Ochrona odgromowa

i przepięciowa

27.04.21 08:09

2

Rodzaje przepięć

Przepięcia wewnętrzne – powstają na skutek zwarć niesymetrycznych,

jedno- i dwufazowych z ziemią, oraz w wyniku takich czynności
łączeniowych, jak wyłączanie nieobciążonych transformatorów i linii,
załączanie nieobciążonych linii długich, a także nagłą zmianą napięcia.

Ochronę przed przepięciami wewnętrznymi zapewniają ograniczniki

przepięć.

Przepięcia zewnętrzne (atmosferyczne) – mają charakter nieokresowy

o wartościach dochodzących do kilku tysięcy kilowoltów przy
wyładowaniach bezpośrednich oraz do 200 – 300 kV przy
wyładowaniach pobliskich (przepięcia indukowane).

Ochronę przed wyładowaniami bezpośrednimi zapewniają zwody

pionowe i poziome (przewody odgromowe), a przed przepięciami
indukowanymi – ograniczniki przepięć.

27.04.21 08:09

3

Koordynacja izolacji

Koordynacja izolacji – działania polegające na stopniowaniu

wytrzymałości elektrycznej izolacji oraz stosowaniu ograniczników
przepięć obniżających największe wartości przepięć do wartości
mniejszych od założonego poziomu ochrony U

p

.

Izolacja urządzeń elektrycznych powinna charakteryzować się

wytrzymałością na przepięcia krótkotrwałe o częstotliwości
sieciowej oraz udarowe nie niższą od napięć probierczych
wytrzymywanych, stosowanych w próbie wytrzymałości elektrycznej
urządzeń.

Izolacja urządzeń elektrycznych i stosowane środki ochrony przepięciowej

powinny być tak dobrane i zwymiarowane, aby nie dochodziło do jej
przebicia, a jeżeli już do niego musi dojść, to tylko w części izolacji
równoległej, której przebicie nie powoduje trwałych uszkodzeń, czyli
np. w powietrzu.

27.04.21 08:09

4

Koordynacja izolacji

Zasada koordynacji izolacji w sieci
WN

z

uziemionym

punktem

zerowym:

U

m

– amplituda napięcia fazowego,

b – amplituda napięcia fazowego

w przypadku 1-fazowego zwarcia

sąsiedniej fazy,

u

p

– przebieg fali przepięciowej

ograniczonej do wartości U

p

U

wp

– napięcie wytrzymywane udarowe

piorunowe 1,2/50 s

U

wł

– napięcie wytrzymywane łączeniowe

250/2500 s

k

b1

– wsp. zapasu wytrzymałości dla

napięć udarowych

k

b2

– wsp. zapasu wytrzymałości dla

napięć łączeniowych

27.04.21 08:09

5

Koordynacja izolacji

Współczynnik bezpieczeństwa (zapasu wytrzymałości izolacji)

- różnica pomiędzy wartością napięcia wytrzymywanego U

w

a wartością

przepięcia U

p

k

b

= U

w

– U

p

Rozróżniamy współczynniki bezpieczeństwa dla napięć udarowych

i współczynniki bezpieczeństwa dla napięć łączeniowych

27.04.21 08:09

6

Ochrona odgromowa

I. OBIEKTY ENERGETYCZNE

1.

Ochronę przed wyładowaniami bezpośrednimi stosuje się w:



Stacjach napowietrznych i wnętrzowych o napięciu 110 kV



Stacjach transformatorowych średnich napięć z transformatorami
o łącznej mocy powyżej 1600 kVA

2.

Ochronę budynków



Budynki rozdzielni i nastawni chroni się zgodnie zasadami
obowiązującymi w zakresie ochrony odgromowej obiektów budowli

3.

Uziomy



Naturalne – jeżeli znajdują się w odległości mniejszej niż 10 m



Sztuczne – pionowe lub poziome (bednarka na głębokości 0,6 m)

27.04.21 08:09

7

Ochrona odgromowa

4.

Ochrona urządzeń i aparatów elektroenergetycznych

Zwody poziome – strefa ochronna zapewniana przez dwa zwody poziome

27.04.21 08:09

8

Ochrona odgromowa

4.

