Zagrożenie pożarowe oraz porażeniowe pochodzące od ograniczników przepięć (SPD)

Projektanci oraz wykonawcy nie określają przekrojów przewodów łączących ograniczniki przepięć z torem zasilania. Zastosowanie przewodu łączącego ogranicznik przepięć w instalacji odbiorczej o zbyt małym przekroju może stać się przyczyną pożaru wskutek zapłonu izolacji tego przewodu, a nawet jego stopienia podczas przepływu prądu o znacznej wartości. Zastosowanie klasycznego warystorowego ogranicznika przepięć w instalacji wykonanej w układzie zasilania TT w przypadku zniszczenia struktury warystora może stwarzać zagrożenie porażenia prądem elektrycznym. W celu wyeliminowania tego zagrożenia w instalacjach wykonanych w układzie zasilania TT należy stosować ograniczniki przepięć będące połączeniem warystora i iskiernika.

Powszechnie stosowane ograniczniki przepięć mogą stwarzać zagrożenie pożarowe lub wybuchowe wskutek przepływu prądu następczego, którego wartość jest uzależniona od parametrów obwodu zwarciowego w miejscu przyłączenia ogranicznika przepięć (SPD). Prąd następczy jest prądem zwarciowym płynącym przez pół okresu zmienności napięcia, tj. do chwili naturalnego przejścia przez zero. Cząstkowy prąd wpływający do instalacji budynku podczas wyładowania atmosferycznego wywołuje określony skutek cieplny podczas przepływu przez ogranicznik, który jest wzmacniany przez skutek cieplny powodowany przepływem prądu następczego. Sumujące się skutki cieplne powodowane przepływem cząstkowego prądu pochodzącego od wyładowania oraz prądu następczego mogą w przypadku przyłączenia ogranicznika przepięć przewodem o zbyt małym przekroju spowodować zapłon jego izolacji, a nawet go stopić. Taka sytuacja będzie miała miejsce, gdy nieprawidłowo zostanie dobrane zabezpieczenie poprzedzające ogranicznik przepięć.

W instalacjach elektrycznych stosuje się dwie kategorie ograniczników przepięć:

• iskiernikowe,
• warystorowe.

Ograniczniki iskiernikowe

Ograniczniki iskiernikowe podczas normalnej pracy stanowią przerwę w obwodzie. W momencie pojawienia się przepięcia następuje przepływ prądu wyładowczego, po którym następuje przepływ prądu następczego. Problem prądu następczego występuje tylko w ogranicznikach iskiernikowych.

W ogranicznikach warystorowych nie wstępuje on ze względu na ich dużą szybkość działania.

W instalacjach narażonych na wnikanie prądu piorunowego z sieci zasilającej lub urządzenia piorunochronnego wymaga się instalowania w złączu lub rozdzielnicy głównej budynku ograniczników iskiernikowych.

Ograniczniki te posiadają nieciągłą charakterystykę napięciowo-prądową, ucinającą przepięcia. Są one zdolne do odprowadzania prądu piorunowego o kształcie 10/350 µs.

Działanie ogranicznika przepięć można opisać w następujący sposób:

a) stan izolowania (normalny stan pracy),

b) przewodzenie prądu wyładowczego po zapłonie odgromnika,

c) przewodzenie prądu następczego, który płynie pod działaniem napięcia roboczego dzięki zjonizowaniu przestrzeni międzyelektrodowej przez prąd wyładowczy,

d) wyłączenie prądu następczego (przejście w stan izolowania).

Prąd następczy jest praktycznie równy spodziewanemu prądowi zwarciowemu, który może wystąpić w miejscu zainstalowania ogranicznika.

Produkowane są dwa rodzaje ograniczników przepięć (SPD):

a) nieograniczające prądu następczego,

b) ograniczające prąd następczy.

SPD nieograniczające posiadają zdolność wyłączenia prądu następczego w zakresie 1,5 kA≤I_f≤4 kA. Jeżeli spodziewany prąd następczy If posiada większą wartość od podawanego przez producenta ogranicznika, wymaga się zastosowania dobezpieczenia. Bezpiecznik ten musi przez czas t=10 ms (pierwsze naturalne przejście prądu następczego przez zero), wytrzymywać sumaryczną całkę Joule’a prądu piorunowego oraz prądu następczego i zadziałać w przypadku trwałego zwarcia elektrod ogranicznika lub niewyłączenia prądu następczego przez ogranicznik iskiernikowy po naturalnym przejściu przez zero prądu następczego. Przykładowe rozwiązanie instalacji ogranicznika przepięć na początku instalacji odbiorczej przedstawiono na rysunku 1. Zastosowany w gałęzi zawierającej ogranicznik przepięć bezpiecznik F₂ musi być skorelowany pod względem wybiórczości z poprzedzającym go bezpiecznikiem F₁ oraz dobrany tak, aby prąd wyładowczy nie spowodował jego uszkodzenia.

