OGRANICZANIE PRZEPI
Ć
W INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ
Nietypowe sposoby ograniczania przepięć
w instalacji elektrycznej w niewielkich obiektach
Andrzej Sowa
Zapewnienie poprawnego i bezawaryjne działanie czułych urządzeń i systemów elektronicznych
wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na :
" odpowiedni dobór układów ograniczników przepięć,
" wyrównanie potencjałów wszelkich instalacji przewodzących dochodzących do obiektu w któ-
rych pracujÄ… chronione urzÄ…dzenia i systemy,
" wyrównywanie potencjałów wewnątrz obiektu.
W typowych obiektach budowlanych ochrona w sieci systemu TN wymaga bezpośredniego połą-
czenia przewodu ochronnego PE (system TN-S) lub przewodu ochronno-neutralnego PEN (system
TN-C ) z uziomem obiektu lub główną szyną wyrównywania potencjałów.
Przewody fazowe L1, L2 i L3 powinny być połączone z uziomem lub szyną przez ograniczniki
przepięć. W zależności od występującego zagrożenia piorunowego obiektu należy zastosować
ograniczniki klasy B lub C.
W niektórych obiektach stosowania powyższej zasady nie gwarantuje optymalnej ochrony. W ta-
kich przypadkach rozwiązaniem może okazać się stworzenie lokalnego uziomu do którego dołą-
czony jest system wyrównywania potencjałów w obiekcie. Lokalny uziom oraz system wyrówny-
wania potencjałów są izolowane od dochodzącego przewodu PE lub PEN sieci zasilającej.
Podstawowe zasady ochrony
ObowiÄ…zujÄ…ce obecnie normy ochrony odgromowej wymagajÄ… niedopuszczania do powstawania
nadmiernych różnic potencjałów pomiędzy wszelkiego rodzaju instalacjami przewodzącymi docho-
dzÄ…cymi do obiektu.
Do wyrównania potencjałów stosowane są bezpośrednie (galwaniczne ) lub ochronnikowe połą-
czenia pomiędzy urządzeniami i instalacjami metalowymi a urządzeniem piorunochronnym.
System wyrównywania potencjałów należy również zastosować w obiektach, które nie wymagają
urzÄ…dzenia piorunochronnego.
W obu przypadkach z szyną wyrównywania potencjałów należy połączyć przewód ochronny PE lub
ochronno-neutralny PEN.
Obserwacje pracy urządzeń i systemów elektrycznych i elektronicznych wykazały, że w niektórych
obiektach stworzenie lokalnego systemu uziomowego izolowanego od przewodu PE lub PEN może
zapewnić zmniejszenie uszkodzeń oraz znacznie ograniczyć zakłócenia.
Wśród obiektów, które mogą wymagać takiego rozwiązania można wymienić:
" ruchome stanowiska łączności, przewoz
ne systemy pomiarowe, wozy transmisyjne,
" stacje bazowe lub kontenery z aparaturą elektroniczną posiadające wspólny uziom z systemem
elektroenergetycznym,
" kontenery z aparaturÄ… kontrolno-pomiarowÄ… stosowane w kolejnictwie,
" stacje przekaz
nikowe, szczególnie dotyczy to stacji bezobsługowych.
A. Sowa Nietypowe sposoby ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w niewielkich obiektach
Dokładne przeanalizowanie poszczególnych przypadków przekracza ramy niniejszej publikacji.
Poniżej przedstawione zostaną tylko podstawowe zasady ochrony jakie można zastosować w wy-
mienionych obiektach.
Wozy retransmisyjne i kontenery z aparaturÄ… elektronicznÄ…
PodstawowÄ… zaleta przewoz
nych systemów elektronicznych jest mobilność stwarzająca możliwości
pracy w dowolnym miejscu, w którym tworzony jest lokalny uziom roboczy. Systemy te mogą być
zasilane z własnych agregatów prądotwórczych lub z dostępnej sieci niskiego napięcia. Do połą-
czeń często wykorzystywane są długie odcinki dodatkowych przewodów kablowych ułożonych na
powierzchni ziemi lub nad ziemią. W przypadku terenów wiejskich lub podmiejskich zasilanie
prowadzone jest najczęściej z linii napowietrznych co znacznie zwiększa zagrożenie. Należy zazna-
czyć, że konieczność zasilania się z istniejącej w danym miejscu instalacji uniemożliwia wybranie
optymalnego systemu sieci co może stworzyć dodatkowy wzrost zagrożenia.
W takich przypadkach zalecanym rozwiązaniem [7] jest izolowanie doprowadzanych przewodów
instalacji zasilającej oraz zastosowanie transformatora separującego. Przykładowe rozwiązanie w
przypadku jednofazowego zasilania z sieci systemu TN-S przedstawione jest na rys.1.
