NARAŻENIE PIORUNOWE SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ ZASILAJĄCEJ OBIEKT BUDOWLANY Z URZĄDZENIEM PIORUNOCHRONNYM

Transkrypt

1 dr hab. inż. Andrzej SOWA Politechnika Białostocka NARAŻENE PORUNOWE SEC ELEKTROENERGETYCZNEJ ZASLAJĄCEJ OBEKT BUDOWLANY Z URZĄDZENEM PORUNOCHRONNYM 1. Wstęp Podczas bezpośredniego wyładowania w urządzenie piorunochronne LPS (Lightning Protection System) część prądu piorunowego wpływa do instalacji przewodzących dochodzących do chronionego obiektu. nformacje o wartościach prądów udarowych, jakie mogą wpłynąć do przewodów instalacji elektrycznej oraz obwodów sygnałowych są istotne przy określaniu wymagań stawianych przed urządzeniami do ograniczania przepięć SPD (Surge Protective Device). Do oceny występującego zagrożenia piorunowego przewodzących instalacji dochodzących do obiektu budowlanego można wykorzystać: ogólne zalecenie przyjęcia równomiernego podziału prądu piorunowego pomiędzy system uziomowy obiektu oraz dochodzące instalacje [l, 2], proste zależności matematyczne określające wartości prądów w poszczególnych instalacjach w zależności od rezystywności gruntu [3], wyniki obliczeń prowadzonych w obwodach o stałych skupionych modelujących uziomy obiektów i stacji elektroenergetycznych z układami SPD [4], wyniki obliczeń, w których do modelowania zjawisk zachodzących w urządzeniach piorunochronnych obiektów stosowane są metody wykorzystujące teorię pola elektromagnetycznego a do modelowania instalacji elektrycznych metody obwodowe [5], wyniki rejestracji prowadzonych w rzeczywistych obwodach podczas wyładowań prowokowanych [6]. 2. Zagrożenie piorunowe instalacji elektrycznej doprowadzane do obiektu Podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w LPS wpłynięcie części prądu piorunowego do poszczególnych przewodów instalacji elektrycznej lub linii przesyłu sygnałów nastąpi po uszkodzeniu urządzeń lub samych instalacji. Przykładowo w instalacji elektrycznej układu TN-C-S prąd piorunowy odprowadzany do uziomu powoduje wzrost potencjału głównej szyny wyrównawczej i przewodu PEN oraz N i PE. Część prądu piorunowego zaczyna wypływać przewodem PEN na zewnątrz obiektu (rys. la). Różnica potencjałów pomiędzy przewodem PEN, PE i N a przewodami fazowymi wzrasta do momentu uszkodzenia zasilanego urządzenia lub przebicia izolacji pomiędzy przewodami niskiego napięcia. Następnie część prądu piorunowego wypływa z budynku wszystkimi przewodami instalacji elektrycznej. W przypadku instalacji z układem SPD typu l wzrost potencjału szyny wyrównawczej spowoduje ich przejście w stan przewodzenia i część prądu piorunowego również wypłynie z budynku przewodami fazowymi. Nie nastąpi jednak uszkodzenie 3

2 izolacji, a różnice napięć zastaną ograniczone do wymaganych poziomów. Przykład rozpływu prądu, jaki wystąpi w instalacji elektrycznej przed i po zadziałaniu SPD typu l przedstawiono na rys. 1b i c. a) instalacja bez SPD przed przebiciem izolacji, b) przed zadziałaniem SPD, c) po zadziałaniu SPD Rys. 1. Rozpływ prądu piorunowego w instalacji elektrycznej układu TN-C-S Należy zauważyć, że podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w obiekt, układ urządzeń do ograniczania przepięć typu l tylko w nieznacznym stopniu wpływa na zmianę wartości skoku potencjału wywołanego przez rozpływający się prąd piorunowy. Podstawowym zadaniem układu SPD jest ograniczenie do dopuszczalnych wartości różnic potencjałów, jakie wystąpią pomiędzy przewodem PEN lub PE a przewodami fazowymi i neutralnym (jeśli taki występuje). W uproszczonej analizie [1, 2] rozpływu prądu piorunowego podczas wyładowania w urządzenie piorunochronne sugerowane jest przyjęcie założenia równomiernego jego podziału pomiędzy system uziomowy obiektu oraz instalacje przewodzące dochodzące do tego obiektu (rys. 2). 4