Piorun uderzający w budynek nie jest w całości odprowadzony do ziemi. Jego część wpływa do instalacji stanowiącej wyposażenie budynku. Wartość prądu wpływającego do budynku jest bardzo trudna do ustalenia i uzależniona w głównej mierze od wartości rezystancji uziemienia odgromowego. Im rezystancja uziemienia jest mniejsza, tym większa wartość prądu piorunowego zostanie odprowadzona do ziemi. Ponieważ problem ten jest trudny do rozstrzygnięcia na etapie projektowania, dopuszczalnym jest przyjęcie upraszającego założenia, że 50% prądu piorunowego zostanie odprowadzone do ziemi przez urządzenie piorunochronne, a 50% wpłynie do instalacji budynku. Przyjęcie takiego założenia pozwala przyjąć warunki ekstremalne, jakie mogą pojawić się przy wyładowaniu piorunowym w budynek. Zgodnie z przyjętym uproszczonym założeniem dotyczącym rozpływu prądu wyładowczego na rysunku 2. został przedstawiony uproszczony schemat rozpływu prądu piorunowego w instalacji elektrycznej budynku zasilanego linią kablową.

Wpływający do instalacji prąd I_Z w zależności od wartości może powodować różne zachowanie się wkładek bezpieczników topikowych. Zachowanie się wkładek bezpieczników topikowych klasy gG, przez które przepływa prąd piorunowy o kształcie 10/350 µs, przedstawia rysunek 3. Natomiast w tabeli 1. zostały podane parametry pierwszego udaru piorunowego 10/350 µs, w zależności od poziomu ochrony obiektu budowlanego.

Przepływający przez ogranicznik iskiernikowy cząstkowy prąd piorunowy może spowodować zwarcie jego elektrod, co w konsekwencji doprowadzi do długotrwałego przepływu prądu następczego. W celu uniknięcia tego niekorzystnego zjawiska, koniecznym jest odbezpieczanie ogranicznika przepięć (SPD). Przepływający przez SPD prąd następczy może spowodować szybki wzrost temperatury przewodów, a w przypadku ich zbyt małego przekroju – zapłon izolacji, a nawet stopienie się przewodów. Problem ten może szczególnie uwypuklić się w budynku zasilanym bezpośrednio ze stacji transformatorowej, gdzie ze względów eksploatacyjnych w złączu kablowym zamiast bezpieczników zainstalowano zwory. W tabeli 2. przedstawiono wartości udarowych prądów zadziałania wkładek bezpieczników topikowych oraz odpowiadające im wartości całek Joule’a.

Przebiegi prądu i napięcia na iskiernikowym ograniczniku przepięć typu 1 przedstawia rysunek 4.

Ograniczniki warystorowe

W instalacjach stosowane są również warystorowe ograniczniki przepięć. Głównym elementem tych ograniczników są warystorowe krążki, które w normalnych warunkach wykazują przepływ prądu o niewielkiej wartości. Z biegiem czasu prąd ten może się zwiększyć na skutek procesów starzeniowych oraz przyjmowania przepięć, które mogą naruszyć strukturę spieku. Wzrost wartości prądu przepływającego przez warystor w sposób ciągły prowadzi do wzrostu strat mocy, a w konsekwencji wzrostu temperatury na elemencie. Postępująca degradacja struktury spieku może nabrać charakteru lawinowego, co ostatecznie doprowadzi do zniszczenia ogranicznika oraz może zakończyć się pożarem wskutek przepływu prądu zwarciowego o wartości uzależnionej od parametrów obwodu zwarciowego w miejscu jego przyłączenia do instalacji elektrycznej. W celu uniknięcia tego zjawiska, producenci wyposażają ograniczniki warystorowe w zabezpieczenia termiczne. Przebieg prądu oraz napięcia ogranicznika warystorowego przedstawia rysunek 5.

