OGRANICZANIE PRZEPI
Ć
W INSTALACJI ELETRYCZNEJ
Zagrożenie piorunowe wywołane przez różnice
potencjałów w obiektach budowlanych
Andrzej Sowa Jarosław Wiater
Politechnika Białostocka
Jednym z podstawowych zadań wewnętrznej
" nisko-impedancyjne bezpośrednie - po-
ochrony odgromowej jest ograniczanie różnic
między przewodzącymi instalacjami i urzą-
potencjałów wywoływanych przez rozpływający
dzeniami, na których nie występuje trwale
się prąd piorunowy podczas bezpośredniego wy-
potencjał elektryczny,
Å‚adowania w obiekt budowlany. Takie zadanie
" przez ograniczniki przepięć  między
zawarto w normach dotyczÄ…cych ochrony od-
urzÄ…dzeniami uziemionymi a izolowanymi
gromowej obiektów budowlanych [1,3,4,5] oraz
od ziemi oraz znajdujÄ…cymi siÄ™ pod napiÄ™-
ochrony przed przepięciami w instalacji elek-
ciem przewodami urządzeń elektrycznych.
trycznej [6].
" iskiernikowe  pomiędzy różnego rodzaju
Odpowiednio dobrany i wykonany system wy-
wydzielonymi uziomami lub systemami wy-
równywania potencjałów powinien:
równywania potencjałów.
" zapewnić bezpieczeństwo ludzi przebywa-
W normach tych wspomniano również o połą-
jÄ…cych wewnÄ…trz i na zewnÄ…trz obiektu bu-
czeniach wyrównawczych w instalacjach prze-
dowlanego,
syłu sygnałów stwierdzając, że:
" ograniczyć możliwości wystąpienia prze-
-  UrzÄ…dzenia elektryczne i elektroniczne (np.
skoków iskrowych w chronionych obsza-
sterujące, techniki cyfrowej) , których działa-
rach,
nie w sposób niedopuszczalny może być za-
" ograniczyć wartości szczytowych przepięć
kłócane niskimi wartościami napięć, wywo-
występujących pomiędzy poszczególnymi
ływanych przepływem prądu piorunowego w
instalacjami.
urządzeniach piorunochronnych , należy
W dalszej części rozpatrywane będą zjawiska
chronić za pomocą ochronników .
zachodzÄ…ce w typowych wolnostojÄ…cych obiek-
tach budowlanych. -  Ochronniki należy łączyć miedzy przewodem
Rozpatrywane będzie zagrożenie występujące zasilającym a ekranem lub przewodem zero-
podczas bezpośredniego wyładowania pioru- wym* (jeśli występuje) lub najbliższym ele-
nowego w urzÄ…dzenie piorunochronne obiektu mentem urzÄ…dzenia piorunochronnego. Ro-
budowlanego oraz uderzenia piorunu w napo- dzaj ochronników oraz ich charakterystyki
wietrzne linie elektroenergetyczne średnich na- należy dobierać zależnie od urządzenia chro-
pięć. nionego ( * - nazewnictwo stosowane w nor-
mie).
NORMY I ZALECENIA
W chronione przestrzeni połączenia wyrów-
nawcze redukują zagrożenie piorunowe i wy-
Zgodnie z wymaganiami zawartymi w normach
buchowe oraz są najważniejszym środkiem
ochrony odgromowej [1,2], wszelkie instalacje
wprowadzane do obiektu oraz instalacje prze- ochrony przed zagrożeniem życia ludzkiego.
Taka rolÄ™ ekwipotencjalizacji wyznacza norma
biegające wewnątrz tego obiektu należy objąć
PN-IEC 61024-1 [3]. Postępując zgodnie z za-
ekwipotencjalizacją wykorzystując połączenia:
leceniami zawartymi w tej normie należy:
A. Sowa Zagrożenie piorunowe wywołane przez różnice potencjałów w obiektach budowlanych
" połączyć za pomocą przewodów wyrów- Oceniając występujące zagrożenie piorunowe,
nawczych lub ograniczników przepięć przeprowadzono analizę najbardziej nieko-
 urządzenie piorunochronne, konstrukcję rzystnego przypadku, bezpośredniego wyła-
metalową obiektu, metalowe instalacje, ze- dowania w obiekt i wpłynięcia do urządzenia
wnętrzne części przewodzące oraz elek- piorunochronnego prądu udarowego o wartości
tryczne i telekomunikacyjne instalacje w szczytowej 100 kA i ksztaÅ‚cie 10/350 µs (prÄ…d
obrębie chronionej przestrzeni (punkt 3.1.), pierwszego wyładowania głównego w kanale).
