OGRANICZANIE PRZEPI
Ć
W INSTALACJI ELETRYCZNEJ
Urządzenia do ograniczania przepięć
klasy I i II
Andrzej Sowa
Podstawowym zadaniem ograniczników prze- runowych i ograniczać przepięcia do poziomu
pięć w instalacji elektrycznej w obiekcie bu- poniżej 2500 V lub nawet 1500 V.
dowlanym jest tworzenie warunków do beza- Dodatkowo urządzenia do ograniczania prze-
waryjnego działania urządzeń i systemów pięć powinny być łatwe i proste w montażu
elektrycznych i elektronicznych. oraz zajmować możliwie najmniej miejsca w
Układy ograniczników przepięć powinny za- rozdzielnicy.
pewnić ochronę instalacji elektrycznej i urzą-
dzeń przed: Ogólne wymagania stawiane
układom ograniczników
" wszelkiego rodzaju przepięciami docho-
dzÄ…cymi z zewnÄ…trz do obiektu,
Normy określające zasady ochrony odgromo-
" przepięciami powstającymi w instalacji
wej obiektów budowlanych [3,4,5,6] zawierają
elektrycznej wewnÄ…trz tego obiektu,
również podstawowe wymagania określające
właściwości układów ograniczników przepięć
" bezpośrednim działaniem części prądu pio-
w instalacji elektrycznej w obiekcie budowla-
runowego.
nym.
Szczególnie ważna jest ochrona urządzeń elek-
W analizowanych niedużych obiektach układy
tronicznych pracujÄ…cych w:
ograniczników powinny:
- niewielkich wolnostojÄ…cych obiektach do
" ograniczać wartości szczytowe przepięć
których dochodzą napowietrzne linie elek-
do poziomów lezących poniżej wytrzy-
troenergetyczne niskiego napięcia (np.
małości udarowej chronionych urządzeń
budynki w których pracują systemy tele-
( w większości przypadków przepięcia po-
komunikacyjne i teleinformatyczne, kon-
winny być ograniczone do poziomu II lub
tenery z aparaturÄ… sterujÄ…cÄ… i kontrolno-
I kategorii wytrzymałości udarowej poni-
pomiarowÄ…),
żej - odpowiednio 2,5kV lub 1,5kV po-
między przewodami fazowymi a przewo-
- niewielkich wolnostojÄ…cych obiektach,
dem ochronnym oraz pomiędzy przewo-
które znajdują się obok masztów i wież
dem neutralnym a przewodem ochron-
antenowych ( np. stacje bazowe telefonii
nym),
komórkowej, stacje radionadawcze, sys-
" zapewniać ochronę przed prądem pioruno-
temy łączności trunkingowej),
wym o wartości szczytowej dochodzącej
- w bliskim sąsiedztwie rozdzielnic głów-
nawet do 100 kA,
nych lub przyłączy.
" być instalowane możliwie najbliżej miejsc
wejścia instalacji elektrycznej do obiektu,
W takich obiektach układy ograniczników
" charakteryzować się napięciem trwałej
przepięć powinny zapewniać ochronę przed
pracy na poziomie ok.1,1 napięcia fazo-
bezpośrednim działaniem części prądów pio-
wego,
A. Sowa Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
" być proste w montażu i zajmować stosun- W początkowych rozwiązaniach w dwustop-
kowo niewiele miejsca w rozdzielnicy, niowych systemach stosowano iskiernikowe
" podczas działania nie wpływać na pracę ograniczniki przepięć klasy I o dynamicznych
innych aparatów elektrycznych, napięciach zapłonu na poziomie 3000 V -
" być zawsze instalowane za bezpieczni- 4000V i warystorowe ograniczniki klasy II o
kiem lub za samoczynnym wyłącznikiem, napięciowym poziomie ochrony ok. 1500V.
który w razie przepływu nadmiarowego W takich systemach ograniczania przepięć,
prądu wyłącza te urządzenia, zapewnienie wzajemnej koordynacji energe-
" być podłączone do szyny wyrównawczej tycznej wymaga zachowania kilku-kilkunasto
za pomocą krótkich przewodów, metrowych odległości między układami ogra-
" współpracować z ogranicznikami przepięć niczników poszczególnych klas oraz między
klasy III lub warystorami instalowanymi ogranicznikami klasy II i chronionym urzÄ…-
wewnątrz urządzeń, dzeniem (rys.1.).
