Ochrona odgromowa i przepi ciowa

urz dze elektronicznych na dachach obiektów budowlanych

Andrzej Sowa

Podczas bezpo redniego wyładowania piorunowego w obiekt budowlany poprawnie zaprojektowana i wyko-

nana instalacja odgromowa powinna przej pr d piorunowy i odprowadzi go do ziemi. Przepływ pr du pio-

runowego powinien odby si bez szkody dla chronionego obiektu i w sposób bezpieczny dla ludzi przeby-

waj cych wewn trz i na zewn trz obiektu.
W chwili obecnej pojawiaj si wymagania stworzenia przez urz dzenie piorunochronne warunków zapew-

niaj cych bezawaryjne działanie urz dze i systemów elektronicznych pracuj cych w chronionych obiek-

tach. W takich przypadkach, oceniaj c zagro enie piorunowe i dobieraj c rodki ochrony, nale y zwróci

uwag na urz dzenia elektryczne i elektroniczne umieszczone w miejscach szczególnie nara onych na bez-

po rednie działanie pr dów piorunowych np. na dachu lub cianach obiektu budowlanego.
Niedopuszczenie do bezpo redniego oddziaływania pr du piorunowego na takie urz dzenia powinno by

jednym z pierwszych etapów post powania przy tworzeniu systemu ochrony odgromowej w obiekcie budow-

lanym. Dodatkowo nale y zwróci uwag na ograniczanie przepi w instalacjach dochodz cych do tych

urz dze .

Ochrona przed bezpo rednim działaniem pr du piorunowego

Analizuj c zagro enie piorunowe urz dze elektronicznych pracuj cych na dachu obiektu posiadaj cego instala-

cj piorunochronn nale y zwróci szczególn uwag na przypadek bezpo redniego uderzenia pioruna w ten

obiekt i mo liwo ci bezpo redniego oddziaływania pr du piorunowego na urz dzenia i instalacje. Dotyczy to

szczególnie tych urz dze , do których doł czone s instalacje zasilaj ce lub sygnałowe dochodz ce z wn trza

obiektu.
Podstawowe zasady ochrony przed tego rodzaju zagro eniem przedstawiaj normy ochrony odgromowej [2,3], w

których stwierdzono, e „wszystkie nadbudówki dachowe z materiałów izolacyjnych lub przewodz cych, w któ-

rych pracuj urz dzenia elektryczne lub przetwarzaj ce informacje powinny znajdowa si w przestrzeni chronio-

nej przez układy zwodów”.
Je li powy sze zalecenie nie b dzie spełnione to bezpo rednie wyładowanie piorunowe w nadbudówk dopro-

wadzi do zniszczenia:

•

samej nadbudówki oraz zainstalowanych wewn trz urz dze elektrycznych i elektronicznych,

•

urz dze wewn trz obiektu budowlanego.

Wymaganie umieszczenia w przestrzeni chronionej nie dotyczy nadbudówek [3]:

•

metalowych o wymiarach nie przekraczaj cych 1 m wysoko ci i 1 m

2

powierzchni całkowitej,

•

nieprzewodz cych nie wystaj cych wi cej ni 1 m nad powierzchni tworzon przez zwody.

Ochron przed bezpo rednim oddziaływaniem pr du piorunowego powinny by równie obj te urz dzenia i ele-

menty konstrukcyjne na dachach obiektów, do których doł czone s przewodz ce instalacje rozprowadzane we-

wn trz obiektu. W takich przypadkach urz dzenie piorunochronne powinno zapewni :

-

odpowiednie przestrzenie chronione dla urz dze i instalacji na dachu obiektu,

-

wyeliminowanie ró nic potencjałów pomi dzy poszczególnymi instalacjami na dachu i wewn trz obiektu,

-

ochron przed przepi ciami w instalacjach elektrycznych i elektronicznych.

