1

Ochrona przed przepięciami

2

normy

PN-IEC 61312-1 Ochrona przed piorunowym impulsem
elektromagnetycznym. Część 1. Zasady ogólne.
PN-IEC 664-1 Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach
niskiego napięcia. Zasady, wymagania i badania.
PN-IEC 60364-4-442 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami.
Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przejściowymi przepięciami i
uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach wysokiego napięcia.

PN-IEC 60364-4-443 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami.
Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi.
PN-IEC 60364-4-444 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami.
Ochrona przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) w instalacjach
obiektów budowlanych.
PN-IEC 60364-5-548 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Układy uziemień i połączenia
wyrównawcze instalacji informatycznych.
PN-IEC 61643-1 Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach
rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania techniczne i metody

3

Przepięcia

Przepięciem

nazywamy każdy wzrost napięcia w urządzeniu powyżej

jego najwyższego napięcia roboczego.

Szczytowe wartości przepięć mogą osiągać wartości przewyższające
wytrzymałość elektryczną izolacji poszczególnych urządzeń.

Podstawową wielkością opisującą przepięcia jest współczynnik

przepięć k

p

, który wyraża stosunek napięcia U

pm

panującego w

danej chwili w urządzeniu do najwyższego napięcia roboczego U

rm

urządzenia, czyli

rm

pm

p

U

U

k 

4

Podział

przepięć

• Przepięcia zewnętrzne (od wyładowań atmosferycznych)
• Przepięcia wewnętrzne (powodowane czynnościami łączeniowymi)
• Przepięcia wywołane elektrycznością statyczną

5

Przepięcia zewnętrzne

Wyładowania atmosferyczne

charakteryzują się

- dużymi wartościami prądów szczytowych do 100 kA

- dużymi stromościami narastania prądów

- krótkimi czasami trwania wyładowania.

Wyładowania bezpośrednie w zwody
piorunochronów mogą indukować w pętlach
instalacji przepięcia mogące uszkodzić
urządzenia RTV i komputery

6

Przepięcia wewnętrzne

Przepięcia wewnętrzne – przyczyny:

powodowane:

•

7

przepięcia łączeniowe

Przepięcia wewnętrzne łączeniowe

- zwykle mają charakter oscylacyjny, o wartościach do 3,5
kV.

- są na ogół przepięciami krótkotrwałymi.

- obejmują stany nieustalone, powstające w skutek
działania wyłączników oraz nagłej zmiany parametrów
elektrycznych sieci.

.

8

Środki ochrony

Jako ochrona przed skutkami przepięć łączeniowych mogą być
stosowane

        układy RC
        diody Zenera
        ograniczniki przepięć z elementami warystorowymi

9

Łącznik próżniowy

Przy przerywaniu obwodu zapala się łuk, przy I

min

łuk pali się niestabilnie i

gaśnie przy prądzie ucięcia I

u

różnym od zera. Zgromadzona energia W

L

oscyluje między C i L z częstotliwością f

o

.

2

2

2

2

o

fo

o

u

L

C

U

L

I

W









10

ochrona przed przepięciami

Tablica 1 Symbole graficzne elementów i układów ochronnych

11

elektryczność statyczna

Przepięcia powodowane elektrycznością statyczną

powstają w

wyniku zetknięcia i

wzajemnego ruchu

przedmiotów wykonanych

z materiałów nieprzewodzących.

Przeskok iskrowy może być przyczyną wybuchu łatwopalnych
pyłów pochodzenia organicznego (mąka, cukier) i innych.