3 Rys. 2. Przykład podziału prądu piorunowego pomiędzy uziom obiektu i instalacje przewodzące Prąd w dowolnej instalacji wynosi i ins 0,5 = n gdzie: n liczba instalacji dochodzących do obiektu (bez przewodów linii telefonicznych). Do określania prądu wpływającego do przewodów linii telefonicznych, niezależnie od ich liczby, sugerowane jest stosowanie zależności (1) i = 0 tel, 05 (2) Ocena poprawności doboru urządzeń ograniczających przepięcia w instalacji elektrycznej oraz telekomunikacyjnej wymaga wyznaczenia rozpływu prądu piorunowego w poszczególnych przewodach tych instalacji. W przypadku m przewodowej instalacji elektrycznej prąd płynący w pojedynczym przewodzie wynosi i 0,5 = ins n m (3) 5

4 Prąd w pojedynczej żyle linii telefonicznej lub ekranie określa zależność i ptel 0,05 = s (4) gdzie: s jest sumą liczby żył w kablu + ekran (jeśli występuje). Na rys. 3. przedstawiono przykład określenia rozpływy prądu piorunowego w instalacjach dochodzących do dużego obiektu (tabela 1). Tabela l. Charakterystyka analizowanych obiektów budowlanych nformacje ogólne o obiekcie Duży obiekt budowlany z zainstalowanymi urządzeniami i instalacjami elektronicznymi, od których wymagane jest niezawodne i pewne działanie Poziom ochrony Prąd piorunowy nstalacje przewodzące dochodzące do obiektu 200 ka instalacja wodno-kanalizacyjna, instalacja gazowa, instalacja elektryczna (układ sieci systemu TN-C), linie telekomunikacyjne (10 par). Rys. 3. Podział prądu piorunowego w instalacjach przewodzących dochodzących do analizowanego obiektu W rozważaniach nie brano pod uwagę zmian w rozpływie prądu piorunowego wynikających z różnych wartości rezystancji systemu uziomowego obiektu oraz połączeń z systemami uziomowymi innych obiektów. Uwzględniając wartości rezystywności gruntu, do wyznaczenia części prądu piorunowego wpływającego do dowolnej instalacji można wykorzystać następujące zależności [3]: 6

5 prąd wpływający do dowolnej instalacji podziemnej prąd wpływający do dowolnej instalacji podziemnej napowietrznej Ochrona odgromowa Z (6) fp = æ Z ö + ç + 2 Z2 Z nn np è Z1 ø gdzie: n n liczna instalacji ułożonych nad ziemią, n p liczba instalacji ułożonych w ziemi, Z impedancja uziemienia układu uziomów, Z 1 impedancja uziemienia części zewnętrznych lub linii podziemnych, Z 2 impedancja uziemienia układu łączącego linię napowietrzną z ziemią. Największe zagrożenie występuje w niewielkim obiekcie budowlanym, do którego dochodzi tylko instalacja elektryczna lub inne doprowadzone instalacje są wykonane z materiałów nieprzewodzących. W takim przypadku założenie równomiernego podziału prądu piorunowego pomiędzy system uziomowy a dochodzącą instalację elektryczną stwarza konieczność uwzględnienia możliwości wpłynięcia do pojedynczego przewodu instalacji elektrycznej oraz przepływu przez SPD prądu udarowego o wartości szczytowej gdzie n p fp Z = æ Z ö + ç + 1 Z1 Z np nn è Z2 ø przew 0,5 = n liczba przewodów w instalacji elektrycznej dochodzącej do obiektu. 3. Określanie prądów wpływających do przewodów instalacji elektrycznej W rzeczywistych przypadkach rozpływ prądu piorunowego może różnić się znacznie od wyznaczonego przy przyjęciu przedstawionych założeń. Bardziej szczegółowe analizy narażeń piorunowych instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym prowadzone są w układzie przedstawionym na rys. 4. Ocenę zagrożenia piorunowego przedstawionej instalacji elektrycznej oraz urządzeń do ograniczania przepięć typu l można przeprowadzić wykorzystując np. programy PSPCE [7], ATP/EMTP [8] lub MATLAB/SMULNK [9]. Tworząc uproszczony model iskiernikowego SPD typu l w instalacji elektrycznej można przyjąć następujące założenia: skiernik zastępowany jest szeregowym połączeniem rezystora i elementu przełączającego sterowanego klucza. Do sterowania działaniem elementu przełączającego wykorzystywane jest: -napięcie panujące na otwartych zaciskach elementu, zamknięcie klucza następuje po przekroczeniu przez napięcie wartości wynikającej z przyjętego poziomu ochrony lub jest uzależnione od charakterystyki udarowej iskiernika SPD, p (5) (7) 7

