OCHRONA PRZEPI
CIOWA
Ochrona przed przepięciami
systemów bezawaryjnego zasilania
Andrzej Sowa
Układy ochrony przepięciowej w instalacji elek-
przepięciami występującymi w instalacji elek-
trycznej w obiektach budowlanych, w których
trycznej.
pracujÄ… urzÄ…dzenia i systemy wymagajÄ…ce nie-
Odporność udarowa systemów
zawodnego zasilania, powinny ograniczać prze-
pięcia do poziomów wytrzymywanych przez:
bezawaryjnego zasilania
- zasilacze systemu bezawaryjnego zasila- Zadaniem elementów i układów ochrony prze-
nia tzw. zasilacze UPS (ang. Uninterrup- pięciowej jest ograniczenie napięć i prądów
table Power System).
udarowych do poziomów leżących poniżej po-
ziomów odporności udarowej chronionych
- urządzenia różnorodnych systemów elek-
urządzeń.
trycznych i elektronicznych pracujÄ…cych
W przypadku zasilaczy UPS badania odporno-
w obiekcie.
ści na działanie przepięć i określenie poziomu
Dobierające ograniczniki przepięć należy posia-
odporności udarowej dokonuje ich producent.
dać podstawowe informacje dotyczące:
W czasie takich badań urządzenie powinno
być zasilane napięciem znamionowym i do-
f& występującego zagrożenia piorunowego i
datkowo do wybranych punktów należy do-
przepięciowego instalacji,
prowadzić napięcia i prądy udarowe.
f& odporności udarowej zasilaczy UPS i urzą-
Dokładny opis badań odporności urządzeń na
dzeń systemów elektrycznych i elektronicz-
działanie napięć i prądów udarowych zawiera
nych,
norma PN-EN 61000-4-5 [ 4 ].
W normie tej podano również:
f& możliwości rozmieszczenia poszczególnych
układów ograniczników przepięć w instalacji
zasady doboru poziomów udarów probier-
elektrycznej w obiekcie.
czych do badania urządzeń instalowanych
w różnorodnych środowiskach elektrycz-
f& rozmieszczenia zasilaczy i urządzeń elektro-
nych,
nicznych w obiekcie.
dokładną charakterystykę poszczególnych
Należy zauważyć, że zapewnienie bezpiecznej i
środowisk elektrycznych i ich podział na
bezawaryjnej pracy urządzeń i systemów wy-
tzw. klasy instalacji.
maga zaprojektowania i wykonania systemów
ochrony przepięciowej zarówno w instalacji
Wartości zalecanych poziomów udarów
elektrycznej jak i w różnorodnych systemach
probierczych oraz opis ich przebiegów
przesyłu sygnałów.
czasowych przedstawiono w tablicy 1.
Poniżej przedstawione zostaną przykłady doboru
Tworząc warunki do bezpiecznego działania
układów chroniących zasilacze UPS przed dzia- zasilaczy można wybrać jeden z przedstawio-
Å‚aniem prÄ…du piorunowego i wszelkiego rodzaju
nych poniżej sposobów postępowania:
Andrzej Sowa Ochrona przed przepięciami systemów bezawaryjnego zasilania
" na podstawie informacji o zasadach ułoże- zasilacz o odpowiednim poziomie odpor-
nia instalacji, zainstalowanych układach ności udarowej,
ograniczników przepięć, systemie wyrów-
" tworzymy obiekcie odpowiednie warunki
nywania potencjałów oraz uziemienia
do pracy zasilacza o danej odporności
określamy klasę środowiska i dobieramy
udarowej.
Tablica 1. Przykładowe wartości poziomów probierczych i kształtów udarów stosowanych do ba-
dań zasilaczy UPS.
Zakres badań Poziomy probiercze
Klasa
instalacji
przewód- przewód-
PN-EN 61000-4-5
przewód ziemia
" udary napiÄ™ciowe o ksztaÅ‚cie 1,2/50 µs/µs
0 NA NA
o wartości szczytowej napięcia regulowanej
od 500 V do 4 kV w przypadku otwartego
1 NA 0,5 kV
wyjścia generatora,
2 0,5 kV 1,0 kV
" udary prÄ…dowe 8/20 µs/µs i wartoÅ›ci szczy-
towej prądu od 0,25 kA do 2 kA na wyjściu
3 1,0 kV 2,0 kV
zwartym.
4 2,0 kV 4,0 kV
" udarów napiÄ™ciowych 10/700µs (czas czoÅ‚a
10µs oraz czas do półszczytu 700 µs) .
