Problemy z przewodami o izolacji wysokonapięciowej stosowanymi w ochronie odgromowej
Problems with high voltage insulated cables used in lightning protection
![Rys. 1. Wyładowanie piorunowe źródłem wysokiego napięcia panującego na zwodach, przewodach odprowadzających i systemie uziomowym [1]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202205/wyladowanie-piorunowe-zrodlem-wysokiego-napiecia-rysglowne.jpg)
Rys. 1. Wyładowanie piorunowe źródłem wysokiego napięcia panującego na zwodach, przewodach odprowadzających i systemie uziomowym [1]
W dużym uproszczeniu instalacja odgromowa ma na celu przechwycenie wyładowania piorunowego i skierowanie prądów piorunowych do systemu uziomowego. Podczas wyładowań piorunowych przepływający przez system zwodów, przewodów odprowadzających i uziom prąd piorunowy wytwarza spadek napięcia, który należy utożsamiać ze źródłem wysokiego napięcia. Przy poprawnie działającej instalacji odgromowej podłączonej do systemu uziomowego możemy się na nich spodziewać napięcia o wartości równej iloczynowi przepływającego prądu i rezystancji uziemienia. W przykładowej realizacji może to być 100 kV lub więcej (rys. 1.).
Zobacz także
dr. inż. Jarosław Wiater Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa systemów fotowoltaicznych
W Polsce tylko w roku 2020 zainstalowano ponad 321 tysięcy mikroinstalacji fotowoltaicznych (PV) o łącznej mocy przekraczającej 2151 MWp [1]. Chęć pozyskania „darmowej” energii elektrycznej oraz liczne...
W Polsce tylko w roku 2020 zainstalowano ponad 321 tysięcy mikroinstalacji fotowoltaicznych (PV) o łącznej mocy przekraczającej 2151 MWp [1]. Chęć pozyskania „darmowej” energii elektrycznej oraz liczne programy wsparcia tego rodzaju inwestycji przekładają się na tzw. boom, który przekracza założone prognozy [1]. Należy przypuszczać, iż w kolejnych latach instalacje PV staną się nieodzownym składnikiem instalacji elektrycznych. Pamiętajmy jednak, że poza oczywistymi zaletami są również zagrożenia,...
dr hab. inż. Krzysztof Walczak, dr inż. Józef Jacek Zawodniak Zjawiska fizyczne zachodzące w uziemieniu podczas odprowadzania fali prądowej
Zjawiska fizyczne przedstawiane w literaturze naukowej w sposób czysto teoretyczny, dla praktyków często bywają niezrozumiałe, a przez to nieanalizowane. Praktycy potrzebują prostych, jasno przekazanych...
Zjawiska fizyczne przedstawiane w literaturze naukowej w sposób czysto teoretyczny, dla praktyków często bywają niezrozumiałe, a przez to nieanalizowane. Praktycy potrzebują prostych, jasno przekazanych wytycznych, najlepiej przedstawionych w postaci zbioru zaleceń czy przewodnika postępowania. Naukowcy zaś lubują się w analizie złożoności samego zjawiska fizycznego, najlepiej z wykorzystaniem zaawansowanego aparatu teoretyczno-matematycznego, operując przy tym dużym stopniem uogólnienia.
dr. inż. Jarosław Wiater Złącza odgromowe
Podstawowym zadaniem urządzenia piorunochronnego jest przechwycenie i odprowadzenie prądu piorunowego w sposób bezpieczny dla infrastruktury i ludzi. Prawidłowe wykonanie i rozmieszczenie „piorunochronów”...
Podstawowym zadaniem urządzenia piorunochronnego jest przechwycenie i odprowadzenie prądu piorunowego w sposób bezpieczny dla infrastruktury i ludzi. Prawidłowe wykonanie i rozmieszczenie „piorunochronów” jest kluczowe i powinno być tak dobrane przez projektanta, aby zminimalizować ryzyko powstania szkód. Dobrze wybrana droga, którą będzie się rozpływał prąd piorunowy, może w sposób naturalny zmniejszyć zagrożenie nim powodowane.