Ochrona urządzeń i aparatów elektroenergetycznych

Zwody pionowe – strefa ochronna zapewniana przez dwa zwody pionowe

27.04.21 08:09

9

Ochrona odgromowa

4.

Ochrona urządzeń i aparatów elektroenergetycznych

Sposób wyznaczania stref
ochronnych przy zastosowaniu
jednego zwodu poziomego
zawieszonego na wysokości H

27.04.21 08:09

1
0

Ochrona odgromowa

4.

Ochrona urządzeń i aparatów elektroenergetycznych

Sposób wyznaczania
stref ochronnych przy
zastosowaniu dwóch
zwodów pionowych
o wysokości H

27.04.21 08:09

1
1

Ochrona odgromowa

5.

Ochrona linii elektroenergetycznych



Linie na konstrukcjach stalowych powinny być chronione na całej
długości, jednym lub dwoma przewodami odgromowymi



kąt ochrony dla skrajnych przewodów nie powinien być większy niż:

30

o

– dla linii 110 kV

20

o

– dla linii 220 kV i więcej



kąt ochrony dla środkowego przewodu (pomiędzy dwoma
przewodami odgromowymi) nie może przekraczać 60

o



przewody odgromowe na każdym słupie powinny być uziemione



Linie bez przewodów odgromowych powinny być w niego wyposażone
1-2 km przed wejściem do stacji

27.04.21 08:09

1
2

Ochrona odgromowa

II. OBIEKTY BUDOWLANE

W Polsce zagadnienia ochrony odgromowej regulują zasadniczo

dwie normy:



PN-86/E-05003

- Ochrona odgromowa obiektów budowlanych



PN-IEC 61024

- Ochrona odgromowa obiektów budowlanych

Kryteria stosowania ochrony odgromowej

według normy PN-86/E-05003



Podział obiektów budowlanych



Obiekty produkcyjne i magazynowe oraz nie zagrożone wybuchem oraz
budynki mieszkalne, użyteczności publicznej itp.



Obiekty zagrożone wybuchem



Inne nie wymieniowe powyżej, np.. Kolejki linowe, mosty, dźwigi itp.

27.04.21 08:09

1
3

Ochrona odgromowa

2.

Rodzaje ochrony odgromowej



podstawowa



obostrzona



w wykonaniu specjalnym

3.

Obiekty wymagające ochrony podstawowej to np.:



budynki nie występujące w zwartej zabudowie o wysokości powyżej
15 m i powierzchni ponad 500 m

3



budynki użyteczności publicznej, w których mogą przebywać ludzie
w dużych grupach (ponad 50 osób)



budynki przeznaczone dla osób o ograniczonej zdolności poruszania się



obiekty o dużej wartości historycznej, materialnej lub kulturalnej



budynki wyższej użyteczności publicznej (policja, straż, urzędy)

27.04.21 08:09

1
4

Ochrona odgromowa

4.

Obiekty nie wymagające ochrony odgromowej



obiekty usytuowane w strefie ochronnej sąsiadujących obiektów



budynki o wysokości nie przekraczającej 25 m, usytuowane w zwartej
zabudowie

5.

Elementy ochrony odgromowej



zwody – powinny wytrzymywać przepływ prądu piorunowego. Zwodami
mogą być elementy konstrukcyjne obiektu (zwody naturalne) lub
przewody umieszczone tylko w celach ochrony odgromowej (zwody
sztuczne)



przewody odprowadzające – w pierwszej kolejności należy
wykorzystywać elementy konstrukcyjne budynku (przewody naturalne),
a w przypadku ich braku – przewody sztuczne



przewody uziemiające – elementy łączące przewody odprowadzające
z uziomem. W miejscu ich połączenia powinny być zaciski probiercze.

27.04.21 08:09

1
5

Ochrona odgromowa



uziomy – zaleca się stosowanie przede wszystkim wykorzystywanie
uziomów naturalnych obiektu budowlanego. W przypadku uziomów
sztucznych zaleca się stosowanie uziomów otokowych.

Norma PN-IEC 61024 wprowadza podział uziomów stosowanych do
celów ochrony odgromowej na:



typu A, do którego należą uziomy pionowe oraz poziome
(promieniowe)

dołączone

do

każdego

z

przewodów

odprowadzających instalacji piorunochronnej



typu B, do którego należą uziomy otokowe, kratowe
i fundamentowe.

