Wielostopniowe systemy ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym

Transkrypt

1 URZĄDZEIA DO OGRAICZAIA PRZEPIĘĆ W ISTALACJI ELEKTRYCZEJ Wielostopniowe systemy ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym Andrzej Sowa Jednym z czynników zapewniających pewne i bezawaryjne działanie urządzeń i systemów elektrycznych i elektronicznych jest poprawnie zaprojektowany i wykonany system ograniczania przepiec w instalacji elektrycznej. Zgodnie z zaleceniami zawartymi w normie ochrony odgromowej [11] kwestie ograniczania do bezpiecznych poziomów zagrożeń powstających podczas wyładowań piorunowych powinny być rozważanie już we wczesnym stadium planowania nowego obiektu lub instalowania nowego systemu elektronicznego w obiekcie już istniejącym. W normie tej określono również zakres, etapy oraz odpowiedzialność w dziedzinie kompleksowej ochrony odgromowej. Postępując zgodnie z tymi zaleceniami należy rozważyć wszystkie czynniki zakłócające i zapewnić ochronę przed każdym z nich. Poniżej przedstawione zostaną jedynie systemowe rozwiązania dotyczące ochrony przed przepięciami instalacji elektrycznej i zasilanych urządzeń. 1. ORMY I ZALECEIA Dobierając urządzenia do ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej należy uwzględnić normy i zalecenia dotyczące: ochrony odgromowej obiektów budowlanych [2,8,1011], instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym [5,6,7], ograniczników przepięć przeznaczonych do montażu w instalacji elektrycznej [13], koordynacji izolacji urządzeń elektrycznych w układach niskiego napięcia [4], kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Analiza norm ochrony odgromowej obiektów budowlanych umożliwia sformułowania następujących wniosków: W obiekcie budowlanym posiadającym urządzenie piorunochronne (instalację odgromową) do wyrównywania potencjałów należy stosować ograniczniki przepięć (w instalacji elektrycznej do połączenia przewodów pod napięciem z szyną wyrównywania potencjałów). Połączenie wyrównawcze ( w tym również podłączenia ograniczników przepięć) powinny być wykonane możliwie najbliżej punktów wejściowych instalacji do obiektu. Ograniczniki przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie z urządzeniem piorunochronnym powinny: - zapewnić ochronę przed działaniem części prądu piorunowego (parametry prądu piorunowego przedstawiono w normie [11]), - ograniczyć przepięcia do określonych poziomów, - zgasić prądy następcze występujące po zadziałaniu ogranicznika (w przypadku ogranicznika iskiernikowego). Maksymalne napięcia na wejściu do obiektu powinny być skoordynowane z wytrzymałością udarową analizowanych systemów i urządzeń.

2 Ograniczniki przepięć powinny być tak instalowane, aby istniała możliwość ich ciągłej kontroli. W obiekcie niewymagającym zewnętrznej instalacji odgromowej powinny być stosowane ograniczniki przepięć, jeśli wymagana jest ochrona przed oddziaływaniem prądu piorunowego na wchodzące instalacje. Zgodnie z zaleceniami norm ochrony odgromowej [9,10,11], ogólna zasada ochrony polega na tworzeniu wewnątrz analizowanego obiektu stref, w których występuje określony stopień narażenia urządzeń na działanie udarów napięciowych / prądowych występujących w instalacji elektrycznej. W podzielonym na strefy obiekcie, przy przejściu z jednej strefy do drugiej następuje ograniczanie do określonych poziomów wartości szczytowych przepięć występujących w instalacji elektrycznej. Przykład podziału na strefy i zastosowania układów ograniczających napięcia w instalacji elektrycznej przedstawiono na rys.1. Rys.1. Podział obiektu na strefy i rozmieszczenie układów ograniczających przepięcia w poszczególnych strefach. Urządzenia techniczne przeznaczone do pracy w danej strefie należy dobierać w taki sposób, aby ich odporność udarowa była większa w porównaniu z dopuszczalnymi wartościami szczytowymi sygnałów udarowych, jakie mogą wystąpić w rozważanym obszarze. Ogólne informacje o sposobie ochrony przed przepięciami w instalacji elektrycznej określono również w normie P-IEC [5]. Zgodnie z zaleceniami podanymi w tej normie urządzenia pracujące w obiekcie budowlanym powinny być tak dobrane, aby ich znamionowe napięcie udarowe wytrzymywane nie było mniejsze niż wymagane napięcie udarowe wytrzymywane podane w tablicy 1. W normie tej próbuje się również określić wartości szczytowe przepięć łączeniowych występujących w instalacji elektrycznej. W przedstawionych wskazówkach ocenione, że istnieje małe jest ryzyko wystąpienia przepięć łączeniowych o wartości większej niż poziom przepięć kategorii II (ponad 2500V). W przypadku przepięć atmosferycznych dochodzących z rozdzielczej sieci zasilającej do instalacji sytuacja jest mniej jasna. Stwierdzono jedynie, że w przypadku, gdy instalacja jest zasilana:

3 za pomocą ułożonej w ziemi linii kablowej niskiego napięcia i nie jest podłączona z liniami napowietrznymi, to napięcie udarowe wytrzymywane urządzeń, (zgodnie z podanymi wartościami) jest wystarczające i nie jest potrzebna żadna dodatkowa ochrona przed przepięciami atmosferycznymi, napowietrzną linią niskiego napięcia lub z taką linią się łączy i spełniony jest warunek AQ1 (< 25 dni burzowych) to nie jest wymagana dodatkowa ochrona przed przepięciami atmosferycznymi. Tablica 1. Wymagane znamionowe napięcia udarowe wytrzymywane urządzeń [5] Znamionowe napięcie instalacji V Wymagane napięcie udarowe wytrzymywane dla kv Sieć trójfazowa Sieć jednofazowa z punktem środkowym Urządzeń w/przy złączu instalacji (wytrzymałość udarowa kategorii IV) Urządzeń rozdzielczych i obwodów odbiorczych (wytrzymałość udarowa kategorii III) Odbiorników (wytrzymałość udarowa kategorii II) Urządzeń specjalnie chronionych (wytrzymałość udarowa kategorii I) ,5 1,5 0,8 230/ ,5 1,5 400/ , Wartości uzależnione od konstrukcji sieci Kategoria I - adresowana do konstruktorów urządzeń. Kategoria II - adresowana do komitetów opracowujących normy dla urządzeń dołączanych do sieci do sieci zasilającej. Kategoria III - adresowana do komitetów opracowujących normy wyrobów w odniesieniu do materiałów instalacyjnych oraz dla wyrobów specjalnych. Kategoria IV - adresowana do zakładów energetycznych i inżynierów nadzorujących sieci. Dodatkową wskazówką, przy ewentualnej ocenie poziomu przepięć atmosferycznych, mogą być jedynie następujące stwierdzenia: - rozważania ( rozważania zakresu i przedmiotu normy P-IEC powinny być ukierunkowane na przepięcia, które mogą wystąpić w złączu instalacji, - w przypadku, jeśli wymagane jest zastosowanie ograniczników to powinny one być instalowane blisko złącza, albo w linii napowietrznej, albo w instalacji budynku. Takie ukierunkowanie normy powoduje, że jeśli wartości szczytowe przepięć nie przekroczą 6 kv to są dopuszczalne w złączu - czyli spełniające wymogi wytrzymałości udarowej kategorii IV. Jest to poprawne rozwiązanie gdyż, z punktu widzenia ochrony instalacji jako całości przed przepięciami dochodzącymi z sieci rozdzielczej, nie doprowadza się przepięć przekraczających wytrzymałość instalacji i urządzeń w złączu, czyli instalacji widzianej od strony sieci elektroenergetycznej. Zagadnienia ochrony przepięciowej występują również w normie P-IEC [6], w której stwierdzono, że w celu ograniczenia skutków zakłóceń projektanci powinni uwzględnić możliwość zastosowania filtrów i/lub ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej zasilającej urządzenia wrażliwe na zakłócenia. Dodatkowo należy wziąć pod uwagę właściwe: - rozmieszczenie instalacji względem potencjalnych źródeł zakłóceń, - oddzielenie przewodów instalacji elektrycznej od linii przesyłu sygnałów oraz od przewodów urządzenia piorunochronnego. O poziomach przepięć w złączu wspomina również norma P-E [3], określająca parametry napięcia w złączach elektroenergetycznych sieci rozdzielczych niskiego napięcia w normalnych warunkach pracy (pomijalne są zagrożenia związane z bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego).

