22

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 5 / 2 0 0 4

W

śród podstawowych przyczyn
zwiększonego zagrożenia pio-

runowego obiektów stacji i przepię-
ciowego urządzeń należy wymienić:

lokalizację stacji, bardzo często na
otwartej przestrzeni, w najwyższym
punkcie w danej okolicy;

obecność wysokich, najczęściej kil-
kudziesięciometrowych, wież ante-
nowych;

umieszczanie kontenerów lub szaf
z urządzeniami elektronicznymi
bezpośrednio pod wieżami;

zasilanie, często z napowietrznych
linii średniego napięcia, z krótkimi
podejściami kablowymi lub nawet
z napowietrznych linii niskiego na-
pięcia.

Dobierając środki ochrony odgro-

mowej i układy ograniczające prze-
pięcia należy uwzględnić zagrożenie
stwarzane przez:

bezpośrednie oddziaływanie prą-
du piorunowego na anteny lub inne
urządzenia umieszczone na wieżach;

przepięcia oraz bezpośrednie od-
działywanie części prądu pioruno-
wego na instalacje elektryczne;

napięcia dotykowe i krokowe, na
działanie których narażeni są lu-
dzie przebywający na terenie stacji
lub w jej bezpośrednim sąsiedztwie
podczas bezpośredniego wyładowa-
nia piorunowego.
Projektując systemy ochrony należy

uwzględnić wymagania norm ochro-

ny odgromowej obiektów budowla-
nych [1, 2, 3, 4], ochrony przepięcio-
wej w instalacji elektrycznej [8] oraz
zalecenia zawarte w normach kompa-
tybilności elektromagnetycznej urzą-
dzeń instalowanych w stacjach bazo-
wych [9, 10, 11]. Schemat postępowa-
nia przy tworzeniu kompleksowej
ochrony odgromowej i przepięciowej
stacji przedstawiono na rysunku 1.

W artykule ograniczono się jedy-

nie do przedstawienia (bloki ozna-
czone kolorem niebieskim na ry-
sunku 1) ogólnych zasad wyznacza-
nia poziomów ochrony oraz wyma-
gań, jakie powinny spełniać urządze-
nia do ograniczania przepięć w insta-
lacji elektrycznej.

poziom ochrony stacji

bazowej

Przed przystąpieniem do opra-

cowania szczegółowych rozwiązań
ochrony odgromowej i przepięciowej
należy zebrać podstawowe informacje
o samej stacji i urządzeniach, które
będą w niej zainstalowane, oraz wy-
znaczyć wymagany poziom ochrony.
Dopiero po jego wyznaczeniu moż-
na określić:

parametry prądów piorunowych,
które będą wykorzystane przy dobo-

rze urządzeń ograniczających prze-
pięcia;

wymagane, ze względu na ochronę
odgromową, wymiary systemu uzio-
mowego stacji;

przestrzenie ochronne i odstępy
bezpieczne.
Poziom ochrony dla urządzenia

piorunochronnego stacji dobiera-
my zgodnie z zaleceniami zawarty-
mi w normie PN-IEC 61024-1-1 [5],
w której przedstawiono uzupełnia-
jące wymagania do norm PN-IEC
61024-1 i PN-IEC 61312-1 [2, 4].
Należy zauważyć, że norma PN-IEC
61024-1-1 przedstawia tylko ogólne
zasady doboru właściwego poziomu
ochrony zwykłych obiektów budow-
lanych i obejmuje swoim zasięgiem
obiekty o wysokości do ok. 60 m.