27.04.21 08:09

1
6

Ochrona przepięciowa

I. OBIEKTY ELEKTROENERGETYCZNE

Ważne urządzenia elektroenergetyczne (transformatory, linie kablowe itp.)

powinny być chronione przed skutkami przepięć za pomocą
ograniczników przepięć. W przypadku mniej ważnych urządzeń mogą
być stosowane również: iskierniki lub odgromniki wydmuchowe.

1.

Iskierniki – najprostszy środek ochrony przeciwprzepięciowej. Działa w
wyniku przekroczenia wytrzymałości elektrycznej przerwy powietrznej
pomiędzy elektrodami, co doprowadza do zwarcia obwodu z ziemią. Po
zadziałaniu płynie prąd następczy, który musi być wyłączony przez
wyłącznik.

Stosowanie

iskierników

ma

sens

w

liniach

z układem automatyki samoczynnego ponownego zasilania SPZ.

27.04.21 08:09

1
7

Ochrona przepięciowa

2.

Odgromniki wydmuchowe – podstawowy element stanowi iskiernik

umieszczony w rurze z materiału gazującego. Gaszenie łuku następuje

wskutek wydmuchu gazów wydzielających się ze ścianek tulei

wykonanej z materiału silnie gazującego.

Instalując odgromniki wydmuchowe należy zachować dodatkową przerwę
izolacyjną między linią pod napięciem a górną elektroda iskiernika wewnętrznego,
w zależności od napięcia znamionowego i rodzaju chronionych urządzeń.

Wyszczególnienie

Typ odgromnika

OWS-18

OWS-25

OWS-37

Przerwa zew. przy ochronie izolacji w [mm]
- linii, podejść, głowic kablowych

40

50

70

- transformatorów

25

35

50

Wymiary strefy wydmuchowej w [m]
- max. średnica stożka wydmuchowego

1,2

1,5

1,2

- wysokość stożka

2,0

2,5

2,0

27.04.21 08:09

1
8

Ochrona przepięciowa

Odgromniki wydmuchowe o konstrukcji rurowej (a) i szczelinowo-śrubowej (b) oraz

przebieg napięcia i prądu następczego (c)

1 – elektroda górna

2 – elektroda dolna

3 – rura gazująca

4 – elektroda
iskiernika
zewnętrznego

5 – okucie
uziemione

6 – przerwa
zewnętrzna

7 – wkładka
śrubowa

8 – linia pod
napięciem

9 – ekran sterujący

27.04.21 08:09

1
9

Ochrona przepięciowa

3.

Zaworowe iskiernikowe ograniczniki przepięć (odgromniki

zaworowe) – są zbudowane z iskierników oraz rezystorów

o nieliniowej charakterystyce. W momencie wystąpienia przepięcia

następuje zadziałanie iskiernika i przepływ prądu wyładowczego

o znacznej wartości (rezystancja jest mała). Spadek napięcia na

rezystancji nieliniowej nosi nazwę napięcia obniżonego.

Po przepłynięciu prądu wyładowczego przerwy międzyelektrodowe są

nadal zjonizowane i płynie prąd następczy. Rezystancja ogranicznika

znacznie wzrasta i następuje przerwanie prądu następczego.
Rozróżnia się następujące konstrukcje iskierników w ogranicznikach

zaworowych:



z łukiem swobodnym



z łukiem wirującym



z elektromagnetycznym wydłużeniem (wydmuchem) łuku

Jako materiał na rezystory stosuje się karborund (węglik krzemu SiC), w

postaci stosu krążków o średnicy do 100 mm i wysokości od 10 do 60

mm.

27.04.21 08:09

2
0

Ochrona przepięciowa

Zaworowe ograniczniki przepięć: a) bez sterowania; b) ze sterowaniem; c) przebieg

napięcia u i prądu wyładowczego i w ograniczniku

1 – iskiernik wielokrotny; 2 – rezystory zmiennooporowe; 3 – iskierniki z rezystorami
sterującymi; u

p

– przebieg fali przepięciowej; U

z

– napięcie zapłonu; U

res

– napięcie obniżone; I

m

–

amplituda prądu wyładowczego

27.04.21 08:09

2
1

Ochrona przepięciowa

4.