4 W normie tej, określając wartości przepięć przejściowych, stwierdzono, że przejściowe przepięcia pomiędzy przewodami pod napięciem a ziemią z reguły nie przekraczają 6 kv wartości szczytowej, jednakże sporadycznie występują wartości większe. Pokrywa się to z uwagami zawartymi w omówionej już normie P-IEC Uzupełniające, niezbędne przy doborze ograniczników przepięć, informacje zawarte są w normie P- IEC [4] dotyczącej koordynacji izolacji w układach napięciowych. Jeśli przyjmiemy przedstawione uwagi, to należy uwzględnić możliwości występowania w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym przepięć o wartościach szczytowych ok. 6 kv. Przepięcia o takich wartościach spowodują zniszczenia urządzeń elektrycznych i elektronicznych gdyż przepięcia atmosferyczne nie są tłumione w znacznym stopniu wzdłuż większości instalacji (P- IEC ). Konieczność zapewnienia ochrony przed przepięciami urządzeń elektrycznych i elektronicznych zawarto w warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [14]. W powyższym rozporządzeniu stwierdzono, że w instalacji elektrycznej należy stosować urządzenia ograniczające przepięcia.( 183 punkt 10). Bardzo szczegółowe wymagania dotyczące ochrony przed przepięciami zawierają Zalecenia dla instalacji elektrycznych w obiektach telekomunikacyjnych TP S.A. z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej. Do stosowania zostały one wprowadzone Zarządzeniem r 56 Prezesa Zarządu TP S.A. z dnia 18 grudnia 1997 [16]. W zaleceniach tych stwierdzono m.in., że system ochrony przeciwprzepięciowej instalacji zasilającej powinien mieć strukturę kilkustopniową i powinien składać się z następujących stopni zabezpieczeń: stopień zabezpieczenia pierwotnego, znajdujący się przy wejściu kabla zasilającego do budynku, ewentualnie w rozdzielni głównej, zawierający ochronniki dostosowane do udarów o względnie dużej energii (szczytowe wartości prądu udaru rzędu 100kA), przy krytycznych wymaganiach odnośnie czasu odpowiedzi na udar, wtórne stopnie zabezpieczeń, znajdujące się w wybranych punktach instalacji, zawierające ochronniki dostosowane do względnie mniejszej energii udarów, ale charakteryzujące się krótkim czasem odpowiedzi na udar, dalsze stopnie ograniczające i filtrujące stany przejściowe, powstałe w wyniku działanie dwóch pierwszych stopni zabezpieczeń (ochronniki przeznaczone do ograniczania nanosekundowych zakłóceń impulsowych oraz filtry przeciwzakłóceniowe). Zabezpieczenie pierwotne jest przeznaczone głównie do ograniczania udarów pochodzenia zewnętrznego. Zabezpieczenia wtórne ograniczają stany przejściowe powstające po zadziałaniu zabezpieczenia pierwotnego oraz udary generowane wewnątrz budynku. 2. ODPOROŚĆ UDAROWA PORTÓW ZASILAIA URZĄDZEŃ Zadaniem elementów i układów ochrony odgromowej i przepięciowej jest ograniczenie udarów do poziomów niegroźnych dla urządzeń, leżących poniżej poziomów odporności urządzeń na zakłócenia. Analizując dowolny przypadek należy posiadać dane określające odporność urządzeń na działanie udarów napięciowych / prądowych 1,2/50-8/20 dochodzących z instalacji elektrycznej. Dla większości typowych urządzeń elektrycznych i elektronicznych poziomy odporności udarowej wynoszą: 2000 V pomiędzy przewodami fazowymi (i neutralnym, jeśli występuje) a ochronnym, 1000 V pomiędzy przewodami fazowymi oraz przewodem ochronnym.