W przypadku elementów elektronicznych zagrożeniem może
być również napięcie indukowane w pętlach utworzonych z
przewodów (np. ścieżki na płytkach drukowanych),

12

elektryczność statyczna

Eliminowanie skutków oddziaływań elektryczności
statycznej może być realizowane poprzez:

•

13

normy

Wymagania dotyczące ochrony instalacji elektrycznych przed
przepięciami atmosferycznymi przenoszonymi przez sieć rozdzielczą i
przepięciami łączeniowymi oraz zasady identyfikowania i określania
miejsc w instalacjach elektrycznych, w których mogą występować
przepięcia, a także doboru środków ograniczających przepięcia,
zawarte są w

PN-IEC 60364-4-443:2006 Instalacje elektryczne w obiektach
budowlanych -- Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa -- Ochrona
przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi.

W normie PN-EN 62305-2, określono szczegółowe wymagania w
zakresie oceny ryzyka i projektowania instalacji piorunochronnych.

14

Dopuszczalne poziomy przepięć

Wartości dopuszczalnych poziomów przepięć w instalacji
elektrycznej nn PN-IEC 60364-4-443,

15

kategorie wytrzymałości udarowej

4.1

Kategoria IV - .

4.2

Kategoria III -

Pojęcie kategorii wytrzymałości udarowej dotyczy urządzeń zasilanych
bezpośrednio z sieci.

16

Kategorie II i I

4.3

Kategoria II -

4.4

Kategoria I -

17

Kategorie

W normie PN-IEC 660364-4-443 uzależnia się potrzebę
zastosowania ochrony przepięciowej na początku
instalacji (IV kategoria przepięć) od:
      - rodzaju sieci zasilającej instalację elektryczną budynku,
      - warunków wpływów zewnętrznych (liczba dni burzowych
w roku),
      - poziomu przepięcia przejściowego na początku instalacji.

Rozróżnia się trzy rodzaje sieci zasilających:
      - sieć kablową ułożoną w ziemi,
      - sieć napowietrzno-kablową (przy czym złącze instalacji
zasila kabel ułożony w ziemi)
      - sieć napowietrzną

18

kategorie

Jeżeli do zasilania obiektu budowlanego
zastosowano sieć kablową lub napowietrzno-
kablową z ułożonym w ziemi kablem o długości
minimum 150 m, zapewnione jest wystarczające
tłumienie fal przepięciowych przenoszonych przez
sieć zasilającą i nie ma potrzeby stosowania ochrony
przepięciowej na początku instalacji. Kabel
podwieszany z izolowanymi żyłami i z uziemionym
metalowym ekranem jest uważany za równoważny
linii kablowej ułożonej w ziemi.

19

kategorie

W przypadku zasilania budynku z linii
napowietrznej o konieczności stosowania
ochrony przepięciowej na początku instalacji
decyduje poziom przepięć przejściowych i liczba
wyładowań burzowych w roku. Dla warunków
wpływów zewnętrznych oznaczonych jako AQ1
(liczba dni burzowych w roku ≤ 25) norma nie
wymaga stosowania ochrony, natomiast dla
warunków AQ2 (liczba dni burzowych w roku >
25) w instalacji 230/400 V ochrona przepięciowa:
      - nie jest wymagana, jeżeli poziom przepięcia
na początku instalacji U ≤ 4 kV,
      - jest zalecana, jeżeli 4 kV < U ≤ 6 kV,
      - jest wymagana, jeżeli U > 6 kV.

20

Ograniczniki przepięć

Podstawowym zadaniem ograniczników przepięć
SPD ( ang. Surge Protective Device), jest ochrona
instalacji i urządzeń przed działaniem przepięć
atmosferycznych indukowanych, przepięć
wewnętrznych oraz przed bezpośrednim
oddziaływaniem części prądu piorunowego.

21

Ograniczniki przepięć

Ograniczniki przepięć zawierające elementy nieliniowe można podzielić na:

      - SPD ucinający napięcie - duża impedancja przy braku przepięcia,
która zmniejsza się gwałtownie w odpowiedzi na występowanie udaru
napięciowego.

      - SPD ograniczający napięcie - duża impedancja przy braku
przepięcia, która zmniejsza się w sposób ciągły, w miarę wzrostu prądu
udarowego i napięcia.

      - SPD kombinowane - układ zawiera element ucinający napięcie oraz
element ograniczający napięcie.