Beziskiernikowe ograniczniki przepięć – podstawowym elementem

są warystory wykonane z tlenku cynku (ZnO) o silnie nieliniowej

charakterystyce prądowo-napięciowej:

I = kU



gdzie:
 - współczynnik nieliniowości
k - stała

Beziskiernikowy ogranicznik przepięć:

1 – zacisk przyłączeniowy

2 – ogranicznik ciśnienia w aparacie

3 – warystor

4 – obudowa izolacyjna

5 – zacisk uziemiający

27.04.21 08:09

2
2

Ochrona przepięciowa

Ch-ki napięciowo-prądowe ogranicznika przepięć z karborundu SiC

i warystorowego ZnO

27.04.21 08:09

2
3

Ochrona przepięciowa

Ch-ki napięciowo-prądowe różnych rezystorów i elementów

1 – liniowy

2 – karborundowy

3 – selenowy

4 – warystorowy

5 – dioda Zenera

27.04.21 08:09

2
4

Ochrona przepięciowa

Przykładowe rozwiązania

ograniczników przepięć

a)

warystorowy

b)

iskiernikowy (SiC)

c)

ogranicznik (a)
w podziałce (b)

27.04.21 08:09

2
5

Ochrona przepięciowa

5.

Parametry ograniczników przepięć

Napięcie trwałej pracy ogranicznika U

c

– największa dopuszczalna wartość

skuteczna napięcia o częstotliwości sieciowej, które może być trwale

przyłożone między zaciski ogranicznika

Napięcie znamionowe ogranicznika U

Nr

– największa dopuszczalna wartość

skuteczna napięcia o częstotliwości sieciowej, przy której jest zapewnione

działanie ogranicznika w warunkach wystąpienia przepięcia

Napięcie obniżone ogranicznika U

res

– szczytowa wartość napięcia występującego

podczas przepływu znamionowego prądu wyładowczego

Znamionowy prąd wyładowczy I

Nw

– szczytowa wartość prądu udaru prądowego,

która jest stosowana do wyznaczenia poziomu ochrony ogranicznika (U

res

)

Graniczny prąd wyładowczy I

wg

– szczytowa wartość prądu udaru

o kształcie 4/10 s, który jest stosowany do sprawdzenia odporności

ogranicznika na bezpośrednie wyładowanie piorunowe

Współczynnik zwarcia doziemnego k

z

– iloraz wartości skutecznej napięcia fazy

zdrowej w przypadku zwarcia doziemnego jednej z faz sąsiednich do

napięcia tej fazy bez takiego zwarcia.

27.04.21 08:09

2
6

Ochrona przepięciowa

Współczynnik k

z

przyjmuje wartości 1,4 w sieciach w uziemionym punktem

zerowym oraz 1,9 w sieciach z izolowanym punktem zerowym

Na ograniczniku może wystąpić max. napięcie:
Chronione urządzenie powinno wytrzymywać napięcie: U

w

 k

b

U

res

; k

b

=1,3

6.

Zastosowanie ograniczników przepięć



Do ochrony urządzeń stacji połączonych bezpośrednio z liniami

napowietrznymi lub za pomocą odcinków kabli < niż 2 km



Przy każdym transformatorze energetycznym



Zaleca się stosowanie na wejściu każdego pola linii napowietrznej oraz

do ochrony urządzeń rozdzielczych, pomiarowych w linii



Do ochrony linii kablowych łączących się z liniami napowietrznymi



Zaleca się stosowanie ograniczników do ochrony miejsc połączenia linii

na słupach nieprzewodzących z linią na słupach przewodzących przez

zainstalowanie ich na pierwszym słupie przewodzącym

3

sm

z

U

k

U 

27.04.21 08:09

2
7

Ochrona przepięciowa

II. OBIEKTY BUDOWLANE – instalacje elektryczne

1.