5 ** **
x
ANSI/IEEE C62.45-1987
" Udary napiÄ™ciowe 0,5µs/100kHz  wysoko- Kategoria A
0,5µs/100kHz 6 kV
impedancyjne obciążenie generatora,
200A
" Udary prÄ…dowe 0,5µs/100kHz  niskoimpe-
dancyjne obciążenie generatora,
" udary napiÄ™ciowe o ksztaÅ‚cie 1,2/50 µs/µs
o wartości szczytowej 6 kV w wysokoimpe-
dancyjne obciążenie generatora,
0,5µs/100kHz 6 kV
Kategoria B
" udary prÄ…dowe 8/20 µs/µs i wartoÅ›ci szczy- 500A
towej prÄ…du 3 kA niskoimpedancyjne obciÄ…-
1,2/50  8/20µs/µs 6 kV
żenie generatora,
3 kA
ce wyższe klasy i zapewniają odporność uda-
Wartości poziomów odporności udarowej
rowÄ… zasilaczy na poziomie 4 kV lub nawet
urzÄ…dzenia elektrycznego lub elektronicznego
6 kV.
określają normy przedmiotowe. W przypadku
Podobne poziomy odporności udarowej cha-
systemów bezawaryjnego zasilania jest to
rakteryzujÄ… zasilacze badane zgodnie z wymo-
norma EN 50091-2 [8] , która sugeruje produ-
gami zaleceń amerykańskich ANSI/IEEE
centom badanie zasilaczy UPS zgodne z wy-
C62.45-1987 [9].
maganiami 3 klasy instalacji (zacienione war-
Zakres badań urządzeń w zależności od okre-
tości w tablicy 1.).
ślonych w tej normie kategorii przedstawiono
Wymogi niezawodności systemu zasilania
w tablicy 1. Zwiększenie odporności udarowej
powodują, że producenci często wybierają
wymaga najczęściej zainstalowania w zasila-
wartości udarów probierczych charakteryzują-
czach dodatkowych elementów ograniczają-
cych przepięcia. W wielu przypadkach zain-
Andrzej Sowa Ochrona przed przepięciami systemów bezawaryjnego zasilania
stalowane układy ochrony przepięciowej speł- przepięciowej przeznaczonych do montażu w
niają wymogi ograniczników klasy III. Posia- instalacji elektrycznej o napięciu do 1000 V.
dając informacje o odporności udarowej moż-
W dalszej części opracowania urządzenia ochro-
na przystąpić do doboru i rozmieszczania
ny przepięciowej będą nazywane ogranicznika-
układów ochrony przepięciowej.
mi przepięć z dodatkowych oznaczaniem klasy
badań, którym podlegają.
Ograniczanie przepięć
Zadania, miejsca montażu oraz wymagany za-
w instalacji elektrycznej
kres badań ograniczników różnych klas zesta-
Zalecenia zawarte w normie PN IEC 61643-1
wiono w tabl. 2.
[7], określają 3 klasy badań urządzeń ochrony
Tablica 2. Zadania, miejsca montażu oraz wymagany zakres badań ograniczników różnych klas
Charakterystyka ograniczników
Parametr
Klasa I Klasa II Klasa III
Niedopuszczanie do wnikania prądu pioruno- Ograniczanie przepięć pomiędzy: Ograniczanie przepięć pomię-
Zadanie
wego i wszelkiego rodzaju przepięć do instala- przewodami L1,L2,L3 i przewodem dzy:
cji elektrycznej wewnÄ…trz obiektu budowlane- PE, przewodem L a neutralnym N,
go. przewodami N i PE. przewodami N i PE.
Na szynie 35 mm lub w gniazdach bezpieczni- Na szynie 35mm lub w gniazdach bez- Na szynie 35mm, w puszkach,
kowych za głównymi zabezpieczeniami zasila- piecznikowych w miejscach rozgałęzienia gniazdach, w kanałach kablo-
Montaż
nia w miejscu wprowadzania instalacji elek- instalacji elektrycznej wewnątrz obiektu wych, bezpośrednio w gniaz-
trycznej do obiektu. Typowe miejsca montażu: budowlanego(rozdzielnice główne, roz- dach lub jako układy przenośne
złącze, dodatkowa szafka obok złącza, roz- dzielnice oddziałowe, tablice rozdzielcze). wtykane do gniazd, w urządze-
dzielnica główna. niach.
" znamionowym napięciem udarowym 1,2/50, " znamionowym prądem wyładowczym in,
Zakres badań Badania znamionowym udarem
" prądem udarowy impulsowym Imax, " największym prądem wyładowczym imax,
napięciowo-prądowym 1,2/50-
" znamionowym prądem wyładowczym 8/20. " napięciem udarowym 1,2/50.