22

ograniczniki

Ograniczniki iskiernikowe - podczas normalnej
pracy stanowią przerwę w obwodzie

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

23

ograniczniki

Ograniczniki warystorowe - głównym elementem tych
ograniczników są warystorowe krążki, które w normalnych warunkach
wykazują przepływ prądu o niewielkiej wartości.

24

ograniczniki

25

Koordynacja ochronników

26

cd

27

Budowa ochronnika

28

Miejsce instalowania ograniczników SPD

różnych typów

29

Ogranicznik przepięć

Gdy przepięcie spowoduje zadziałanie iskiernika, warystor ma małą
rezystancję , płynie prąd o dużej wartości

30

dobór ograniczników przepięć

31

Wielostopniowy system ograniczania przepięć

Projektowanie ochrony przepięciowej

wymaga ustalenia dokładnej lokalizacji urządzeń
znajdujących się w obiekcie budowlanym oraz

wymaganych dla tych urządzeń poziomów odporności udarowej,
mających decydujący wpływ na rodzaj i liczbę zainstalowanych
ograniczników przepięć oraz sposób wykonania instalacji.
     

32

dobór ograniczników przepięć

Rys.1 Przykład
wielostopniowe
go systemu
ograniczania
przepięć w
instalacji
elektrycznej w
obiekcie
budowlanym,
przy zasilaniu
napięciem
230/400V.

33

dobór ograniczników przepięć

Ograniczniki typu
1

Ogranicznik typu 1 (zwany również odgromnikiem) jest
instalowany w budynku znajdującym się w pobliżu obiektu
narażonego na bezpośrednie wyładowanie atmosferyczne ,

Montaż ograniczników typu 1
      Ogranicznik typu 1 powinien być zainstalowany tuż za
zabezpieczeniem głównym obiektu budowlanego, a przed
urządzeniami pomiarowymi, na szynie 35 mm lub w
gniazdach bezpiecznikowych, w miejscu wprowadzenia
instalacji elektrycznej do obiektu, np.: w złączu, rozdzielnicy
głównej obiektu.

34

Ograniczniki typu 2

Ograniczniki typu 2 instalowane są, gdy:
      - w obiekcie lub jego pobliżu istnieją warunki do indukowania się
przepięć, które nie będą ograniczone przez ogranicznik typu 1 (np.
duże odbiory pracujące dorywczo, znaczne odległości pomiędzy
ogranicznikiem a odbiornikami),
      - obiekt nie posiada instalacji odgromowej i nie jest zagrożony
bezpośrednim lub bliskim wyładowaniem   atmosferycznym,
      - budynek zasilany jest z sieci kablowej nie narażonej na
bezpośrednie lub bliskie wyładowanie piorunowe,
      - w obiekcie znajdują się urządzenia, które należą do kategorii
instalacji III lub II

Montaż ograniczników typu 2 - na szynie 35 mm lub
w gniazdach bezpiecznikowych,

35

instalowanie ograniczników

Ogranicznik SPD z iskiernikiem należy instalować w osobnej
skrzynce, aby zapobiec uszkodzeniu innych urządzeń podczas
zadziałania iskiernika. Miejsce montażu powinno być dostępne dla
kontroli.

Podłączenie
ogranicznika do
instalacji
a) klasyczne
połączenie, b) układ V

Ograniczniki typu 1 nie posiadają wewnętrznych zabezpieczeń
zwarciowych i może powstać potrzeba ich ochrony przed
skutkami zwarć. Dobezpieczenia gG

36

rozmieszczenie ograniczników

Rozmieszczenie urządzeń ograniczających przepięcia w zależności od stref
zagrożenia oraz kategorii instalacji

37

Ograniczniki klasy I

Zadaniem ograniczników klasy I jest zapewnienie ochrony przed działaniem:
- prądu piorunowego z wyładowania bezpośredniego
- części prądu piorunowego wpływającego do instalacji elektrycznej z sieci
elektroenergetycznej
- wszelkiego rodzaju przepięciami łączeniowymi oraz przepięciami
atmosferycznymi indukowanymi.

