OCHRONA PRZEPI
CIOWA
Ograniczanie przepięć w elektroenergetycznych
liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V
Andrzej Sowa
1. Wstęp
Jednym ze sposobów zwiększenia pewności i niezawodności działania sieci elektroenergetycznej
jest zastosowanie odpowiednio dobranych i rozmieszczonych urządzeń ograniczających przepięcia
SPD (ang. Surge Protective Device). Takie urządzenia, nazywane ogranicznikami przepięć, są sto-
sowane m.in. do ochrony:
" urządzeń w stacjach elektroenergetycznych,
" linii elektroenergetycznych niskich, średnich i wysokich napięć,
" instalacji elektrycznej oraz urządzeń elektrycznych i elektronicznych w obiektach budowla-
nych.
Poniżej przedstawione zostaną tylko podstawowe informacje dotyczące zasad ograniczania przepięć
w liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V.
2. Przepięcia w napowietrznych liniach elektroenergetycznych
Podstawowymi z
ródłami przepięć w napowietrznych liniach niskich napięć są wyładowania pioru-
nowe oraz procesy łączeniowe w sieci elektroenergetycznej. W dalszej części artykułu scharaktery-
zowano występujące przepięcia oraz zestawiono informacje, które mogą być wykorzystane do
przybliżonej oceny skuteczności ochrony układów ograniczników przepięć.
2.1. Przepięcia atmosferyczne
Najgroz
niejszym przypadkiem jest bezpośrednie wyładowanie piorunowe w przewody linii elektro-
energetycznej. Do przybliżonej oceny zagrożenia można przyjąć, że impedancja kanału wyładowa-
nia jest duża i piorun uderzający w linię zastąpić z
ródłem prądowym podłaczonym do przewodu
ułożonego nad powierzchnią ziemi (rys. 1.).
I
I/2 I/2
Rys. 1. Wprowadzenie prądu udarowego do przewodu nad ziemią (symulacja bezpośredniego wy-
Å‚adowania piorunowego w liniÄ™)
A. Sowa Ograniczanie przepięć w elektroenergetycznych liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V
Zakładając, że dla rozpływającego się prądu udarowego wartość impedancji falowej przewodu Z0
nad ziemią zawiera się pomiędzy 400 &! i 500 &!, otrzymujemy wartość napięcia
I
U = Z0 Å"
2
Przykładowo, dla prądu piorunowego o wartości szczytowej I = 40 kA i impedancji falowej Z0 =
400 &! otrzymujemy U = 8000 kV.
Ograniczona wytrzymałość udarowa izolatorów powoduje, że w rzeczywistych liniach przepięcia
atmosferyczne o takich wartościach szczytowych nie wystąpią.
Po przeskoku na izolatorze poziom przepięć pomiędzy przewodem a ziemią uzależniony jest od
spadku napięcia na indukcyjności przewodu i rezystancji uziomu słupa, na którym nastąpił ten prze-
skok.
Częstość wyładowań piorunowych w linię elektroenergetyczną N uzależniona jest od jej wymia-
rów, lokalnej częstości wyładowań piorunowych w analizowanym obszarze oraz ekranujących wła-
ściwości otoczenia linii. Dla linii elektroenergetycznej biegnącej w otwartym obszarze częstość N
można określić z zależności:
N = A Å" Ng Å" 10-6
gdzie:
A - powierzchnia zbierania wyładowań piorunowych [m2],
Ng - roczna częstość wyładowań piorunowych [wyładowanie/km2 rok].
W przybliżonej analizie można przyjąć:
A = 6 Å"H Å" L
gdzie: L - długość linii [m], H - wysokość linii.
Przykładowo dla linii o wysokości H = 5 m, długości L = 1000 m oraz częstości wyładowań Ng =
1,8 wyładowania / km 2 rok otrzymujemy N = 0,054 wyładowania / rok.
Znacznie częściej, w porównaniu z przypadkiem bezpośredniego wyładowania piorunowego, wy-
stępują w liniach elektroenergetycznych przepięcia atmosferyczne indukowane.
W większości rzeczywistych przypadków mają one przebieg aperiodyczny lub oscylacyjny tłumio-
ny.
