OCHRONA PRZEPI
CIOWA
Ochrona urządzeń stacyjnych przed przepięciami
dochodzącymi z linii niskich napięć
Andrzej Sowa
1. Wstęp
Zapewnienie pewnego i niezawodnego działania urządzeń w stacjach elektroenergetycznych może
wymagać zastosowania odpowiednio dobranych i rozmieszczonych urządzeń ograniczających prze-
pięcia SPD (ang. Surge Protective Device). Takie urządzenia, nazywane ogranicznikami przepięć,
są stosowane m.in. do ograniczania przepięć w dochodzących do stacji liniach niskich napięć.
2. Przepięcia atmosferyczne w liniach elektroenergetycznych
niskich napięć
Przed przystąpieniem do doboru i rozmieszczania układów ograniczników należy posiadać podsta-
wowe informacje o występującym zagrożeniu przepięciowym.
Uwzględniając ten fakt, poniżej przedstawiono krótką charakterystykę przepięć atmosferycznych i
łączeniowych występujących w liniach elektroenergetycznych niskich napięć.
2.1. Bezpośrednie wyładowanie piorunowe w przewody linii
Najgroz
niejszym przypadkiem jest bezpośrednie wyładowanie piorunowe w przewody napowietrz-
nych linii elektroenergetycznej. Do przybliżonej oceny zagrożenia można przyjąć, że impedancja
kanału wyładowania jest duża i piorun uderzający w linię można traktować jak z
ródło prądowe pod-
łączone do przewodu ułożonego nad powierzchnią ziemi. Zakładając, że dla rozpływającego się
prądu udarowego wartość impedancji falowej przewodu Z0 nad ziemią zawiera się w przedziale od
400 &! do 500 &!, otrzymujemy wartość napięcia
I
U = Z0 Å"
2
Przykładowo, dla prądu piorunowego o wartości szczytowej I = 50 kA i impedancji falowej Z0 =
400 &! otrzymujemy U = 10000 kV.
Ograniczona wytrzymałość udarowa izolatorów powoduje, że w rzeczywistych liniach takie warto-
ści przepięć atmosferycznych nie występują. Poziom ograniczania przepięć uzależniony jest od
spadku napięcia na indukcyjności przewodu i rezystancji uziomu słupa, na którym nastąpił prze-
skok.
Ocenę zagrożenia przepięciowego można również przeprowadzić wykorzystując dostępne progra-
my modelujÄ…ce zjawiska zachodzÄ…ce w sieci elektroenergetycznej.
Przykład takiego analizy [7] przedstawiono na rys. 1.
Prąd udarowy o wartości szczytowej 50 kA i kształcie 2/50 wprowadzano do przewodu odcinka li-
nii między transformatorem a przyłączem i wyznaczano napięcia względem ziemi odniesienia w
różnych punktach tej linii.
Przykłady obliczonych przebiegów przepięć atmosferycznych oraz podział prądu piorunowego
przestawiajÄ… rys. 2 i 3.
A. Sowa Ochrona urządzeń stacyjnych przed przepięciami dochodzącymi z linii niskich napięć
Rys. 1. Analizowana sieć elektroenergetyczna niskiego napięcia [6]
Rys. 2. Napięcia w różnych punktach względem ziemi odniesienia
Rys. 3. Prądy płynące w róż-
nych punktach analizowanego
systemu
2.2. Przepięcia indukowane w liniach elektroenergetycznych
W napowietrznych liniach elektroenergetycznych znacznie częściej, w porównaniu z przypadkami
bezpośrednich wyładowań piorunowych, występują przepięcia atmosferyczne indukowane.
W większości rzeczywistych przypadków mają one przebieg aperiodyczny lub oscylacyjny tłumio-
ny. Przykłady przepięć rejestrowanych w liniach elektroenergetycznych niskich napięć [4, 5] przed-
stawiono na rys. 4.
Istnieje również możliwość określenia liczby przepięć Ni o danej wartości szczytowej U uwzględ-
niając wymiary linii oraz roczną częstość wyładowań piorunowych w analizowanym obszarze.
Zależność określająca Ni ma postać:
3,75
30 Å" (1- c)
îÅ‚3,5 Å‚Å‚
Ni = 1,9 Å"10-6 Å" N Å" H Å" L Å" + 2,5 Å" log
g
ïÅ‚ śł
U
ðÅ‚ ûÅ‚
gdzie:
Ng- roczna czÄ™stość wyÅ‚adowaÅ„ piorunowych [wyÅ‚adowanie/km2Å"rok],
L - długość linii [m],
H  wysokość linii nad ziemią [m].