38

Ograniczniki klasy I

Zadaniem ograniczników klasy I jest zapewnienie ochrony przed działaniem:
- prądu piorunowego
- części prądu piorunowego
- wszelkiego rodzaju przepięciami łączeniowymi oraz przepięciami
atmosferycznymi indukowanymi.

39

Ograniczniki klasy I

Zadaniem ograniczników klasy I jest zapewnienie ochrony przed działaniem:
- prądu piorunowego
- części prądu piorunowego
- wszelkiego rodzaju przepięciami łączeniowymi oraz przepięciami
atmosferycznymi indukowanymi.

40

W systemach sieci TN-C, TN-C-S lub TN-S istnieje możliwość
połączenia ograniczników z główną szyną wyrównawczą lub przewodem
PEN (PE).

Należy dobierać ograniczniki charakteryzujące się następującymi
właściwościami:
• zdolnością gaszenia prądów następczych bez stosowania
dodatkowych bezpieczników
• brakiem oddziaływania na pracę zabezpieczeń nadprądowych
instalowanych przed
ogranicznikami,
• łatwością montażu.

Sieci TN

41

ograniczanie spadków napięcia

Właściwości ochronne
układu z ogranicznikami
klasy I w przypadku:
a) udarów dochodzących do
budynku z sieci
elektroenergetycznej
b) bezpośredniego
wyładowania piorunowego w
obiekt budowlany

Napięcia udarowe

występujące

pomiędzy

przewodem fazowym

a szyną

wyrównawczą

powodują

zadziałanie

ograniczników

przepięć.

42

Przewody łączące

W ogranicznikach iskiernikowych klasy I spadek napięcia

Uogr

jest

niewielki i wynosi najczęściej kilkadziesiąt V.

pojawiają się zalecenia ograniczenia długości przewodów poniżej
0,5m.

Zalecane długości
przewodów do połączeń
ogranicznika

43

cd

Jeśli w instalacji elektrycznej długość połączenia jest większa to
można zastosować następujące układy połączeń

Eliminujący spadek na
przewodzie do szyny
wyrównawczej

optymalny

Minimalne przekroje przewodów
do przyłączania ograniczników:

a/ ogr-LiN ----10 mm

2

Cu lub 16 Al.

b/ ogr –uziom ----16 mm

2

Cu lub

50 Fe

44

Ograniczniki przepięć klasy II

Ograniczniki przepięć klasy II powinny ograniczyć przepięcia do wartości
odpowiadającej I lub II kategorii wytrzymałości udarowej

45

współpraca I i II klasy

Przykładowe rozwiązania
Oznaczenia
sw – szyna wyrównywania potencjałów,
a – instalacja gazowa, b – instalacja wodna,
c – instalacja kanalizacyjna, d – instalacja
CO,
e – zbrojenie budynku, f – uziemienie
fundamentowe,
g – uziemienie sztuczne.

Ograniczniki klasy II nie
posiadają wewnętrznych
zabezpieczeń zwarciowych

W przypadku dwustopniowego
systemu ochrony nie zalecane jest
umieszczanie ograniczników
przepięć klasy I i II w jednej
rozdzielnicy.

Pomiędzy układami ograniczników
różnych klas

należy

zachować

kilku lub kilkunastometrową
odległość.

46

Współdziałanie z wyłącznikami różnicowoprądowymi

1. Umieszczenie ograniczników

przepięć klasy II za
wyłącznikiem
różnicowoprądowym

2. Zainstalowanie ograniczników

przed wyłącznikiem

.

W instalacji należy stosować wyłączniki przeciwporażeniowe
różnicowoprądowe i urządzenia ochrony przepięciowej

Rozpływ prądu udarowego w przypadku
umieszczenia ograniczników przepięć za i
przed wyłącznikiem różnicowoprądowym.