Prąd ten opisano równaniem:
" połączyć bezpośrednio z urządzeniem pio-
runochronnym przewody PE lub PEN (w
Imax (t /Ä1)10 t
przypadku systemu sieci TN) a do połą-
i = Å" Å" exp(- )
czenia przewodów pod napiÄ™ciem zasto- h 1+ (t /Ä2)10 Ä2
sować ograniczniki przepięć (punkt 3.1.5.).,
gdzie:
" wykonać połączenia wyrównawcze instalacji
Imax = 100 kA - wartość szczytowa prądu,
elektrycznych i telekomunikacyjnych moż-
h =0,930 - współczynnik korekcyjny wartości
liwie najbliżej punktów wejściowych do
szczytowej,
obiektu budowlanego.
t - czas,
Należy zauważyć, że norma PN-IEC 61024-1
Ä1 =19µs - staÅ‚a czasowa czoÅ‚a,
zaleca również stosowanie połączeń wyrów-
Ä2 =485µs - staÅ‚a czasowa grzbietu.
nawczych w obiektach bez zewnętrznych urzą-
Opisany przez powyższą zależność kształt prądu
dzeń piorunochronnych jeśli wymagana jest
piorunowego przedstawiono na rys. 1.
ochrona przed oddziaływaniem piorunowym na
Ocena zagrożenia piorunowego w analizowa-
wchodzÄ…ce instalacje (punkt 3.1.).
nym obiekcie budowlanym wymaga:
Zalecenia dotyczÄ…ce zasad stosowania ogra-
- wyznaczenie podziału prądu piorunowego
niczników przepięć znajdują się również w nor-
sieci zwodów, przewodów odprowadzają-
mie PN-IEC 61312-1 [4] , w której stwierdzono
cych, systemie uziomowym a następnie w
m.in. że:
instalacjach przewodzÄ…cych.
o  Połączenia z szynami wyrównawczymi po- - oszacowania wartości szczytowych prądów
winny być wykonane za pomocą przewodów udarowych wpływającego do po-
i zacisków, a gdzie to jest konieczne za po- szczególnych instalacji dochodzących do
mocą urządzeń ochrony przepięciowej SPD obiektu budowlanego,
(ang. Surge Protective Devices).
- oszacowania skoku i różnic potencjałów
wewnÄ…trz obiektu budowlanego.
o Urządzenia ochrony przepięciowej powinny:
W uproszczonych rozważaniach teoretycznych
- wytrzymać przepływ części prądu pioru-
można przyjąć [4,5,6], że połowa prądu pioru-
nowego o określonych w normie parame-
nowego ip popłynie bezpośrednio do uziomu
trach,
obiektu a pozostała część rozpłynie się w prze-
- ograniczyć przepięcia do określonych po-
wodzÄ…cych instalacjach dochodzÄ…cych do obiek-
ziomów,
tu (rys.2.).
- zgasić prądy następcze.
Przepływ prądu udarowego w systemie uzio-
o Parametry ograniczników przepięć wyko-
mowym obiektu budowlanego spowoduje skok
rzystywanych do połączeń wyrównawczych
potencjału głównej szyny wyrównawczej
powinny być dobierane indywidualnie.
U = 0,5 Å" iP Å" Z
pot
Bezpośrednie wyładowanie
gdzie Z jest impedancjÄ… uziomu.
piorunowe w obiekt budowlany
Do szyny wyrównawczej dołączony jest prze-
Typowe wolnostojÄ…ce obiekty budowlane wy-
wód PEN lub PE. W przypadku braku w in-
magają najczęściej zastosowania urządzeń pio-
stalacji elektrycznej urządzeń ograniczających
runochronnych spełniających warunki III lub IV
przepięcia (w dalszej części artykułu nazywa-
poziomu ochrony.