Cz

z powy szych wymaga mo na spełni stosuj c odpowiednio dobrane układy zwodów pionowych lub po-

ziomych. Przestrzenie chronione tworzone przez te zwody mo na wyznaczy przy pomocy k tów osłonowych lub

wykorzystuj c zasad toczonej po dachu obiektu kuli. Te miejsca na powierzchni dachu, które s dotykane przez

kul s równie zagro one mo liwo ci bezpo rednich uderze piorunów (rys.1.).

A. Sowa Ochrona odgromowa I przepi ciowa urz dze elektronicznych na dachach obiektów budowlanych

Rys. 1. Tworzenie przestrzeni chronionej 0

B

na dachu budynku

W przypadku kompleksowego rozwi zania ochrony odgromowej przestrze wewn trz i na zewn trz obiektu dzie-

lona jest na strefy ochrony odgromowej (LPZ – Lightning Protection Zone), w których wyst puj okre lone wa-

runki elektromagnetyczne.

W tworzonej na dachu przestrzeni chronionej (tzw. strefa 0

B

) urz dzenia b d nara one na bezpo rednie

oddziaływanie pola elektromagnetycznego jakie mo e powsta podczas wyładowania piorunowego w obiekt

budowlany.

Wyznaczaj c obszar strefy 0

B

nale y uwzgl dni [2] wybrany poziom ochrony oraz wysoko zwodu h (tabli-

ca 1).

Układ zwodów powinien:

•

stworzy odpowiedni stref ochron ,

•

uniemo liwi wyst pienie przeskoków iskrowych pomi dzy przewodami instalacji piorunochronnej i

chronionymi urz dzeniami.

Dokładny sposób okre lania bezpiecznych odst pów jest bardzo pracochłonny i wymaga obliczenia napi cia

jakie wyst pi na odst pie izolacyjnym i porównania tej warto ci z dopuszczalnymi warto ciami napi dla

danego odst pu.

Nale y uwzgl dni mo liwo wyst powania na odst pie izolacyjnych napi o ró nych kształtach zwi za-

nych ze spadkami napi na indukcyjno ciach przewodów lub rezystancjach uziomów.

W normie PN IEC 61024-1 przyj to wyznacza minimalne warto ci bezpiecznych odst pów przy pomocy

prostej zale no ci, któr przedstawiono równie w tablicy 1.

Dodatkow zalet takiego rozwi zania jest niedopuszczanie do wnikania pr du piorunowego do przewodz cych

elementów konstrukcji dachu i jego rozpływu wewn trz obiektu.

A. Sowa Ochrona odgromowa I przepi ciowa urz dze elektronicznych na dachach obiektów budowlanych

Tablica 1. Warto ci podstawowych parametrów charakteryzuj cych wła ciwo ci ochronne zwodów na da-

chu obiektu

20 m

30 m

45 m

60 m

Poziom

ochrony

h

R

α

[

0

]

I

20 m

25

--

--

--

II

30 m

35

25

--

--

III

45 m

45

35

25

--

IV

60 m

55

45

35

25

Widok ogólny

Przybli one zale no ci do wyznaczania

współczynników k

c

d

≥

s

L

k

k

k

s

m

c

i

⋅

≥

Warto ci współczynników :

k

i

- 0,1 ; 0,075 i 0,05 odpowiednio dla I, II oraz III i

IV poziomu ochrony)

k

m

- 1 w powietrzu i 0,5 w dielektryku stałym,

k

c

- uzale niony od rozpływu pr du w obiekcie,

L - jest długo ci mierzon wzdłu przewodu od-

prowadzaj cego od punktu rozpatrywanego

zbli enia do punktu najbli szego poł czenia

wyrównawczego.

W układach ochronnych, w których nie nast pu-

je rozpływ pr du piorunowego, współczynnik

k

c

= 1.

A. Sowa Ochrona odgromowa I przepi ciowa urz dze elektronicznych na dachach obiektów budowlanych

W przypadku urz dze rozmieszczonych w ró nych punktach dachu optymalnym rozwi zaniem mo e si

okaza utworzenie siatki zwodów nad cał powierzchni dachu (rys.2.).