47

Ograniczniki przepięć klasy III

Urządzenia do ograniczania przepięć klasy III powinny zapewnić
ochronę urządzeń przed przepięciami atmosferycznymi wywołanymi
przez odległe wyładowania atmosferyczne (kilkaset metrów od obiektu)
oraz przed przepięciami łączeniowymi występującymi w instalacji
elektrycznej wewnątrz obiektu.


Do zadań ograniczników przepięć klasy III należy ograniczanie
przepięć pomiędzy przewodem fazowym L a neutralnym N oraz
przewodami neutralnym N i ochronnym PE.

Ograniczniki klasy III stosujemy w przypadku występowania zbyt
dużych odległości pomiędzy układami ograniczników przepięć klasy
II, a chronionymi urządzeniami. Stosowane są również w przypadku
ochrony urządzeń o nieznanej odporności udarowej lub o mniejszej
odporności od pozostałych urządzeń pracujących w danym obiekcie

48

cd

Ograniczniki III klasy instaluje się przeważnie w puszkach
rozgałęźnych, kanałach instalacyjnych, specjalnych gniazdach
wtyczkowych, „przedłużaczach” lub bezpośrednio w chronionych
urządzeniach.

Wzajemne rozmieszczenie ograniczników klasy II i III oraz chronionego
urządzenia, które posiada zamontowane przez producenta elementy
ograniczające przepięcia.

49

przykłady

Przykłady połączeń
elementów w typowych
ogranicznikach klasy III

do ochrony przed
przepięciami
występującymi pomiędzy
przewodem fazowym a
neutralnym
wykorzystywane są
elementy zmienno-
oporowe np. warystory.

Skoki potencjałów
przewodu PE ogranicza
odgromnik gazowany.

50

cd

Schematy układów ograniczników przepięć klasy III

W instalacji elektrycznej
ograniczniki przepięć
klasy III montowane są
za wyłącznikami
różnicowoprądowymi.
Takie umiejscowienie
powoduje, że przy
ograniczaniu przepięć i
przepływie prądu
udarowego nie występuje
zbędne zadziałanie
wyłączników
różnicowoprądowych

Rozpływ prądów udarowych po zadziałaniu
ogranicznika przepięć klasy III umieszczonego za
wyłącznikiem różnicowoprądowym

51

zagrożenia

Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa ma na celu
zabezpieczyć obiekt przed skutkami wyładowań
piorunowych lub przepięć .

Przykłady zagrożeń:
      1) Zastosowanie przewodu łączącego ogranicznik przepięć
w instalacji odbiorczej o zbyt małym przekroju

      2) Powszechnie stosowane ograniczniki przepięć mogą
stwarzać zagrożenie pożarowe lub wybuchowe wskutek
przepływu prądu następczego. .

52

zagrożenia

3) Zastosowanie warystorowego ogranicznika przepięć w
instalacji wykonanej w układzie TT,

      4) Zwarcie w ograniczniku przepięć w instalacjach
zasilanych w układzie TT spowodowane prądem
udarowym lub prądem następczym powoduje
uszkodzenie izolacji podstawowej i stwarza zagrożenie
porażenia prądem elektrycznym.

53

zagrożenia

Ograniczniki przepięć stosowane w układzie TT
posiadają specjalną konstrukcję stanowiącą połączenie
elementów warystorowych z iskiernikiem, które
zapewnia galwaniczne oddzielenie przewodu PE od
pozostałych przewodów.

      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.

54

Strefowa ochrona

przeciwprzepięciowa

Ogólna zasada ochrony polega na tworzeniu wewnątrz
obiektu stref, w których występuje określony stopień
narażenia urządzeń na działanie:
      - napięć i prądów udarowych występujących w sieci
elektroenergetycznej niskiego napięcia,
      - napięć i prądów udarowych występujących w
systemach przesyłu sygnałów,
      - impulsowego pola elektromagnetycznego (LEMP).