6 -prąd płynący w zwartym elemencie, przerwanie obwodu (rozwarcie elementu przełączającego) następuje przy wartości prądu równej 0. Pomijana jest niewielka pojemność iskiernika oraz zmiany jego rezystancji w różnych fazach rozwoju wyładowania między jego elektrodami oraz przy przepływie prądu udarowego (stała wartość rezystancji po zamknięciu klucza). Rys. 4. Schemat połączeń urządzenie piorunochronne SPD transformator W tworzonym modelu należy uwzględnić indukcyjność i rezystancję przewodów łączących SPD z przewodami instalacji elektrycznej oraz z główną szyną wyrównawczą. Wartości poszczególnych elementów instalacji elektrycznej można określić na podstawie pomiarów lub przyjąć typowe wartości zestawione w tabeli 2. Obwód obliczeniowy uwzględniający powyższe zalecenia oraz występujące narażenie przedstawiono na rys. 5. Analiza otrzymanych wyników, w przedstawionym zakresie zmian parametrów obwodów, wykazała możliwość wystąpienia prądów udarowych dochodzących do: 8 20% w każdym z iskiernikowych SPD typu l, 35% w przewodzie ochronno-neutralnym. Tabela 2. Elementy schematu zastępczego Element Rezystancja linii elektroenergetycznej pomiędzy stacją transformatorową a obiektem ndukcyjność linii elektroenergetycznej pomiędzy stacją transformatorową a obiektem R2 L2 Wartość mω/m 1 μh/m

7 1 2 Rezystancja przewodów stosowanych do połączenia SPD R4 1 mω/m ndukcyjność przewodów stosowanych do połączenia SPD L4 1 μh/m Rezystancja uziomu obiektu R6 zmieniana od 5 Ω do 10 Ω ndukcyjność uziomu obiektu L6 5 μh Rezystancja uziomu transformatora R3 zmieniana od 2 Ω do 5 Ω ndukcyjność uziomu transformatora L3 5 μh Rezystancja uzwojenia wtórnego transformatora R1 5 mω ndukcyjność uzwojenia wtórnego transformatora L1 50 μh Pojemność uzwojenia wtórnego transformatora C1 2 nf Rezystancja linii neutralnej transformatora R1' 2 mω Napięcia fazowe na uzwojeniu wtórnym transformatora V1 220 V φ=0 f=50 Hz V2 220 V φ=120 f=50 Hz V3 220 V φ=240 f=50 Hz Rys. 5. Obwód obliczeniowy do oceny zagrożenia piorunowego instalacji elektrycznej Przyjęcie, na podstawie wyników obliczeń otrzymanych za pomocą przedstawionej metody, wymagań stawianych przed SPD jest korzystne z punktu widzenia ochrony odgromowej, gdyż zastępując przestrzenny system uziomowy urządzenia 9

8 piorunochronnego obiektu szeregowym połączeniem rezystancji i indukcyjności otrzymujemy zbyt duże wartości prądów wpływających do przewodów instalacji elektrycznej. W przypadku przewodów odprowadzających połączonych z uziomami pionowymi lub poziomymi (tzw. uziomy typu A) wartości prądów udarowych wpływających do przewodów instalacji elektrycznej uzależnione są od podziału prądu piorunowego w urządzeniu piorunochronnym. Określając podział prądu w LPS można wykorzystać model składający się z układu połączonych rezystancji, indukcyjności oraz pojemności. Wartości szczytowe prądów udarowych wpływających do przewodów fazowych oraz przewodu ochronno-neutralnego instalacji elektrycznych przeanalizowano dla urządzeń piorunochronnych przedstawionych poniżej obiektów: Obiekt biurowy o wymiarach 40 m 20 m 35 m wymagający poziomu ochrony. Zwody z drutu stalowego o średnicy 8 mm tworzą na dachu siatkę o wymiarach oka 10 m 10 m. Przewody odprowadzające umieszczone co 10 m połączono z uziomami pionowymi R G = 10 Ω. Obiekt wolnostojący o dachu dwuspadowym wymagający V poziomu ochrony, LPS wykonane z drutu stalowego o średnicy 8 mm. Rozpatrywano najbardziej niekorzystny przypadek połączenia głównej szyny wyrównawczej z uziomem przewodu odprowadzającego w narożniku, w który nastąpiło wyładowanie piorunowe. Model LPS oraz rozmieszczenie instalacji elektrycznej doprowadzanej do obiektu wolnostojącego przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Analizowany model narażeń piorunowych instalacji elektrycznej w obiekcie wolnostojącym 10