Dobezpieczenie ograniczników przepięć

Praktyka wykazuje, że zabezpieczenie termiczne, którego zadaniem jest odłączenie ogranicznika spod napięcia, nie zawsze jest skuteczne. W przypadku przekroczenia dopuszczalnego maksymalnego prądu wyładowczego Imax, może nastąpić zniszczenie struktury spieku, prowadzące w konsekwencji do zwarcia krążków warystorowych. W celu niedopuszczenia do zniszczenia lub zapłonu obudowy krążków warystorowych, należy ograniczniki zabezpieczyć bezpiecznikiem zainstalowanym w gałęzi poprzecznej. Bezpiecznik ten powinien mieć prąd znamionowy nie większy niż określony przez producenta ogranicznika. Nie mniej ważny jest właściwy dobór przewodów w wyodrębnionej poprzecznej gałęzi ochrony. Przewody te przyłączone są do torów głównych, które zostały dobrane na długotrwałą obciążalność prądową i przeciążalność wynikającą z obciążenia go mocą szczytową oraz na spodziewane prądy zwarciowe.

W przypadku iskiernikowych ograniczników przepięć, przewody którymi są one przyłączone, nie są narażone na skutki przeciążeń (w normalnych warunkach przez iskiernik prąd nie płynie). Wskutek przepływu prądu piorunowego o kształcie 10/350 µs przestrzeń międzyelektrodowa ulega zjonizowaniu i następuje przepływ prądu następczego w czasie do 10 ms. W tabeli 3. oraz tabeli 4. podano przyrosty temperatury osiągane przez przewody miedziane o izolacji polwinitowej powodowane przepływem prądu piorunowego o kształcie 10/350 µs oraz prądu następczego przez czas około 10 ms.

Analiza wyników zestawionych w tabelach pozwala wyciągnąć wniosek, że prąd następczy powoduje większy przyrost temperatury niż prąd piorunowy 10/350 µs. Wynika z tego, że przekrój przewodu w gałęzi poprzecznej musi być dobrany do spodziewanych zwarciowych narażeń cieplnych. Poprawnie dobrane przewody oraz ich zabezpieczenia w gałęzi poprzecznej bezpiecznie zniosą skutek cieplny prądu piorunowego i poprawnie wyłączą prąd następczy.

Przykład

Należy dobrać przekrój przewodu do przyłączenia odgromników zainstalowanych w złączu dla następujących danych: I_k1=1,6 kA – spodziewany prąd zwarcia jednofazowego, poziom ochrony III, prąd znamionowy ograniczników iskiernikowych zainstalowanych w złączu I_n=25 kA, zdolność ograniczenia prądu następczego przez odgromniki wynosi 3 kA. Zabezpieczenie zainstalowane w złączu – bezpieczniki topikowe WTNgG 160.

Zgodnie z przyjętym uproszczonym założeniem, że podczas bezpośredniego trafienia pioruna w budynek 50% prądu wyładowczego wpływa do budynku, można przy założonym III poziomie ochrony wyznaczyć prąd, jaki popłynie pojedynczym przewodem oraz wymagany minimalny przekrój przewodu w torze ogranicznika przepięć:

Taki przekrój mógłby zostać przyjęty w przypadku całkowitej pewności poprawnego działania ogranicznika. Jednak z powodów opisanych wcześniej, należy założyć sytuację, że ogranicznik nie wyłączy prądu następczego.

Przy spodziewanym prądzie jednofazowego zwarcia I_k1=1,6 kA i zabezpieczeniu WTNgG 160 zainstalowanym w złączu, w przypadku zwarcia wyłączenie zasilania nastąpi w czasie T_k=0,8 s (patrz charakterystyki t= f(I_k) zamieszczone w katalogach producentów bezpieczników topikowych). W tym czasie prąd I_k1 wywoła skutek cieplny W0,8s=(0,8·I_k1) · T_k=1280 · 0,8=1 310 720 A²s. Zatem minimalny wymagany przekrój przewodu wyniesie:

gdzie:

I_Z– – cząstkowy prąd piorunowy płynący w pojedynczym przewodzie przyłącza, w [kA],

m – liczba przewodów przyłącza, w [-],

W_G – całka Joule’a przypisywana prądowi piorunowemu 100 kA 10/350 µs (tab. 1.), w [kA2s],

W_Z – całka Joule’a odpowiadająca prądowi cząstkowemu wpływającemu pojedynczym przewodem przyłącza, w [kA2s],

I_G – wartość szczytowa prądu piorunowego przyjmowana w zależności od poziomu ochrony (tab. 1.), w [kA],

