URZ
DZENIA DO OGRANICZANIA
PRZEPI
Ć W INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ
WYMAGANIA MONTAŻOWE UKA
ADU
OGRANICZNIKÓW PRZEPI
Ć KLASY I
Andrzej Sowa
Urządzenia do ograniczania przepięć SPD
Tablica 1. Sposób postępowania przy tworzeniu
(ang. Surge Protective Devices) badane zgodnie układu ochronnego z ograniczników przepięć
z wymaganiami próby klasy I powinny zapew- klasy I
nić ochronę instalacji elektrycznej oraz zasila-
Etapy po- Zakres działań
nych urządzeń przed bezpośrednim oddziaływa-
stępowania
niem prądu piorunowego oraz wszelkiego rodza-
ju przepięciami. W dalszej części niniejszego
Zebranie informacji o obiekcie, jego prze-
I
znaczeniu, instalacji elektrycznej, rodzaju
opracowania takie urządzenia nazywane będą
urządzeń pracujących w obiekcie.
ogranicznikami przepięć klasy I.
Określenie wymagań dotyczących efek-
II
Układy ograniczników klasy I powinny być
tywności ochrony tworzonego systemu
tak dobrane, aby:
ochrony odgromowej i przepięciowej.
Określenie stopnia zagrożenia stwarza-
" wytrzymywały bez uszkodzeń najgorsze z
III
nego przez narażenia impulsowe dla wy-
możliwych zagrożeń jakie mogą wystąpić w
branej efektywności ochrony.
analizowanej instalacji,
Określenie wymagań dotyczących wła-
IV
" ograniczały przepięcia do wymaganych war- ściwości ochronnych ograniczników.
tości.
Wybór miejsca montażu układu ogranicz-
V
ników
Ogólny tok postępowania przy doborze i
Wybór układu połączeń ograniczników
VI
montażu układu ochronnego składającego się z
Określenie potrzeby stosowania dodatko-
VII
ograniczników przepięć klasy I zestawiono w
wych zabezpieczeń nadprądowych insta-
tabl.1.
lowanych w szereg z ogranicznikami.
Przedstawiony zakres działania wykazuje, że
Sprawdzenie poprawności współdziałania
VIII
tworząc system ochronny należy nie tylko do- układu ograniczników klasy I z pozostałymi
układami ochronnymi w instalacji elek-
brać ograniczniki przepięć o odpowiednich wła-
trycznej
ściwościach ochronnych, ale również optymal-
Określenie podstawowych zasad montażu
IX
nie je rozmieścić w instalacji elektrycznej oraz
układu ograniczników
poprawnie zamontować.
Poprawne rozmieszczenie i montaż układu
X
ograniczników.
Poniżej szczegółowo omówione zostaną pro-
blemy dotyczące rozmieszczania układu ogra-
Dobór miejsca montażu układu
niczników przepięć klasy I oraz ich właściwego
montażu. ograniczników klasy I
Zastosowanie przedstawionych wskazówek
Zadaniem ograniczników klasy I jest zapew-
i zaleceń pozwala właściwie wykorzystywać do- nienie ochrony instalacji elektrycznej i urządzeń
brane ograniczniki i zapewnić wymagany sto- przed działaniem:
pień ochrony.
A. Sowa Wymagania montażowe układu ograniczników przepięć klasy I
Należy zaznaczyć, że dobór miejsca montażu
" prądu piorunowego rozpływającego się w
obiekcie budowlanym podczas bezpośred- układu ograniczników nie wyznaczają tylko
optymalne warunki ochrony ale również obo-
niego wyładowania atmosferycznego w ten
wiązujące przepisy i zalecenia.
obiekt,
Typowe miejsca montażu układu ograniczni-
" części prądu piorunowego wpływającego do
ków klasy I w zależności od stosowanej
instalacji elektrycznej z sieci elektroenerge-
ochrony odgromowej obiektu oraz właściwo-
tycznej niskiego napięcia dochodzącej do
ści sieci elektroenergetycznej niskiego napię-
obiektu (linie napowietrzne lub zakopane
cia zestawiono w tabl. 2.
kable),
Tablica 2. Typowe miejsca montażu układu
" wszelkiego rodzaju przepięciami łączenio-
ograniczników przepięć klasy I
wymi oraz przepięciami atmosferycznymi
indukowanymi.
