OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH W OBIEKTACH BUDOWLANYCH

Transkrypt

1 SERIA: ZESZYTY DLA ELEKTRYKÓW NR 9 Renata Markowska Andrzej W. Sowa OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH W OBIEKTACH BUDOWLANYCH

2 SERIA: ZESZYTY DLA ELEKTRYKÓW NR 9 Renata Markowska Andrzej W. Sowa OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W INSTALACJACH ELEKTRYCZNYCH W OBIEKTACH BUDOWLANYCH

3 Recenzenci: mgr inż. Andrzej Boczkowski Centralne Kolegium Sekcji Instalacji i Urządzeń Elektrycznych SEP Kierownik projektu Michał Grodzki Redakcja techniczna Agencja Reklamowa MEDIUM Korekta Anna Kuziemska Wszelkie prawa zastrzeżone Copyright by Dom Wydawniczy MEDIUM Copyright by Renata Markowska Copyright by Andrzej W. Sowa ISBN Wydawca i rozpowszechnianie Dom Wydawniczy MEDIUM Warszawa, ul. Karczewska 18 Sprzedaż: księgarnia wysyłkowa Skład i łamanie Agencja Reklamowa MEDIUM Warszawa 2011, wydanie I Pod patronatem miesięcznika

4 SPIS TREŚCI 1. Wstęp Symbole graficzne elementów i układów ochronnych Zagrożenie piorunowe instalacji w obiekcie budowlanym Podstawowe parametry prądów piorunowych Zagrożenie związane z rozpływem prądów piorunowych w obiekcie Zagrożenia związane z zewnętrzną instalacją usługową Zagrożenia związane z indukowaniem się udarów podczas wyładowania w obiekt budowlany lub w jego pobliżu Wyznaczanie napięć i prądów indukowanych w pętlach przewodów Napięcia i prądy indukowane w strefie LPZ Napięcia i prądy indukowane w kolejnych strefach Napięcia i prądy udarowe w obwodach niskiego napięcia Wyładowania piorunowe w LPS obiektów budowlanych Wyładowania piorunowe w sąsiedztwie obiektu budowlanego Wyładowania piorunowe w sąsiedztwie linii dochodzących do obiektu Stany nieustalone w sieci elektroenergetycznej Impulsy elektromagnetyczne eksplozji nuklearnych Napięcia i prądy indukowane przez NEMP Przepięcia rejestrowane w instalacji elektrycznej w obiektach budowlanych Przenoszenie napięć udarowych przez transformatory Napięcia i prądy udarowe w obwodach sygnałowych Obwody telekomunikacyjne Systemy informatyczne Systemy kontrolno-pomiarowe w stacjach elektroenergetycznych Strefowa koncepcja ochrony przed przepięciami Odporność udarowa przyłączy urządzeń Badania odporności udarowej urządzeń Udary Przebiegi oscylacyjne tłumione Serie szybkich zakłóceń impulsowych Poziomy odporności udarowej urządzeń Przyłącza zasilania Przyłącza sygnałowe Wyrównywanie potencjałów w obiektach budowlanych Ogólne zasady wyrównywania potencjałów instalacji wprowadzanych do obiektu budowlanego Główna szyna wyrównawcza Główny pierścień wyrównawczy Wyrównywanie potencjałów wewnątrz obiektu budowlanego Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym Urządzenia do ograniczania przepięć typu Zasady doboru i montażu Układy połączeń SPD Podstawowe zasady montażu

5 ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych SPD o napięciowym poziomie ochrony poniżej 4000 V SPD o napięciowym poziomie ochrony poniżej 2500 V SPD o napięciowym poziomie ochrony poniżej 1500 V Koordynacja właściwości SPD typu 1 z wymaganiami EMC urządzeń Oddziaływanie prądów udarowych na zabezpieczenia nadprądowe SPD typu Zasady doboru i montażu SPD typu Dobór i instalacja Wielostopniowe systemy ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej Układy SPD typu 1 i Układy SPD typu 2 i Układ SPD a chronione urządzenie Zasady tworzenia wielostopniowego systemu ograniczania przepięć Podstawowe błędy występujące przy projektowaniu i montażu systemów SPD Błędy w fazie projektowania instalacji elektrycznej Błędna ocena występującego zagrożenia instalacji elektrycznej Niewłaściwe rozmieszczenie układów SPD różnych typów Błędne układy połączeń Brak koordynacji poziomów ograniczania przepięć przez układy SPD z odpornością udarową chronionych urządzeń Różnice potencjałów pomiędzy instalacjami dochodzącymi do urządzenia Błędy przy montażu SPD Długie przewody stosowane do połączeń SPD Siły dynamiczne działające pomiędzy przewodami z prądem udarowym Brak lub niewłaściwy dobór zabezpieczenia nadprądowego Wydmuch gazów na zewnątrz SPD Eksploatacja i konserwacja SPD Elementy i układy do ochrony przed przepięciami w obwodach sygnałowych Elementy i urządzenia ograniczające przepięcia Iskierniki gazowe Warystory Diody zabezpieczające Diody tyrystorowe Elementy i układy tłumiące przepięcia Filtry dolnoprzepustowe Filtry górnoprzepustowe Sęki ćwierćfalowe Właściwości ochronne filtrów przeciwzakłóceniowych Elementy i urządzenia separujące Transformatory separujące Transoptory Światłowody Zasady skutecznej separacji galwanicznej Urządzenia do ograniczania przepięć w systemach przesyłu sygnałów Zasady doboru urządzeń ograniczających przepięcia