Chronione
układ ograniczników
układ ograniczników
urzÄ…dzenie
przepięć klasy I
przepięć klasy II
L 2
L 1
L1
L1
L2
L2
L3
L3
N
N
PE PE
odległość L 2 zapewniająca
odległość L 1 zapewniająca
współdziałanie ograniczników
współdziałanie ograniczników klasy II i chronionego
urzÄ…dzenia
" być dobierane odpowiednio do zastoso-
Rys.1. Wzajemne rozmieszczenie układów
wanego systemu sieci,
ograniczników klasy I i II oraz chronionego
" być tak instalowane, w takich miejscach,
urzÄ…dzenia
aby można je było w sposób ciągły kontro-
lować,
Zasadę działania systemu odpowiednio roz-
" gasić prądy następcze.
mieszczonych układów ograniczników klasy I
Jeśli wymagana jest ochrona instalacji przed od-
i II obrazuje rys.2.
działywaniem części prądu piorunowego to
W celu ogólnego przedstawienia zjawisk za-
przedstawione właściwości ochronne powinny
chodzących układach ograniczników omó-
posiadać również układy ograniczników insta-
wiony zostanie prosty układ iskiernik  wary-
lowane w obiektach bez zewnętrznych instalacji
stor (odwzorowanie odpowiednio ograniczni-
odgromowych.
ków klasy I i II). Oceniając występujące za-
W dalszej części artykułu będą analizowane
grożenie, przedstawiono zjawiska zachodzące
różnorodne rozwiązania układów ograniczni-
podczas bezpośredniego wyładowania pioru-
ków spełniające powyższe warunki.
nowego w budynek.
W takim przypadku prąd piorunowy wpływa
Typowe układy połączeń
do instalacji odgromowej lub do zbrojenia
ograniczników przepięć klasy I i II
obiektu a następnie do uziomu. Część prądu
Ochronę przed prądem piorunowych i ograni- piorunowego wpływa do połączonego z szyną
czanie przepięć poniżej 1500V zapewniają wyrównywania potencjałów przewodu PE lub
dwustopniowe systemy układów ograniczni- PEN (rys.2a).
ków przepięć klasy I i II. Wzrasta potencjał szyny wyrównawczej
Tworząc taki system ograniczania przepięć na- względem przewodów fazowych aż do chwili
leży zapewnić wzajemną koordynację ener- zadziałania warystora.
getyczną między układami ograniczników po- Po zadziałaniu warystora w układzie następuje
szczególnych klas oraz między ogranicznikami zmiana w rozpływie prądu (rys.2b). Na iskier-
a chronionymi urządzeniami. niku panuje napięcie Ui równe sumie napięcia
panującego na warystorze oraz spadków na-
A. Sowa Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
pięć na indukcyjności przewodów łączących W większości obiektów budowlanych takie
iskiernik z warystorem. rozmieszczenie ograniczników może być bez
Po przekroczeniu przez napięcie Ui poziomu kłopotów zaprojektowane i wykonane.
udarowego napięcia zapłonu iskiernika nastę- W analizowanych niedużych obiektach za-
puje jego zadziałanie (rys.2c). chowanie wymaganych odległości może być
bardzo kłopotliwe lub wręcz niemożliwe do
a)
realizacji.
Dotychczas problem ten rozwiÄ…zywano sto-
sując dodatkowe indukcyjności odsprzęgajace
warystor
iskiernik
pomiędzy układami ograniczników klasy I i II.
(rys.3 i 4).
indukcyjność
część prądu
piorunowego
b)
Uw-i
warystor
iskiernik
warystor
iskiernik
Uw
Ui-w
część prądu
piorunowego
Rys.3. Koordynacja działania iskiernika i wa-
rystora w dwustopniowym układzie ochron-
c) nym
indukcyjności
L1
L1
L2
L2
L3
L3
iskiernik
U warystor
i
N
PEN
PE
ograniczniki
przepięć
ograniczniki
klasy I
przepięć
część prądu klasy II
piorunowego
SYSTEM TN-C-S
Rys.2. Podział prądu udarowego w dwustop-
Rys.4. Typowy dwustopniowy układ ograni-
niowym układzie ochrony przepięciowej.
czania przepięć przeznaczony do niewielkiego
a) ograniczniki nie działają,
obiektu
b) działa ogranicznik przepięć klasy II,
c) działa ogranicznik przepięć klasy I.