Obiekt Sieć elektro-
Miejsce
Wartości znamionowe prądu udarowego jaki
energetyczna
montażu
może wielokrotnie przepłynąć przez układ ogra-
nn
niczników klasy I , nie powodując jego uszko-
Układy ograniczników
Ułożona w ziemi
dzenia, odpowiada wartościom prądu pioruno-
przepięć klasy I nie są
wego jaki może wystąpić w naturalnych warun-
wymagane
Obiekt bu-
kach podczas burzy (zgodnie z PN-IEC 61024-1,
Linie napowietrzne Układy ograniczników
dowlany
PN-IEC 61312-1, PN-IEC 61643-1).
bez insta- z długim podejściem przepięć klasy I nie są
lacji pioru- kablowym wymagane
Stworzenie warunków do ochrony przed bezpo-
nochronnej
średnim działaniem prądu piorunowego wymaga Linie napowietrzne
Złącze, szafka obok
z krótkim podej-
zainstalowania układu ochronnego w pobliżu złącza **
ściem kablowym
miejsca wprowadzania instalacji elektrycznej do
Złącze, szafka obok
Linie napowietrzne
obiektu budowlanego [ 1,2 ].
złącza **
Układ ograniczników powinien znajdować się za
Złącze lub szafka obok
głównym zabezpieczeniem zasilania obiektu.
Obiekt bu-
złącza jeśli są one na
Typowymi miejscami montażu mogą być dowlany Dowolny układ
ścianach (lub we wnę-
posiada- sieci
kach) obiektu
(rys.1.):
jący insta-
Rozdzielnice główne w
- złącze kablowe, lację pioru-
przypadku złącza na
nochronną
- dodatkowa szafka obok złącza,
zewnątrz obiektu (np.
na granicy posesji).
- rozdzielnica główna niskiego napięcia w
obiekcie,
Należy zaznaczyć, że w przypadku budynku
- dodatkowa skrzynka obok rozdzielnicy
posiadającego instalację piorunochronną i złą-
głównej.
cze kablowe na ścianie budynku, układy ogra-
niczników mogą być montowane w złączu
(szafce obok złącza), rozdzielny głównej lub
obok rozdzielnicy w zależności od wymagań
wynikających z zastosowania kolejnych stopni
L L
L L L L L L
ochrony przepięciowej.
Układy ograniczników klasy I powinny ogra-
niczać przepięcia do wartości leżących poniżej
poziomu wymaganego na początku instalacji
elektrycznej. Poziom ten określają warunki
tzw. IV kategorii przepięć [ 5 ] .
W przypadku typowej instalacji elek-
trycznej 230/400 V poziom odniesienia prze-
pięć przejściowych na początku instalacji wy-
nosi 6000 V .
Rys.1. Typowe miejsca instalowania układu
ograniczników przepięć klasy I
A. Sowa Wymagania montażowe układu ograniczników przepięć klasy I
Uwzględniając konieczność zachowania mar- - podczas rozpływu prądów piorunowych w
ginesu bezpieczeństwa (tzw. marginesu koor- instalacji piorunochronnej budynku (rys.2b)
dynacyjnego), układy ograniczników przepięć napięcia udarowe występujące pomiędzy
klasy I powinny ograniczać przepięcia do war- przewodem fazowym a szyną wyrównywania
tości poniżej 4000V. Tylko w szczególnych potencjałów powodują zadziałanie ograniczni-
przypadkach należy stosować ograniczniki kla- ków przepięć.
sy I ograniczające przepięcia do niższych po-
a)
udar
ziomów (np. 1500V w niewielkich obiektach ).
U1
Podstawowe zasady montażu
ograniczników klasy I iudar Uogr Uwyj
W układach ograniczników przepięć klasy
U2
I prądy udarowe o wartościach szczytowych
dochodzących do 100 kA płyną w samych
ogranicznikach oraz w przewodach wykorzy-
b)
stywanych do ich połączeń.