6 10.2. Zasady poprawnego montażu i kontroli stanu SPD Spadki napięć na przewodach łączących SPD Koordynacja współdziałania pomiędzy SPD w układach wielostopniowych Różnice potencjałów pomiędzy instalacjami dochodzącymi do urządzenia Przykłady doboru urządzeń ograniczających przepięcia Abonencka stacja końcowa w systemie cyfrowej transmisji sygnałów ISDN Urządzenia stacji bazowych GSM Transmisja sygnałów za pomocą kabli koncentrycznych Koordynacja układania instalacji niskonapięciowych w obiektach budowlanych Ogólne zasady układania przewodów w obiekcie budowlanym Odstępy między przewodami różnych instalacji Układanie przewodów między obiektami Przykłady ochrony przed przepięciami instalacji i urządzeń w obiekcie budowlanym Ograniczanie przepięć w systemach zasilania gwarantowanego Instalacje prądu stałego Ograniczanie przepięć w instalacjach elektrowni wiatrowych Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej Ograniczanie przepięć w systemach przesyłu sygnałów Ochrona urządzeń na dachach obiektów Ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych niewielkich obiektów Ochrona systemów antenowych Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa urządzeń systemów telewizji dozorowej Poziomy odporności udarowej urządzeń Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej Ograniczanie przepięć dochodzących do przyłączy sygnałowych Ochrona odgromowa kamer Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa systemów fotowoltaicznych Ochrona przed bezpośrednim działaniem prądu piorunowego Ochrona przed przepięciami w instalacji elektrycznej Ograniczanie przepięć w systemach kontrolno-pomiarowych Sterowniki Przetworniki i czujniki Obwody iskrobezpieczne Ograniczanie przepięć dochodzących do telekomunikacyjnych urządzeń abonenckich Ograniczanie przepięć w okablowaniu strukturalnym Ograniczanie przepięć w systemach telemechaniki Iskierniki do połączeń wyrównawczych Podsumowanie Literatura

7

8 1. Wstęp Cechą charakterystyczną współczesnych urządzeń elektrycznych i elektronicznych jest ich stosunkowo niewielka odporność udarowa. Dotyczy to zarówno odporności na bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektromagnetycznego, jak i odporności na działanie napięć i prądów udarowych dochodzących do tych urządzeń z sieci zasilającej oraz z linii przesyłu sygnałów. Znaczną część uszkodzeń urządzeń i systemów elektronicznych wywołują napięcia i prądy udarowe powstające podczas wyładowań piorunowych. Obecnie szkody wywołane przez przepięcia atmosferyczne są wielokrotnie większe od zniszczeń powstających podczas bezpośrednich uderzeń piorunów w obiekty budowlane (pożary, uszkodzenia budynków, uszkodzenia instalacji itp.). Zaprojektowanie i wykonanie poprawnie działającego systemu ograniczania narażeń piorunowych do odpowiedniego poziomu wymaga posiadania niezbędnych informacji dotyczących: podstawowych parametrów charakteryzujących zagrożenie występujące podczas: bezpośrednich wyładowań piorunowych w obiekty budowlane lub w ich bliskim sąsiedztwie, bezpośrednich wyładowań piorunowych w instalacje dochodzące do obiektów lub wyładowań w sąsiedztwie tych instalacji, poziomów odporności przyłączy zasilania i sygnałowych urządzeń na działanie napięć i prądów udarowych, poziomów odporności urządzeń i systemów na oddziaływanie piorunowego pola elektromagnetycznego, możliwości ograniczania występujących zagrożeń przez elementy i układy ograniczające napięcia i prądy udarowe, wybranych zagadnień zewnętrznej i wewnętrznej ochrony odgromowej obiektów budowlanych. Narażenia powstające wskutek bezpośredniego oddziaływania rozpływającego się prądu piorunowego lub przepięcia atmosferyczne są szczególnie groźne dla urządzeń pracujących w rozbudowanych systemach elektronicznych. W takich przypadkach nawet drobne uszkodzenie pojedynczego urządzenia może unieruchomić cały system. Analizując zagrożenie piorunowe należy zwrócić uwagę na: wszelkiego rodzaju systemy telekomunikacyjne, sieci komputerowe, urządzenia stosowane w służbie zdrowia, systemy, których awaria lub błędne działanie może stworzyć zagrożenie dla środowiska naturalnego (np. systemy elektroniczne w zakładach przemysłu chemicznego), systemy kontrolno-pomiarowe w energetyce, urządzenia w rozległych systemach elektronicznych instalowane na otwartym terenie (np. stacje benzynowe, oczyszczalnie ścieków itp.). Powyższe fakty powodują gwałtowny wzrost zainteresowania problematyką kompleksowej ochrony przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym, ze zwróceniem szczególnej uwagi na stworzenie warunków bezawaryjnego i niezawodnego działania systemów elektronicznych. Przystępując do projektowania urządzenia piorunochronnego LPS (Lightning Protection System) w obiekcie budowlanym, w którym będą zainstalowane rozbudowane systemy elektroniczne, należy posiadać podstawowy zasób wiedzy technicznej umożliwiający rozwiązywanie problemów związanych z: ochroną odgromową obiektów budowlanych, ze szczególnym uwzględnieniem zasad ochrony przed bezpośrednim oddziaływaniem rozpływającego się prądu piorunowego, ochroną przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym, ochroną instalacji elektrycznej oraz zasilanych urządzeń przed rozpływającym się prądem piorunowym oraz przepięciami atmosferycznymi, 7