Przykłady typowych kształtów przepięć rejestrowanych w liniach elektroenergetycznych niskich
napięć [3,4] przedstawiono na rys. 2 i 3.
Rys. 2. Zarejestrowane przebiegi przepięć atmosferycznych w liniach nn
A. Sowa Ograniczanie przepięć w elektroenergetycznych liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V
Rys. 3. Oscylogramy przepięć atmosferycznych indukowanych w równych punktach linii
Podobnie jak w przypadku wyładowań bezpośrednich, tworzone są również modele matematyczne
przestrzennego układu kanał z prądem piorunowych  linia napowietrzna.
Przykład obliczeń [6] przepięć atmosferycznych indukowanych w linii odległej o 150 m od miejsca
wyładowania piorunowego przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Przepięcia atmosferyczne indukowane w różnych punktach linii
A. Sowa Ograniczanie przepięć w elektroenergetycznych liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V
Istnieje także możliwość oszacowania wartości szczytowej indukowanych przepięć atmosferycz-
nych. Prosta zależność określająca wartości indukowanych napięć pomiędzy przewodem a ziemią
ma postać [6]:
U = 30 Å" (H/d) Å" I
gdzie:
I - prÄ…d piorunowy [kA],
H - wysokość zawieszenia przewodu nad ziemią [m],
d - odległość pomiędzy przewodem a miejscem uderzenia pioruna [m].
Zmiany wartości szczytowych indukowanych napięć w funkcji odległości pomiędzy linią a miej-
scem uderzenia piorunu przedstawiono na rys.5.
250
200
150
100
50
0
50 150 250 350 450 550 650 750 850 950
odległość [m]
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
odległość [m]
Rys. 5. Napięcia indukowane w linii nad ziemią w funkcji odległości od miejsca wyładowania (linia
ciągła H = 7 m, linia przerywana H = 5 m)
2.2. Przepięcia wewnętrzne
Stany nieustalone w sieciach elektroenergetycznych powstające podczas nagłych zmian napięcia
zasilającego lub konfiguracji układu połączeń poszczególnych elementów w systemie elektroener-
getycznym sÄ… z
ródłem tzw. przepięć wewnętrznych.
W grupie najczęściej występujących przepięć wewnętrznych można wyróżnić następujące:
napi
Ä™
cie [kV]
napi
Ä™
cie [V]
A. Sowa Ograniczanie przepięć w elektroenergetycznych liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V
" Przepięcia powstające podczas wyłączania i ponownego załączania nieobciążonych linii lub baterii
kondensatorów, przerywaniu niewielkich prądów indukcyjnych, likwidacji zwarć przy pomocy
szybkich układów automatyki SPS.
" Przepięcia wywołane nagłymi zmianami obciążenia, zjawiskami rezonansu i ferrorezonansu, nie-
zanikajÄ…cymi zwarciami jedno- lub dwufazowymi z ziemiÄ….
" Przepięcia występujące podczas zwarć doziemnych w sieciach elektroenergetycznych.
" Przepięcia powstające po zadziałaniu układów ochrony przepięciowej wywołane gwałtowną zmia-
ną napięcia i towarzyszący temu przepływ prądów udarowych.
" Przepięcia powstające podczas bezpośredniego styku przewodów sieci elektroenergetycznej o róż-
nych napięciach.
Część z przedstawionych typów przepięć wewnętrznych występuje a sieciach średnich napięć. W
takim przypadku zagrożenie linii niskich napięć wynika z możliwości przenoszenia przepięć na
stronę niskonapięciową transformatorów energetycznych.
Przykłady różnorodnych przebiegów przepięć wewnętrznych, jakie zarejestrowano w sieci elektroener-
getycznej niskiego napięcia przedstawiono na rys. 6.
Rys. 6. Przykłady różnorodnych przepięć wewnętrznych występujących w sieci elektroenergetycz-
nej
3. Ograniczanie przepięć w liniach napowietrznych do 1000 V
Projektując kompleksowe systemy ograniczania przepięć z sieci elektroenergetycznej do 1000 V
należy poprawnie dobrać i rozmieścić ograniczniki chroniące przed przepięciami:
" linie napowietrzne,
" urzÄ…dzenia stacji,
" instalacje elektryczne w obiekcie budowlanym.