Dobór średnic przewodów, ich wzajemnego
Prąd
piorunowy
ułożenia oraz układu połączeń wymaga
iudar
Część prądu U1
piorunowego
uwzględnienia szeregu negatywnych zjawisk
Uogr Uwyj
towarzyszących przepływowi prądu pioruno-
wego. Szczególną uwagę należy zwrócić na
U2
zagrożenia stwarzane przez:
" siły elektrodynamiczne występujące po-
Otok lub uziom fundamentowy obiektu
między przewodami, w których płyną prą-
dy udarowe,
" spadki napięć na indukcyjnościach prze-
Rys. 2. Właściwości ochronne układu z ogra-
wodów,
nicznikami klasy I w przypadku : a) udarów
" zjonizowane gazy wyprowadzane na ze- dochodzących do budynku z sieci elektro-
energetycznej, b) bezpośredniego wyładowa-
wnątrz podczas działania ogranicznika.
nia piorunowego w obiekt budowlany
Całkowita eliminacja powyższych zagrożeń
jest niemożliwa. Dobór odpowiednich ukła-
Napięcie na wyjściu układu ochronnego Uwyj,
dów połączeń ograniczników oraz ich wła-
przechodzące do instalacji, jest równe:
ściwy montaż umożliwiają jedynie ogranicze-
nie występującego zagrożenia do odpowied-
Uwyj = Uogr +U1 +U2
nich poziomów.
gdzie: Uogr - napięcie panujące na ogranicz-
Ograniczanie spadków napięć na
niku,
przewodach układu ochronnego
U1 - spadek napięcia na przewodzie łą-
czącym ogranicznik z przewodem fa-
Oceniając poziomy przepięć przedostających
zowym lub neutralnym,
się do obwodu, pomimo zainstalowania układu
ograniczników klasy I, należy uwzględnić nie U2 - spadek napięcia na przewodach łą-
tylko spadki napięć na samych ogranicznikach czących ogranicznik z szyną wyrów-
ale również spadki napięć na przewodach łą- nywania potencjałów lub przewodem
czących ograniczniki. ochronnym PE.
W przypadku typowych zagrożeń jakie wystę- W przypadku przepływu prądów udarowych
pują: podstawowe znaczenie mają spadki napięć na
indukcyjnościach przewodów i zależność
- przy przyjściu udaru z sieci elektroenerge-
określająca Uwyj przyjmuje postać:
tycznej niskiego napięcia (rys.2a),
A. Sowa Wymagania montażowe układu ograniczników przepięć klasy I
di1 dic
L1
L1
Uwyj = Uogr + L �"l1 �" + L �"l2 �"
[kV]
L2
dt dt L2
L3
L3
gdzie: L - indukcyjność jednostkowa przewo-
N
PEN
U1
dów [ w �H/m],
l1 PE
i1 i2
i3
l1 , l2 - odpowiednio długości przewo-
dów łączących ogranicznik z przewo-
dem fazowym i szyną wyrównywania
Uogr
potencjałów [m],
di1/dt, dic/dt, - odpowiednio stromo-
ści narastania prądów udarowych
l2 ic
U2
płynących w przewodach łączących
ogranicznik z przewodem fazowym i
szyną wyrównywania potencjałów [w
Szyna wyrównywania
potencjałów
kA/�s],
W typowym układzie ochronnym (rys.3.), za-
Rys.3. Spadki napięć w układzie połączeń
kładając równomierny podział prądu w prze-
ograniczników klasy I
wodach łączących ogranicznik z przewodami
Obecnie pojawiają się zalecenia [10] ograni-
fazowymi, zależność określająca napięcie po-
czenia długości przewodów poniżej 0,5m
między przewodem fazowym a przewodem
(rys.4.).
ochronnym PE można określić z zależności:
l1 dic
Uwyj = Uogr + L �" ( + l2) �"
[kV]
d"0,5m
3 dt
W obecnie stosowanych ogranicznikach iskier-
nikowych klasy I spadek napięcia Uogr na jest
niewielki i wynosi najczęściej kilkadziesiąt V.