9 ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych wyrównywaniem potencjałów wewnątrz obiektów budowlanych, ekranowaniem przed piorunowym polem elektrycznym i magnetycznym, zakresem badań, doborem i rozmieszczaniem urządzeń ograniczających przepięcia SPD (Surge Protective Device) w instalacji elektrycznej oraz w liniach przesyłu sygnałów, sposobem prowadzenia badań odporności urządzeń i systemów na działanie napięć i prądów udarowych oraz wymaganymi dopuszczalnymi poziomami odporności przyłączy zasilania i sygnałowych urządzeń chronionych systemów na działanie udarów, zasadami koordynacji odporności udarowej przyłączy urządzeń z istniejącym zagrożeniem piorunowym oraz z możliwościami różnorodnych urządzeń ograniczających przepięcia, zasadami prowadzenia badań i wymaganymi poziomami odporności urządzeń oraz całych systemów elektronicznych na działanie impulsowego pola magnetycznego, koordynacją układania przewodów wszelkiego rodzaju instalacji wewnątrz obiektów budowlanych, doborem materiałów stosowanych do budowy urządzeń piorunochronnych. Podstawowe informacje dotyczące projektowania i wykonawstwa urządzeń piorunochronnych zawarto w normach zestawionych w tabelach 1.1. i 1.2. Należy zauważyć, że w tabelach ograniczono się tylko do zestawienia norm zawierających podstawowe informacje i zalecenia dotyczące ochrony odgromowej i ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej i liniach przesyłu sygnałów. Dodatkowo należy uwzględnić wymagania dotyczące: kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń, należy zwrócić szczególną uwagę na poziomy odporności udarowej przyłączy zasilania i sygnałowych urządzeń (rozdział 5), układania sieci kablowych służących do rozprowadzania sygnałów telewizyjnych, radiofonicznych i usług interaktywnych, tworzenia systemów uziomowych, dotyczy to szczególnie obiektów nadawczo-odbiorczych, wyrównania potencjałów oraz ekranowania w obiektach budowlanych. Zasób wiedzy technicznej zawarty w przedstawionych normach jest dostateczny do ograniczenia narażeń piorunowych w typowych obiektach budowlanych, w których pracują podstawowe systemy elektroniczne. Przedstawione informacje mogą okazać się niewystarczające w przypadkach dużych obiektów przemysłowych i telekomunikacyjnych, centrów obliczeniowych, elektrowni, lotnisk i innych obiektów zawierających systemy elektryczne i elektroniczne, od których wymagane jest pewne i niezawodne działanie. Na ochronę odgromową takich systemów zwrócono szczególną uwagę w niniejszej monografii. Tabela 1.1. Zestawienie norm zawierających podstawową wiedzę techniczną z dziedziny ochrony odgromowej obiektów budowlanych oraz ograniczania napięć i prądów udarowych wywołanych przez wyładowania piorunowe w obiektach Zakres tematyczny Kompleksowa ochrona odgromowa obiektów budowlanych Ochrona odgromowa i ograniczanie przepięć w typowych systemach telekomunikacyjnych Zestawienie norm PN-EN :2008 Ochrona odgromowa. Część 1: Wymagania ogólne PN-EN :2008 Ochrona odgromowa. Część 2: Zarządzanie ryzykiem PN-EN :2009 Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia PN-EN :2009 Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych ITU-T Recommendation K.12 (02/2006) Series K: Protection against interference. Characteristics of gas discharge tubes (GDT) for the protection of telecommunications installations ITU-T Recommendation K.27. (05/96) Protection against interference. Bonding configurations and earthing inside a telecommunication building 8