9 Do podstawowych czynników wpływających na narażenie piorunowe instalacji elektrycznej dochodzącej do obiektu należy wymienić: różnice w wartościach uziomów stacji transformatorowej i uziomów przewodów odprowadzających, zmiany odległości d pomiędzy stacją transformatorową a obiektem, dodatkowe uziemienie instalacji elektrycznej (dodatkowy uziom połączony z główną szyną wyrównawczą oznaczony linią przerywaną na rys. 6). Charakter zmian wartości szczytowych prądów wpływających do poszczególnych przewodów instalacji elektrycznej przedstawiono na rysunku 7. Rys. 7. Wpływ zmian rezystancji stacji transformatorowej oraz rezystancji uziomu obiektu na podział prądu piorunowego w sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia w przypadku obiektu biurowego (a, c i e) oraz wolnostojącego (b, d i f) 11

10 Tabela 3. Wartości szczytowe prądów w przewodach instalacji elektrycznej Przewód 12 Typ obiektu Obiekt biurowy Obiekt wolnostojący Przewód fazowy do ok. 16% do ok. 20% Przewód PEN do ok. 22% do ok. 30% Wyniki obliczeń wskazują na możliwość wystąpienia w instalacji elektrycznej prądów o mniejszych wartościach w przypadku zastosowania dodatkowego uziemienia instalacji elektrycznej (rys. 9). W tabeli 3 zestawiono wartości szczytowe prądów w wyznaczone dla najbardziej niekorzystnych przypadków dużych wartości rezystancji uziomów przewodów odprowadzających. Podobne wyniki otrzymano wykorzystując program ATP/EMTP do wyznaczania prądów wpływających do przewodów instalacji elektrycznej podczas wyładowania piorunowego w LPS obiektu budowlanego o wymiarach 30 m 30 m 30 m [10 ]. Obliczenia wykonano dla uziomów typu A i B oraz stacji transformatorowej znajdującej się 30 m od obiektu. Otrzymane wyniki wskazują, że do instalacji elektrycznej wpływa następująca część prądu piorunowego: 56% w obiekcie posiadającym uziom typu A z połączeniami wyrównawczymi, 46% w obiekcie posiadającym uziom typu A bez połączeń wyrównawczych, 24% w obiekcie z uziomem typu B. Należy również zauważyć, że w obiekcie budowlanym narażenie instalacji elektrycznej na bezpośrednie oddziaływanie rozpływającego się prądu piorunowego wystąpi również podczas wyładowań w przewody sieci elektroenergetycznej niskiego lub średniego napięcia. W zależności od miejsca wyładowania oraz zastosowanych rozwiązań ochrony przepięciowej zastosowanych w sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia do instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym dochodzą prądy udarowe o wartościach szczytowych od kilku do kilkunastu kiloamperów. 4. Literatura [1] PN-EN :2006 Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskie-go napięcia Wymagania i próby. [2] PN-EN :2008 Ochrona odgromowa Część l: Wymagania ogólne. [3] PN-EN :2009 Ochrona odgromowa Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych. [4] Sowa A.: Badania zagrożeń występujących podczas bezpośrednich wyładowań piorunowych w obiekty budowlane. Wiadomości Elektrotechniczne, nr 10, 2005, s [5] Markowska R.: Surge currents and voltages at the low voltage power mains during lightning strike to a GSM tower. X nternational Symposium on Lightning Protection (X SPDA), November 2007, Foz do guaçu, Brazil, s

11 [6] De Carlo B.A., Rakov V.A., Jerauld J., Schnetzer G.H., Schoene J., Uman M.A., Rambo K.J., Kodali V., Jordan D.M.: Triggering-Lightning Testing of the Protective System of Residential Building: Results. 28th CLP, Kanazawa, Japonia, 2006, s [7] PSPCE Personal-Computer-Simulation-Program with ntegrated-circuit- Emphasis. [8] ATP/EMTP Alternative Transients Program / Electromagnetic Transients Program [9] MATLAB/SMULNK wyspecjalizowane rozszerzenie pakietu SimPowerSystem w programie MATLAB. [10] Celli G., Ghiani E., Pilo F.: A simulation tool for overvoltages brought inside a building through its grounding system. 26th nternational Conference on Lightning Protection, Cracow, Poland, 2002, 7b.2. Artykuł jest przedrukiem referatu wygłoszonego na Krajowej Konferencji N-T pt. Urządzenia piorunochronne w projektowaniu i budowie r. w Krakowie. CZYTAJ NA STRONE: 13