Podstawowe znaczenie mają spadki napięć na
d"0,5m
indukcyjnościach przewodów.
Do przybliżonego oszacowania zagrożenia
można przyjąć, że przepływ prądu udarowy o
stromości narastania 1kA/�s wywołuje na
przewodzie o długości 1m spadek napięcia o
wartości ok. 1kV.
Rys.4. Zalecane długości przewodów do po-
W przypadku rzeczywistych zagrożeń stro-
łączeń ogranicznika
mość narastania prądów udarowych osiąga
wartości od kilku do kilkunastu kA/�s i spadki
napięć będą proporcjonalnie większe. W takim przypadku może być wskazane
stosowanie ograniczniki posiadającego obu-
Szczególnie duże spadki napięć występują
dowane iskierniki Jeśli w instalacji elektrycz-
na przewodzie łączącym ogranicznik z szyną
nej długość połączenia jest większa to można
wyrównywania potencjałów. W przewodzie
zastosować układ połączeń przedstawiony na
tym płynie prąd wielokrotnie większy od prą-
rys.5.
du w przewodach łączących ogranicznik z
W przedstawionym układzie, dzięki zastoso-
przewodami fazowymi, a dodatkowo długość
waniu dodatkowego przewodu łączącego
tego przewodu może być znaczna.
ogranicznik z przewodem PE, spadek napięcia
W celu zmniejszenia pojawiającego się zagro-
na przewodzie łączącym ograniczniki z szyną
żenia należy ograniczniki umieszczać w takich
wyrównywania potencjałów wpływa w mini-
miejscach, w których do ich połączenia można
malnym stopniu na wartość napięć przecho-
zastosować możliwie najkrótsze przewody.
dzących do instalacji elektrycznej obiektu.
A. Sowa Wymagania montażowe układu ograniczników przepięć klasy I
Wydmuch gazów na zewnątrz
System
Rozdzielnica
ograniczników
TN-C-S
główna
L1
Podstawowym elementem ogranicznika
L2
L3
przepięć klasy I jest iskiernik. Pojawienie się
N
PE
przepięcia lub prądu piorunowego powoduje
przeskok iskry między elektrodami iskiernika i
Ograniczniki
przepływ prądu udarowego. Po przepływie
klasy I
prądu udarowego w iskierniku pojawia się
prąd następczy, który powinien zostać prze-
rwany.
W części ograniczników stosowane są
iskierniki, w których podczas gaszenie łuku
ZA

CZE
Szyna
wywołanego przepływem prądu następczego,
wyrównywania
potencjałów
następuje wydmuch gorących, zjonizowanych
gazów na zewnątrz ogranicznika.
W takim przypadku należy uwzględnić:
Rys.5. Eliminacja wpływu spadków napięć na
" kierunek wydmuchu gazów,
przewodzie łączącym ogranicznik z szyną wy-
" obszar występującego zagrożenia.
równawczą.
Instalując układy ograniczników przepięć kla-
sy I nie należy umieszczać nieizolowanych,
Optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie
tzw.  połączenia V (rys.6.) w którym elimi- ułożonych blisko siebie przewodów w obsza-
rze występowania wydmuchu. W przypadku
nowany jest wpływ długości przewodów na
montażu ograniczników w oddzielnych szaf-
poziom przepięcia wnikającego do instalacji
za układem ograniczników. Ograniczniki sto- kach należy również uwzględnić wzrost ci-
śnienia jaki wystąpi podczas wydmuchu ga-
sowane do takiego układu połączeń powinny
posiadać możliwość podłączenia dwu przewo- zów.
Powyższych zagrożeń można uniknąć stosując
dów do każdego bieguna.
ograniczniki z obudowanymi iskiernikami, nie
wyprowadzające gazów na zewnątrz.
Elektrodynamiczne działanie
prądu udarowego
Zapewnienie poprawnego działania układu
Dodatkowa
ograniczników klasy I wymaga również
szyna ochrona
uwzględnienia zagrożeń stwarzanych przez si-
ły elektrodynamiczne wywołane przez płynące
w przewodach prądy udarowe.