W przypadku stacji bazowych tok

postępowania wymaga:

określenia średniej rocznej czę-
stotliwości wyładowań pioruno-
wych N

d

w stację bazową. Wartość

N

d

jest iloczynem lokalnej gęsto-

ści doziemnych wyładowań pio-
runowych N

g

i równoważnej po-

wierzchni zbierania wyładowań
przez obiekt A

e

(rys. 2);

określenia wartości akceptowalnej N

c

;

wyznaczenia skuteczności urządze-
nia piorunochronnego;

ograniczanie przepięć w instalacji

elektrycznej w stacjach bazowych

telefonii komórkowej

prof. dr hab. inż. Andrzej Sowa - Politechnika Białostocka

Urządzenia elektryczne i elektroniczne pracujące w wolno stojących stacjach bazowych
telefonii komórkowej są szczególnie często narażone na: bezpośrednie oddziaływanie
części prądu piorunowego, działanie przepięć atmosferycznych indukowanych oraz dzia-
łanie przepięć wewnętrznych powstających w sieci elektroenergetycznej.

o c h r o n a o d g r o m o w a i p r z e p i ę c i o w a

Rys. 1 Ogólny schemat zasad tworzenia kompleksowej ochrony odgromowej stacji bazo-

wej i przepięciowej urządzeń

Rys. 2 Wyznaczanie powierzchni zbierania wyładowań przez wysoką wieżę lub maszt

n r 5 / 2 0 0 4

23

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

E

N

N

c

d

≥ −

1

wybrania poziomu ochrony, odpo-
wiedniego dla wyznaczonej skutecz-
ności.
Zgodnie z zaleceniami [5], war-

tość akceptowalną częstotliwości
wyładowań pioruno wych w obiekt
N

c

powinien ustalić właściciel obiek-

tu lub projek tant urządzenia pioru-
nochronnego.

Niestety, jednoznaczne ustale-

nie wartości N

c

nie jest proste, gdyż

w normie PN-IEC 61024-1-1 [5] zale-
cano przyjmowanie dla obiektów zwy-
kłych wartości N

c

= 10

-2

, a w interpre-

tacji postanowień tej normy [12] okre-
ślono dla tych samych obiektów war-
tość N

c

= 10

-3

.

W tabeli 1 przedstawiono wyni-

ki obliczeń wymaganych poziomów
ochrony dla stacji bazowych przy na-
stępujących założeniach:

wysokości wież wynoszą 45 m i 60 m;

stacje będą umieszczane w róż-
nych częściach kraju, co wymaga
uwzględnienia rocznej gęstości wy-
ładowań piorunowych na km

2

, od-

powiednio 1,8 lub 2,5;

stacje są traktowane jak zwykłe
obiekty budowlane.
Przyjęcie I poziomu ochrony po-

woduje, że projektując układy ogra-
niczników przepięć na leży uwzględ-
nić możliwość wystąpienia prądów
piorunowych o następujących para-
metrach:

Parametry prądu piorunowego

pierwszego udaru:

wartość szczytowa 200 kA,

kształt prądu (czas czoła/czas do pół-
szczytu) 10/350,

ładunek impulsowy 100 C,

energia właściwa 10 MJ/W,

kształt prądu kolejnej składowej (czas
czoła/czas do półszczytu) 0,25/100.
Parametry prądu piorunowego na-

stępnego udaru:

wartość szczytowa 50 kA,

maksymalna szybkość narastania
prądu piorunowego 200 kA/ms.
W przypadku uderzenia w wieżę,

prąd piorunowy rozpływa się w syste-
mie uziomowym (uwzględniany jest
uziom wieży, kontenera i pozostałe ele-
menty systemu) i wpływa do instalacji
elektrycznej. W analizowanych przypad-
kach można przyjąć, zgodnie z zalecenia-
mi normy PN-IEC 61312-1 [4], że w naj-
gorszym przypadku około 50 % całkowi-
tego prądu piorunowego wpływa do sys-
temu uziomowego stacji, a około 50%
wpływa do instalacji elektrycznej.