A. Sowa Ochrona urządzeń stacyjnych przed przepięciami dochodzącymi z linii niskich napięć
Rys. 4. Zarejestrowane przebiegi przepięć atmosferycznych w liniach nn
Współczynnik c określa redukujący czynni wprowadzany przez uziemiony przewód neutralny lub
ochronny (c = 0, jeśli brak wymienionych przewodów, c = 0,7 lub 0,9 w zależności od uziemiania
przewodów).
Przykładowo, wyniki obliczeń uzyskanych przy pomocy powyższej zależności (oznaczenie CC05)
przedstawiono rys. 5. Dodatkowo przedstawiono również krzywe proponowane przez innych auto-
rów [7].
Rys. 5. Liczba przepięć o różnych amplitudach wyznaczona dla linii L= 1 km, H=10 m, Ng = 1
2.3. Przepięcia wewnętrzne
Stany nieustalone w sieciach elektroenergetycznych powstające podczas nagłych zmian napięcia
zasilającego lub konfiguracji układu połączeń poszczególnych elementów w systemie elektroener-
getycznym sÄ… z
ródłem tzw. przepięć wewnętrznych. Najczęściej występującymi są przepięcia po-
wstające podczas wyłączania i ponownego załączania nieobciążonych linii lub baterii kondensatorów,
przerywaniu niewielkich prądów indukcyjnych. Część z przedstawionych typów przepięć wewnętrz-
nych występuje a sieciach średnich napięć. W takim przypadku zagrożenie urządzeń technicznych
w sieciach niskich napięć wynika z możliwości przenoszenia przepięć na stronę wtórną transforma-
torów energetycznych.
Przykłady różnorodnych przebiegów przepięć wewnętrznych, jakie zarejestrowano w sieci elektroener-
getycznej niskiego napięcia przedstawiono na rys. 6.
A. Sowa Ochrona urządzeń stacyjnych przed przepięciami dochodzącymi z linii niskich napięć
Rys. 6. Przykłady przepięć wewnętrznych występujących w instalacji elektrycznej
3. Ochrona przepięciowa urządzeń stacyjnych
Tworząc w sieci elektroenergetycznej kompleksowy system ograniczania przepięć należy popraw-
nie dobrać i rozmieścić układy ograniczników chroniących przed przepięciami linie napowietrzne,
instalacje elektryczne w obiektach budowlanych oraz urzÄ…dzenia stacyjne.
W przypadku ochrony stacji należy stosować ograniczniki przepięć, jeśli do obiektów dochodzą:
" bezpośrednio linie napowietrzne,
" krótkie odcinki ułożonych w ziemi linii kablowych niskich napięć połączonych z liniami
napowietrznymi.
W zaleceniach dotyczących ograniczania przepięć w sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia
[2, 3] przyjęto, że krótkimi odcinkami są ułożone w ziemi kable, których długości nie przekraczają
150 m.
Podobne wymagania, dotyczące dostatecznej długości ułożonego w ziemi odcinka linii kablowej,
zawierała norma PN-93/E-05009/443. Po wycofaniu tej normy i wprowadzeniu normy PN-IEC
60364-4-443 zalecenia dotyczące ochrony przed przepięciami instalacji elektrycznej w obiektach
budowlanych uległy zmianie. Obecnie brak informacji dotyczących długości ułożonych w ziemi
odcinków linii kablowych, które zapewniają dostateczne tłumienie przepięć atmosferycznych. Na-
leży przypuszczać, że podobne zmiany mogą zostać również wprowadzone do zaleceń dotyczących
ochrony przed przepięciami urządzeń w stacjach.
Jeśli do ochrony urządzeń w stacjach wymagane jest zastosowanie układów ograniczników prze-
pięć to należy spełnić przedstawione poniżej wymagania:
1. Ograniczniki powinny być tak rozmieszczone, aby każdy transformator był chroniony przez
komplet ograniczników.
2. We wszystkich układach ruchowych izolację urządzeń stacyjnych należy chronić, co najmniej
przez jeden komplet ograniczników przepięć.
3. Przewody uziemiające ograniczników instalowanych w stacjach powinny być połączone z
uziemieniem stacji, metalowymi elementami i obudowami transformatorów, i urządzeń roz-
dzielczych, metalowymi powłokami kabli.
4. Jeśli uzwojenia wysokiego napięcia transformator chronione są przed przepięciami to zalecana
[3] jest również ochrona przed przepięciami uzwojeń niskiego napięcia.
5. Zalecane ograniczanie przepięć w sieciach zasilających:
" szafy sterownicze oświetlenia ulicznego,
" szafy z aparaturÄ… sygnalizacyjnÄ…, alarmowÄ… i ostrzegawczÄ….