Transformator separujÄ…cy
a)
L
L
N
PE
N
Ograniczniki przepięć
klasy I
PE
np. 3x DEHNport Maxi
Uziom obiektu
b)
Transformator separujÄ…cy
L
L
Ogranicznik
N przepięć klasy II
1 x DEHNguard
PE
N
Ograniczniki przepięć
klasy I
PE
np. 3x DEHNport Maxi
Uziom obiektu
Rys1. Podstawowy schemat układu ochrony przed przepięciami niewielkiego obiektu: a) ochrona
podstawowa, b) dwustopniowy układ ochronny
Przewody neutralny i ochronny po stronie wtórnej transformatora połączone są z lokalnym uzio-
mem roboczym.
W przypadku zasilania urządzeń o odporności udarowej na poziomie 4 kV lub 6 kV można wyko-
rzystać tylko jednostopniowy układ ochronny (rys.1a).
Urządzenia o mniejszej odporności udarowej wymagają zastosowania transformatora separującego
tłumiącego napięcia udarowe do odpowiednich poziomów lub dwustopniowego układu ochronnego
(rys.1b).
Polepszenie właściwości ochronnych oraz zmniejszenie zakłócającego wpływu przepięć występują-
cych w instalacji elektrycznej zapewnia układ przedstawiony na rys. 2.
A. Sowa Nietypowe sposoby ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w niewielkich obiektach
Transformator separujÄ…cy
L L
Ogranicznik
przepięć klasy II
1 x DEHNguard
N
N
Ograniczniki przepięć
PE
klasy I - 2x DEHNport
PE
Iskiernik
typ HSFS
Uziom obiektu
Rys. 2. Dwustopniowy układ ochronny, w którym sieć zasilająca jest izolowana od uziomu obiektu
Ograniczniki przepięć DEHNport (klasy I) zapewniają ochronę przed wszelkiego rodzaju przepię-
ciami dochodzÄ…cymi z instalacji elektrycznej.
Dobierając odpowiednie wartości odporności udarowej izolacji pomiędzy stroną pierwotną a wtórną
transformatora oraz udarowe napięcie zapłonu iskiernika można doprowadzić do stanu w którym
przepięcia dochodzące z instalacji elektrycznej będą ograniczane do odpowiednich poziomów
(przez ograniczniki DEHNport i DEHNguard) a prądy udarowe nie wpłyną do uziomu obiektu. Ta-
ki sposób ochrony ogranicza zakłócenia w pracy urządzeń.
W przypadku bezpośredniego uderzenia w obiekt, w linie zasilające lub w ich pobliżu nastąpi za-
działanie iskiernika i wyrównanie potencjałów.
Analogiczny układ ochronny można zastosować np. w przypadku stacji bazowych GSM, których
anteny są instalowane słupach linii elektroenergetycznych (rys.3.) a kontener z aparaturą elektro-
niczną umieszczany jest obok słupa.
Rys.3. Anteny stacji bazowej na słupie linii wysokich napięć
Należy zaznaczyć, że takie rozwiązanie znacznie zwiększa narażenia stacji GSM na działanie:
- prądu piorunowego powstającego podczas bezpośredniego uderzenia piorunu w:
" słup na którym zamontowano anteny,
A. Sowa Nietypowe sposoby ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w niewielkich obiektach
" przewody odgromowe linii,
" przewody fazowe,
- prądów indukowanych podczas wyładowań w sąsiedztwie linii (trudno określić niebezpieczną
strefę zagrożenia piorunowego w przypadku wyładowań w sąsiedztwie linii  szacunkowo stre-
fa określana jest na kilkaset metrów z obu stron linii ),
- zwarć występujących w liniach.
Przedstawiony układ kontener  słup powinien posiadać jeden system uziomowy, który tworzą
uziom ochronny słupa i uziom roboczy stacji.
Otrzymany system uziomowy powinien charakteryzować się następującymi właściwościami:
" Wypadkowa wartość uziomu powinna spełniać warunki narzucane przez ostrzejsze wymagania.
W przypadku stacji będzie to wartość uziomu stacji, która jest niższa od wartości uziomu
ochronnego słupa.
" Stworzony system, dotyczy to tworzonego uziomu roboczego stacji, powinien posiadać właści-
wości wymagane od uziomów stosowanych do celów ochronnych w systemie elektroenerge-
tycznym.
" Zapewnić ochronę przed niebezpiecznymi napięciami dotykowymi i krokowymi jakie mogą
wystąpić w otoczeniu słupa.
" Zaleca się stosowanie zgrzewania termicznego do połączeń poszczególnych części uziomu.