Przyjęcie uproszczonego podzia-

łu prądu piorunowego stwarza ko-
nieczność zastosowania w instala cji
elektrycznej zasilającej urządzenia
w kontenerze układów ograniczni-
ków przepięć zapewniających ochro-
nę przed bezpośrednim oddziaływa-
niem prądu udarowego o kształcie
10/ 350 i warto ściach szczytowych
dochodzących do 100 kA oraz ochro-
ny przed wszelkiego rodzaju prze-

Współczynnik

Zależność

Wartości

Wysokość wieży h

40 m

60 m

Lokalna roczna gęstość
wyładowań piorunowych
na km

2

- N

g

1,8*

2,5**

1,8*

2,5**

Powierzchnia zbierania
stacji bazowej A

e

(rys. 1)

A

e

»p× m

2

×h

2

***

45 240 m

2

101 788 m

2

Średnia roczna
częstotliwość wyładowań
piorunowych
w wieżę N

d

N

d

=N

g

×A×10

-6

0,0814 0,1131

0,183

0,254

Wartość akceptowalna N

c

10

-3

(10

-2

)

Wymagana skuteczność
E urządzenia
piorunochronnego stacji

E

N

N

c

d

≥ −

1

0,987

(0,877)

0,991

(0,911)

0,994

(0,945)

0,996

(0,960)

Wymagany poziom ochrony

I****

(III)

I****

(II)

I****

(II)

I**** (I)

* - dla obszarów o szerokości geografi cznej większej niż 51°30’,

** - dla pozostałych obszarów kraju,
*** - dla m = 3 zgodnie z PN-IEC 61024-1-1,
**** - poziom ochrony I z dodatkowymi wymaganiami.
Wartości podane w nawiasach wyznaczono dla N

c

= 10

-2

.

Tab. 1 Wartości podstawowych współczynników wykorzystywanych przy wyznaczaniu

poziomów ochrony

24

o c h r o n a o d g r o m o w a i p r z e p i ę c i o w a

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 5 / 2 0 0 4

pięciami atmosferycznymi indukowa-
nymi oraz wewnętrznymi.

Dobierając ogranicznik przepięć na-

leży uwzględnić, że w najgorszym przy-
padku pojedynczy ogranicznik (jedno-
polowy) powinien zapewnić ochronę
przed działaniem prądu piorunowe-
go o wartości szczytowej określonej
z zależności:

I

imp

= 100 kA/

n

gdzie:
n – liczba przewodów w kablu zasilają-
cym dochodzącym do kontenera.

poziomy odporności

udarowej urządzeń

w stacjach bazowych

Zadaniem elementów i układów

ochrony odgromowej i przepięcio-
wej jest ograniczenie udarów do po-
ziomów niegroźnych dla urządzeń le-
żących poniżej poziomów odporno-
ści urządzeń na działanie zakłóceń.
Uwzględniając fakt ograniczenia roz-
ważań tylko do przepięć atmosferycz-
nych i łączeniowych, określone zo-
staną wymagania dotyczące pozio-
mów odporności urządzeń na działa-
nie jednokierunkowych (jednobiegu-
nowych) udarów napięciowo-prądo-
wych o kształcie 1,2/50 - 8/20 [7].

Informację o poziomach odporności

urządzenia powinien przedstawić pro-
ducent w formie dopuszczalnych po-
ziomów zakłóceń dla danych urządzeń

oraz wykazu norm, zgodnie z który-
mi prowadził badania.

Przykładowe wartości poziomów

odporności udarowej urządzeń, któ-
re mogą być stosowane na stacjach
bazowych, zestawiono w tabeli 2.

Uwzględniając przedstawione da-

ne należy przyjąć, że układy ogra-
niczników stosowane w instalacji
elektrycznej zasilającej urządzenia
w stacjach bazowych powinny ogra-
niczać przepięcia do poziomów po-
niżej 1000 V – odporność udarowa
niesymetryczna.

ograniczanie przepięć

w instalacji elektrycznej

Dobierając urządzenia do ogra-

niczania przepięć w instalacji elek-
trycznej w stacji bazowej należy
uwzględnić:

zagrożenie piorunowe wynikające
z przyjętego poziomu ochrony;

wymagania wynikające z niewiel-
kich rozmiarów szafy lub konte-
nera z urządzeniami elektronicz-
nymi;

trudności z dokładnym określe-
niem odporności udarowej każde-
go z urządzeń;

celowość zachowania margine-
su koordynacyjnego pomiędzy po-
ziomem wytrzymałości udarowej
urządzeń a napięciowym pozio-
mem ochrony ograniczników.