Instalując ograniczniki przepięć w napowietrznych liniach elektroenergetycznych niskich napięć należy
przestrzegać przedstawionych poniżej zasad.
1. W liniach napowietrznych zalecenie jest takie rozmieszczanie ograniczników, aby na każde
500m długości linii przypadał przynajmniej jeden komplet ograniczników (rys.7.). Pojawiają
się również zalecenia [1, 2] instalowania ograniczników przepięć w takich miejscach linii, aby
odległość między nimi nie była większa od 300 m.
2. Układy ograniczników należy instalować na krańcach linii napowietrznych.
3. Linie kablowe należy chronić instalując ograniczniki w miejscach połączeń tych linii z napo-
wietrznymi liniami elektroenergetycznymi.
A. Sowa Ograniczanie przepięć w elektroenergetycznych liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V
ok. 500m
Obiekt
ok. 500m
budowlany
Ogranicznik
przepięć
Rys. 7. Rozmieszczanie ograniczników przepięć w linii elektroenergetycznej o napięciu do 1000 V
4. Ograniczniki należy instalować w liniach zasilających instalacje odbiorcze w budynkach. W
takim przypadku ograniczniki należy instalować:
" na najbliższym względem budynku słupie linii elektroenergetycznej,
" w pobliżu izolatorów naściennych na zewnątrz budynku (jeśli takie jest doprowadzenie do
budynku napowietrznej linii elektroenergetycznej).
5. Pojawiają się również zalecenia [2] stosowania ograniczników do ochrony linii z przewodami
izolowanymi w miejscach połączeń tych linii z liniami napowietrznymi z przewodami gołymi.
6. W typowych liniach 400/230 napięcie znamionowe ograniczników powinno być nie niższe niż
500V. Pozostałe wymagane parametry, które powinny charakteryzować ograniczniki instalo-
wane w sieciach o napięciu znamionowych 230/400 V [2] zestawiono w tablicy 1.
Tablica 1. Podstawowe parametry ograniczników stosowanych w sieci elektroenergetycznej o na-
pięciu 230/400
Parametry ogranicznika Wartości
500 V
Napięcie pracy ciągłej Uc e"
625 V
Napięcie znamionowe Ur e"
2300 V
Napięcie obniżone przy prądzie wyładowczym d"
Znamionowy prąd wyładowczy 5 kA
Graniczny prąd wyładowczy 40 kA
Wprowadzenie elementów zmienno oporowych z tlenków metali umożliwiło produkcję prostych I
pewnych w działaniu ograniczników posiadających właściwości ochronne lepsze od tych, jakie ze-
stawiono w tablicy 1.
Przykład takiego ogranicznika produkowanego przez firmę APATOR przedstawiono na rys. 8.
A. Sowa Ograniczanie przepięć w elektroenergetycznych liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V
Rys. 8. Ogranicznik typu ASA-A; a)widok ogólny, b) przekrój ogranicznika [13]
Podstawowe dane techniczne ograniczników typu ASA-A zestawiono w tablicy 2.
Tablica 2. Podstawowe parametry ograniczników typu ASA-A
Parametry przykładowych
Wartości
ograniczników typu ASA-A Apator
Napięcie trwałej pracy Uc [V] 660 500 440 280
Napiecie znamionowe Ur [V] 825 625 550 350
2650 1990 1750 1110
Napięciowy poziom ochrony Up [V] d"
Znamionowy prąd wyładowczy In [kA] 5 lub 10 5 lub 10 5 lub 10 5 lub 10
Maksymalny prąd wyładowczy Imax [kA] 30 lub 40 30 lub 40 30 lub 40 30 lub 40
Typowe układy połączeń ograniczników przepięć na słupie linii niskiego napięcia oraz przykład
montażu przedstawiono na rys. 9 i 10.