W artykule:
|
StreszczeniePodczas wyładowań piorunowych system zwodów i przewodów odprowadzających jest źródłem wysokiego napięcia i stanowi istotne zagrożenie dla samego obiektu, jak i pracujących w nim urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Przewody o izolacji wysokonapięciowej coraz częściej stosowane są w ochronie odgromowej w celu zmniejszenia wymaganego odstępu separacyjnego. Niestety, bardzo często błędnie interpretowane, wyznaczane i badane parametry przewodów o izolacji wysokonapięciowej zamiast ograniczać, zwiększają zagrożenie piorunowe chronionych obiektów. W artykule przeanalizowano problemy związane z przewodami o izolacji wysokonapięciowej stosowanymi do odprowadzania prądu piorunowego. AbstractProblems with high voltage insulated cables used in lightning protection |
Projektując system ochrony odgromowej należy uwzględnić wyżej opisane zjawisko, które może powodować powstawanie niekontrolowanych przeskoków iskrowych między instalcją odgromową a innymi elementami/instalacjami w budynku podczas wyładowania piorunowego. Niekontrolowane przeskoki iskrowe zmieniając drogę rozpływu prądu piorunowego zwiększają zagrożenie obiektu (rys. 2.).
Rys. 2. Niekontrolowane przeskoki iskrowe powstające w wyniku niezachowania wymaganego odstępu separacyjnego s, gdzie: 1 – ściana w budynku, 2 – rozpływający się prąd doziemnego wyładowania piorunowego, 3 – zwykły drut odprowadzający prąd piorunowy [3]
W takiej sytuacji system ochrony odgromowej zwiększa zagrożenie, zamiast je zmniejszać. Na rysunku 3. przedstawiono zdjęcie obiektu uszkodzonego w wyniku niekontrolowanych przeskoków iskrowych od instalacji odgromowej.
Rys. 3. Obiekt uszkodzony w wyniku niezachowania wymaganych odstępów separacyjnych i niekontrolowanych przeskoków iskrowych od instalacji odgromowej [1]
W zależności od rodzaju chronionego obiektu niekontrolowane przeskoki iskrowe mogą być przyczyną pożaru – poprzez zmiany drogi rozpływu prądu piorunowego. W przypadku obiektów z wydzielonymi strefami zagrożonymi wybuchem (tzw. strefy EX) iskrzenie może być przyczyną eksplozji, co powoduje konieczność szczególnego zwrócenia na nie uwagi.
W celu uniknięcia powstawania niekontrolowanego iskrzenia podczas doziemnych wyładowań piorunowych norma PN-EN 62305-3 [2] zaleca zachowanie odstępu separacyjnego (s). Odstęp ten jest szczególnie istotny w przypadku nowoczesnych urządzeń technicznych instalowanych na dachu chronionego budynku np.: wentylatorów, agregatów od systemów klimatyzacji, różnego rodzaju anten, połączeń kablowych i innych. Bardzo często ten aspekt ochrony odgromowej jest pomijany, bagatelizowany lub zapewniany tylko wycinkowo.
W świetle aktualnych wyników badań laboratoryjnych stosowanie elementów wsporczych lub dystansujących w zestawieniu z zanieczyszczeniem powietrza i osadami, które na nich się pojawiają nie jest skutecznym rozwiązaniem chroniącymi przed przeskokami iskrowymi powstającymi w wyniku niezachowania wymaganych odstępów separacyjnych (rys. 3.) [8].