8/20.
TworzÄ…c w instalacji elektrycznej systemy
gólnych układów ograniczników. Koordynację
ochrony przepięciowej należy spełnić szereg
uzyskujemy zachowujÄ…c odpowiednie, zaleca-
wymagań dotyczących układów ograniczników
ne przez producentów, odległości pomiędzy
poszczególnych klas.
układami ograniczników różnych klas lub do-
Podstawowe wymagania odnoszące się do ukła-
datkowe elementy sprzęgające.
dów ograniczników klasy I i II oraz I+II przed-
Poniżej przedstawiono kilka typowych wielo-
stawiono w tabl. 3.
stopniowych układów połączeń ograniczników
Określając liczbę stopni ograniczników, ich
przepięć i ich rozmieszczenie w systemie bez-
układy połączeń oraz rozmieszczenie w insta-
awaryjnego zasilania lokalnej sieci kompute-
lacji elektrycznej należy uwzględnić:
rowej.
" sposób ochrony odgromowej obiektu ( za-
Przykład 1. Obiekt z instalacją pioruno-
stosowana instalacja odgromowa lub jej
chronną i zasilaczem UPS dużej mocy (tzw.
brak),
konfiguracja centralna)
" system sieci elektrycznej w obiekcie,
W instalacji elektrycznej systemu komputero-
" rozmieszczenie zasilaczy i ich poziom od-
wego wykorzystywano zasilacz dużej mocy pod-
porności udarowej,
trzymujący pracę urządzeń w całej sieci.
" poziom odporności udarowej pozostałych
Odporność udarowa takich zasilaczy jest najczę-
urządzeń elektronicznych.
ściej na poziomie 4kV lub 6 kV , a odporność
Zapewnienie poprawnego działania wielostop-
poszczególnych urządzeń np. komputerów przy-
niowego systemu ochrony przepięciowej wyma-
jęto na poziomie 1000V  1500V.
ga również skoordynowania działanie poszcze-
Andrzej Sowa Ochrona przed przepięciami systemów bezawaryjnego zasilania
Tablica 3. Wymagania dotyczące układów ograniczników klasy I i II.
Klasa ogra-
Wymagania dotyczące montażu i eksploatacji ograniczników
nicznika
" Układy ograniczników klasy I powinny być instalowane za zabezpieczeniami głównymi, w po-
bliżu miejsca wprowadzania instalacji elektrycznej do obiektu budowlanego (złącze kablowe,
szafka obok złącza, rozdzielnica główna).
" Układ połączeń ograniczników powinien być dobrany odpowiednio do systemu sieci.
" Należy określić skuteczną wartość napięcia trwałej pracy ogranicznika oraz poziom ograni-
czenia napięć udarowych przez ograniczniki.
" Przewody wykorzystywane do przyłączenia ogranicznika powinny być możliwie najkrótsze.
" Układając przewody łączące ograniczniki należy uwzględnić możliwości oddziaływania na nie
Klasa I
sił dynamicznych wywoływanych przez płynący prąd piorunowy.
" Należy określić potrzebę stosowania dodatkowych zabezpieczeń nadprądowych w szereg z
ogranicznikiem klasy I.
" Zachować w miejscu montażu iskiernikowych ograniczników klasy I dopuszczalne odległości
pomiędzy nimi a innymi urządzeniami (jeśli takie są zalecenia producenta ograniczników).
" Układ połączeń ograniczników klasy II powinien być dobrany odpowiednio do systemu sieci.
" Miejsce montażu układu ograniczników przepięć klasy II uzależnione jest od jego zadań. W
przypadku układu dwustopniowego są to rozdzielnice na poszczególnych kondygnacjach, roz-
dzielnice oddziałowe, tablice rozdzielcze wewnątrz obiektu (wskazany jest montaż ograniczni-
ków przed wyłącznikami różnicowo-prądowymi).
" Jeśli w instalacji nie występuje zagrożenie bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego
to układy ograniczników klasy II można instalować w miejscu wprowadzania instalacji do obiek-
tu (zamiast ograniczników klasy I).
Klasa II
" Należy określić potrzebę stosowania dodatkowych zabezpieczeń nadprądowych w szereg z
ogranicznikiem klasy II oraz sposób sygnalizacji uszkodzenia ograniczników.
" Należy zachować wymagane odległości pomiędzy ogranicznikami klasy I i II.
" Jeśli zachowanie wymaganych odległości jest niemożliwe należy zastosować indukcyjności
sprzęgające .
