Ochrona przeciwprzepięciowa w obiektach przemysłowych

Instalacje elektryczne w obiektach przemysłowych narażone są na wystąpienie przepięć o wartości większej niż wytrzymałość elektryczna izolacji użytkowanych urządzeń. Konieczne w związku z tym jest stosowanie ochrony przeciwprzepięciowej. Wymagania i zalecenia w zakresie ochrony przeciwprzepięciowej są określone w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych i dotyczą: instalacji elektrycznych (w tym urządzeń ich ochrony przeciwprzepięciowej) oraz chroniących od wyładowań atmosferycznych.

Ochrona przeciwprzepięciowa

Instalacja elektryczna w budynku (obiekcie przemysłowym) powinna być zaprojektowana i wykonana w sposób zapewniający ochronę przeciwprzepięciową (§ 180 pkt. 2 [1]). Przy czym dla nowych i modernizowanych rozwiązań należy obowiązkowo stosować urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej (§183 ust. 1 [1]). Dodatkowo budynek (obiekt przemysłowy) trzeba wyposażyć w instalację zabezpieczającą od wyładowań atmosferycznych (§ 53 ust. 2 [1]). Obowiązek ten odnosi się do budynków wyszczególnionych w normie dotyczącej ochrony odgromowej obiektów budowlanych.

Najważniejszą normą w zakresie ochrony instalacji elektrycznych przed przepięciami jest PN-HD 60364-4-443:2016 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi” [10]. Natomiast w przypadku urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej PN-HD 60364-5-534:2009 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.

Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Urządzenia do ochrony przed przepięciami” [11]. Zabezpieczeniom przed skutkami wyładowań piorunowych w obiekty lub w ich pobliżu poświęcona jest wieloarkuszowa norma PN-EN 62305 „Ochrona odgromowa” [3]. Poszczególne jej części dotyczą następujących zagadnień związanych z ochroną odgromową: „Część 1: Zasady
ogólne” [4], „Część 2: Zarządzanie ryzykiem” [5], „Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia” [6] i „Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach” [7].

Przepięcia

Przepięcia ze względu na ich pochodzenie dzieli się na dwie grupy:

• wewnętrzne – określane mianem komutacyjnych, są efektem czynności łączeniowych wewnątrz instalacji elektrycznej, takich jak: włączanie prądów zwarciowych czy załączanie i wyłączanie urządzeń o znacznych indukcyjnościach lub pojemnościach. W obiektach przemysłowych przepięcia te związane są często z pracą niektórych urządzeń wykorzystywanych w procesie technologicznym. Szczególnie negatywne skutki w systemie zasilania wywołują takie odbiorniki jak: spawarki, zgrzewarki, piece indukcyjne, szybko nawrotne napędy elektryczne, silniki indukcyjne, dźwigi, windy, pompy itp. [14]. Urządzenia narażone są na działanie przepięć komutacyjnych w sytuacji, gdy zasila się je z tego samego systemu, do którego dołączone są odbiorniki generujące te przepięcia.
• zewnętrzne – powstają w efekcie wyładowania atmosferycznego. Mogą wynikać z bezpośredniego trafienia pioruna w napowietrzną linię zasilającą niskiego napięcia, w instalację odgromową bądź w instalacje przewodzące, zlokalizowane na zewnątrz budynku (obiektu przemysłowego) – monitoring, oświetlenie, klimatyzacja itp. Ponadto mogą być skutkiem wyładowania atmosferycznego w obiekty znajdujące się w sąsiedztwie chronionego budynku, a także w odległe linie zasilające niskiego napięcia. Wówczas powstają przepięcia indukowane, które mogą pojawić się nawet do 2 km od miejsca uderzenia pioruna [12].