Przewody o izolacji wysokonapięciowej
Zapewnienie estetycznego wyglądu i skutecznej ochrony przed przeskokami iskrowymi stanowi wyzwanie dla projektanta. Idealnym rozwiązaniem wydają się przewody o izolacji wysokonapięciowej HVI (ang. High Voltage Insulation). Zalety przewodów HVI to [3]:
- łatwe zapewnienie wymaganych odstępów separacyjnych do nawet 150 cm w materiałach stałych,
- możliwość zastosowania w każdym obiekcie poddawanym ochronie odgromowej (nawet tym z wydzielonymi strefami zagrożonymi wybuchem),
- przekroje przewodów HVI są zgodne z wymaganiami norm z serii PN-EN 62305,
- odporność na pożar,
- wodoodporność,
- maksymalny prąd odprowadzany przewodami HVI do 200 kA.
Przewód HVI różni się budową od zwykłych kabli WN stosowanych w energetyce zawodowej (rys. 4. i 5.).
Rys. 4. Budowa różnych rodzajów przewodów w izolacji wysokonapięciowej stosowanych w ochronie odgromowej, gdzie: 1 – miedziany przewód odprowadzający prąd piorunowy, 2 – izolacja wysokonapięciowa wewnętrznego przewodu miedzianego, 3 – zewnętrzna warstwa półprzewodząca zapobiegająca wyładowaniom ślizgowym wzdłuż powierzchni, 4 – wewnętrzna warstwa półprzewodząca, 5 – zewnętrzna powłoka izolacyjna [1]
Rys. 5. Budowa typowego kabla elektroenergetycznego WN o izolacji XLPE i z ekranem z drutów miedzianych [4]
Kluczowym elementem przewodów HVI, kabli WN są nieliniowe materiały sterujące rozkładem pola elektrycznego wzdłuż oraz w okolicach głowicy kablowej. Właściwy ich dobór, grubość i rozmieszczenie w osi wzdłużnej i poprzecznej umożliwiają uzyskanie wymaganych parametrów i pośrednio określają ich zastosowanie. Warstwy sterujące (najczęściej oznaczane jako półprzewodzące) charakteryzują się nieliniową impedancją i wykonywane są z materiałów o podobnych właściwościach jak warystor [4].
Poza różnicami w budowie przedstawione kable różnią się deklarowanymi parametrami wynikającymi z różnic w wymaganiach przedmiotowych norm.
Badania przewodów HVI
Głównym parametrem, który trzeba brać pod uwagę przy doborze przewodu o izolacji wysokonapięciowej stosowanego w ochronie odgromowej, jest zapewniany równoważny odstęp separujący w powietrzu lub w materiale stałym. Każdy przewód HVI stosowany w ochronie odgromowej powinien być przebadany zgodnie z wymaganiami opisanymi w IEC TS 62561-8:2018 [5].
Rys. 6. Przykład rozkładu linii ekwipotencjalnych pola elektrycznego na zakończeniu kabla: A – bez sterowania pola, B – ze sterowaniem pola (technologia nieliniowych materiałów sterujących) [4]
Rys. 7. Przewód o izolacji wysokonapięciowej wykorzystywany w ochronie odgromowej podczas testów mechanicznych [6]
W pierwszej kolejności przewody odprowadzające prąd piorunowy należy przebadać pod kątem wytrzymałości na prąd piorunowy Iimp o wartości odpowiednio 50, 100, 150, 200 kA (dobranej stosownie do deklaracji producenta) zgodnie z zapisami przywołanej normy PN-EN 62561-1 [9]. W zakres wymaganych badań wchodzi również test odporności na korozję (pkt 5.5.5.1 IEC TS 62561-8), na promieniowanie ultrafioletowe (pkt 5.5.5.2 IEC TS 62561-8), testy wytrzymałości mechanicznej (pkt 5.5.6 IEC TS 62561-8) [5]. Dopiero tak postarzony i przebadany przewód należy poddać testom wytrzymałości napięciowej, które opisano poniżej.