Rejestracje przebiegów prądów udarowych
Właściwa kolejność działań ograniczników w płynących w poszczególnych ogranicznikach
układzie wymaga zapewnienia odpowiedniego rozdzielonych indukcyjnościami odsprzęgają-
spadku napięcia na indukcyjnościach przewo- cymi wykazały [1 ], że w iskiernikowym ogra-
dów, co stwarza wymóg zachowania odpo- niczniku klasy I popłynie praktycznie cały
wiedniej odległości pomiędzy ogranicznikami prąd udarowy. Warystorowe ograniczniki kla-
klasy I i II. sy II narażone są na działanie krótkotrwałych
Analiza wzajemnego współdziałania ogranicz- udarów prądowych o stosunkowo niewielkich
ników przepięć wskazuje na konieczność za- wartościach szczytowych.
chowania kilku- kilkunasto metrowych odle- Przedstawiony  skupiony układ ograniczni-
głości pomiędzy układami ograniczników ków przepięć zapewnia pewną i niezawodną
przepięć różnych klas. ochronę przed działaniem prądów udarowych
A. Sowa Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
o znacznych wartościach szczytowych i kształ- Przedstawiony iskiernik wieloprzerwowy ma
tach odwzorowujących prądy piorunowe lub następujące zalety:
prądy powstające podczas operacji łącze- " szybsze zadziałanie w porównaniu z kla-
niowych. sycznym iskiernikiem,
Pomimo przedstawionych zalet, stosowanie " dynamiczne napięcie zapłonu na poziomie
układów z indukcyjnościami odsprzęgającymi 1300V,
napotkało następujące bariery: " zapewnia ochronę przed prądami uda-
rowymi 10/350 o wartościach szczyto-
- duże moce urządzeń instalowanych w nie-
wych do 50 kA.
wielkich obiektach stwarzały konieczność
" dużą odporność na działanie prądów na-
stosowania indukcyjności o coraz większej
stępczych.
obciążalności prądowej,
Należy zauważyć, że obecnie produkowane są
- wzrost obciążalności prądowej indukcyj-
iskierniki zapewniajÄ…ce ochronÄ™ przed prÄ…dami
ności znacznie zwiększał ich gabaryty co
piorunowymi o wartościach szczytowych 25
stwarzało co utrudniało lub nawet umożli-
kA i poziomie ochrony poniżej 1000V [ 13].
wiało ich montaż.
Innym rozwiązaniem obniżającym dyna-
Szerokie znaczenie znalazły jedynie układy z
miczne napięcia zapłonu jest zastosowanie do-
indukcyjnościami odsprzęgającymi o obcią-
datkowych układów zapłonowych przyspie-
żalności prądowej 35 A i 63 A.
szających przeskok pomiędzy elektrodami
iskiernika. Przykładowe rozwiązania przed-
Układy bez elementów
stawiono na rys.6a [14] i 6b.
odsprzęgających
a)
Możliwość wyeliminowania elementów od-
sprzęgających w dwustopniowych systemach
ograniczników przepięć pojawiła się z chwilą
iskiernik
trójelektrodowy
wprowadzenia iskierników o znacznie niż-
Elektroda
szych dynamicznych napięciach zapłonu.
sterujÄ…ca
Układ
Przykład takiego rozwiązania  iskiernik wie-
sterujÄ…cy
loprzerwowy [12,15] -przedstawiono na rys. 5.
b)
iskiernik
Układ
sterujÄ…cy
1,2  elektrody główne, 3  pojemności sterującym roz-
kładem napięć na poszczególnych przerwach, 4  elek-
trody grafitowe, 5  przeskoki iskrowe (w skali) pomiÄ™-
dzy poszczególnymi elektrodami.
Rys.6 . Różnorodne rozwiązania sterowania
iskiernikami ogranicznika klasy I
Fig.5. Iskiernik wieloprzerwowy pojemno-
Niestety obniżenie poziomu zapłonu iskierni-
ściowym układem sterującym rozkładem na-
ków powoduje częstsze ich działanie i co mo-
pięć na poszczególnych przerwach [12,15]
że potencjalnie (w zależności od lokalnych pa-
A. Sowa Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
rametrów sieci) doprowadzić do skrócenie taniej wymiany w przypadku uszkodzenia
czasu ich poprawnej pracy. poszczególnych ograniczników.
Rozwiązaniem powyższego problemu jest po-
4. Istnieje możliwość zastosowania w ze-
łączenie przedstawionych ograniczników klasy
stawie ograniczników klasy II bez prądów
I z ogranicznikami klasy II. Niskie dyna-
upływu (układ warystor połączony szere-
miczne napięcia zapłonu iskierników stwarzają
gowo z iskiernikiem). Takie zestawy sÄ…
możliwości ich umieszczania obok warysto-
najczęściej zalecane do montażu przed
rów. Nie są wymagane dodatkowe elementy
licznikiem energii elektrycznej.
odsprzęgajace (rys.7).