10 Zakres tematyczny Ochrona odgromowa i ograniczanie przepięć w typowych systemach telekomunikacyjnych Zestawienie norm ITU-T Recommendation K.31. (03/93) Bonding configuration and earthing of telecommunication installations inside a subscriber s buildings ITU-T Recommendation K.35. (05/96) Protection against interference. Bonding configuration and earthing at remote electronic sites ITU-T Recommendation K.39. (10/96) Risk assessment of damages to telecommunication sites due to lightning discharge ITU-T Recommendation K.40. (10/96) Series K: Protection against interference. Protection against LEMP in telecommunications centers ITU-T Recommendation K.46. (07/2003) Series K: Protection against interference. Protection of telecommunication lines using metallic symmetric conductors against lightning-induced surges ITU-T Recommendation K.47. (12/2000) Series K: Protection against interference. Protection of telecommunication lines using metallic conductors against direct lightning discharges ITU-T Recommendation K.56. (07/2003) Series K: Protection against interference. Protection of radio base station against lightning discharge ITU-T Recommendation K.57. (09/2003) Series K: Protection against interference. Protection measures for radio base stations sited on power line towers ITU-T Recommendation K.66. (12/2004) Series K: Protection against interference. Protection of customer premises from overvoltages ITU-T Recommendation K.67. (02/2006) Series K: Protection against interference. Expected surges on telecommunication and signaling networks due to lightning ITU-T Recommendation K.71. (07/2007) Series K: Protection against interference. Protection of customer antenna installations ITU-T Recommendation K.72. (04/2008) Series K: Protection against interference. Protection of telecommunication lines using metallic conductors against lightning: Risk management ITU-T Recommendation K.73. (04/2008) Series K: Shielding and bonding for cables between buildings ITU-T Recommendation K.77. (01/2009) Series K: Characteristics of Metal Oxide Varistors (MOVs) for the protection of telecommunications installations Tabela 1.2. Zestawienie podstawowych norm zawierających zalecenia dotyczące elementów ograniczających przepięcia oraz ochrony instalacji elektrycznej Zakres tematyczny Elementy i urządzenia ograniczające przepięcia w instalacji elektrycznej i systemach przesyłu sygnałów Zestawienie norm PN-EN :2006 Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć. Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania i próby (oraz PN-EN :2006/A11:2007 (oryg.)) PKN-CLC/TS :2007 Low-voltage surge protective devices. Part 12: Surge protective devices connected to low-voltage power systems. Selection and application principles (oryg.) PN-EN :2004 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 21: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych. Wymagania eksploatacyjne i metody badań ANSI/IEEE Std. C62.41, 1991 IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits 9

11 ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych Zakres tematyczny Elementy i urządzenia ograniczające przepięcia w instalacji elektrycznej i systemach przesyłu sygnałów Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych Zestawienie norm ANSI/IEEE Std. C62.45, 1987 IEEE Guide on Surge Testing for Equipment Connected to Low-Voltage AC Power Circuits IEEE C IEEE Standard Test Specifications for Gas-Tube Surge Protective Devices PN-EN :2002 Elementy do niskonapięciowych urządzeń ograniczających przepięcia. Część 311: Wymagania dla iskierników gazowych (GDT) (oryg.) PN-EN :2003 Elementy do niskonapięciowych urządzeń ograniczających przepięcia. Część 321: Wymagania dla diod lawinowych (ABD) (oryg.) PN-EN :2008 Elementy do niskonapięciowych urządzeń ograniczających przepięcia. Część 331: Wymagania dla warystorów z tlenków metali (MOV) (oryg.) PN-EN :2003 Elementy do niskonapięciowych urządzeń ograniczających przepięcia. Część 341: Wymagania dla ograniczników tyrystorowych (oryg.) PN-T-83020:1996 Ochronnik telefoniczny abonencki. Ogólne wymagania i badania PN-IEC :1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przejściowymi przepięciami i uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach wysokiego napięcia PN-HD :2006 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 4-443: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi PN-IEC :2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochrona przed zakłóceniami (EMI) w instalacjach obiektów budowlanych PN-IEC :2003 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Urządzenia do ochrony przed przepięciami PN-HD :2007 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemienia, przewody ochronne i przewody połączeń ochronnych (oryg.) PN-EN :1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemienia, przewody ochronne PN-IEC :2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Układy uziemiające i połączenia wyrównawcze instalacji informatycznych PN-IEC :1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Wymagania dotyczące uziemień instalacji urządzeń przetwarzania danych 10

12 1.1. Symbole graficzne elementów i układów ochronnych Powszechnie używane symbole graficzne oraz podstawowe informacje o różnorodnych elementach i układach stosowanych do ochrony przed przepięciami w obwodach zasilania i sygnałowych urządzeń zestawiono w tabeli 1.3. Tabela 1.3. Podstawowe symbole graficzne elementów i układów ochrony przed przepięciami Symbol graficzny w Nazwa Warystor (symbol ogólny) Element zmienno oporowy ograniczający przepięcia. Zastosowanie: instalacja elektryczna i systemy przesyłu sygnałów Symbol graficzny Nazwa Filtr Filtr stosowany w układach ochrony przed zakłóceniami Iskiernik gazowy dwuelektrodowy (element gazowyładowczy dwuelektrodowy) Element ucinający przepięcia stosowany w systemach przesyłu sygnałów Dioda lawinowa jednokierunkowa (dioda zabezpieczająca) Element ograniczający przepięcia stosowany w systemach przesyłu sygnałów Iskiernik gazowy trójelektrodowy (element gazowyładowczy trójelektrodowy) Element ucinający przepięcia stosowany w systemach przesyłu sygnałów Dioda lawinowa dwukierunkowa (dioda zabezpieczająca) Element ograniczający przepięcia stosowany w systemach przesyłu sygnałów transformator separujący Urządzenie ograniczające przepięcia w torach przesyłu sygnałów (symbol ogólny) Układ składający się z połączenia kaskadowego dwóch lub więcej elementów ochronnych Transformator separujący Zapewnia separację pomiędzy obwodami i umożliwia pracę urządzeń przy znacznych różnicach potencjałów (nawet do 50 kv) Urządzenie ograniczające przepięcia Obwód składający się z diody zabezpieczającej oraz diod o niewielkiej pojemności stosowany do ograniczania przepięć w obwodach wysokoczęstotliwościowych Transoptor Umożliwia separację pomiędzy obwodami przy różnicy napięć od kilkuset woltów do kilku kilowoltów Urządzenie do ograniczania przepięć SPD w instalacji elektrycznej (symbol ogólny) Urządzenie ograniczające przepięcia oraz chroniące przed bezpośrednim oddziaływaniem części prądu piorunowego Szyna wyrównywania potencjałów 11