Główna szyna
Do przybliżonej oceny zagrożenia można
wyrównawcza
przyjąć, że w przypadku przepływu prądu w
układzie przewodów równoległych (rys.7.)
wystąpią siły elektrodynamiczne opisane rów-
naniem:
Rys.6. Optymalny układ przyłączenia ogra-
�0 l
F = ( ) �" i1 �" i2 �" l = 2 �" i1 �" i2 �" ( ) �"10-7
nicznika
2 �"Ą �" a a
gdzie: i1 � i2 - chwilowe wartości prądów
płynących w przewodach [A],
A. Sowa Wymagania montażowe układu ograniczników przepięć klasy I
Przykład rozkładu sił działających na prze-
a - odstęp między przewodami,
wody w typowym układzie połączeń ogranicz-
l - długość przewodów ułożonych
ników przepięć klasy I przedstawia rys.8.
równolegle.
i2
i1
i1
i/3 i/3
Fp
Fp i/3
Fod i2 Fod
i/3
i/3 i/3
F32
F12 F21 F23
l
l
F13 F31
A
1 2 3
a
a
element A
i1
i
l
Fz
r
Rys.8. Siły elektrodynamiczne działające na
Fz
i1 układy przewodów łączących ograniczniki
przepięć klasy I z przewodami fazowymi.
Wartości tych sił, obliczone dla prądów wpły-
Rys.7. Przykłady sił elektrodynamicznych
wających o wartościach 30 kA i 75 kA, zesta-
działających na przewody z prądem
wiono w tablicy 3.
Tablica 3. Siły elektrodynamiczne działające na przewody łączące ogranicznik z przewodami fazowymi.
Siły elektrodynamiczne
Układ przewodów
F12=F21=F23=F32 F13=F31
Odległości pomiędzy przewodami a=0,02m,
Długość przewodów l = 0,5m,
500 N 250 N
Prądy w przewodach i = 10 kA
Odległości pomiędzy przewodami a=0,02m,
Długość przewodów l = 0,5m,
3125 N 1562,5 N
Prądy w przewodach i = 25 kA
rys.9a gdyż jest analogiczny do przed-
Z punktu widzenia oddziaływania sił elektrody-
stawionego na rys.8),
namicznych, najbardziej niekorzystny jest układ
połączeń w którym wszystkie przewody docho-
" pomiędzy przewodem 4 i przewodami
dzące do ogranicznika ułożone są równolegle
1,2 i 3 (siły F1, F2 i F3 ),
(rys.9.). Prądy udarowe płynące w przedsta-
" w samym przewodzie 4 w miejscach
wionym układzie powodują powstawanie sił
zginania tego przewodu (siły F4).
działających:
Przykładowe wartości sił F1, F2 , F3 i F4 wy-
" pomiędzy przewodami 1, 2 i 3 (rozkład
znaczone dla różnych wartości prądu udaro-
tych sił nie został przedstawiony na
wego wpływającego do ogranicznika zesta-
wiono w tablicy 4.
A. Sowa Wymagania montażowe układu ograniczników przepięć klasy I
Podejmowane są również próby wyznaczania
F3 sił elektrodynamicznych wykorzystując zależ-
ności określające tzw. energię właściwą prądu
F2
F3
udarowego W wynoszącą:
F2
2
W = dt
F1
+"i
F1
Jednostkowe impulsy sił są proporcjonalne do
energii właściwej prądu udarowego
i
2
i/3 i/3
i/3
Fdt = f dt
+" +"i
gdzie f jest współczynnikiem proporcjonalno-
ści, którego wartość uzależniona jest od wza-
jemnego ułożenia przewodów.
Należy zaznaczyć, że działanie sił elektrody-
namicznych na przewody w układach ochron-
nych ogranicza się tylko do krótkiej chwili
F4
F4
czasowej, np. przedstawione w tablicach 3 i 4
maksymalne wartości sił, w przypadku prądów
Rys.9. Siły elektrodynamiczne działające na
udarowych będą działały na przewody tylko
przewody łączące ograniczniki klasy I
przez kilkadziesiąt �s. Pomimo tak krótkiego
W przedstawionym układzie siły o najwięk- czasu działania nie należy lekceważyć tego
szych wartościach działają na przewody 4 i 3. zagrożenia.