5. Wskaz
niki uszkodzenie warystorów w
ogranicznikach klasy II [14,15].
L1
L1
L2
L2
6. Wskaz
niki uszkodzenie układów zapło-
L3
L3
nowych iskierników w ogranicznikach
N
PEN klasy I [14].
PE
klasy I
klasy II
7. W przypadku uszkodzenia ogranicznika
klasy II (warystora) działa w dalszym cią-
ograniczniki
gu ogranicznik klasy I i układ obniża
przepięć
przepięcia do ok. 900 V [14] lub 1300V
[15].
8. Modułowa budowa umożliwia rozdzie-
SYSTEM TN-C-S
lenie układów ograniczników klasy I i II i
ich montaż w dowolnym miejscu instala-
cji
Rys.7. Układy połączeń ograniczników prze-
pięć klasy I i II w instalacjach niewielkich
9. Możliwość połączenia szeregowego i
obiektów w przypadku zastosowanie ogra-
równoległego stworzonego układu ogra-
niczników klasy I o stosunkowo niewielkich
niczników.
poziomach dynamicznego napięcia zapłonu
(900V  1500V). 10. Przewidywana długa  żywotność wary-
storów (ograniczniki klasy II) w gałęzi
Zastosowanie równoległego połączenia ogra-
równoległej do iskierników (ograniczniki
niczników klasy I i II powoduje zwiększenie
klasy I), gdyż są to warystory na prądy
szybkości działania powstałego układu i
znamionowe 20 kA , 8/20 a w przypadku
zmniejszenie liczbę zapłonów iskierników.
ich równoległego połączenia z iskierni-
Podstawowe właściwości przedstawionych
kiem płyną przez nie prądy o znacznie
układów do ograniczania przepięć są następu-
mniejszych amplitudach.
jÄ…ce:
Stworzony w ten sposób układ ograniczników
1. Bardzo niskie, dochodzÄ…ce nawet do 900
klasy I i II spełnia przedstawione wymagania
V [14] lub 1300V [15], poziomy ograni-
ochrony przed prÄ…dem piorunowych w nie-
czania wartości szczytowej napięć i prą-
wielkich obiektach.
dów udarowych co stwarza stosunkowo
rozległą strefę ochrony.
Ograniczniki przepięć klasy I+II
2. Ochrona przed prÄ…dami piorunowymi o
Innym, podobnym do przedstawionego na
wartościach szczytowych 35 kA [14] lub
rys.6a, rozwiązaniem jest zastosowanie rów-
nawet 50 kA [14, 15] na jedno pole (na
noległego połączenia sterowanego iskiernika
jednÄ… fazÄ™).
trójelektrodowego z połączonymi szeregowo
3. Budowanie układów ochronnych z po- warystorem, odgromnikiem gazowanym i
układem zapłonowym [16,17].
szczególnych ograniczników różnych klas
W takim układzie (rys.8) trójelektrodowy
powoduje, że istnieje możliwość łatwej i
iskiernik, którego zapłon jest sterowany z ga-
A. Sowa Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
łęzi równoległej, zapewnia ochronę przed prą- twy montaż), jak i wadą (uszkodzenie
dami dużych energii i ograniczenie przepięć dowolnego elementu w układzie wymaga
do poziomu poniżej 1500V. Właściwości wymiany całego bloku).
stworzonego układu odpowiadają równole-
2. Poziom ograniczania wartości szczytowej
głemu połączeniu ogranicznika klasy I i II i w
przepięć wynosi ok. 1500V, co zapewnia
dalszej części będzie on nazywany ograniczni-
tylko kilkumetrowÄ… strefÄ™ ochrony [17].
kiem klasy I+II.
3. Ochrona przed prÄ…dami piorunowymi o
wartościach szczytowych 25 kA (na jedno
pole).
4. Wskaz
niki uszkodzenie układów zapłono-
wych iskierników w ogranicznikach klasy
I. W przypadku zastosowania dodatkowe-
Uster. go modułu istnieje możliwość odseparo-
wania obwodu sygnalizacyjnego od głów-
nego toru prÄ…du udarowego podczas dzia-
Å‚ania ogranicznika klasy I+II.
5. Ogranicznik może być połączony zarówno
równolegle jak i szeregowo.
6. Brak wymagań dotyczących dodatkowych
odległości pomiędzy ogranicznikami kla-
Rys.8. Schemat ogólny zasady działania
ogranicznika I+II sy I+II a ogranicznikami klasy III. Doty-
czy to zarówno ograniczników instalowa-
Przedstawione układy sterowanych iskierni- nych jako oddzielne moduły lub monto-
ków instalowane są w jednej obudowie i łą- wanych przez producentów wewnątrz
czone odpowiednio do wybranego systemu urządzeń.
sieci. Przykładowe rozwiązanie do systemu
7. Pomimo zastosowania warystorów nie
sieci TT przedstawiono na rys. 9.