" W przypadku wymagań prowadzenia oddzielnych pomiarów uziomów ochronnych i roboczych
należy połączyć oba uziomy stosując tzw. studzienkę kontrolną, która umożliwia rozdzielenie
uziomów w czasie pomiarów.
Dokładne ustalenia rozmieszczania poszczególnych części systemu uziomowego należy rozpatry-
wać oddzielnie dla poszczególnych przypadków stacja  słup.
Wskazane jest w tworzonym systemie uziomowym zastosowanie otoku dookoła obiektu stacji oraz
otoku Przykładowe rozwiązanie układu ograniczającego napięcia w sieci trójfazowej przedstawiono
na rys.4.
Transformator separujÄ…cy
L1 L1
L2
L2
L3
L3
N
PEN
Ograniczniki klasy I PE
4 x DEHNport Maxi
Ograniczniki klasy II
3 x DEHNguard
Iskiernik
HSFS
Połączone uziomy
słupa oraz stacji
Rys.4. Dwustopniowy układ ochronny w sieci trójfazowej
Dobierając właściwości ochronne iskierników należy uwzględnić poziom skoków potencjałów
jakie wystąpią na uziomie podczas stanów awaryjnych występujących w liniach systemu elektro-
energetycznego. Przykład rozwiązania układu jednofazowego ograniczników i iskiernika przedsta-
wiono na rys.4.
A. Sowa Nietypowe sposoby ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w niewielkich obiektach
a) b)
Rys.4. Ograniczanie przepięć w układzie jednofazowym : a) widok ogólny przyłącza stacji, b) szaf-
ka z ogranicznikami i iskiernikiem
Poprawnie dobrany iskiernik zapobiegnie wynoszeniu się potencjałów w przypadku przepływu
przez uziom prądów zwarciowych.
Stacje przekaz
nikowe
Podobne układy ograniczające przepięcia można również zastosować do ochrony stacji przekaz
ni-
kowych, Szczególnie dotyczy to niewielkich stacji bezobsługowych.
W takich obiektach może również wystąpić konieczność ochrony przed zakłócającym działaniem
wyższych harmonicznych lub szybkozmiennych napięć udarowych o stosunkowo niewielkich war-
tościach szczytowych, które mogą wystąpić w zasilającej instalacji elektrycznej.
Do ochrony przed tego rodzaju zagrożeniem można zastosować odpowiednio dobrane dławiki lub
filtr. Przykładowy schemat elektryczny dwustopniowego układu ochronnego stacji przekaz
nikowej
przedstawia rys.5.
Transformator separujÄ…cy
DÅ‚awiki
L1
L1
L2
L2
L3
L3
Bezpieczniki
N
PEN
Ograniczniki
PE
klasy I
4 x DEHNport
Ograniczniki klasy II
3 x DEHNguard
Iskiernik
HSFS
Uziom lokalny
stacji
Rys.5. Przykładowe rozwiązanie dwustopniowego układu ochrony stacji przekaz
nikowej
A. Sowa Nietypowe sposoby ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w niewielkich obiektach
Pierwszy stopień ochrony, tworzony przez ograniczniki DEHNport, iskiernik HSFS oraz dławiki
(lub filtr), można montować w oddzielnej szafce w miejscu wprowadzania instalacji elektrycznej do
obiektu. Przykład takiego rozwiązania, szafkę zawierającą układ ograniczników klasy I, przedsta-
wiono na rys.6.
Rys.6 . Układ Netz- Ak TAB/3+1 produkowany przez firmę DEHN przykładowym rozwiązaniem
pierwszego stopnia ochrony w oddzielnej szafce
W przedstawionych obiektach należy dodatkowo ograniczyć przepięcia we wszystkich liniach sy-
gnałowych dochodzących z zewnątrz (np. linie telekomunikacyjne, kable antenowe, linie alarmo-
we).
Zastosowane ograniczniki przepięć nie powinny wpływać na jakość przesyłu sygnałów i zapewnić
ochronę przed prądami udarowymi o wartościach szczytowych dochodzących do 5 kA i kształcie
10/350.
Literatura
[1] PN-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.
[2] PN-IEC 61312-1:2001, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne.
[3] PN-IEC 61024-1:2001, Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
[4] PN-IEC 61024-1-2:2002,Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B 
Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych.
[5] PN-IEC/TS 61312-3:2003, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Część 3.
Wymagania urządzeń do ograniczania przepięć (SPD).
[6] DIN VDE 0845 Teil 1. Schutz von Fernmeldeanlagen gegen Blitzeinwirkungen, statistische Aufladun-
gen und Überspannungen aus Starkstromanlagen. Mässnahmen gegen Überspannungen.
[7] Katalog firmy DEHN
[8] Hasse P.,:Overvoltage protection of low voltage systems. IEE Power Energy series 33. 2000