Rys. 4 Ogranicznik PowerPro-BCD-Tr/25kA: a) widok ogólny ogranicznika b), c) wew-

nętrzny układ połączeń ogranicznika odpowiednio bez oraz z monitorowaniem

iskiernika

Rys. 5 Przykłady modułowych układów ograniczników typu PPBCD TNC i TN-S

Rys. 3 Układy połączeń ogra niczni ków przepięć klasy I i II z dodatkowymi elementami

odsprzęgającymi

Urządzenia

Poziomy wytrzymałości urządzeń od strony zasilania

napięciem przemien nym na udary

napięciowo-prądowe (1,2/50-8/20 µs)

Bezprzerwowe
systemy zasilania
(PN-EN 62040-2)

Bezprzerwowe systemy zasilania:

- 2000 V (udary niesymetryczne),

- 1000 V (udary symetryczne).

Urządzenia zasilające
w telekomunikacji
(PN-T-83101)

Obwody zasilania zespołów prostowniczych i siłowni oraz

obwodów wyj ściowych przetwornic napięcia przemiennego:

- 2000 V (udary niesymetryczne),

- 1000 V (udary symetryczne).

Urządzenia w stacjach
bazowych
(PN-ETS 300 342-2)

Sprzęt radiowy stacji bazowych oraz współpracujące wyposażenie

dodatkowe:

- 1000 V (udary niesymetryczne),

- 500 V (udary symetryczne).

Tab. 2 Wymagane poziomy odporności udarowej urządzeń

n r 5 / 2 0 0 4

25

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

Układ ograniczników powinien

być dobrany do stosowanego sys-
temu sieci i umieszczony w takim
miejscu, w którym istnieje możli-
wość jego kontroli. Ograniczanie
przepięć do niskich poziomów wy-
maga również stosowania możliwie
najkrótszych przewodów do połą-
czeń ograniczników.

Dotychczas w takich instalacjach

najczęściej stosowano dwustopnio-
we układy ograniczników klasy I i II
z dodatkowymi elementami odsprzę-
gającymi między nimi (rys. 3).

Przedstawione układy zapewniały

ograniczanie przepięć do poziomów
poniżej 1000 V, ale zajmowały dużo
miejsca w rozdzielnicy. Dodatkowo
zastosowanie elementów odsprzęga-
jących ograniczało dopuszczalne war-
tości prądów znamionowych w insta-
lacji. Wyeliminowanie wad przedsta-
wionego układu ograniczników, przy
zachowaniu wymaganych właściwo-
ści ochronnych, osiągnięto wprowa-
dzając nowe typy ograniczników kla-
sy I, o niskich napięciowych pozio-
mach ochrony.

Jednym z takich rozwiązań są ogra-

niczniki klasy I typu PowerPro-BCD-
Tr/25kA/Pk (rys. 4), o napięciowym
poziomie ochrony poniżej 1000 V.

W ogranicznikach PowerPro-

BCB-Tr/25kA zastosowano wie-
loprzerwowe iskierniki, umieszcza-
ne w ceramicznej obudowie w at-
mosferze gazu szlachetnego. Zapew-
niają one:

szybsze zadziałanie ogranicznika
w porównaniu z ogranicznikami za-
wierającymi iskierniki kla syczne;

zadziałanie ogranicznika bez dodat-
kowych elementów sterujących lub
przyspieszających zapłon;

napięciowy poziom ochrony poniżej
1000 V;

możliwość ochrony przed prądami
uda rowymi 10/350 o wartościach
szczyto wych do 25 kA;

nieznaczne zniekształcenie napięcia
w instalacji elektrycznej, jakie wystę-
puje po za działaniu ogranicznika;

brak wydmuchu gazów na zewnątrz
ogranicznika.
Badania laboratoryjne zastosowa-

nych iskierników wieloprzerwowych

wykazały, że ok. 70% przypadków ich
zadziałań nie powoduje przepływu
prądu następczego w ograniczniku,
a w pozostałych przypadkach płyną
prądy następcze o stosunkowo nie-
wielkich wartościach (kilkaset A).
Takie działanie iskierników zapew-
nia dobrą współpracę ograniczni-
ków i bezpieczników (nie następu-
je zadziałanie wkładek bezpieczni-
kowych o wartościach przekracza-
jących 35 A) i nie powoduje przerw
w zasilaniu stacji.