Je li stworzenie ochrony odgromowej eliminuj cej bezpo rednie oddziaływanie pr du piorunowego na urz dze-

nia instalowane na dachu obiektu jest niemo liwe do wykonania to mo na zastosowa jedno w poni ej przedsta-

wionych rozwi za :

•

w instalacjach przewodz cych, którymi pr d piorunowy mo e wpłyn do obiektu (np. rury systemu kli-

matyzacji i wentylacji), nale y zastosowa elementy izolacyjne o długo ci (grubo ci) co najmniej dwu-

krotnie wi kszej od wymaganych odst pów izolacyjnych,

•

w miejscach zbli enia instalacji odgromowej i chronionego urz dzenia lub systemu nale y zastoso-

wa poł czenia wyrównawcze bezpo rednie lub przy pomocy iskierników.

Odst py bezpieczne nale y równie uwzgl dni , je li analizowane jest zagro enie urz dze instalowanych

na cianach obiektu.

Rys.2. Ochrona odgromowa urz dze

na dachu obiektu budowlanego

A. Sowa Ochrona odgromowa I przepi ciowa urz dze elektronicznych na dachach obiektów budowlanych

Ograniczanie przepi w instalacji elektrycznej

W obiekcie budowlanym do ograniczania przepi w instalacji elektrycznej nale y zastosowa wielostopniowy

system ograniczników przepi . W przypadku zasilania urz dze montowanych na dachach obiektów s to naj-

cz ciej dwustopniowe systemy tworzony przez układy ograniczników klasy I i II (rys.3).

Systemy dwustopniowych układów ograniczników klasy I i II zapewniaj ochron przed pr dem piorunowym

i przepi ciami je li spełnione s nast puj ce warunki:

•

na dachu budynku urz dzenia umieszczone s w przestrzeni chronionej (strefa 0

B

),

•

dochodz ce do urz dze przewody instalacji elektrycznej, na trasie od przył cza do urz dzenia, nie s

nara one na bezpo rednie działanie pr du piorunowego.

W rozwi zaniu przedstawionym na rys.3. dwustopniowy system ochrony składa si z układów:

•

ograniczników przepi klasy I umieszczonych w pobli u miejsca wprowadzania instalacji elektrycznej do

obiektu budowlanego (np. zł cze, szafka obok zł cza),

•

ograniczników przepi klasy II instalowanych w rozdzielnicy pi trowej lub oddziałowej z której zasilane s

urz dzenia na dachu obiektu.

Ograniczniki przepi klasy II mog by równie umieszczone w rozdzielnicy wewn trz urz dzenia lub nadbu-

dówki.
Je li stosujemy powy szy system ograniczania przepi to biegn ce na powierzchni dachu przewody insta-

lacji elektrycznej powinny by uło one w metalowych rurkach lub kanałach.
Innym rozwi zaniem jest uło enie przewodów w przestrzeni chronionej tworzonej przez dodatkowe zwody

lub elementy konstrukcyjne obiektu budowlanego.
W wi kszo ci obiektów budowlanych wymagane poziomy ograniczania przepi przez układy ograniczników

s nast puj ce:

-

poni ej 4000 V - układy ograniczników klasy I (rys.4),

-

poni ej 1500 V - układy ograniczników przepi klasy II (rys.5).

Przedstawione zasady ochrony odgromowej dotycz najcz ciej elementów systemów klimatyzacji i wenty-

lacji. Przedstawione zasady ochrony odgromowej dotycz najcz ciej elementów systemów klimatyzacji i

wentylacji.

