy przewód fazowy a ziemię oraz, jeżeli jest przewód neutralny, między przewód neutralny a ziemię.
Na rysunku 4. przedstawiono typowe układy połączeń SPD w różnych systemach sieci. Jeśli w systemie sieci TN występują połączenia pomiędzy SPD a szyną wyrównawczą przekraczające wymagane długości, to wskazane jest łączenie ograniczników z przewodem PE (alternatywne połączenia oznaczane odpowiednio A i B na rysunku 4.). W systemie sieci TT istnieje możliwość zastosowania układu 4 urządzeń do ograniczania przepięć (rys. 4d) tzw. połączenie typu 1 [9], [13] lub układu zawierającego 3 urządzenia do ograniczania przepięć oraz iskiernik nazywany również SPD N-PE (rys. 4c). Taki układ nazwano połączeniem typu 2.
Rys. 4. Układy połączeń SPD typu 1 w różnych systemach sieci
W sieci systemu TN – należy wybrać korzystniejsze, krótsze połączenie (wariant A lub B).
W celu zapewnienia niezawodnego działania urządzeń technicznych, SPD typu 1 powinny charakteryzować się następującymi właściwościami:
- zdolnością gaszenia prądów następczych bez stosowania dodatkowych zabezpieczeń nadprądowych włączanych w szereg z SPD,
- nie powodować działania zabezpieczeń nadprądowych w instalacji przed SPD,
- łatwością montażu.
Instalując SPD typu 1 należy przestrzegać podstawowych zasad wynikających z zasadniczego ich zadania, jakim jest ochrona przed działaniem części prądu piorunowego. Przepływ takiego prądu powoduje szereg negatywnych zjawisk, wśród których na szczególną uwagę zasługują następujące:
- oddziaływanie sił elektrodynamicznych pomiędzy przewodami, w których płyną prądy udarowe,
- wystąpienie spadków napięć na indukcyjnościach przewodów,
- zagrożenie wywołane przez wyprowadzanie zjonizowanych, gorących gazów na zewnątrz SPD w przypadku otwartego iskiernika.
Obecnie, dobierając odpowiednie SPD i układy ich połączeń, można powyższe zagrożenia wyeliminować lub ograniczyć ich negatywne skutki.
Oceniając poziomy przepięć „przepuszczonych” do instalacji, należy uwzględnić nie tylko spadki napięć na samych SPD, ale również spadki napięć na przewodach wykorzystywanych do ich połączenia (rys. 5.).
Rys. 5. Zalecane długości przewodów stosowanych do połączeń SPD
Podsumowanie
W dobie powszechnego stosowania nowoczesnych urządzeń elektrycznych i elektronicznych dobry projekt jest kluczem do prawidłowego funkcjonowania całego obiektu. Bardzo często się zdarza, iż w prawidłowo zaprojektowanym i wybudowanym obiekcie po burzy stwierdza się uszkodzenia. Wiele osób zapomina o tym, że znamionowe napięcie pracy urządzeń jest stale obniżane. Obecnie odchodzi się od urządzeń sterowanych elektromechanicznie na rzecz wszechobecnej elektroniki. Niepokojące też jest programowane zużycie sprzętu.
Zapewnienie pewnej i skutecznej ochrony odgromowej obiektów budowlanych wymaga podjęcia wieloetapowych działań realizowanych przez specjalistę z dziedziny ochrony odgromowej mającego dodatkową pogłębioną wiedzę z dziedziny kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń, instalacji i systemów. Dobry projekt wymaga współpracy i koordynacji działań w zakresie wielu dziedzin wiedzy (technicznej i praktycznej). Uzgodnienia i konsultacje powinny być prowadzone z architektami, ze służbami pożarnictwa i bezpieczeństwa, z instalatorami urządzeń elektrycznych oraz wykonawcami prac budowlanych.
Literatura
- IEC 62305-1:2006. Protection against lightning – Part 1: General principles.
- EN 62305-1:2006. Protection against lightning – Part 1: General principles.
- PN-EN 62305:2006. Ochrona odgromowa – Część 1: Zasady ogólne.
- EN 62305-1:2011. Protection against lightning – Part 1: General principles.
- PN-EN 62305-1:2011. Ochrona odgromowa – Część 1: Zasady ogólne.
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690 z późniejszymi zmianami.
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 listopada 2005 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać bazy i stacje paliw płynnych, rurociągi przesyłowe dalekosiężne służące do transportu ropy naftowej i produktów naftowych i ich usytuowanie. Tekst jednolity: Dz. U. 2014 r. poz. 1853.
- Standardy techniczne szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości Vmax ≤ 200 km/h (dla taboru konwencjonalnego) / 250 km/h (dla taboru z wychylnym pudłem). http://www.plk-sa.pl/dla-klientow-i-kontrahentow/akty-prawne-i-przepisy/standardy-techniczne/ , 2016.10.04.
- Sowa A.W.: Ochrona urządzeń oraz systemów elektronicznych przed narażeniami piorunowymi. Rozprawy Naukowe Nr 219. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2011.
- PN-EN 62305-1:2011. Ochrona odgromowa. Część 1: Zasady ogólne.
- PN-EN 62305-2:2012. Ochrona odgromowa. Część 2: Zarządzanie ryzykiem.
- PN-EN 62305-3:2011. Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia.
- PN-EN 62305-4:2011. Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach.
- PN-HD 60364-4-443:2016-03. Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część: 4-443: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi. Ochrona przed przejściowymi przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi.
- PN-EN 60038:2012. Napięcia znormalizowane. CENELEC.
- PN-EN 61643-11:2013-06. Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 11: Urządzenia ograniczające przepięcia w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia. Wymagania i metody badań.
- PN-EN 62561-7:2012. Elementy urządzenia piorunochronnego (LPCS). Część 7: Wymagania dotyczące substancji poprawiających jakość uziemień.
- PKP Polskie Linie Kolejowe. Wymagania techniczne dla zapewnienia ochrony przed przepięciami i od wyładowań atmosferycznych w strefie oddziaływania sieci trakcyjnej DC 3kV. Iet-120. Warszawa 2018. https://www.plk-sa.pl/files/public/user_upload/pdf/Akty_prawne_i_przepisy/Instrukcje/Wydruk/Iet-120.pdf 2018-11-14.