13 ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych 2. Zagrożenie piorunowe instalacji w obiekcie budowlanym Zaprojektowanie oraz dobór możliwie najbardziej efektywnych i ekonomicznych rozwiązań ochrony przed przepięciami urządzeń i systemów elektrycznych i elektronicznych w obiekcie budowlanym wymaga określenia poziomów narażeń powstających wskutek wyładowań piorunowych w różnych punktach instalacji zasilających i sygnałowych w tym obiekcie. Znajomość wielkości tych narażeń w poszczególnych strefach ochronnych obiektu [42, 105], w zestawieniu z poziomami odporności zainstalowanych w tych strefach urządzeń i systemów, pozwoli ocenić potrzebę stosowania urządzeń chroniących przed przepięciami oraz właściwie dobrać ich rodzaj, parametry i charakterystyki. Oceniając zagrożenie urządzeń i systemów w obiekcie budowlanym należy rozważyć następujące rodzaje elektromagnetycznych narażeń piorunowych: napięcia/prądy udarowe powstające w instalacjach w wyniku rozpływu prądów piorunowych podczas bezpośredniego wyładowania w obiekt, napięcia/prądy udarowe powstające w zewnętrznych instalacjach usługowych dołączonych do obiektu wskutek wyładowania pioruna w te instalacje lub w ich pobliżu, napięcia/prądy udarowe indukowane w pętlach tworzonych przez przewody instalacji podczas wyładowania pioruna w obiekt lub w jego pobliżu, impulsowe pole elektromagnetyczne oddziałujące bezpośrednio na urządzenia wewnątrz obiektu podczas wyładowania pioruna w obiekt lub w jego pobliżu. W normie ochrony odgromowej IEC [39] stwierdzono, że zagrożenie związane z działaniem pola elektromagnetycznego bezpośrednio na urządzenie może być pominięte w przypadku, gdy urządzenie to spełnia wymagania odpowiednich norm EMC produktu w zakresie emisyjności i odporności na pola elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej. Rozpływ prądu pioruna podczas bezpośredniego wyładowania w obiekt budowlany lub dołączone do niego zewnętrzne instalacje usługowe, jak również napięcia/prądy indukowane w przewodach instalacji zasilających i sygnałowych można wyznaczyć za pomocą specjalistycznego oprogramowania komputerowego wykorzystującego do obliczeń zaawansowane metody numeryczne. Symulacje takie pozwalają na stosunkowo dokładne określenie wartości szczytowych i kształtów impulsów napięciowych/prądowych w różnych miejscach instalacji. Wymaga to jednak dużych nakładów pracy i specjalistycznej wiedzy z zakresu metod modelowania matematycznego. Dlatego w praktyce do określenia poziomów narażeń piorunowych stosuje się przybliżone zależności matematyczne. Podstawowe zależności zawarto w normach ochrony odgromowej IEC oraz IEC [39, 42] Podstawowe parametry prądów piorunowych Przeprowadzenie oceny zagrożenia piorunowego wymaga posiadania podstawowych informacji o następujących wartościach charakteryzujących prąd piorunowy wyładowania doziemnego: wartość szczytowa: I m, maksymalna stromość narastania: S max = (di p/dt) max, ładunek przenoszony przez prąd: Q imp = i p dt, 2 energia właściwa: W/R = i p dt. Do opisu kształtu prądu piorunowego wykorzystuje się również czasy trwania czoła T 1 oraz do półszczytu T 2 na grzbiecie prądu udarowego. Zasady określania tych czasów przedstawiono na rysunku 2.1. W wielokrotnym doziemnym wyładowaniu piorunowym występuje także składowa długotrwała, którą charakteryzuje czas trwania T long na poziomie 10% wartości maksymalnej oraz ładunek całkowity Q long. 12

14 i i 100% 90% 100% 50% 50% 50% 0% 10% T 1 t 0% t Rysunek 2.1. Kształt czoła oraz całego przebiegu prądu symulującego prądy pierwszego i kolejnych wyładowań w kanale Maksymalne wartości charakteryzujące prądy wielokrotnego wyładowania piorunowego w zależności od wybranego poziomu ochrony odgromowej zestawiono w tabeli 2.1. Tabela 2.1. Maksymalne wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prądy piorunowe wyładowań doziemnych [102] Pierwszy udar krótkotrwały Kolejny udar krótkotrwały Parametry charakteryzujące prąd piorunowy Poziom ochrony odgromowej Poziom ochrony odgromowej I II III i IV I II III i IV Wartość szczytowa I m, w [ka] ,5 25 Stromość narastania S max, w [ka/μs] Czas trwania czoła T 1, w [μs] 10 0,25 Czas trwania do półszczytu T 2, w [μs] Ładunek impulsowy Q imp, w [C]* ) Całkowity ładunek Q cał, w [C]** ) Energia właściwa W/R, w [kj/ω] Udar długotrwały Parametry prądu Symbol Jednostka Poziom ochrony odgromowej I II III i IV Ładunek długiego udaru Q long C Parametry czasu T long s 0,5 T 2 I(t) Przebieg czasowy długotrwałej składowej prądu piorunowego 10% 10% T t Objaśnienia: * ) ponieważ zasadnicza część całkowitego ładunku jest zawarta w pierwszym udarze, to uznaje się, że podane wartości zawierają ładunek wszystkich udarów krótkotrwałych, ** ) ładunek całkowity suma ładunku krótkotrwałego i ładunku składowej długotrwałej prądu 13