W ogranicznikach PowerPro-BCD-

Tr/25kA istnieje również możliwość
monitorowania stanu iskiernika.
W przypadku wzrostu temperatury
iskiernika następuje otwarcie bez-
potencjałowego zestyku, który może
być elementem obwodu monitorują-
cego układ ograniczników. Ogranicz-
niki z układami monitorowania po-
siadają w swojej nazwie dodatkowe
oznaczenie (/Pk).

Ograniczniki PowerPro-BCD-Tr

wypo sażono w po 2 zaciski służące
do połączenia z każdym z przewo dów
fazowych i z przewodem neutralnym
N (w systemie sieci TN-S). Wprowa-
dzenie takiego rozwiązania umożli-
wia prosty montaż ograniczników
w tzw. układzie V (połączenie sze-
regowe). W celu ułatwienia montażu
producent przygotował gotowe zesta-
wy ograniczników do systemów sieci
TN i TT (rys. 5).

Każdy zestaw składa się z 3 lub 4

pojedynczych ograniczników, połączo-
nych dodatkowymi mostkami, i ma-
skownicy, na której opisano podsta-
wowe parametry zestawu.

Podstawowymi zaletami moduło-

wych układów ograniczników są:

uproszczony montaż;

bardzo niskie, dochodzące do
1000 V, poziomy ograniczania war-
tości szczytowej napięć i prądów
udarowych (z obu stron układu
ograniczników);

zastosowanie w ogranicznikach
wskaźników uszkodzeń iskierni-
ków (reakcja na grzanie iskiernika);

ograniczniki PowerPro-BCD-Tr/25kA
zastosowane w modułowych ukła-
dach spełniają wymagania badań
klasy I, II i III;

26

o c h r o n a o d g r o m o w a i p r z e p i ę c i o w a

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 5 / 2 0 0 4

moduły ograniczników mogą być
stosowane do wszystkich rodzajów
stacji bazowych;

moduły ograniczników mogą być
łączone w układzie szeregowym
lub równoległym. Ograniczniki
nie wymagają dobezpieczeń, jeśli
wartości bezpieczników nie prze-
kraczają 250 A gL/gG lub 100 A gL/
gG, odpowiednio w równoległym
i szeregowym układzie połączeń
(rys. 6);

budowanie układów ochron-
nych z jednopolowych ogranicz-
ników różnych powoduje, że ist-
nieje możliwość łatwej i taniej wy-
miany w przypadku uszkodzenia
poszczególnych ograniczników.
Nie wymienia się całego układu
ochronnego, co może być koniecz-
ne w przypadku zastosowania in-
nych rozwiązań.
Ograniczając przepięcia w instala-

cji elektrycznej stacji bazowej należy
zwrócić szczególną uwagę na wyrów-
nanie potencjałów instalacji wpro-
wadzanych do kontenerów lub szaf.
Optymalnym rozwiązaniem jest za-
stosowanie jednej szyny wyrównaw-
czej, z którą należy połączyć przewód
PE lub PEN instalacji elektrycznej oraz
przewody od opasek wyrównawczych
fiderów (rys. 7).

Przyjęcie takiego rozwiązania

stwarza konieczność umieszczenia
modułowych zestawów ogranicz-
ników w dodatkowej szafce na ze-
wnątrz (rys. 7a) lub wewnątrz kon-
tenera (rozdzielnica z pozostałymi
aparatami elektrycznymi znajdu-
je się w kontenerze) lub umieszcze-
nie rozdzielnicy wewnątrz kontene-
ra wspólnie z innymi aparatami elek-
trycznymi (rys. 7b).