Przepływ prądu piorunowego przez elementy instalacji elektrycznej stanowi największe zagrożenie przepięciowe. Aby je właściwie ocenić, należy przyjąć odpowiedni jego rozpływ w sytuacji bezpośredniego wyładowania w budynek (w tym przemysłowy). Jest on określony w załączniku do normy PN-EN 62305-1 [3], co pozwala na obliczenie jego prądu płynącego przez uziom oraz przewodzące instalacje i części zewnętrzne. Najczęściej przyjmuje się, że w przypadku bezpośredniego wyładowania atmosferycznego w budynek (w tym przemysłowy) 50% prądu piorunowego popłynie wprost do uziomu, a pozostałe 50% w przewodzące instalacje obiektu (elektryczną, teleinformatyczną, centralnego ogrzewania, wodną i gazową) [14]. Przy czym uwzględnia się jedynie istniejące instalacje w budynku i zakłada równomierne wnikanie prądu udarowego do zainstalowanych mediów. Coraz częściej stosuje się jednak w przyłączonych mediach elementy z tworzyw sztucznych, wówczas te instalacje lub ich fragmenty nie uczestniczą w rozpływie prądów udarowych, zwiększając przepływy występujące w innych instalacjach, w tym szczególnie w elektrycznych. Podnosi to znacznie ryzyko pojawienia się w nich dużych wartości prądów udarowych.

Wartość prądu piorunowego może osiągnąć w skrajnym przypadku nawet 200 kA, stąd biorąc pod uwagę wspomniane uwarunkowania instalacje elektryczne w budynku (w tym przemysłowym) zagrożone są przepływem prądów piorunowych o wartościach nawet do kilkudziesięciu kA.

Tab.Zagrożenia związane z poziomem ochrony odgromowej według PN-EN 62305-1 [4], PN-EN 62305-3 [6]

Kategoria urządzenia jest równoważna z kategorią przepięcia, określoną w normach (PN-EN 60664-1 [8] i PN-HD 60364-4-443 [10]), i wskazuje ona poziom wytrzymywanych przez nie przepięć. W zależności od ich lokalizacji w instalacji elektrycznej, powinny charakteryzować się odpowiednią wytrzymałością udarową, dopasowaną do kategorii przepięć.

Gdy instalacja jest zasilana poprzez ułożoną w ziemi linię kablową niskiego napięcia, to napięcie udarowe wytrzymywane urządzeń (zgodnie z tabelą) jest wystarczające i nie przewiduje się dodatkowej ochrony przed przepięciami atmosferycznymi. Zgodnie z normą [10], w przypadku gdy instalacja jest zasilana napowietrzną linią niskiego napięcia lub z taką jest połączona, aby nie zachodziła konieczność stosowania ochrony przed przepięciami, musi być spełniony warunek wpływów zewnętrznych. Budynek powinien znajdować się na obszarze, na którym liczba dni burzowych nie przekracza 25 w ciągu roku. Dodatkowe środki ochrony przed przepięciami mogą być jednak konieczne w przypadku, gdy jest wymagana większa niezawodność lub występują zwiększone ryzyka (np. zagrożenie pożarem), a także gdy liczba dni burzowych w ciągu roku przekracza 25.

Poziom ochrony ogranicznika nie powinien być wyższy niż poziom II kategorii przepięć. Biorąc pod uwagę miejsce zainstalowania ograniczników, istnieje duża dowolność w tym zakresie, gdyż mogą być one zamontowane blisko złącza, w linii napowietrznej lub w instalacji budynku (obiektu przemysłowego) [12]. To ostatnie rozwiązanie występuje najczęściej. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi może być wykonana za pomocą ograniczników przepięć zapewniających poziom ochrony kategorii II lub przy użyciu innych środków gwarantujących co najmniej równoważny poziom ograniczenia przepięć [12].

Większość urządzeń użytkowanych w instalacjach elektrycznych powinna charakteryzować się wytrzymałością udarową na poziomie 2,5 kV, odpowiadającą II kategorii przepięć. Coraz częściej jednak takie urządzenia wyposażane są we wrażliwe na działanie przepięć układy i podzespoły elektroniczne, wówczas należy przyjmować dla nich poziom wytrzymałości nieprzekraczający 1,5 kV (odpowiadający I kategorii przepięć). Z tego samego powodu zdarza się, że poziom ochrony ograniczników przepięć jest niższy (ograniczniki redukują przepięcia do niższego poziomu), niż to wynika z ich przeznaczenia dla danej kategorii przepięć, np. 1,4 kV zamiast 1,5 kV [14].