W drugim etapie należy sprawdzić równoważne odstępy separacyjne se (pkt 5.5.7.2 IEC TS 62561-8). Typowe wartości odstępów separacyjnych zapewnianych przez przewody HVI powinny wynosić 25 cm, 50 cm, 75 cm, 100 cm lub więcej – stosownie do potrzeby dla danego obiektu poddawanego ochronie zgodnie z PN-EN 62305-3.
Do testowania równoważnego odstępu separacyjnego stosuje się wysokonapięciowy generator napięć udarowych, najczęściej pracujący w układzie Marxa, oraz specjalny układ porównawczy (rys. 8., 9., 10.).
Rys. 8. Schemat układu do badania wytrzymałości przewodów o izolacji wysokonapięciowej wykorzystywanych w ochronie odgromowej, gdzie: 1 – wysokonapięciowy generator udarów, 2 – wysokonapięciowy dzielnik napięcia, 3 – oscyloskop, 4 – układ porównawczy, 5 – przewód poddawany testom [5]
Rys. 9. Sposób podłączenia badanego przewodu do układu probierczego, gdzie: 1 – badany przewód HVI, 2 – metalowa rura o średnicy dwa razy większej niż średnica badanego przewodu i długości 2 m, 3 – wyprowadzenia uziemiające stosownie do instrukcji producenta, 4 – wewnętrzna żyła badanego przewodu HVI, 5 – podłączenia do generatora wysokiego napięcia, l1 – dodatkowy odcinek przewodu HVI stosownie do instrukcji producenta, l2 – długość metalowej rury oznaczonej cyfrą 2 na rysunku 9 [5]
Rys. 10. Zdjęcie stanowiska podczas badań przewodów o izolacji wysokonapięciowej [6]
Układ porównawczy wykorzystuje dedykowany iskiernik utworzony przez dwa skrzyżowane pręty nad przewodzącą płaszczyzną uziemienia o wymiarach 2x2 m. Średnica prętów tworzących iskiernik powinna wynosić (8±0,5) mm i mieć długość co najmniej 2 m. Odstęp porównawczy sc powinien odpowiadać badanemu równoważnemu odstępowi separacyjnemu z uwzględnieniem współczynnika korekcyjnego cdc_st zależnego od szybkości narastania udaru na wyjściu generatora i czasu do przeskoku (typowo cdc_st = 1,2 dla udaru 1,2/50 µs lub szybszego) [5]:
gdzie:
sc – odstęp porównawczy,
se – równoważny odstęp separacyjny,
cdc_st – współczynnik korekcyjny.
Najważniejszym parametrem podczas badań przewodów HVI jest wartość szczytowa napięcia (Ut), od której zaczyna się przeprowadzać próby. Wyznacza się ją z następującej zależności [5]:
gdzie:
se – równoważny odstęp separacyjny,
Ut – wartość szczytowa napięcia, od którego zaczyna się przeprowadzać próby.
Wyznaczone napięcie próby należy zwiększać aż do momentu, gdy czas do przeskoku Tc osiągnie wartość 1,0 µs < Tc < 1,4 µs [5]. Jeśli nie uda się uzyskać wymaganego czasu Tc, należy zwiększyć szybkość narastania napięcia poprzez wymianę rezystorów w generatorze Marxa. Po ustawieniu wymaganego napięcia próby podłącza się badany przewód do układu porównawczego i przeprowadza trzy próby rejestrując za każdym razem kształt napięcia na oscyloskopie.
Aby móc uznać, iż przewód HVI spełnia wymagania IEC TS 62561-8 podczas testów, widoczne przeskoki iskrowe mogą występować tylko na iskierniku porównawczym dla 1,0 µs < Tc < 1,4 µs. Jeśli podczas prób czas Tc nie mieści się w założonych granicach, należy wartość napięcia próby zwiększać o 5%, aż do uzyskania wymaganego czasu do przeskoku Tc. Miejsce występowania przeskoku należy identyfikować za pomocą kamery nagrywającej testy i zarejestrowanego kształtu napięcia na oscyloskopie.