15 i i ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych Do opisu matematycznego przebiegów czasowych prądów pierwszego i kolejnych udarów krótkotrwałych w kanale doziemnego wyładowania piorunowego zalecane jest [102] stosowanie równania: I it () = k 10 ( t / τ1) 1+ ( t / τ ) max e t / τ 10 1 gdzie: I max wartość szczytowa prądu, k współczynnik korekcyjny wartości szczytowej prądu, τ 1, τ 2 odpowiednio stałe czasu czoła i czasu grzbietu, t czas. Wartości współczynników występujących w równaniu (2.1.) zestawiono w tabeli (2.1.) Tabela 2.2. Wartości współczynników występujących w równaniu (2.1.) opisującym przebiegi prądów piorunowych pierwszego i kolejnych wyładowań w kanale [102] Wyładowanie Pierwsze wyładowanie w kanale Kolejne wyładowanie w kanale I Poziom ochrony max, w [ka] I 200 k τ 1, w [μs] τ 2, w [μs] I max, w [ka] 50 II 150 0,930 19, ,5 III i IV k τ 1, w [μs] τ 2, w [μs] 0,993 0, Podejmowane są również próby wprowadzenia dodatkowej ujemnej składowej krótkotrwałej prądu piorunowego o kształcie 1/200 μs w wielokrotnym wyładowaniu doziemnym [39]. Prąd o takim kształcie proponowany jest do określania zagrożeń piorunowych w normie KTA 2206 [65] oraz proponowanych zmianach w normie EN [39]. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących przebieg czasowy prądu o kształcie 1/200 μs zestawiono w tabeli 2.3. Tabela 2.3. Podstawowe informacje o tzw. ujemnej składowej prądu doziemnego wyładowania piorunowego [39] Charakterystyka Podstawowe parametry Wartości współczynników w równaniu (2.1.) Poziom ochrony Wartość szczytowa Stromość narastania I max, w [ka] I 100 ka 100 ka/μs 100 II 75 ka 75 ka/μs 75 III i IV 50 ka 50 ka/μs % k τ 1, w [μs] τ 2, w [μs] 0,986 1, % 90% Kształt 1/200 50% 50% 50% 0% 200 μs t 0% 10% 1 μs t 14

16 Wymagania zapewnienia pewnej ochrony przed oddziaływaniem prądu piorunowego powodują wzrost znaczenia badań laboratoryjnych oddziaływania prądów udarowych na: poszczególne elementy urządzenia piorunochronnego, urządzenia do ograniczania przepięć SPD w instalacji elektrycznej oraz obwodach przesyłu sygnałów, konstrukcje przewodzące w obiektach budowlanych. W prowadzonych badaniach podstawową sprawą jest wytworzenie prądów udarowych o określonych wartościach szczytowych oraz kształtach. W normach ochrony odgromowej przedstawiono propozycje schematów zastępczych obwodów generatorów wykorzystywanych do symulacji zagrożeń piorunowych 2.2. Zagrożenie związane z rozpływem prądów piorunowych w obiekcie Podczas bezpośredniego wyładowania w obiekt budowlany prąd pioruna odprowadzany jest do uziomu za pomocą rozbudowanej sieci przewodzących elementów, na którą składają się przewody odprowadzające urządzenia piorunochronnego (LPS ang. Lightning Protection System) i naturalne elementy konstrukcyjne obiektu oraz przewody zewnętrznych instalacji usługowych dołączonych do obiektu (wodociągowa, kanalizacyjna, gazowa, linie zasilające, telekomunikacyjne itp.). Zagrożenie w różnych punktach instalacji zależy więc od podziału prądu piorunowego. Zgodnie z zaleceniami zawartymi w normach dotyczących ochrony odgromowej obiektów budowlanych [39, 102] oraz badań urządzeń ograniczających przepięcia [96], w pierwszym przybliżeniu można przyjąć równomierny podział prądu piorunowego pomiędzy uziom obiektu a dołączone do niego zewnętrzne przewodzące instalacje usługowe (rys. 2.2.). bezpośrednie wyładowanie piorunowe w obiekt instalacja piorunochronna przewody odprowadzające główna szyna wyrównawcza 100% zwody przewody odprowadzające przewody odprowadzające uziom fundamentowy 50% instalacja elektryczna rurociąg wodny rurociąg gazowy rurociąg kanalizacyjny 50% Rysunek 2.2. Podział prądu piorunowego w obiekcie budowlanym 15