" Podczas badania izolacji instalacji elektrycznej ograniczniki powinny być odłączone lub wyjęte
wkładki warystorowe
" Wymagania analogiczne jak w przypadku ograniczników klasy I
Klasa I + II
" Ograniczanie przepięć poniżej 1500V.
W takim przypadku do ochrony przed działa-
do ich ochrony, zastosować iskiernikowo-wa-
niem prądu piorunowego i przepięciami należy
rystorowe ograniczniki spełniające wymagania
w instalacji elektrycznej obiektu zastosować
ograniczników klasy I i II (tablica 3.)
wielostopniowy układ ochronny (rys.1.) tworzo-
Ograniczniki takie można montować w do-
ny przez:
wolnej odległości od chronionego zasilacza
" ograniczniki przepięć klasy I zainstalowane
UPS np. w rozdzielny głównej.
w rozdzielnicy głównej (RG),
Bez zmian pozostaje rozmieszczenie pozosta-
łych układów ograniczników przepięć.
" ograniczniki przepięć klasy II instalowane
w tablicach (rozdzielniach) komputerowych
Przykład 2. Obiekt z instalacją pioruno-
(TG), z których zasilane są komputery,
chronnÄ… z kilkoma zasilaczami UPS (tzw.
" ograniczniki przepięć klasy III instalowane
konfiguracja rozproszona ).
przed chronionymi urzÄ…dzeniami w przypad-
W instalacji zastosowano zasilacze małej lub
kach znacznego ich oddalenia od tablic z
średniej mocy służące do podtrzymywania zasi-
ogranicznikami klasy II.
lania urządzeń w wydzielonych pomieszczeniach
W przypadku zasilaczy o mniejszej odporno- obiektu np. pomieszczenia z serwerami, wybrane
stacje robocze.
ści udarowej (poziom 1,5 kV lub 2 kV) można
Andrzej Sowa Ochrona przed przepięciami systemów bezawaryjnego zasilania
Zasilanie rezerwowe
Zasilanie podstawowe
ZK
L1
L2
L3
PEN
RG
230/400 V
Ograniczniki
BY-PASS
przepięć
BY-PASS
zewnętrzny
klasy I
wewnętrzny
Zasilanie
Układ połączeń
podstawowe
ograniczników przepięć
klasy I w RG
UPS o odporności
Baterie
zewnętrzne udarowej na po-
UPS
ziomie 4kV lub 6
Przełącznik
obejścia
zewnętrznego
ODBIÓR
TK2
Zasilanie urządzeń
TGK
L TGK  tablica główna komputerowa
N
TK - tablica komputerowa
PE
Do tablic
komputerowych
TK2
TK1
Ograniczniki
Układ połączeń Ograniczniki
przepięć
ograniczników przepięć
przepięć
Zasilanie urządzeń
klasy II w TK2 klasy II
klasy II
L1
N
PE
Ograniczniki
przepięć
klasy III
Układ połączeń
ograniczników klasy III
Rys.1. Ochrona odgromowa i przepięciowa w instalacji z centralnym zasilaczem UPS
" ograniczniki przepięć klasy I zainstalowane
Odporność udarowa takich zasilaczy jest często
w rozdzielnicy głównej (RG),
na poziomie 2,5kV lub 4kV.
" ograniczniki przepięć klasy II instalowane
W instalacji elektrycznej należy zastosować
w tablicach (rozdzielniach) komputerowych
wielostopniowy układ ochronny (rys.2.) two-
(TG), z których zasilane są UPS-y i kompu-
rzony przez:
tery.
Andrzej Sowa Ochrona przed przepięciami systemów bezawaryjnego zasilania
L1
RG
L2
L3
RG  rozdzielnia główna
ograniczniki
przepięć
TGK  tablica główna komputerowa
klasy I
TK  tablica komputerowa
PEN
TGK
Układ połączeń
ograniczników przepięć
klasy I w RG
TK
Zasilanie tablic
komputerowych
ograniczniki
przepięć
Zasilanie terminali
klasy II
i innych urządzeń
Układ połączeń
ograniczników przepięć UPS
klasy II w TK
.
L1
N
UPS
PE
Ograniczniki
przepięć
Układ połączeń
klasy III
ograniczników klasy
III, np. w kanale
Rys.2. Ochrona odgromowa i przepięciowa w instalacji elektrycznej z rozproszonym podtrzyma-
niem zasilania
Przykład 3. Obiekty nie posiadające insta-
klasy II a zasilaczami należy dodatkowo zasto-
lacji piorunochronnej
sować ograniczniki klasy III. (rys.3.).