Tablica 4. Siły elektrodynamiczne działające pomiędzy przewodami w układzie połączeń
przedstawionym na rys.9a.
Siły elektrodynamiczne
Układ przewodów
F1 F2 F3 F4
Odległości pomiędzy przewodami 1,2,3 a=0,02m,
Odległość pomiędzy przewodami 3 i 4 d = 0,05m,
Długość przewodów 1,2 i 3 l1 = 0,5m,
Odległość na zgięciu przewodu c = 0,03m,
Długość zagięcia l2 = 0,1m, 333 N 428 N 600 N 600 N
Prądy w przewodach 1,2,3 10 kA,
Prąd w przewodzie 4 30 kA.
Odległości pomiędzy przewodami 1,2,3 a=0,02m,
Odległość pomiędzy przewodami 3 i 4 d = 0,05m,
Długość przewodów 1,2 i 3 l1 = 0,5m,
Odległość na zgięciu przewodu c = 0,03m,
Długość zagięcia l2 = 0,1m, 2083 N 2678 N 3750 N 3750 N
Prądy w przewodach 1,2,3 25 kA,
Prąd w przewodzie 4 75 kA.
A. Sowa Wymagania montażowe układu ograniczników przepięć klasy I
Występujące siły elektrodynamiczne dążą do 3. PN-IEC 61312-1: Ochrona przed pioruno-
wyrwania przewodów z zacisków mocujących wym impulsem elektromagnetycznym.
i mogą spowodować uszkodzenia przewodów Część 1. Zasady ogólne.
oraz sąsiednich urządzeń elektrycznych.
4. PN-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje
W celu ograniczenia działania sił elektrody-
elektryczne w obiektach budowlanych.
namicznych należy:
Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa.
- unikać równoległego układania przewo- Ochrona przez przepięciami. Ochrona
dów stosowanych do podłączenia ogra- przed przepięciami atmosferycznymi i łą-
nicznika, czeniowymi.
- unikania zaginania przewodów. 5. PN-IEC 61643-1. Urządzenia do ograni-
Jeśli w układzie połączeń ogranicznika nie czania przepięć w sieciach rozdzielczych
można uniknąć równoległego ułożenia prze- niskiego napięcia. Część 1. Wymagania
wodów należy zastosować dodatkowe ele- techniczne i metody badań.
menty mocujące przewody, np. uchwyty ka-
6. IEC 1643-1: Surge-protective devices con-
blowe montowane co ok. 15  20 cm.
nected to low-voltage power distribution
Dobierając ograniczniki należy również zwró-
systems. Part 1. Performance surge protec-
cić uwagę na jakość wykonania zacisków śru-
tive devices-requirements and testing
bowych służących do mocowania przewodów.
methods.
Odpowiednie ich wyprofilowanie zapobiega
7. Raab V. �berspannungsschutz in Verbrau-
wysunięciu się przewodu z zacisku podczas
cheranlagen. Auswahl. Errichtung. Pr�-
działania sił elektrodynamicznych.
fung. Verlag Technik 1998.
Przestrzegania przedstawionych zaleceń
umożliwi ograniczenie przepięć do wymaga-
8. Hasse P.: �berspannungsschutz von Nie-
nych poziomów oraz zapewni poprawną
derspannungsanlagen. T�R-Verlag 1998.
współpracę układu ograniczników klasy I z
9. Flisowski Zd.: Trendy rozwojowe ochrony
układami ograniczników kolejnych stopni
odgromowej budowli. Część
ochrony przepięciowej.
1.Wyładowania piorunowe jako z
ródło za-
LITERATURA
grożenia. PWN 1986.
10. �berspannungsschutzeinrichtungen der
1. PN-86/E-05009/01: Ochrona odgromowa
Anforderungsklasse B. Richtlinie f�r den
obiektów budowlanych. Wymagania ogól-
Einsatz in Hauptstromversorgungssyste-
ne.
men. VWEW 1998
2. PN-IEC 61024-1 : Ochrona odgromowa
obiektów budowlanych. Część 1. Zasady
ogólne.