L2 L2´
L1 L1´ L3 L3´ N N
H1 H2
H3
Ń Ń Ń Ń
+" +" +" +"
PEN
wprowadzają prądów upływu w instalacji
elektrycznej (ważne jeśli montaż przed
Rys.9. Schemat ogranicznika przepięć klasy
licznikiem energii elektrycznej).
I+II.
8. Zastosowana metoda gaszenia Å‚uku, nie
Wśród podstawowych właściwości przedsta-
powoduje przepływu dużych prądów
wionego ogranicznika klasy I+II należy wy-
zwarciowych ( do ok. 500A). Takie dzia-
mienić następujące:
łanie zapewnia poprawną współpracę
ograniczników i bezpieczników (zadziała-
1. Budowa w postaci jednego bloku, do każ-
nie ogranicznika nie powoduje przepa-
dego z systemów sieci. Taka budowa
lenia wkładek bezpiecznikowych o war-
ogranicznika jest zarówno jego zaletą (ła-
A. Sowa Urządzenia do ograniczania przepięć klasy I i II
tościach od 32 A) i zapewniona jest cią- 9. CEI IEC TS 61312-3:200, Protection
głość zasilania urządzeń. against lightning electromagnetic impulse
 Part 3: Requirements of surge protective
Ostatnia uwaga dotyczy tylko prądów zwar-
devices (SPDs).
ciowych. W każdym z przedstawionych roz-
10. Brocke R., Noack F., Hasse p., Zahlmen
wiązań przepływ prądu piorunowego o warto-
P.: Spark gap lightning current arresters
ści kilku-kilkunastu kA spowoduje przepalenie
without follow currents ICLP 2000,
wkładek bezpiecznikowych.
Greece 18-22 September 2002.
Przedstawione właściwości układów połączeń
ograniczników przepięć klasy I i II oraz ogra- 11. Überspannung - Schutzrichtungen der
niczników klasy I+II spowodowaÅ‚y, że znala- Abforderungsklasse B. Richtlinie für den
zły one szerokie zastosowanie w instalacjach Einsatz in Hauptstromversorgungs-
elektrycznych niewielkich obiektów, w któ- systemen. VWEW 1998.
rych dotychczas montowano rozbudowane
12. Meppelink j., Trinkwald J.: Lightning ar-
układy ograniczników klasy I i II rozdzielone
resters with spark gap. Requirements and
indukcyjnościami odsprzęgajacymi.
future trends of developing and applica-
tion. 25th ICLP, Rodos 2000
LITERATURA
13. Lightning and Surge protective Devices.
Katalog firmy LEUTRON.
1. Hasse P.: Überspannungsschutz von Nie-
14. Ochrona przed przepięciami TRA-
derspannungsanlagen. Betrieb elektroni-
BLECH. Katalog firmy PHOENIX
scher Gerate auch bei direkten Blitzein-
CONTACT.
schlagen. TÜV-Verlag, 1998.
15. TBS Surge protection systems. Katalog
2. Raab V., Zahlmann P.: Kombi - Ableiter
firmy OBO Betterman.
für den Blitz- und Überspannungsschutz.
16. Überspannungsschutz. Hauptkatalog
Elektropraktiker 55,2001, 8, s.628- 631.
2003.
3. PN-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa
17. BLITZPLANER 2001. Materiał infor-
obiektów budowlanych. Wymagania ogól-
macyjny firmy DEHN.
ne.
4. PN-IEC 61024-1: 2001, Ochrona odgro-
mowa obiektów budowlanych. Zasady
ogólne.
5. PN-IEC 61024-1-2. Ochrona odgromowa
obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
Przewodnik B  Projektowanie, montaż,
konserwacja i sprawdzanie urządzeń pio-
runochronnych.
6. PN-IEC 61312-1: 2001, Ochrona przed
piorunowym impulsem elektromagne-
tycznym. Zasady ogólne.
7. PN-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje
elektryczne w obiektach budowlanych.
Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa.
Ochrona przez przepięciami. Ochrona
przed przepięciami atmosferycznymi i łą-
czeniowymi.
8. PN IEC 61643-1, 2001. UrzÄ…dzenia do
ograniczania przepięć w sieciach roz-
dzielczych niskiego napięcia. Część 1.
Wymagania techniczne i metody badań.