Ochrona przeciwprzepięciowa - ograniczniki przepięć

Zadaniem ograniczników przepięć jest zredukowanie powstających przepięć do wartości nie większych niż wymagana wytrzymałość udarowa urządzeń w danej kategorii. Ograniczniki przepięć SPD (z ang. Surge Protection Device) przeznaczone do montażu w instalacjach elektrycznych o napięciu do 1 kV podzielono na trzy typy, oznaczone literami B, C i D, określające przeznaczenie tych urządzeń w odniesieniu do koordynacji z poziomami izolacji [14]. Oznaczenia te odpowiadają klasie ograniczników, kolejno: I, II i III.

Rozwiązania klasy I (B), tj. SPD typu ucinającego napięcie, to najczęściej urządzenia iskiernikowe, ograniczające napięcie udarowe do wartości nie większej niż 4 kV. Stosuje się je jako pierwszy stopień zabezpieczenia i montuje w złączu instalacji elektrycznej, w rozdzielnicy głównej bądź w jej pobliżu. Uzyskiwane za ich pomocą ograniczone wartości przepięć są zwykle niewystarczające dla zapewnienia bezawaryjnego działania większości urządzeń elektoenergetycznych i elektronicznych. Wykorzystując tego typu urządzenia, należy zwrócić szczególną uwagę na rodzaj obudowy. Jeśli jest zamknięta, to nie następuje wydmuch gazów na zewnątrz iskiernika, co nie przysparza dodatkowych ograniczeń instalacyjnych związanych z koniecznością stosowania odpowiednich odstępów od ścian rozdzielnicy oraz unikania prowadzenia przewodów za korpusem urządzenia [12].

Rozwiązania klasy II (C), tj. SPD typu ograniczającego napięcie, to urządzenia drugiego stopnia, najczęściej wykonywane jako warystorowe. Ograniczają one przepięcia do wartości nie większej niż 2,5 kV i są instalowane w punktach rozgałęzienia instalacji elektrycznej, np. w rozdzielnicy głównej lub rozdzielnicach oddziałowych. Zastosowanie dwustopniowego układu ochrony składającego się z ograniczników klasy I i II zapewnia na ogół dostateczną ochronę przeciwprzepięciową urządzeń elektrycznych.

Rozwiązania klasy III (D), tj. SPD typu kombinowanego, są połączeniem typu warystorowego z iskiernikiem. Stosuje się je najczęściej w przypadku dużych odległości między ogranicznikami klasy II a chronionymi urządzeniami oraz w celu zabezpieczenia szczególnie wrażliwych urządzeń odbiorczych. Mogą one jednocześnie ucinać napięcie oraz je ograniczać, są instalowane w puszkach, kanałach instalacyjnych, gniazdach wtyczkowych lub bezpośrednio w chronionych urządzeniach. Ich napięciowy poziom ochrony wynosi od 1 do 1,5 kV.

Obok wspomnianych klas i typów ograniczników przepięć funkcjonujących powszechnie w świadomości projektantów instalacji elektrycznych i elektroinstalatorów, w normie PN-EN 61643-11:2013 [2] i PN-EN 62305 [3] przyjęto następujące określenia ograniczników przepięć:

• typu 1, typu 2, typu 3 (oznaczane na aparatach poprzez graficzne symbole: T1, T2 i T3),
• poddane próbom klasy I, klasy II, klasy III (oznaczane na aparatach poprzez graficzne symbole: I, II i III) [15].

Ogranicznik przepięć klasy I (B) oznacza ogranicznik typu 1 poddany próbie klasy I, ogranicznik klasy II (C) to ogranicznik typu 2 poddany próbie klasy II, natomiast klasy III (D) to ogranicznik przepięć typu 3 poddany próbie klasy III. Najważniejsze parametry ograniczników przepięć obejmują:

• prąd udarowy o kształcie 10/350 μs (Iimp) – zdefiniowany przez wartość szczytową oraz ładunek Q, wykorzystywany do testowania ograniczników typu 1 (odpowiada działaniu prądu piorunowego),
• znamionowy prąd wyładowczy (In) – prąd udarowy o kształcie 8/20 μs, wykorzystywany do testowania ograniczników typu 1 i 2 (odpowiada pośredniemu uderzeniu pioruna i przepięciom komutacyjnym),
• największy prąd wyładowczy (Imax) – wartość maksymalna prądu udarowego o kształcie 8/20, jaki ogranicznik typu 2 odprowadzi bez uszkodzenia,
• największe napięcie trwałej pracy (Uc) – największa wartość napięcia przemiennego, jakie może być trwale doprowadzone do zacisków ogranicznika przepięć,
• napięciowy poziom ochrony (Up) – największa wartość napięcia, do której ograniczane jest przepięcie (charakteryzuje działanie ogranicznika przepięć),

• przepięcie dorywcze (UT) – największa wartość przepięcia, którego działanie przez określony czas nie uszkodzi ogranicznika przepięć,
• maksymalne dobezpieczenie – największa wartość dobezpieczenia instalowanego przed ogranicznikiem w celu zabezpieczenia go przed długotrwałym działaniem prądów zwarciowych.

Obecnie wiele urządzeń elektronicznych jest bardzo czułych na przepięcia i omówiona wcześniej, nawet trójstopniowa, ochrona nie wystarcza, by zapewnić 100-procentową pewność bezawaryjnej pracy bez względu na zakłócenia powstałe w instalacji oraz ich przyczyny. W przypadku bardzo drogich i wyspecjalizowanych urządzeń elektronicznych odpowiednim i ekonomicznie uzasadnionym może okazać się zastosowanie lokalnego zasilacza UPS true on-line z podwójną konwersją energii [12]. W tego typu urządzeniach czas przełączenia z zasilania sieciowego na bateryjne jest natychmiastowy, a więc napięcie za takim urządzeniem jest w pewnym sensie odseparowane od zasilania sieciowego, co gwarantuje jego niezmienność w czasie bez względu na zakłócenie w instalacji [12].

Ochrona przeciwprzepięciowa - zasady podłączania ograniczników przepięć

W normie [11] określono sposób podłączania ograniczników przepięć determinowany konfiguracją instalacji. Przykładowe rozwiązania przedstawiono dla sieci niskiego napięcia w układzie TN pięcioprzewodowym (L1, L2, L3, N, PE). Zgodnie ze wspomnianą normą, w sytuacji gdy istnieje połączenie przewodu neutralnego z ochronnym w pobliżu instalowanego ogranicznika, powinien on być montowany między przewodami fazowymi a główną szyną wyrównawczą bądź głównym przewodem ochronnym, w zależności od tego, które z połączeń jest krótsze. Na rys. 1. lub w tzw. układzie 3+1 na rys. 2. kolorem czerwonym zaznaczono możliwe połączenia.

Jeżeli w pobliżu ogranicznika nie istnieje bezpośrednie połączenie pomiędzy przewodem neutralnym a ochronnym, dopuszcza się jego instalację pomiędzy każdym przewodem czynnym (fazowe oraz neutralny) a główną szyną wyrównawczą bądź głównym przewodem ochronnym, w zależności od tego, które z połączeń jest krótsze [12].

W przypadku trzech przewodów fazowych także mocuje się dodatkowy ogranicznik pomiędzy przewodem neutralnym a ochronnym bądź główną szyną wyrównawczą w zależności od tego, które z połączeń jest krótsze (rys. 3).

Charakterystycznym elementem ograniczników w połączeniu „3+1” jest iskiernik sumujący. Może być on instalowany tylko pomiędzy przewodem neutralnym a ochronnym, nie należy go podłączać do przewodów fazowych. Zaletą tych iskierników jest możliwość odprowadzenia sumy prądów faz: L1, L2, L3 i N. Rozwiązania takie mają jednak mniejszą zdolność gaszenia łuku niż w przypadku standardowych iskierników [12]. Tego typu urządzenia zaczynają przewodzić dopiero wtedy, gdy przepięcie jest większe od ich progu napięciowego. Ich zastosowanie pozwala uzyskać większe bezpieczeństwo użytkowania instalacji, ponieważ prądy upływu warystorów nie zamykają się w przewodzie ochronnym. Ponadto uszkodzenie ogranicznika na jednej z faz nie powoduje utrzymania się napięcia na przewodzie neutralnym.