Normy i ich błędna interpretacja
Kable energetyczne wysokich napięć są produkowane w oparciu o wymagania norm: IEC 6050-2:2014 Kable energetyczne z izolacją wytłaczaną i ich akcesoria dla napięć od 1 kV do 30 kV. Metody badań i wymagania [10], IEC 60840:2011 Kable energetyczne z izolacją wytłaczaną i ich akcesoria dla napięć powyżej 30 kV do 150 kV. Metody badań i wymagania [11], IEC 62067:2011 Kable energetyczne z izolacją wytłaczaną i ich akcesoria dla napięć powyżej 150 kV do 500 kV. Metody badań i wymagania [12].
Tab. 1. Minimalne napięcie testów wg IEC TS 62561- 8 przewodu o izolacji wysokonapięciowej wykorzystywanego w ochronie odgromowej
W zakresie badań wytrzymałości na udary napięciowe powodowane wyładowaniami piorunowymi kable bada się napięciami od 250 kV do 1550 kV (tab. 2.). Warte odnotowania jest, iż w normach IEC 6050-2:2014 [10], IEC 60840:2011 [11] i IEC 62067:2011 [12] nie wspomina się o równoważnym odstępie separacyjnym. Stąd też bezpośrednie dopuszczanie kabli elektroenergetycznych do stosowania w ochronie odgromowej jest niezgodne z IEC 6050-2:2014, IEC 60840:2011 i IEC 62067:2011.
Tab. 2. Poziomy napięć testowych kabli energetycznych wg IEC 6050-2:2014, IEC 60840:2011 i IEC 62067:2011 [10, 11, 12]
Największą wadą przewodów HVI jest ich wyższa cena w porównaniu do zwykłego drutu odgromowego. Wyższa cena w sposób naturalny doprowadziła wśród inwestorów do poszukiwania tańszych zamienników. Często spotykamy się z „magiczną” zamianą kabli elektroenergetycznych średniego napięcia w przewody o izolacji wysokonapięciowej przeznaczone do ochrony odgromowej. Jest to spowodowane błędną interpretacją zapisów normy PN-EN 62305-3:2011 [2]. Norma PN-EN 62305-3 w punkcie 8.1 wymienia środki ochrony przed napięciami dotykowymi i wskazuje, iż można zastosować izolowanie dostępnego przewodu odprowadzającego usieciowanym polietylenem o grubości przynajmniej 3 mm zapewniającym udarowe napięcie wytrzymywane 100 kV [2]. Ten zapis nie uprawnia do stosowania takiego rozwiązania w celu zapewnienia wymaganego odstępu separacyjnego. Przewody HVI zamieniane na kable elektroenergetyczne, które pojawiają się w sprzedaży, zbudowane są w oparciu o wymieniony w normie usieciowany polietylen o grubości większej niż 3 mm i badane napięciem udarowym 1,2/50 µs 100 kV. Należy zauważyć, iż taki poziom prób odpowiada kablowi średniego napięcia wg IEC 6050-2:2014 [10]. Warto przypomnieć, iż napięcia panujące na instalacji odgromowej podczas doziemnego wyładowania piorunowego są wielokrotnie większe, co przekłada się na pojawianie niekontrolowanych przeskoków iskrowych. Ani norma PN-EN 62305-3 pkt 8.1, ani norma IEC 6050-2:2014 nie wspomina o równoważnym odstępie separacyjnym dla kabla charakteryzującego się ww. parametrami. Aby móc uznać kabel za właściwy, należałoby go przebadać napięciem co najmniej 250 kV wg IEC TS 62561-8 [5].