17 ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych Bardziej dokładny sposób wyznaczenia podziału prądu pomiędzy poszczególne zewnętrzne instalacje usługowe zawarto w aneksie E normy IEC [39]. Zgodnie z nim, część prądu wpływająca do pojedynczej zewnętrznej instalacji usługowej wynosi: w przypadku instalacji ułożonej w ziemi: I = Z I f Z + Z n + n Z / Z ( ) (2.2.) w przypadku instalacji ułożonej nad powierzchnią ziemi: Z If = I Z + Z n + n Z / Z ( ) (2.3.) gdzie: I wartość szczytowa całkowitego prądu pioruna odpowiadająca założonej klasie LPS, n 1 całkowita liczba zewnętrznych części przewodzących lub instalacji podziemnych, n 2 całkowita liczba zewnętrznych części przewodzących lub instalacji ułożonych nad powierzchnią ziemi, Z konwencjonalna impedancja uziemiająca systemu uziomowego obiektu, Z 1 konwencjonalna impedancja uziemiająca zewnętrznej części przewodzącej lub instalacji podziemnej (tab. 2.4.), Z 2 rezystancja uziemienia systemu uziemiającego łączącego zewnętrzną instalację nadziemną z ziemią; jeśli rezystancja uziemienia Z 2 punktu uziemiającego nie jest znana, można przyjąć wartość impedancji Z 1 (tab. 2.4.), odpowiadającą wartości rezystywności gruntu istotnej dla punktu uziemiającego. Tabela 2.4. Wartości impedancji uziemiających Z i Z 1 dla różnej rezystywności gleby [102] ρ, w [Ωm] Z 1, w [Ω]* ) Impedancja uziemiająca Z związana z klasą LPS, w [Ω]** ) I II III i IV Uwaga! Podane wartości odnoszą się do konwencjonalnej impedancji uziemiającej zakopanego przewodu w warunkach udarowych (udar 10/350 μs) Objaśnienia: * ) wartości odnoszą się do zewnętrznych instalacji dłuższych niż 100 m. Dla instalacji krótszych od 100 m w gruntach o dużej rezystywności (> 500 Ωm) wartości Z 1 mogą zostać podwojone, ** ) system uziemiający zgodny z IEC W powyższych wzorach założono taką samą wartość Z 2 dla każdego punktu uziemiającego. Jeśli warunek ten nie jest spełniony, należy posłużyć się bardziej skomplikowanymi wzorami. Przyjmując przybliżenie, zgodnie z którym prąd pioruna rozdzielany jest równomiernie po 50% pomiędzy system uziomowy obiektu a wszystkie dołączone do niego instalacje zewnętrzne (rys. 2.2.) oraz zakładając, że Z 1 = Z 2, część prądu pioruna wpływającą do pojedynczej instalacji zewnętrznej można obliczyć ze wzoru [96, 102]:

18 ( ) I = I 05 f, / n + 1 n (2.4.) 2 W aneksie E normy IEC podano również przybliżone wzory pozwalające określić, jaka część prądu przypada na pojedynczy przewód instalacji zewnętrznej (np. linii elektroenergetycznej, telekomunikacyjnej itp.), a mianowicie [39]: w przypadku linii nieekranowanej i nie ułożonej w metalowych rurkach: w przypadku linii ekranowanej: ' ' I = I / n (2.5.) f f ( ) (2.6.) ' ' If = If RS/ n RS + RC gdzie: n całkowita liczba przewodów linii, R S oporność przypadająca na jednostkę długości ekranu, R C oporność przypadająca na jednostkę długości przewodu wewnętrznego. Prowadząc szczegółowe obliczenia podziału prądów piorunowych w zewnętrznych liniach elektroenergetycznych należy wziąć pod uwagę szereg innych czynników mogących mieć wpływ na wartości szczytowe i kształty wyznaczanych prądów, w szczególności: długości linii, różne impedancje przewodów neutralnego i fazowych, różne impedancje transformatora oraz obecność urządzeń chroniących ten transformator przed przepięciami, stosunek konwencjonalnych rezystancji uziemienia transformatora oraz elementów po stronie obciążenia transformatora, zwielokrotnionych równoległych odbiorców energii Zagrożenia związane z zewnętrzną instalacją usługową Oceniając zagrożenie związane z zewnętrznymi instalacjami usługowymi dołączonymi do obiektu budowlanego należy uwzględnić efekty powodowane: bezpośrednim wyładowaniem pioruna w instalację usługową, wyładowaniem pioruna w pobliżu instalacji usługowej, indukowaniem się udarów podczas wyładowania pioruna w pobliżu obiektu budowlanego lub w ten obiekt (w tym drugim przypadku źródłem pola jest prąd płynący w urządzeniu piorunochronnym budynku lub w ekranie strefy LPZ 1). W przypadku bezpośredniego wyładowania w instalację usługową, należy wziąć pod uwagę rozpływ prądu piorunowego w obu kierunkach tej instalacji oraz przebicia izolacji. W aneksie E normy PN-IEC [102] podano spodziewane wartości szczytowe oraz kształty prądów udarowych powstających w zewnętrznych liniach, zasilającej i telekomunikacyjnej, wskutek wyładowań piorunowych w odniesieniu do poziomu ochrony odgromowej (LPL). Parametry te przytoczono w tabeli