W instalacji elektrycznej obiektu nie posia-
Przedstawione przykłady wskazują na ko-
dajÄ…cego instalacji piorunochronnej i zasila-
nieczność stosowania przed zasilaczami jedno-
nego z długiego podejścia kablowego można
lub wielostopniowych układów ograniczników
zastosować jednostopniowy układ ochronny
przepięć.
składający się z ograniczników klasy II.
Przykładowe zestawienie wymaganych stopni
Ograniczniki przepięć klasy II są najczęściej
ograniczników w zależności od odporności uda-
instalowane w tablicy do której podłączony
rowej zasilaczy UPS i występującego za-
jest zasilacz (w takich obiektach najczęściej
grożenia można określić na podstawie infor-
jest tylko jedna tablica).
macji przedstawionych w tablicy 4.
W przypadku większych obiektów i znacznych
odległości pomiędzy tablicą z ogranicznikami
Andrzej Sowa Ochrona przed przepięciami systemów bezawaryjnego zasilania
TG
ograniczniki
przepięć
klasy II
Układ połączeń
ograniczników przepięć
klasy II w TG
UPS
L1
N
ogranicznik
PE
przepięć
klasy III
Układ połączeń UPS
ograniczników klasy III
Rys.3. Ochrona przepięciowa w niewielkim obiekcie bez instalacji piorunochronnej i zasilanym z
podziemnego podejścia kablowego
Tablica 4. Ogólne zasady doboru ograniczników przepięć do ochrony zasilaczy UPS.
Poziom odporności Ograniczniki przepięciowe
Obiekt
udarowej zasilacza
Klasa I Klasa II Klasa III
4 kV lub 6 kV X
çÅ‚ çÅ‚
Budynek z instalacjÄ… piorunochronnÄ…
(naturalnÄ… lub sztucznÄ…)
2 kV X X
çÅ‚
poniżej 1 kV X X X
X
4 kV lub 6 kV
çÅ‚
Budynek bez instalacji piorunochron-nej
 długie podejście kablowe
2 kV X
çÅ‚
poniżej 1 kV X X
çÅ‚
4 kV lub 6 kV X
çÅ‚ çÅ‚
Budynek bez instalacji piorunochron-nej
 zasilany z linii napowietrznej
2 kV X X
çÅ‚
poniżej 1 kV X X X
X - wymagany układ ograniczników danej klasy,
çÅ‚ - ukÅ‚ad ograniczników danej klasy nie jest wymagany.
Andrzej Sowa Ochrona przed przepięciami systemów bezawaryjnego zasilania
3. PN-IEC 61312-1. Ochrona przed pioruno-
Podsumowanie
wym impulsem elektromagnetycznym. Za-
Kompleksowe potraktowanie zagadnień sady ogólne. Marzec 2001.
ochrony odgromowej i przepięciowej w sys-
4. PN-EN 61000-4-5. Kompatybilność elek-
temach bezawaryjnego zasilania wymaga:
tromagnetyczna (EMC). Metody badań i
- przeanalizowania występującego zagro- pomiarów. Badania odporności na udary.
żenia, Grudzień 1998.
- posiadania informacji o odporności uda- 5. PN-IEC 60364-4-443. Instalacje elek-
rowej zasilaczy UPS I innych urządzeń, tryczne w obiektach budowlanych. Ochrona
dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona
- opracowania zasad doboru i rozmieszczania
przez przepięciami. Ochrona przed przepię-
ograniczników przepięć w instalacji elek-
ciami atmosferycznymi i Å‚Ä…czeniowymi. Li-
trycznej
stopad 1999.
W niniejszym opracowaniu przedstawiono tyl-
6. PN-IEC 664-1. Koordynacja izolacji urzÄ…-
ko ogólny zakres postępowania, który może
dzeń elektrycznych w układach niskonapię-
być wykorzystany w dowolnym innym syste-
ciowych. Zasady, wymagania i badania.
mie. Opisując zasady doboru ograniczników
oraz tworzenie rozbudowanych systemów 7. PN IEC 61643-1 Urządzenia ogra-
ochronnych przepięć wykorzystano dostępne za- niczające napięcia dołączone do sieci roz-
lecenia norm krajowych i międzynarodowych dzielczych niskiego napięcia. Wymagania
techniczne i metody badań.
Literatura
8. EN 50091-2. Unterruptable power systems
(UPS). Part 2. EMC requirements. 1995.
1. PN-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa
9. ANSI/IEEE C62.45-1987 IEEE Guide on
obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.
Surge Testing for Equipment Connected
2. PN-IEC 61024-1. Ochrona odgromowa
to Low-Voltage AC Powe Cuircuits.
obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
2001.