I_k1 – spodziewany prąd zwarcia jednofazowego, w [kA],

Τ₀ – temperatura początkowa przewodów, w [°C],

I_f – prąd powstający przy zwarciu łukowym obliczony na podstawie wartości spodziewanego prądu zwarciowego powstającego przy zwarciu metalicznym, w [kA],

W_f – skutek cieplny (całka Joule’a) spodziewany wskutek przepływu prądu następczego przez ogranicznik iskiernikowy przez pół okresu (T=0,02 s – okres sinusoidalnego napięcia zasilającego), w [kA²s],

W_zf – łączna całka Joule’a prądu piorunowego i prądu następczego mogącego przepłynąć przez ogranicznik przepięciowy, w [kA²s],

c – ciepło właściwe materiału przewodzącego, w [J/(cm³ · m)] dla Al: c=2,48, w [J/(cm³ · m)], dla Cu: c=3,45, w [J/(cm³ · m)],

Τ_dz – dopuszczalna temperatura przewodu przy zwarciu (w przykładzie przyjęto przewód miedziany o izolacji polwinitowej, którego temperatura dopuszczalna przy zwarciu wynosi 160°C), w [°C],

Τ_śr – temperatura średnia, w [°C],

k – dopuszczalna jednosekundowa gęstość prądu zwarciowego, w [A/mm2],

γ₂₀ – konduktywność materiału przewodzącego odniesiona do temperatury 20°C, w [m/(Ω · mm²)], przyjmowana jako: dla Cu: 56, w [m/(Ω · mm²)], dla Al: 35, w [m/(Ω · mm²)],

γ_śr – konduktywność materiału przewodzącego odniesiona do temperatury średniej, w [m/(? · mm²)],

α – temperaturowy współczynnik rezystancji (dla metali stosowanych do budowy kabli i przewodów średnio c=0,0040), w [K–1],

T_k – czas trwania zwarcia, w [s],

T – czas trwania okresu przy częstotliwości 50 Hz, w [s],

S – przekrój przewodu, w [mm²].

Przyjęcie jako podstawy obliczeń całki Joule’a wyłączenia podawanej dla celów oceny wybiórczości zadziałania zabezpieczeń podczas zwarć prowadzi do błędnych wyników:

Przyjęcie tak wyznaczonego przekroju przewodu w przypadku pojawienia się prądu zwarciowego w gałęzi ogranicznika skończy się zapłonem izolacji, a w konsekwencji pożarem budynku. Obliczony przekrój przewodu S=10 mm² jest absolutnym minimum, jakie należy uznać za poprawne w rozpatrywanym przypadku.

Można w uproszczonym rozumowaniu przyjąć czas trwania zwarcia Tk=5 s, dopuszczony jako maksymalny dla obwodów rozdzielczych, zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41, co w rozpatrywanym przypadku z zabezpieczeniem topikowym realizowanym z wykorzystaniem bezpiecznika WTNgG160 odpowiada prądowi wyłączającemu Ia=915 A (patrz charakterystyka t=f (I_k) zamieszczona w katalogach producentów bezpieczników topikowych). Wówczas:

Przekrój ten jest dobrany ze względu na wszelkie możliwe zagrożenia mogące pojawić się wskutek przepływu prądów w ograniczniku iskiernikowym podczas wyładowania atmosferycznego przy bezpośrednim trafieniu w budynek. W przypadku, gdy spodziewany prąd zwarcia jednofazowego byłby większy od zdolności wyłączenia prądu następczego ogranicznika, konieczna stałaby się instalacja bezpiecznika topikowego w gałęzi poprzecznej zawierającej ogranicznik przepięć.

Dla rozpatrywanego przykładu, w złączu konieczne będzie zainstalowanie bezpiecznika o prądzie znamionowym 250 A lub większego (rys. 6.).

W takim przypadku konieczne byłoby ponowne wyznaczenie wymaganego przekroju przewodu zgodnie z przyjętym kryterium.

Innym rozwiązaniem może być przyjęcie bezpiecznika instalowanego w gałęzi zawierającej ogranicznik, o mniejszym prądzie znamionowym, o ile dopuszcza to producent ogranicznika, podając minimalną wartość zabezpieczenia w katalogach wyrobów.