Rys. 3. Rozmieszczenie układów ograniczników

w przypadku umieszczenia obiektu w stre

fie ochronnej

A. Sowa Ochrona odgromowa I przepi ciowa urz dze elektronicznych na dachach obiektów budowlanych

Je li nie mo na wyeliminowa zagro enia stwarzanego przez bezpo rednie oddziaływanie cz ci pr du pio-

runowego na uło one na dachu przewody instalacji elektrycznej to nale y zastosowa :

•

układ ograniczników klasy I umieszczonych w pobli u miejsca wprowadzania instalacji elektrycznej do

obiektu budowlanego (np. zł cze, szafka obok zł cza) i ograniczaj cych przepi cia do poziomu poni-

ej 4000 V,

•

układ ograniczników klasy I umieszczonych w rozdzielnicy zasilaj cej urz dzenie i ograniczaj cych

przepi cia do poziomu poni ej poziomu odporno ci udarowej chronionych urz dze .

a)

b)

c)

Rys.4. Ochrona instalacji elektrycznej przed działaniem pr du piorunowego:

a) ogólny schemat poł cze ,

b) widok ogólny ogranicznika klasy I PowerPro B 50kA,

c) prosty układ iskiernika stosowany w ograniczniku.

a)

b)

Rys.5. Ograniczanie przepi w instalacji elektrycznej:

a) ogólny schemat poł cze w systemie sieci TN-S,

b) widok ogólny ogranicznika czteropolowego EnerPro C TNS

Przykład takiego układu ograniczników, który zapewnia ochron przed działaniem pr du udarowego o warto ci

szczytowej do 100 kA i kształcie 10/350 (symulacja zagro enia w przypadku I poziomu ochrony odgromowej) i

ograniczaj cy przepi cie do poziomu poni ej 1000 V przedstawiono na rys.6.

A. Sowa Ochrona odgromowa I przepi ciowa urz dze elektronicznych na dachach obiektów budowlanych

Ograniczanie przepi w systemach przesyłu sygnałów

W urz dzeniach elektronicznych na dachach obiektów budowlanych porty wej ciowe/wyj ciowe powinny by

równie chronione przez jedno- lub dwustopniowy system ograniczników przepi .

a)

b)

Rys.6. Układ ograniczników PowerPro BCD TNS 25/100kA o poziomie ochrony poni ej 1000 V

Dobór parametrów układów ograniczników uzale niony jest m.in. od wyst puj cego zagro enia, umiejsco-

wienia linii sygnałowych oraz wymaga wynikaj cych z zasad działania systemu. Podstawowe wymagania

dla zapewnienia ochrony w ro nych przypadkach zestawiono w tablicy 2.

W przypadku systemu dwustopniowego ochron podstawow zapewnia układ odgromników gazowanych

umieszczony w pobli u miejsca wprowadzania przewodów do obiektu budowlanego (rys.7.), który w naj-

mniej korzystnym przypadku powinien zapewni ochron przed działaniem pr dów udarowych o kształcie

10/350 i warto ciach szczytowych dochodz cych do kilku kA.

Tablica 2. Podstawowe rozwi zania ochrony portów sygnałowych urz dze na dachach obiektów

budowlanych.

Opis układu

Zalecane rozwi zanie

Istnieje mo liwo wnikania cz ci pr du piorunowego do linii przesyłu sygnałów

uło onej na dachu obiektu budowlanego

Linie przesyłu sygnałów dochodz z zewn trz do

obiektu budowlanego

Dwa układy ograniczników chroni ce przed działaniem

cz ci pr du piorunowego:

-

układ umieszczony na wej ciu do obiektu,

-

układ chroni cy przy urz dzeniu.