5 3. URZĄDZEIA DO OGRAICZAIA PRZEPIĘĆ Zgodnie z zaleceniami zawartymi w normie P IEC [13] przeznaczeniem urządzeń do ograniczania przepięć jest ochrona instalacji i urządzeń przed działaniem przepięć wewnętrznych i atmosferycznych indukowanych oraz przed oddziaływaniem części prądu piorunowego. Urządzenia do ograniczania przepięć stosowane w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia ( do 1000V) wewnątrz obiektów budowlanych zawierają, co najmniej jeden element nieliniowy i powinny być poddane próbom klasy I, II lub III. Urządzenia do ograniczania przepięć badane zgodnie z wymogami poszczególnych klas będą w dalszej części opracowania nazywane ogranicznikami przepięć klasy I, II lub III. 4. WIELOSTOPIOWA OCHROA PRZED PRZEPIĘCIAMI Przystępując do tworzenia w instalacji elektrycznej systemu ochrony przed działaniem części prądu piorunowego i przed wszelkiego rodzaju przepięciami należy: sprawdzić jakie środki ochrony odgromowej zastosowano w obiekcie ( zewnętrzna i wewnętrzna ochrona odgromowa) oraz dokonać oględzin ich stanu aktualnego, określić poziom ochrony jaki należy zastosować przy tworzeniu systemu i wynikające z takiego wyboru wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prąd piorunowy, określić wymagane klasy środowisk dla urządzeń oraz kategorie przepięciowe dla instalacji elektrycznej, które będą tworzone wewnątrz obiektu. Tworząc w instalacji elektrycznej wielostopniowy system ochrony przed przepięciami należy zapewnić wzajemną koordynację energetyczną pomiędzy: układami ograniczników przepięć różnych klas, układami ograniczników a chronionymi urządzeniami. Dobierając ograniczniki, których działanie zapewni odpowiedni podział energii prądów udarowych, należy posiadać informacje dotyczące: przebiegów charakterystyk prądowo-napięciowych ograniczników, napięciowych poziomów ochrony ograniczników różnych klas, przyszłego rozmieszczenia układów ograniczników w instalacji elektrycznej. Dodatkowo należy uwzględnić wymagania wynikające z zasad strefowej koncepcji ochrony odgromowej Typowe trójstopniowe systemy ochrony przed przepięciami Poniżej przedstawiono poszczególne etapy postępowania przy tworzeniu wielostopniowego systemu ochrony przed przepięciami zawierającego ograniczniki klasy I, II i III. Stosując przedstawione zasady doboru ograniczników przepięć można tworzyć wielostopniowe układy ochrony odgromowej i przepięciowej w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym. W typowych rozwiązaniach trójstopniowych systemów ograniczania przepięć stosowane są iskiernikowe ograniczniki przepięć klasy I oraz warystorowe ograniczniki klasy II i III. ajczęściej napięciowe poziomy ochrony układów ograniczników wynoszą odpowiednio poniżej 4000V (klasa I), 1500V lub 2500V (klasa II) i 1000V lub 1500V (klasa III). Zapewnienie wzajemnej koordynacji energetycznej wymaga zachowania kilku-kilkunasto metrowych odległości między układami ograniczników poszczególnych klas (odległość liczona wzdłuż przewodu instalacji elektrycznej rys.2.).

6 Informacje o zalecanych odległościach podawane są najczęściej w katalogach ograniczników dla typowych układów przewodów. a) układ ograniczników przepięć klasy I L1 L2 L3 L 1 odległość L 1 zapewniająca współdziałanie ograniczników układ ograniczników przepięć klasy II L1 L2 L3 L 2 odległość L 2 zapewniająca współdziałanie ograniczników klasy II i III Ogranicznik klasy III L Chronione urządzenie b) L1 L2 L3 L1 L2 L3 L Ograniczniki klasy II Ograniczniki klasy I c) DEHbloc/3 DEHguard TS DEHrail Rys.2. Przykład trójstopniowego systemu ograniczania przepięć; a) widok ogólny układu połączeń, b) schematy połączeń poszczególnych układów, c) przykładowe ograniczniki różnych klas W przypadku braku danych lub wątpliwości dotyczących ich wiarygodności można, projektując system ochrony, w prosty sposób określić wymagane odległości Ograniczniki przepięć klasy I o napięciowym poziomie ochrony poniżej 2500 V owe typy ograniczników klasy I bez kłopotów spełniają wymagania wynikające z zakresu badań ograniczników klasy II. Dzięki temu pojedynczy ogranicznik może zastąpić dotychczas stosowane rozwiązania składające się z ogranicznika klasy I elementu odsprzęgającego ogranicznika klasy