nych ogranicznikami przepięć klasy I) różnica
A. Sowa Zagrożenie piorunowe wywołane przez różnice potencjałów w obiektach budowlanych
a)
L1
L2
L3
PEN
Szyna wyrówny-
wania potencjałów
PrÄ…d piorunowy iP
50% iP
Otok lub uziom
fundamentowy
50% iP
b)
L1
L2
L3
PEN
Ograniczniki
klasy I
Szyna wyrówny-
wania potencjałów
PrÄ…d piorunowy iP
50% iP
Otok lub uziom
fundamentowy
50% iP
UP
Rys.1. Przebieg czasowy prÄ…du udarowego
symulujący prąd pierwszego wyładowania pio-
Rys.3. Różnice potencjałów występujące w in-
runowego
stalacji elektrycznej a) potencjałów układzie bez
ograniczników przepięć, b) instalacja z ogra-
Bezpośrednie wyładowanie
piorunowe w obiekt nicznikami przepięć klasy I.
100%
zwody
W uproszczonych rozważaniach można przyjęć,
że zastosowanie ograniczników przepięć:
- najczęściej minimalnie wpływa na skok po-
Przewody
Przewody
tencjału szyny wyrównawczej,
odprowa-
odprowa-
OBIEKT
dzajÄ…ce
dzajÄ…ce
- powoduje ograniczenie do określonych po-
BUDOWLANY
ziomów różnic napięć, jakie występuje po-
Szyna wyrównywania
między poszczególnymi przewodami.
50% potencjałów
Przykład podziału prądu piorunowego po za-
działaniu ograniczników przedstawia rys.3b.
Instalacja elektryczna
Rurociąg wodny Zastosowanie ograniczników klasy I ogranicza
uziom
50%
RurociÄ…g gazowy
różnice napięć pomiędzy poszczególnymi prze-
RurociÄ…g kanalizacyjny
wodami, ale każdy z nich znajduje się na wyso-
kim potencjale.
Rys.2. Przykładowy rozpływ prądu piorunowego
Zastosowanie w instalacji wielostopniowego
w obiekcie budowlanym
układu ograniczników przepięć nie likwiduje
potencjałów pomiędzy przewodem PE (lub
skoku potencjałów przewodów. Przykład za-
PEN) a przewodami fazowymi (rys.3a) może
grożeń występujących w dwustopniowym sys-
spowodować zniszczenie tej instalacji i zasi-
temie ograniczania przepięć przedstawiono na
lanych urządzeń
rys.4.
A. Sowa Zagrożenie piorunowe wywołane przez różnice potencjałów w obiektach budowlanych
Wzrasta potencjał szyny wyrównawczej
a)
względem przewodów fazowych, aż do chwili
Ogranicznik
zadziałania ograniczników przepięć klasy II.
klasy I Ogranicznik
klasy II
Po zadziałaniu tych ograniczników w układzie
następuje zmiana w rozpływie prądu (rys.4b).
Szyna wyrównywania
Na ograniczniku przepięć klasy I panuje na-
potencjałów
pięcie równe sumie napięcia panującego na
PrÄ…d piorunowy iP
50% iP
ograniczniku klasy II oraz spadków napięć na
indukcyjności przewodów łączących ogra-
Otok lub uziom
fundamentowy
50% iP niczniki klasy I i II.
UP
Po przekroczeniu przez napięcie UB udarowego
b)
napięcia zapłonu ogranicznika klasy I następuje
jego zadziałanie (rys.4c) i zmiana rozpływu prą-
Ogranicznik
klasy I Ogranicznik du.
UII
klasy II
Zastosowanie dwustopniowego systemu ogra-
niczania przepięć powoduje jedynie zmniej-
Szyna wyrównywania
potencjałów
szenie wartości szczytowych napięć udarowych
pomiędzy poszczególnymi przewodami instala-
PrÄ…d piorunowy iP
50% iP
cji, nie wyeliminuje skoku potencjałów wszyst-
kich przewodów instalacji elektrycznej docho-
Otok lub uziom
fundamentowy
50% iP
dzących do zasilanych urządzeń
UP
c)
Wyładowanie piorunowe
w przewody napowietrznych linii
Ogranicznik
klasy I Ogranicznik
średnich napięć
klasy II
Inne czynniki zagrożenia należy rozważać w
Szyna wyrównywania
potencjałów
obiektach nieposiadających urządzeń pioruno-
chronnych. Są to obiekty, które nie wymagają
PrÄ…d piorunowy iP
50% iP
ochrony odgromowej lub stosowanie takiej
Otok lub uziom ochrony jest tylko zalecane i projektant lub wła-
fundamentowy
50% iP
UP ściciel uznali ją za zbędną.