Kategorie instalacji elektrycznych



Kategoria IV – dotyczy początkowej części instalacji i zainstalowanych
tam urządzeń, które powinny być dobrane z uwzględnieniem możliwości
występowania przepięć atmosferycznych i łączeniowych; patrząc od
strony zasilania do złącza lub rozdzielnicy głównej



Kategoria III – dotyczy części instalacji narażone na obniżone wartości
przepięć; instalacje wewnętrzne



Kategoria II – dotyczy urządzeń przenośnych i ręcznych przyłączanych
do instalacji odbiorczej



Kategoria I – dotyczy urządzeń i elementów urządzeń stosowanych
w zamkniętych zestawach, szczególnie narażonych na przepięcia
(urządzenia elektroniczne)

27.04.21 08:09

2
8

Ochrona przepięciowa

Podział instalacji
na kategorie

27.04.21 08:09

2
9

Ochrona przepięciowa

Napięcie sieci zasilającej

względem ziemi [V]

Zalecane napięcia udarowe

wytrzymywane w prze poszczególne

kategorie instalacji

IV

III

II

I

 50

1500

800

500

330

 100

2500

1500

800

500

 150

4000

2500

1500

800

 300

6000

4000

2500

1500

 600

8000

6000

4000

2500

 1000

12000

8000

6000

4000

27.04.21 08:09

3
0

Ochrona przepięciowa

2.

Klasy ograniczników przepięć (wg norm VDE oznaczamy A, B, C, D,
a wg norm ICE – I, II, III)



Klasa B (I) – (odgromniki) – należy instalować na początku instalacji (w
złączu) zasilanych z sieci rozdzielczych napowietrznych oraz z sieci
kablowych w budynkach z zewnętrzną instalacją odgromową



Klasa C (II) – (ogranicznik przepięć) – należy stosować w miejscach
rozgałęzienia się instalacji w rozdzielnicach na poszczególnych piętrach
budynku oraz w rozdzielnicy głównej lub w złączu w budynkach bez
instalacji odgromowej zasilanych z sieci rozdzielczych kablowych



Klasa D (III) – ograniczniki tej klasy instaluje się przeważnie
w puszkach rozgałęźnych, kanałach instalacyjnych, specjalnych
gniazdach wtyczkowych, „przedłużaczach” lub bezpośrednio
w chronionych urządzeniach.

27.04.21 08:09

3
1

Ochrona przepięciowa

Podział ograniczników przepięć na klasy

Klasa

Zakres zastosowania

Miejsce

zainstalowania

Poziom

ochrony

Obciążal

-ność

prądowa

A

Ochrona linii napowietrznych
niskiego napięcia

Słupy linii nn

Zgodnie

z IEC

5–15 kA

B

(I)

Ochrona instalacji IV kategorii
(ochrona podstawowa)

Złącze,
rozdzielnica
główna

< 4 kV

100 kA

C

(II)

Ochrona instalacji III kategorii

Złącze jeżeli nie
stosuje się typu
B, RG i piętrowe

<1,5–2,5 kV

5–15 kA

D (III)

Ochrona urządzeń w II
kategorii

Puszki, gniazda,
przedłużacze

<1 – 1,5 kV

1,5–5 kA

27.04.21 08:09

3
2

Ochrona przepięciowa

Różne układy połączeń ograniczników przepięć: a) w układzie TN-C;

b) w układzie TN-C-S oraz TT; c) w układzie IT

27.04.21 08:09

3
3

Ochrona przepięciowa

Przykład wykonania ochrony
przepięciowej w instalacji
TN-C-S: układ 2-stopniowy
z zastosowanie ochronników
klasy B w złączu oraz C
w rozdzielnicy głównej

27.04.21 08:09

3
4

Ochrona przepięciowa

Rozmieszczenie ograniczników na szynie montażowej

oraz wzajemne ich połączenie dla układu jak wcześniej

27.04.21 08:09

3
5

Ochrona przepięciowa

Przykład wykonania ochrony
w instalacji o układzie TT

Z – złącze

R – rozdzielnica

1 – element indukcyjny

2 – ogranicznik typu B

3 – ogranicznik typu C

4 – wyłącznik ochronny

5 – szyna wyrównawcza główna

6 – szyna wyrównawcza miejscowa

27.04.21 08:09

3
6

Ochrona przepięciowa

Schemat przedstawiający miejsca zainstalowania i klasy ograniczników

Przepięć (B, C, D) w instalacji elektrycznej