Przy montażu urządzeń przeciwprzepięciowych należy zapewnić możliwie krótkie długości przewodów łączących je z przewodami fazowymi i przewodem neutralnym. Zaleca się, aby nie były dłuższe niż 0,5 m, a maksymalna, nieprzekraczalna długość to 1 m. Wymóg ten podyktowany jest faktem, że względnie duża długość przewodów oznacza
większą wartość rezystancji, co przy przepływie dużych prądów udarowych może oznaczać odłożenie się znacznych wartości napięć [12].
Istotny jest również przekrój tych przewodów. Jeśli instalację elektryczną prowadzi się w torach głównych przewodami o przekroju mniejszym niż 4 mm², to przekrój przewodów ogranicznika nie powinien być mniejszy niż fazowych [12]. Gdy te ostatnie są większe niż 4 mm², to zaleca się, aby przekroje przewodów miedzianych ogranicznika były równe 4 mm². Natomiast jeśli dany budynek (w tym przemysłowy) wyposażony jest w instalację odgromową, wówczas przekroje przewodów ogranicznika nie powinny być mniejsze niż 16 mm² [12].

Przy realizacji kilkustopniowej ochrony przeciwprzepięciowej, której przykład przedstawiono na rys. 3., należy pamiętać o zachowaniu minimalnej długości przewodów pomiędzy kolejnymi stopniami – pomiędzy ogranicznikami typu B i C wynosi ona 10 m [16]. W przypadku braku możliwości spełnienia tego wymogu trzeba stosować specjalne przyrządy odsprzęgające lub np. połączenie równoległe iskiernikowego ogranicznika o obniżonym napięciu zapłonu z warystorowym. Natomiast w układzie ograniczników typu 2 i 3 minimalna odległość między kolejnymi stopniami wynosi 5 m. W przypadku braku możliwości zachowania tej odległości należy np. zastosować urządzenie łączące oba poziomy ochrony, tj. typu 2+3 [14]. Ponadto można spotkać rozwiązania ograniczników łączące funkcję 1+2, a nawet 1+2+3, oparte na hermetycznie zamkniętym iskierniku wypełnionym gazem szlachetnym. Ich dodatkową zaletą jest możliwość montażu przed licznikami energii elektrycznej ze względu na brak ryzyka wystąpienia prądów upływu.

Literatura
1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r., nr 75, poz. 690 z późn. zm.).
2. PN-EN 61643-11:2013 „Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 11: Urządzenia ograniczające przepięcia w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia. Wymagania i metody badań”.
3. PN-EN 62305 „Ochrona odgromowa”.
4. PN-EN 62305-1:2011 „Ochrona odgromowa. Część 1: Zasady ogólne”.
5. PN-EN 62305-2:2008 „Ochrona odgromowa. Część 2: Zarządzanie ryzykiem”.
6. PN-EN 62305-3:2009 „Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia”.
7. PN-EN 62305-4:2009 „Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach”.
8. PN-EN 60664-1:2011 „Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych
w układach niskiego napięcia. Część 1: Zasady, wymagania i badania”.
9. PN-IEC 60364 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych”.
10. PN-HD 60364-4-443:2016 „Instalacje elektryczne w obiektach
budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi”.
11. PN-HD 60364-5-534:2009 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Urządzenia do ochrony przed przepięciami”.
12. W. Dołęga, „Ochrona przeciwprzepięciowa w wielorodzinnych obiektach mieszkalnych”, „Elektroinstalator” 12/2013.
13. S. Niestępski, M. Parol, J. Pasternakiewicz, T. Wiśniewski, „Instalacje elektryczne – budowa, projektowanie i eksploatacja”, wydanie 2, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2011.
14. „Ochrona przeciwprzepięciowa”, katalog 2010/2011, Moeller Eaton, Gdańsk 2010.
15. „Ochrona przeciwprzepięciowa”, Hager, Tychy 2014.
16. „Podręcznik doboru. Ochrona przeciwprzepięciowa i odgromowa. Ograniczniki przepięć typu OVR”, ABB, Warszawa 2014

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny”
Zobacz e-wydanie