W takich przypadkach nie są uwzględniane bez-
pośrednie wyładowania piorunowe w obiekt bu-
Rys.4. Podział prądu udarowego w dwustop-
dowlany, a największym zagrożeniem dla insta-
niowym układzie ochrony przepięciowej.
lacji elektrycznej i zasilanych urządzeń są prądy
a) ograniczniki nie działają,
udarowe płynące w przewodach linii średnich i
b) działa ogranicznik przepięć klasy II,
niskich napięć podczas wyładowań w przewody
c) działa ogranicznik przepięć klasy I.
tych linii lub wyładowań w bliskim ich sąsiedz-
twie.
Podczas bezpośredniego wyładowania, prąd pio-
Analizując zagrożenie piorunowe w systemie
runowy wpływa do systemu uziomowego.
elektroenergetycznym przyjęto stację SN/nN
Wzrasta potencjał szyny wyrównawczej i część
15/0.4 kV z izolowanym punktem neutralnym
prądu piorunowego wpływa do połączonego z tą
po stronie średniego napięcia i uziemionym po
szynÄ… przewodu PE lub PEN (rys.4a).
stronie niskiego napięcia (układ połączeń uzwo-
potencjałów pomiędzy przewodem PE (lub
jeń transformatora  Dyn).
PEN) a przewodami fazowymi (rys.3a) może
Od stacji do obiektu budowlanego biegnie linia
spowodować zniszczenie tej instalacji i zasi-
napowietrzna o długości 30m (rys.5.).
lanych urządzeń
A. Sowa Zagrożenie piorunowe wywołane przez różnice potencjałów w obiektach budowlanych
a)
Rys.5. System elektroenergetyczny z układami
ograniczników w linii średniego napięcia oraz
Charakterystyka warystora SN
SPD w miejscu wprowadzania instalacji
elektrycznej do obiektu budowlanego.
50000
40000
Symulując bezpośrednie wyładowanie pioru-
30000
nowe w linię średniego napięcia, prądy udarowe
20000
o wartościach szczytowych 10 kA i kształcie
10000
10/35 µs (przebieg czasowy opisany równaniem
(1)) doprowadzano do: 0
0 20000 40000 60000
- pojedynczego przewodu fazowego,
I[A]
- każdego z trzech przewodów fazowych
linii.
b)
Do ochrony przed działaniem prądów pio-
Charakterystyka warystora nN
runowych zastosowano układy:
" ograniczników przepięć instalowane
800
przed transformatorami od strony linii
600
średniego napięcia,
400
" ograniczniki przepięć klasy II w instala-
cji elektrycznej wewnątrz obiektów bu- 200
dowlanych.
0
Wykorzystywane w obliczeniach typowe cha- 0 5000 10000 15000
rakterystyki napięciowo-prądowe elementów I[A]
zmienno-oporowych w ogranicznikach śred-
Rys. 6. Charakterystyki napięciowo-prądowe
niego oraz niskiego napięcia przedstawiono na
elementów zmienno-oporowych w ograniczni-
rys.6. Obliczenia przeprowadzono wykorzystu-
kach : a) średniego napięcia b) niskiego na-
jÄ…c program ATP-EMTP (Alternative Tran-
pięcia
sients Program version of Electromagnetic Tran-
Wewnątrz obiektu budowlanego przyjęto, że:
sients Program), który umożliwia zamodelo-
wanie układ stacji SN/nN 15/0.4kV wraz z in-
" obciążeniem transformatora po stronie ni-
stalacjÄ… elektrycznÄ… po stronie SN i nN.
skiego napięcia jest połączony w gwiazdę
układ rezystorów o wartości 5&!,
U[V]
U[V]
A. Sowa Zagrożenie piorunowe wywołane przez różnice potencjałów w obiektach budowlanych
a)
" instalacja elektryczna wykonana jest w sys-
temie TN-C-S.
Rezystancje dynamiczne uziomu stacji
SN/nN oraz uziomu otokowego obiektu bu-
dowlanego wynosiły odpowiednio 2&! i 10&!