A. Sowa Ochrona urządzeń stacyjnych przed przepięciami dochodzącymi z linii niskich napięć
Przykładowe typowych połączeń ograniczników przepięć chroniących transformatory przestawiono
na rys. 7 i 8.
TN-S
Tr TN-C
Tr
L1
L1
L2
L2
L3
L3
N
PEN
PE
układ
układ
ograniczników
ograniczników
chroniÄ…cych
chroniÄ…cych
transformator
transformator
RS RS
TT
Tr
L1
Rys. 7.Układy ograniczników chroniące transfor-
mator przed przepięciami występującymi w li-
L2
niach niskich napięć (ograniczniki przy transfor-
L3
matorze)
N
układ
ograniczników
chroniÄ…cych
transformator
RS
Sieć nn
Konstrukcja
rozdzielnicy nn
Wyłącznik WN
Sieć WN
Połączenie
TRANSFORMATOR
Ograniczniki
kablowe
przepięć
U > 1 kV
U d" 1 kV
Rys. 8. Ograniczanie przepięć dochodzących do transformatora od strony napowietrznych linii ni-
skich napięć (ograniczniki na słupie) [4]
Typowe układy połączeń ograniczników przepięć w przypadku ich umieszczenia na słupie napo-
wietrznej linii niskiego napięcia przedstawiono na rys. 9.
A. Sowa Ochrona urządzeń stacyjnych przed przepięciami dochodzącymi z linii niskich napięć
L1
L1 L2
L2
L3
PEN
L3
PEN
Izolowany
przewód
uziemiajÄ…cy
Rys. 9. Układ połączeń ograniczników na słupie linii niskiego napięcia
Podstawowe parametry, które powinny charakteryzować ograniczniki instalowane w sieciach o na-
pięciu znamionowych 230/400 V [2] zestawiono w tablicy 1.
Tablica 1. Podstawowe parametry ograniczników stosowanych w sieci elektroenergetycznej o na-
pięciu 230/400
Parametry ogranicznika Wartości Wartości
500 V 280 V
Napięcie pracy ciągłej Uc e"
625 V 350 V
Napięcie znamionowe Ur e"
2300 V 1500 V
Napięcie obniżone przy prądzie wyładowczym d"
Znamionowy prąd wyładowczy 5 kA 5 kA
Graniczny prąd wyładowczy 40 kA 40kA
Instalując ograniczniki przepięć należy uwzględnić następujące uwag;
" rezystancja uziemienia ograniczników nie powinna być większa niż 10 &!,
" do połączenia ograniczników należy stosować możliwie najkrótsze przewody,
" w liniach na słupach drewnianych należy z przewodem uziemiającym ograniczników łączyć
haki, trzony, konstrukcje wsporcze każdej linii, w tym również linii telekomunikacyjnych jeśli
są prowadzone na wspólnym słupie,
" przekroje przewodów łączących ograniczniki z przewodami roboczymi oraz z uziomem nie
powinny być mniejsze od podanych w tablicy 2,
" ograniczniki stosowane do ochrony transformatorów zaleca się instalować bezpośrednio na
transformatorach.
Tablica 2. Minimalne przekroje przewodów stosowanych do połączenia ograniczników
Materiał przewodu
Rodzaj przewodu
Miedz
Aluminium Stal
A
Ä…czÄ…cy ogranicznik z przewodem roboczym [mm2] 10 16 --
A
Ä…czÄ…cy ogranicznik z uziomem [mm2] 16 -- 50
A. Sowa Ochrona urządzeń stacyjnych przed przepięciami dochodzącymi z linii niskich napięć
W przedstawionych przykładach uziemienie robocze sieci elektroenergetycznej wykonane było w
stacji i ograniczniki przepięć były również instalowane w stacji lub na słupie przy stacji.
Przyłączenie punktu neutralnego sieci niskiego napięcia do uziomu stacji może wymagać wykona-
nia uziomu o bardzo małej rezystancji, co może być trudne pod względem technicznym lub bardzo
drogie. W takiej sytuacji lepszym rozwiązaniem może się okazać połączenie punktu neutralnego do
uziomu poza stacjÄ… (tzw. uziemienia rozdzielone).
W przypadku uziemienia roboczego sieci poza stacjÄ…, jako uziemienie przewodu neutralnego na
pierwszych słupach linii, ograniczniki przepięć powinny być instalowane na tych słupach (rys. 10).