W przypadku wprowadzania do

kontenera fiderów, maksymalną sku-
teczność ochrony zapewnia zastoso-
wanie metalowej płyty czołowej [13],
która powoduje wzajemne wyrówna-
nie potencjałów pomiędzy ekranami
poszczególnych fiderów oraz dobre
ich uziemienie.

Podobne rozwiązanie, wspólną szy-

nę dla fiderów, instalacji elektrycznej
oraz linii sygnałowych, należy stoso-
wać w przypadku wykorzystywania za-

miast kontenerów szaf z aparatu-
rą elektroniczną (rys. 8).

Przedstawione modułowe

układy ograniczników znalazły
zastosowanie przy ograniczaniu
przepięć w instalacjach elek-
trycznych w stacjach bazowych
lub w innych niewielkich obiek-
tach budowlanych oraz rozdziel-
niach niskiego napięcia, w któ-
rych pracują urządzenia elek-
troniczne.

W przypadku stacji bazowej, za-

pewnienie pełnej ochrony urzą-
dzeń wymaga również właściwe-
go rozwiązania systemu wyrów-
nywania potencjałów w konte-
nerze oraz systemu uziomowego
masztu i kontenera.

literatura

1. PN-86/E-05003/01, Ochrona od-

gromowa obiektów budowla-
nych. Wyma gania ogólne.

2. PN-IEC 61024-1:2001, Ochrona

odgromowa obiektów budow-
lanych. Za sady ogólne.

3. PN-IEC 61024-1-2, Ochrona od-

gromowa obiektów budow-
lanych. Zasady ogólne. Prze-
wodnik B – Projektowanie, mon-
taż, konserwacja i sprawdzanie
urządzeń pioruno chronnych.

4. PN-IEC 61312-1:2001, Ochrona

przed piorunowym impulsem
elektroma gne tycznym. Za sady
ogólne.

5. PN-IEC 61024-1-1:2001, Ochro-

na odgromowa obiektów bu-
dowlanych. Zasady ogólne. Wy-
bór poziomu ochrony dla urzą-
dzenia piorunochronnego.

6. PN-IEC

61643-1.Urządzenia

ograniczające przepięcia dołączone
do sieci rozdzielczych niskiego na-
pięcia. Wymagania techniczne i me-
tody badań.

7. PN-EN 61000-4-5:1998, Kompaty-

bilność elektromagnetyczna (EMC).
Me tody badań i po miarów. Badania
odporności na udary.

8. PN-IEC 60364-4-443: 1999, In-

stalacje elektryczne w obiektach
budowla nych. Ochrona dla zapew-
nienia bezpieczeństwa. Ochrona

przed przepię ciami. Ochrona przed
przepięciami atmosferycznymi
i łącze niowymi.

9. PN-T-83101:1996, Urządzenia zasila-

jące w telekomunikacji. Określenia,
wymagania i badania.

10. PN-ETS 300 342-2:1999, Urządze-

nia i systemy radiowe (RES). Kom-
patybilność elektromagnetyczna
(EMC) europejskiego cyfrowego ko-
mórkowego systemu telekomunika-
cyjnego (GSM 900 MHz i DCS 1 800

MHz). Radiowe stacje bazowe i wy-
posażenie dodatkowe.

11. PN-EN 62040-2:2002, Bezprzerwo-

we systemy zasilania. Część 2. Wy-
magania dotyczące kompatybilności
elektromagntycznej (EMC).

12. Interpretacja postanowień norm

serii PN-86-92/E-05003 i serii
PN- IEC 61024 wg decyzji NKP 55
(www.ochrona.net.pl).

13. www.rst.pl
14. www.ochrona.net.pl

Rys. 8 Wprowadzanie instalacji do szafy z aparaturą elektroniczną

Rys. 7 Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej dochodzącej do kontenera, a) szafka

z ogranicznikami na zewnątrz kontenera, b) ograniczniki w rozdzielnicy RT

Rys. 6 Przykład równoległego i szeregowego połączenia modułu ochronnego PPBCD TN-S

50/100

a)

b)