Ograniczniki przepięć w instalacjach zasilanych w układzie TT

Powstające zwarcie w ograniczniku przepięć spowodowane prądem udarowym lub prądem następczym powoduje uszkodzenie izolacji podstawowej i stwarza zagrożenie porażenia prądem elektrycznym. Nie ma znaczenia w tym przypadku rodzaj zastosowanego ogranicznika. Problem występuje zarówno przy zastosowaniu ogranicznika przepięć warystorowego lub iskiernikowego.

W celu wyeliminowania powstających zagrożeń, zabezpieczenie poprzedzające ogranicznik przepięć powinno wyłączyć zasilanie w czasie określonym w normie PN-HD 60364-4-41. Powstałe zwarcie wskutek uszkodzenia ogranicznika przepięć w układzie 4+0 w instalacji o układzie zasilania TN zostanie wyłączone w określonym czasie, o ile instalacja została poprawnie zaprojektowana. Prąd zwarciowy zamknie się przez nisko impedancyjny obwód (rys. 7).

W przypadku, gdy instalacja odbiorcza wykonana jest w układzie zasilania TT, uszkodzony ogranicznik o układzie 4+0 może stwarzać zagrożenie porażeniowe w przypadku trwałego uszkodzenia ogranicznika.

Prąd zwarciowy oznaczony na rysunku 8. posiada zbyt małą wartość, by spowodować samoczynne wyłączenia zasilania ze względu na duże wartości rezystancji uziomów punktu neutralnego transformatora oraz przewodu ochronnego PE (zgodnie z wymaganiami PN-HD 60364-4-41, w układzie zasilania TT uznaje się ochronę przeciwporażeniową przy uszkodzeniu za skuteczną, jeżeli nastąpi wyłączenie zasilania podczas zwarcia w czasie nie dłuższym od określonego w normie PN-HD 60364-4-41.

W takim przypadku nieskuteczne jest również instalowanie wyłącznika różnicowoprądowego, nawet wysokoczułego. W przypadku zwarcia w ograniczniku przepięć w gałęzi N-PE, znaczna część prądu zwarcia doziemnego wraca do źródła przez wyłącznik, a prąd różnicowy może być za mały do zadziałania wyłącznika. Problem ten został wyjaśniony na rysunku 9.

W celu wyeliminowania tych zagrożeń w instalacji elektrycznej o układzie zasilania TT, należy stosować ograniczniki w układzie 3+1 przedstawione na rysunku 10.

Ograniczniki typu 3+1 posiadają specjalną konstrukcję stanowiącą połączenie elementów warystorowych z iskiernikiem, który zapewnia galwaniczne oddzielenie przewodu PE od pozostałych przewodów. Zwarcie w ograniczniku pomiędzy przewodem L a przewodem N spowoduje przepływ dużego prądu, który pod warunkiem poprawnego zaprojektowania instalacji spowoduje samoczynne wyłączenie zasilania w czasie określonym w normie PN-HD 60364-4-41. Układ ogranicznika 3+1 zabezpiecza również przed ewentualnym zwarciem przewodu N z przewodem PE.

Zwarcie przewodów fazowych z przewodem ochronnym PE bez jednoczesnego zwarcia z przewodem neutralnym N w tego typu ogranicznikach nie jest możliwe. Ogranicznik iskiernikowy łączący przewód N z przewodem PE nie jest narażony na przepływ prądu następczego. Jednocześnie zostaje wyeliminowane zagrożenie przypadkowego wyłączenia wyłącznika różnicowoprądowego powodowane krótkotrwałymi przepięciami.

Na rysunku 11. został przedstawiony przebieg napięcia i prąd płynący w ograniczniku składającym się z szeregowego połączenia warystora i iskiernika.

Literatura

1. E. Musiał, Dobezpieczanie ograniczników przepięć, „INPE” nr 76–77, luty 2006.
2. A. Sowa, Kompleksowa ochrona odgromowa i przepięciowa, COSiW SEP, Warszawa 2006.
3. PN-IEC 61024-1-1:2001 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych.
4. PN-IEC/TS 61312-3:2004 Ochrona przed impulsem elektromagnetycznym. Część 3: Wymagania dotyczące urządzeń do ograniczania przepięć (SPD).
5. V. Raab, Blitz- und Überspannungsschutz-Maßnahmen in NS-Anlagen, „Elektropraktiker”, 1996, nr 11 i nr 12.
6. J. Brikl, Überspannungs-Schutzeinrichtungen – Stoßstromgerecht installiert und normenkonform getestet, VEÖ Journal, 2001 nr 9.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!