Norma PN-EN 62305-1-2008 Ochrona odgromowa -
Część 1: Wymagania ogólne, określa ogólne zasady
tworzenia strefowej koncepcji ochrony i jest optymalnym
pod względem ekonomicznym i niezawodnym w działaniu
rozwiązaniem ochrony odgromowej

55

Strefowa ochrona

przeciwprzepięciowa

Podział obiektu na strefy ochronne. Międzystrefowe rozmieszczenie
ograniczników SPD
Z - złącze, 1 - rozdzielnica główna 2 - ochrona urządzeń

56

Strefowa ochrona

przeciwprzepięciowa

      Strefa 0a
      Zagrożone są przede wszystkim urządzenia elektryczne i
elektroniczne narażone na bezpośrednie działanie prądu
piorunowego oraz impulsowego pola elektromagnetycznego.

      Tworzenie stref ochronnych wymaga wprowadzenia
dodatkowych ekranów oraz kolejnych stopni ograniczania przepięć
i prądów udarowych.
Urządzenia do ograniczania przepięć na granicy stref, według PN-
EN 62305-4, oznacza się numerami tych stref, np. SPD 0/1, SPD
1/2, SPD 2/3.

57

Strefowa ochrona

przeciwprzepięciowa

      Strefa 0b
      Urządzenia pracujące w tej strefie narażone są na:
      - bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola
elektromagnetycznego wywołanego przez prąd
piorunowy
      - napięć i prądów udarowych indukowanych przez
prąd piorunowy w instalacjach przewodzących.

     

58

Strefowa ochrona

przeciwprzepięciowa

Strefa 1
      Obszar w strefie 1 jest pozbawiony bezpośrednich uderzeń
pioruna. Urządzenia elektroniczne pracujące w tej strefie są
chronione przed:
      - bezpośrednim działaniem impulsowego pola
elektromagnetycznego -
      - napięciami i prądami udarowymi -

      Impulsowe pole elektromagnetyczne jest redukowane, gdy
wnikając ze strefy Ob trafi na przeszkodę w postaci ekranu, który
tworzą     
- żelbetowe, zbrojone ściany
      - lite ekrany pomieszczeń
      - metalowe osłony i obudowy samych urządzeń.

Wartości szczytowe napięć udarowych występujących w tej strefie
wynoszą:
     

59

Strefowa ochrona

przeciwprzepięciowa

Strefy 2 i 3
      Pomiędzy strefami w instalacji elektrycznej i w liniach przesyłu sygnałów
powinny być instalowane elementy lub układy ograniczające przepięcia
atmosferyczne. Ograniczniki przepięć SPD instalowane pomiędzy strefami należy
dobierać o odpowiedniej odporności udarowej.
   Wartości dopuszczalnych poziomów napięć w poszczególnych strefach wynoszą:
      w sieci elektroenergetycznej 230/400 V:
      - strefa 2 - 4 kV,
      - strefa 3 - 2,5 kV,
      - strefa 4 - 1,5 kV.
      w liniach przesyłu sygnałów (przewód-ziemia)
      - strefa 2 - 2 kV,
      - strefa 3 - 1 kV,
      - strefa 4 - 0,5 kV.
     

60

Strefowa ochrona

przeciwprzepięciowa

Przy wyznaczaniu poszczególnych stref należy zwrócić uwagę na:
      - przestrzeganie zasad wyrównywania potencjałów instalacji
dochodzących do obiektu budowlanego,
      - właściwy dobór i rozmieszczenie ograniczników przepięć różnych
typów,
      - zasadę ograniczania udarów poniżej odporności udarowej urządzeń
zainstalowanych w danej strefie.
      Trójstopniowy systemu ograniczania przepięć w obiekcie
budowlanym polega na instalowaniu układów ograniczników:
      - typu 1 na granicy stref 0 i I,
      - typu 2 na granicach stref I i II,
      - typu 3 na granicy stref II i III.