Sieć nn
Konstrukcja
Wyłącznik WN
rozdzielnicy nn
Kabel
TRANSFORMATOR
Ograniczniki
izolowany
U > 1 kV przepięć
od ziemi
U d" 1 kV
Ogranicznik
lub iskiernik
e" 20m
Konstrukcja
Wyłącznik WN
rozdzielnicy nn
Połączenie
TRANSFORMATOR
napowietrzne
U > 1 kV
Ogranicznik
lub iskiernik
Ograniczniki
przepięć
e" 20m
Rys.10. Ograniczniki umieszczone na słupie  uziemienie poza stacją [4]
W układach z rozdzielonymi uziemieniami (rys.10.), oprócz układu ograniczników chroniących
obwody niskonapięciowe transformatora, należy dodatkowo zainstalować iskiernik ochronny po-
między kadzią transformatora a przewodem neutralnym.
Zastosowany iskiernik powinien spełniać następujące warunki:
- napięcie przeskoku przy 50 Hz d" 1000 V,
- udarowe napięcie przeskoku 1,2/50 d" 2500 V.
A. Sowa Ochrona urządzeń stacyjnych przed przepięciami dochodzącymi z linii niskich napięć
Instalując ograniczniki do ochrony głowic kablowych należy przewód uziemiający połączyć z
metalowymi elementami konstrukcji wsporczej głowicy.
Wprowadzenie elementów zmienno oporowych z tlenków metali umożliwia produkcję prostych
ograniczników o właściwościach lepszych nawet od wymaganych.
Przykład takich ograniczników typu ASA-A produkowanych przez firmę APATOR przedstawiono
na rys. 11.
Rys.11. Ograniczanie przepięć w miejscu połączenia linii napowietrznych i kablowych, a) montaż
ograniczników, b) przykład zamontowanego układu ograniczników [14]
Podstawowe parametry ograniczników typu ASA-A zestawiono w tablicy 3.
Tablica 3. Podstawowe parametry ograniczników typu ASA-A
Typ Napięcie Znamionowy Maksymalny Napięciowy po- Zdolność
trwałej pracy prąd wyładowczy prąd wyładowczy ziom ochrony pochłaniania
Uc [V] In [kA] In [kA] Up [V] energii
ASA-A280-5
280 1110
ASA-A440-5 44 1750
5 30 3 kJ/1000 V
ASA-A500-5 500 1990
ASA-A660-5 660 2650
ASA-A280- 280 1110
10
ASA-A440-10 440 1750
10 40 5 kJ/1000 V
ASA-A500-10 500 1990
ASA-A660-10 660 2650
Przedstawiony sposób ograniczania przepięć w liniach elektroenergetycznych niskich napięć do-
chodzących do stacji powinien zapewnić zwiększenie pewności działania urządzeń tam pracują-
cych.
A. Sowa Ochrona urządzeń stacyjnych przed przepięciami dochodzącymi z linii niskich napięć
4. Literatura
1. Anderson E., Jasiński E., Kulikowski J., Piłatowicza A.: Ochrona od przepięć i koordynacja
izolacji sieci elektroenergetycznych. INPE Biuletyn SEP nr 49, 2003, str. 3  24.
2. Anderson E., Bielecki J., Jasiński E., Kulikowski J., Piłatowicza A.: Zasady ochrony od prze-
pięć i koordynacja izoalcji sieci elektroenergetycznych. Specyfikacje techniczne. PO-TE-1-P,
2001.
3. Arciszewski J., Komorowska J.: Ochrona sieci elektroenergetycznych od przepięć. Wskazówki
wykonawcze. Wydanie PTPiREE, Poznań.
4. Kiefer G.: VDE 01000 und die Praxis. Weg für Anfänger und Profis. VDE VERLAG 1997.
5. Piantini A., Janiszewski J.: The Extender Rusck Model for Calculation Lightning Induced
Voltages on Overhead Lines. VII International Symposium on Ligthning Protection, 17-
21.10.2003, Brazylia.
6. Piantini A., Janiszewski J.Altefilm J., Nogueira L., Gualberto P.: A System for Lightning In-
duced Voltages Data Acquisition  Primary Results. VII International Symposium on Ligthning
Protection, 17-21.10.2003, Brazylia.
7. 64/1034/CD, IEC 62066: General basic information regarding surge overvoltages and surge
protection in low-voltage a.c. power systems. 1989
8. PN-EN 60099-5:1999, Ograniczniki przepięć. Zalecenia wyboru i stosowania.
9. PN-E-05100-1:1998, Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowania i budowa. Linie
prądu przemiennego z przewodami roboczymi gołymi.
10. PN-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla za-
pewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosfe-
rycznymi i Å‚Ä…czeniowymi.
11. PN-86/E-05003/01 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.
12. PN-IEC 61643-1:2001, Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskie-
go napięcia. Część 1: Wymagania techniczne i metody badań
13. PrPN-IEC/TS 61312-3:2003, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym.
Część 3. Wymagania urządzeń do ograniczania przepięć (SPD).
14. Katalog firmy APATOR
15. www.ochrona.net.pl