Linie przesyłu sygnałów nie wychodz poza obiekt Dwa układy ograniczników na obu ko cach linii prze-

syłu sygnałów (ochrona przed przepi ciami)

Na dachu obiektu linie przesyłu sygnałów w przestrzeniach chronionych – pr dy piorunowe nie oddziałuj na

linie sygnałowe

Linie przesyłu sygnałów dochodz z zewn trz do

obiektu budowlanego

Dwa układy ograniczników:

-

układ chroni cy przed działaniem cz ci pr du

piorunowego umieszczony na wej ciu do obiektu,

-

układ umieszczony przy urz dzeniu (ochrona

przed przepi ciami)

Linie przesyłu sygnałów nie wychodz poza obiekt

(długie odcinki linii w obiekcie budowlany)

Dwa układy ograniczników na obu ko cach linii prze-

syłu sygnałów (ochrona przed przepi ciami

Linie przesyłu sygnałów nie wychodz poza obiekt

(krótkie kilkumetrowe odcinki linii w obiekcie bu-

dowlanym)

Ograniczników mo na nie stosowa .

A. Sowa Ochrona odgromowa I przepi ciowa urz dze elektronicznych na dachach obiektów budowlanych

a)

b)

c)

d)

Rys.7. Typowe układy poł cze odgromników gazowanych tworz cych ochron przed działaniem cz ci

pr du piorunowego (udary o kształcie 10/350);

a) przewody nieekranowane,

b) przewody ekranowane – ekran poł czony z lokalnym systemem wyrównywania potencjałów,

c) przewody ekranowane – ekran izolowany od lokalnego systemu wyrównywania potencjałów,

d) przykład ogranicznika zapieniaj cego ochron podstawow

Do ochrony przed przepi ciami najcz ciej stosowane s ograniczniki zawieraj ce układy odgromników ga-

zowanych i diod zabezpieczaj cych. Przykład takiego układu chroni cego lini przesyłu sygnałów o napi ciu

znamionowym 24V= przed udarami napi ciowymi i pr dowymi przedstawiono na rys. 8.

Rys.8. Przykład ogranicznika przepi do ochrony portów sygnałowych

Podsumowanie

Zapewnienie bezawaryjnego działania urz dze elektronicznych mo e wymaga zastosowanie nowych

rozwi za przy tworzeniu instalacji piorunochronnej. Dotyczy to szczególnie urz dze instalowanych na da-

chach obiektów budowlanych. S one szczególnie nara one na bezpo rednie wyładowanie piorunowe i co-

raz cz ciej zalecane jest niedopuszczenie do bezpo redniego oddziaływania pr du piorunowego na te

urz dzenia. Spełnienie powy szych wymaga mo na osi gn stosuj c odpowiednio dobrane układy zwo-

dów podwy szonych oraz ograniczenie przepi dochodz cych do tych urz dze z instalacji elektrycznej

oraz z linii przesyłu sygnałów.

A. Sowa Ochrona odgromowa I przepi ciowa urz dze elektronicznych na dachach obiektów budowlanych

Literatura

1.

PN-86/E-05003/01. Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.

2.

PN-IEC 61024-1:2001, Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne.

3.

PN-IEC 61024-1-2. Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B – Pro-

jektowanie, monta , konserwacja i sprawdzanie urz dze piorunochronnych.

4.

PN-IEC 61312-1:2001, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne.

5.

PN-IEC 61643-1.Urz dzenia ograniczaj ce przepi cia doł czone do sieci rozdzielczych niskiego na-

pi cia. Wymagania techniczne i metody bada .

6.

PN-IEC 60364-4-443: 1999, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnie-

nia bezpiecze stwa. Ochrona przez przepi ciami. Ochrona przed przepi ciami atmosferycznymi i ł -

czeniowymi.

7.

Dziennik Ustaw z 2002 r. Nr 169, poz. 1386.

8.

Flisowski Zd. : Trendy rozwojowe ochrony odgromowej budowli. Cz

1. Wyładowania piorunowe jako ródło

zagro enia. Warszawa PWN 1986.

9.

Trommer W., Hampe E.A.: Blitzschutzanlagen. Planen. Bauen. Prüfen. Huthing. 1997.

10.

Hasse P.: Überspannungsschutz von Niederspannungsanlagen. Betrieb elektronischer Geräte auch bei direk-

ten Blitzschlägen. Tüv-Verlag. 1998.