Brak deklaracji równoważnego odstępu separacyjnego se (rozumianego wg IEC TS 62561-8) w parametrach przewodu o izolacji wysokonapięciowej wykorzystywanego w ochronie odgromowej jednoznacznie dyskwalifikuje taki produkt, a jego stosowanie grozi powstaniem niekontrolowanych przeskoków iskrowych – szczególnie niebezpiecznych w strefach Ex. W przypadku stref zagrożonych wybuchem należy dołożyć należytej staranności podczas doboru i wyboru przewodu HVI poprzez wymaganie od dostawcy wyników badań na zgodność z IEC TS 62561-8.
Praktyka życia codziennego
Bardzo często minimalizując koszty inwestycji stosowane są różnego rodzaju zamienniki przewodów HVI. Skutki takiego postępowania mogą być katastrofalne oraz przyczynić się do powstania szkód o bardzo wielkich rozmiarach. Przykłady „tańszych” zamienników przewodów HVI podczas badań zamieszczono na rysunkach 11. i 12.
Rys. 11. Stosowanie rurek odgromowych zamiast przewodów HVI w celu zapewnienia wymaganego odstępu separacyjnego, gdzie: a – obiekt z rurkami odgromowymi, b – rurki odgromowe podczas badań), fot. J. Wiater
Rys. 12. Wyładowania ślizgowe podczas badań kabli średniego napięcia, fot. J. Wiater
Podsumowanie
Podczas wyładowań piorunowych system zwodów i przewodów odprowadzających jest źródłem wysokiego napięcia i stanowi istotne zagrożenie dla samego obiektu, jak i pracujących w nim urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Przewody o izolacji wysokonapięciowej coraz częściej stosowane są w ochronie odgromowej w celu zapewnienia wymaganego odstępu separacyjnego. Niestety bardzo często błędnie interpretowane, wyznaczane i badane parametry przewodów o izolacji wysokonapięciowej zamiast ograniczać, zwiększają zagrożenie piorunowe chronionych obiektów. W przyszłości mogą powodować znaczne straty finansowe. Zaleca się zwracać uwagę na deklarowane parametry stosowanych przewodów HVI oraz bezwzględnie żądać protokołów z badań na zgodność z IEC TS 62561-8 w przypadku stosowania ich w strefach zagrożonych wybuchem.
Literatura
- LIGHTNING PROTECTION GUIDE from DEHN.
- PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia.
- https://www.obo.com.tr/fileadmin/DMS/Broschueren/02_TBS/Blitzschutz-Leitfaden_en.pdf.
- https://www.tfkable.com/download/files/upload/files/KATALOG_HV_PL__2021_08_13.pdf.
- IEC TS 62561-8:2018 Lightning protection system components (LPSC). Part 8: Requirements for components for isolated LPS.
- Jan Meppelink, Martin Bischoff. IEC 62561-8 Isolated lightning protection systems. 12. VDE ABB-Blitzschutztagung, 12. – 13. Oktober 2017 in Aschaffenburg.
- https://pl.megger.com/firma/artykuly/badania-odbiorcze-linii-kablowych-110kv-w-swietle-wymagan-zakladow-energetycznych-oraz-miedzynarodow.
- J.M. Wiater, Zagrożenia piorunowe i przepięciowe w strefach zagrożonych wybuchem [w:] S. Czapp (red.), Innowacje, pomiary i bezpieczeństwo w elektroenergetyce. INFOTECH; 2017, s. 76–85.
- PN-EN 62561-1:2017 Elementy urządzenia piorunochronnego (LPSC). Część 1: Wymagania dotyczące elementów połączeniowych.
- IEC 6050-2:2014 Kable energetyczne z izolacją wytłaczaną i ich akcesoria dla napięć od 1 kV do 30 kV. Metody badań i wymagania.
- IEC 60840:2011 Kable energetyczne z izolacją wytłaczaną i ich akcesoria dla napięć powyżej 30 kV do 150 kV. Metody badań i wymagania.
- IEC 62067:2011 Kable energetyczne z izolacją wytłaczaną i ich akcesoria dla napięć powyżej 150 kV do 500 kV. Metody badań i wymagania.