7 II. W celu wyróżnienia nowej generacji ograniczników oraz ułatwienia projektowania i montażu wprowadzono pojęcie ograniczników klasy I + II lub (zgodnie z oznaczeniami norm niemieckich [1] - klasy B+C). Przykładami takich rozwiązań są ograniczniki, w których zastosowano obudowane sterowane iskierniki (rys.3.). a) b) Rys.3. Ograniczanie przepięć do poziomu poniżej 2 500V a) widok ogranicznika DEHbloc Maxi, b) układ składający się z trzech ograniczników typu DEHbloc Maxi Budowa iskierników zastosowanych w ograniczniku DEHbloc Maxi ogranicza prądy następcze do stosunkowo niewielkich wartości ( prądy o wartościach szczytowych do kilkuset A). Taki sposób gaszenia łuku eliminuje zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych wartościach równych lub większych od 35 A. Przedstawione ograniczniki klasy I+II zapewniają ochronę podstawową w instalacji elektrycznej w obiektach budowlanych posiadających instalacje piorunochronne. Wybranie napięciowego poziomu ograniczania przepięć poniżej 2500V ma jeszcze jedną zaletę. Stosowania ograniczników o takich poziomach ochrony wymaga norma P-IEC w przypadku, gdy instalacja jest zasilana napowietrzną linią niskiego napięcia lub z taką linią jest połączona. Zalecenie to dotyczy ochrony przed przepięciami atmosferycznych dochodzącymi z zewnątrz do instalacji elektrycznej w obiektach budowlanych bez instalacji piorunochronnej, jeśli znajdują się one w obszarach, w których występuje więcej niż 25 dni burzowych w roku Uniwersalne ograniczniki klasy I Kolejnym etapem rozwoju ograniczników klasy I było zastosowanie wieloprzerwowych iskierników zapewniających otrzymanie napięciowego poziomu ochrony poniżej 1500V, tzw. uniwersalne ograniczniki przepięć klasy I (rys.4). Zapewniają one ochronę przed działaniem części prądu piorunowego oraz przed wszelkiego rodzaju przepięciami. Uniwersalne ograniczniki przepięć klasy I znalazły szerokie zastosowanie w instalacjach elektrycznych stacji bazowych telefonii komórkowej GSM (rys.5.).

8 Konieczność stosowania ograniczników o tak niskich napięciowych poziomach ochrony wyznaczył zakres badań odporności na napięcia udarowe urządzeń stacji a) b) L1 L1 L2 L2 L3 L3 Rys.4.Ogranicznik klasy I DEHventil TC o poziomie ochrony poniżej 1500 V a) widok ogólny, b) schemat połączeń. ϑ H1 ϑ H2 ϑ H3 Rys.4.Ogranicznik DEHventil w rozdzielnicy stacji bazowej GSM 5. WEWĘTRZA OCHROA ODGROMOWA Do ochrony urządzeń elektrycznych i elektronicznych należy również zastosować wymogi tzw. wewnętrznej ochrony odgromowej, która obejmuje m.in. zagadnienia: wyrównywania potencjałów wewnątrz obiektów budowlanych, zachowania odstępów izolacyjnych od elementów z prądem piorunowym, koordynacji układania przewodów instalacji elektrycznej, linii przesyłu sygnałów oraz przewodów odprowadzających prąd piorunowy, właściwego doboru ograniczników przepięć w systemach przesyłu sygnałów.

9 Dobierając rozwiązania ochrony wewnętrznej należy również uwzględnić informacje o odporności poszczególnych urządzeń na działanie różnorodnych udarów napięciowych i prądowych dochodzących z linii przesyłu sygnałów oraz oddziaływanie bezpośrednio na urządzenia impulsowego pola magnetycznego. 6. PODSUMOWAIE Zapewnienie bezawaryjnego działania urządzeń elektrycznych elektronicznych, dotyczy to szczególnie urządzeń pracujących w rozbudowanych systemach, wymaga zastosowania wielostopniowych systemów ograniczania przepięć. Projektowanie w wykonywanie takich systemów powinno być skoordynowane z innymi środkami ochrony odgromowej, jakie zastosowano w analizowanym obiekcie. 7. LITERATURA 1. E DI VDE 0675 Teil 6: Überspannung - Ableiter Teil 1: Überspannungs-Ableiter zur Verwendung in Wechselstromnetzen mit ennspannung zwischen 100V und 1000V. 2. P-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne. 3. P-E 50160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. 4. P-IEC Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach niskonapięciowych. Zasady, wymagania i badania. 5. P-IEC :1999, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi. 6. P-IEC :2001, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochrona przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) w instalacjach obiektów budowlanych. 7. P-IEC Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemianie i przewody uziemiające. 8. P-IEC :2001, Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. 9. P-IEC :2001, Ochrona odgromowa obiektów budowanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych 10. P-IEC :2002,Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych. 11. P-IEC :2001, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne. 12. P-IEC/TS :2003, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Część 3. Wymagania urządzeń do ograniczania przepięć (SPD). 13. P-IEC :2001, Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Część 1: Wymagania techniczne i metody badań. 14. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 7 kwietnia 2004 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie Dz. U. r 109, poz TC 64/1034/CD General basic information regarding surge overvoltages and surge protection in lowvoltage a.c. power systems Zalecenia dla instalacji elektrycznych w obiektach telekomunikacyjnych TP S.A. z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej. Wprowadzone Zarządzeniem r 56 Prezesa Zarządu TP S.A. z dnia 18.12