(systemy uziomowe zastÄ…piono re-
zystancjami skupionymi).
W analizowanym układzie przewód neutralno-
ochronny PEN był bezpośrednio połączony z
uziomem w punkcie wejścia instalacji elek-
b)
trycznej do obiektu budowlanego (rys.5.).
Wprowadzenie prÄ…du piorunowego do przewodu
jednej fazy powodowało zadziałanie ogranicznika
przepięć w tej fazie. Po zadziałaniu ogranicznika
różnice potencjałów wywołane przez rozpływają-
cy się prąd piorunowy powodowały zadziałanie
ograniczników w pozostałych fazach. Prądy w
nich płynące są przeciwnego znaku w porówna-
niu z prądem płynącym w pierwszym z działają-
cych ograniczników.
Podobne obliczenia przeprowadzono wprowa-
prÄ…d udarowy wprowadzano do jednego prze-
dzając prąd piorunowy do każdego z przewodów
wodu
fazowych. W takim przypadku otrzymano jedna-
c)
kowe przebiegi prądów w każdym z ograniczni-
ków oraz występujących na nich napięć.
Przykładowe przebiegi prądów płynących w
ogranicznikach średniego napięcia i napięć na
nich panujÄ…cych przedstawiono na rys.7.
Wyznaczone przepięcia nie stanowią zagrożenia
dla uzwojeń strony pierwotnej transformatora.
Kolejnym etapem była analiza zagrożenia pio-
runowego instalacji elektrycznej w obiekcie bu-
dowlanym.
d)
Obliczano prądy płynące w ogranicznikach prze-
pięć, występujące na nich napięcia oraz różnice
potencjałów przewodów instalacji elektrycznej
względem ziemi odniesienia.
Przykładowe przebiegi prądów płynących w
ogranicznikach warystorowych umieszczonych
na wejściu instalacji elektrycznej do obiektu bu-
dowlanego oraz napięć na rezystancjach obciąże-
nia przedstawiono na rys. 8.Obliczone wartości
przepięć na obciążeniu nie przekraczały:
- 2 kV przy wprowadzaniu prÄ…du pioru-
prÄ…dy udarowe wprowadzano do trzech prze-
nowego do jednego przewodu linii śred-
wodów
niego napięcia,
- 100 V jeśli wprowadzano prądy do jed-
Rys.7. Przebiegi prądów płynących w ogra-
nocześnie do każdego z trzech przewo-
nicznikach (a i c) oraz występujące na nich na-
dów.
pięcia (b i d) w przypadku wprowadzenia prądu
udarowego do linii średniego napięcia
A. Sowa Zagrożenie piorunowe wywołane przez różnice potencjałów w obiektach budowlanych
a)
Zastosowanie ograniczników przepięć nie
zmniejszyło zagrożenia stwarzanego przez róż-
nice potencjałów, jakie mogą wystąpić w obiek-
cie budowlanym.
Zjawisko to jest szczególnie groz
ne w przy-
padku wprowadzania prądów udarowych do
trzech przewodów linii średniego napięcia. Wy-
stępujące wówczas różnice potencjałów pomię-
dzy przewodami instalacji elektrycznej a ziemiÄ…
odniesienia osiągają wartości przekraczające 40
b) kV (rys.9.).
a)
b)
prÄ…d udarowy wprowadzano do jednego prze-
wodu
c)
Rys. 9. Różnice potencjałów pomiędzy obcią-
żeniem a ziemią odniesienia. Prąd udarowy
d)
wprowadzany do a) jednego , b) trzech prze-
wodów linii średniego napięcia
Wysokie potencjały przewodów instalacji elek-
trycznej wywołują prądy udarowe płynące w
uziomie stacji transformatorowej po zadziałaniu
odgromników w liniach średniego napięcia. Po-
Å‚Ä…czenie punktu neutralnego transformatora z
uziomem stacji powoduje wynoszenie skoku po-
tencjału przewodami fazowymi i neutralno-
ochronnym do obiektu budowlanego. Wynoszo-
prÄ…d udarowy wprowadzano do trzech prze-
ne w ten sposób napięcie nakłada się na napięcie
wodów
fazowe i występują niewielkie różnice napięć
Rys.8. Przebiegi prądów płynących w wary-
pomiędzy przewodami fazowymi a przewodem
storach (a i c) oraz napięć na obciążeniach (b i
PEN.