L1
L1
L1 L2
L2
L2
L3
PEN
L3
L3 N
PEN
Izolowany
przewód
uziemiajÄ…cy
Rys. 9. Układ połączeń ograniczników na słupie linii niskiego napięcia
A. Sowa Ograniczanie przepięć w elektroenergetycznych liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V
Rys. 10. Ograniczanie przepięć w miejscu połączenia linii napowietrznych i kablowych, a) montaż
ograniczników, b) przykład zamontowanego układu ograniczników [13]
Uziemienie ograniczników przepięć powinno być wspólne, w zależności od lokalnych warunków, z
uziemieniem:
" przewodu ochronno-neutralnego sieci elektroenergetycznej,
" metalowej powłoki i pancerza kabla,
" urzÄ…dzenia piorunochronnego.
Ograniczając przepięcia dochodzące do głowic kablowych należy przewód uziemiający połączyć z
metalowymi elementami konstrukcji wsporczej głowicy.
Instalując ograniczniki przepięć należy uwzględnić następujące uwag;
" rezystancja uziemienia ograniczników nie powinna być większa niż 10 &!,
" do połączenia ograniczników należy stosować możliwie najkrótsze przewody,
" w liniach na słupach drewnianych należy z przewodem uziemiającym ograniczników łączyć
haki, trzony, konstrukcje wsporcze każdej linii, w tym również linii telekomunikacyjnych jeśli
są prowadzone na wspólnym słupie,
" przekroje przewodów łączących ograniczniki z przewodami roboczymi oraz z uziomem nie
powinny być mniejsze od podanych w tablicy 3.
Tablica 3. Minimalne przekroje przewodów stosowanych do połączenia ograniczników
Materiał przewodu
Rodzaj przewodu
Miedz
Aluminium Stal
A
Ä…czÄ…cy ogranicznik z przewodem roboczym [mm2] 10 16 --
A
Ä…czÄ…cy ogranicznik z uziomem [mm2] 16 -- 50
A. Sowa Ograniczanie przepięć w elektroenergetycznych liniach napowietrznych o napięciu do 1000 V
Przedstawiony sposób ograniczania przepięć w napowietrznych liniach elektroenergetycznych za-
pewnia zwiększenie pewności zasilania urządzeń. Dodatkowo ogranicza poziomy przepięć docho-
dzących do obiektów budowlanych oraz stacji elektroenergetycznych.
4. Literatura
1. Anderson E., Jasiński E., Kulikowski J., Piłatowicza A.: Ochrona od przepięć i koordynacja
izolacji sieci elektroenergetycznych. INPE Biuletyn SEP nr 49, 2003, str. 3  24.
2. Anderson E., Bielecki J., Jasiński E., Kulikowski J., Piłatowicza A.: Zasady ochrony od prze-
pięć i koordynacja izoalcji sieci elektroenergetycznych. Specyfikacje techniczne. PO-TE-1-P,
2001
3. Arciszewski J., Komorowska J.: Ochrona sieci elektroenergetycznych od przepięć. Wskazówki
wykonawcze. Wydanie PTPiREE, Poznań.
4. Piantini A., Janiszewski J.: The Extender Rusck Model for Calculation Lightning Induced
Voltages on Overhead Lines. VII International Symposium on Ligthning Protection, 17-
21.10.2003, Brazylia.
5. Piantini A., Janiszewski J.Altefilm J., Nogueira L., Gualberto P.: A System for Lightning In-
duced Voltages Data Acquisition  Primary Results. VII International Symposium on Ligthning
Protection, 17-21.10.2003, Brazylia.
6. 64/1034/CD, IEC 62066: General basic information regarding surge overvoltages and surge
protection in low-voltage a.c. power systems. 1989
7. PN-EN 60099-5:1999, Ograniczniki przepięć. Zalecenia wyboru i stosowania.
8. PN-E-05100-1:1998, Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowania i budowa. Linie
prądu przemiennego z przewodami roboczymi gołymi.
9. PN-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla za-
pewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosfe-
rycznymi i Å‚Ä…czeniowymi.
10. PN-IEC 61643-1:2001, Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskie-
go napięcia. Część 1: Wymagania techniczne i metody badań
11. PrPN-IEC/TS 61312-3:2003, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym.
Część 3. Wymagania urządzeń do ograniczania przepięć (SPD).
12. www.ochrona.net.pl
13. Materiały informacyjne firmy APATOR