d) w przypadku wprowadzenia prÄ…du udaro-
Połączenie przewodu PEN z lokalnym syste-
wego do linii średniego napięcia
mem uziomowym obiektu budowlanego. po-
A. Sowa Zagrożenie piorunowe wywołane przez różnice potencjałów w obiektach budowlanych
a)
woduje przepływ części prądu piorunowego do
tego uziomu i wzrost jego potencjału. Różnice
uziom
Instalacja elektryczna
wartości szczytowych napięć fazowych wzglę-
lokalny
dem przewodu PEN nie ulegajÄ… znaczÄ…cym
zmianom.
SPD
Charakter zagrożenia powstającego podczas wy-
uziom
lokalny
ładowania piorunowego w przewody linii śred-
URZ
DZENIE
niego napięcia jest analogiczny jak w przypadku
"U
bezpośredniego uderzenia piorunu w urządzenie
PrzewodzÄ…ce
elementy ścian
Linie
Odgromnik
piorunochronne obiektu budowlanego.
obiektu (zbrojenie )
przesyłu
gazowany
sygnałów
Podsumowanie
b)
Podstawowym zagrożeniem piorunowym w in-
Instalacja elektryczna
Linie sygnałowe
stalacji elektrycznej jest skok potencjałów prze-
wodów, który może stanowić zagrożenie jeśli:
Odgromnik
gazowany
SPD
" do urządzeń dochodzą instalacje (np. tele-
otok
komunikacyjne, kontrolno-pomiarowe),
które połączone są z systemem uziomo-
wym o innym potencjale,
PrzewodzÄ…ce
URZ
DZENIE
elementy ścian
" w pobliżu znajdują się przewodzące in-
obiektu (zbrojenie )
stalacje (np. instalacja wodno-kanali-
zoacyjna, CO, gazowa), które są połączone
z systemem uziomowym w innymi miejscu
Rys.10. Różnica potencjałów pomiędzy in-
niż instalacja elektryczna i występująca
stalacjami w obiekcie budowlanym (a) oraz spo-
różnica potencjałów może być niebez-
sób eliminacji tego zagrożenia (b)
pieczna dla użytkownika urządzeń.
Należy zauważyć, że na konieczność zwrócenia
4. PN-IEC 61312-1:2001, Ochrona przed pio-
uwagi na przepięcia udarowe między in-
runowym impulsem elektromagnetycznym.
stalacjami niskiego napięcia a liniami telefo-
Zasady ogólne.
nicznymi, które są przyłączone do urządzenie
wskazuje również norma PN-IEC 61024-1-2 [5].
5. PN-IEC 61024-1-2, Ochrona odgromowa
Występujące różnice potencjałów między in-
obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
stalacjami wprowadzanymi do obiektu bu-
Przewodnik B  Projektowanie, montaż,
dowlanego można wyeliminować wyrównując
konserwacja i sprawdzanie urządzeń pioru-
ich potencjały do jednej szyny wyrównawczej
nochronnych.
(rys.10.).
6. PN-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje elek-
Dodatkowo w każdej instalacji należy zain-
tryczne w obiektach budowlanych. Ochrona
stalować odpowiednio dobrane ograniczniki
dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona
przepięć.
przez przepięciami. Ochrona przed przepię-
ciami atmosferycznymi i Å‚Ä…czeniowymi.
Literatura
7. PN-IEC 61643-1. UrzÄ…dzenia do ograni-
1. PN-86/E-05003/01:Ochrona odgromowa
czania przepięć w sieciach rozdzielczych ni-
obiektów budowlanych. Wymagania ogól-
skiego napięcia. Część 1. Wymagania
ne.
techniczne i metody badań.
2. PN-86/E-05003/02: Ochrona odgromowa
8. Flisowski Zd.: Trendy rozwojowe ochrony
obiektów budowlanych. Ochrona podsta-
odgromowej budowli. Część 1. Wyładowa-
wowa
nia piorunowe jako z
ródło zagrożenia.
3. PN-IEC 61024-1:2001,: Ochrona odgro-
mowa obiektów budowanych. Zasady
ogólne