19 ograniczanie przepięć w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych Tabela 2.5. Oczekiwane impulsy prądów udarowych wywołanych wyładowaniami piorunowymi w zewnętrznych liniach zasilających i telekomunikacyjnych dochodzących do obiektu [102] LPL linię Wyładowanie bezpośrednie Kształt 10/350 μs, [ka] Linia zasilająca Linia telekomunikacyjna Wyładowanie w: Wyładowanie w: pobliżu linii Wyładowanie pośrednie Kształt 8/20 μs, w [ka] obiekt lub w jego pobliżu Prąd indukowany* ) Kształt 8/20 μs, w [ka] linię Wyładowanie bezpośrednie Kształt 10/350 μs, w [ka] pobliżu linii Wyładowanie pośrednie Kształt: mierzony 5/300 μs/szacowany 8/20 μs, w [ka] obiekt lub w jego pobliżu Prąd indukowany* ) Kształt 8/20 μs, w [ka] III IV 5 2,5 0,1 1 0,01/0,05 0,05 I II ,2 2 0,02/0,1 0,1 Objaśnienia: * ) dotyczy nieekranowanej strefy LPZ 1 W przypadku linii ekranowanych, wartości prądów odpowiadające wyładowaniu w linię lub w jej pobliżu można zmniejszyć dwukrotnie. Przy czym zakłada się, że rezystancja ekranu jest w przybliżeniu równa rezystancji wszystkich przewodów w układzie równoległym Zagrożenia związane z indukowaniem się udarów podczas wyładowania w obiekt budowlany lub w jego pobliżu Prądy udarowe indukowane w pętlach tworzonych przez przewody instalacji w obiekcie budowlanym podczas wyładowania pioruna w ten obiekt (źródłem pola jest prąd płynący w urządzeniu piorunochronnym budynku lub w ekranie strefy LPZ 1) lub w jego pobliżu mogą osiągać stosunkowo duże wartości. Parametry tych udarów odpowiadają w przybliżeniu parametrom prądów udarowych spodziewanych w zewnętrznych liniach zasilających i telekomunikacyjnych przedstawionych w tabeli 2.5. Podane w tabeli parametry dotyczą przypadków indukowania się prądów wewnątrz nieekranowanej strefy LPZ 1. Przy czym za nieekranowaną strefę należy uważać taką strefę LPZ 1, której ekran przestrzenny ma szerokość oka większą niż 5 m. W przypadku ekranowanej strefy LPZ 1 (chronionej zgodnie z PN-IEC za pomocą zewnętrznego LPS o szerokości oka sieci mniejszej niż 5 m), wartości prądów udarowych indukowanych wskutek wyładowania w obiekt budowlany lub w jego pobliżu są dużo niższe od podanych w tabeli 2.5. Podobnie prądy udarowe indukowane w strefach LPZ 2 i kolejnych są sukcesywnie redukowane Wyznaczanie napięć i prądów indukowanych w pętlach przewodów Skutki oddziaływania piorunowego pola elektromagnetycznego na urządzenia i instalacje związane są głównie z impulsem pola magnetycznego, który ma ten sam kształt fali co prąd piorunowy. Z punktu widzenia ochrony wpływ pola elektrycznego ma mniejsze znaczenie. Jak wspomniano na początku, zagrożenia związane z oddziaływaniem piorunowego pola magnetycznego bezpośrednio na urządzenia spełniające wymagania testów emisyjności i odporności na pola o częstotliwości 18

20 radiowej (RF) zdefiniowanych w normach EMC produktu mogą zostać pominięte [42, 105]. Znacznie poważniejsze skutki wiążą się z oddziaływaniem impulsowego pola magnetycznego na pętle tworzone przez przewody różnorodnych instalacji wewnątrz obiektu budowlanego, powodując indukowanie w nich napięć i prądów udarowych. Uproszczone sposoby wyznaczania wartości szczytowych napięć i prądów indukowanych w prostokątnych pętlach przewodów zawarto w załączniku A normy PN-IEC [105]. W normie tej czoło prądu oraz pola magnetycznego krótkiego udaru wyładowania piorunowego reprezentowane jest za pomocą tłumionego przebiegu oscylacyjnego. Częstotliwość oscylacji oraz czas do osiągnięcia wartości szczytowej wynoszą: dla pierwszego udaru, odpowiednio 25 khz i 10 μs, dla udaru następnego, odpowiednio 1 MHz i 0,25 μs. Wartości napięć i prądów indukowanych w obiekcie będą w dużej mierze zależały od ekranowania przestrzennego. Należy zatem posiadać podstawowe informacje o konstrukcji ekranów oddzielających strefy. W praktyce, ekrany oddzielające strefy LPZ tworzone są przez metalowe części budynku, zbrojenie sufitów, ścian i podłóg, metalowe ramy, dach i elewacje. Komponenty te połączone ze sobą tworzą ażurowy ekran przestrzenny. W normie PN-IEC stwierdzono, że ekran taki jest skuteczny w przypadku szerokości oka siatki mniejszej niż 5 m [105] Napięcia i prądy indukowane w strefie LPZ 1 Ekran wyznaczający strefę LPZ 1 jest zwykle częścią zewnętrznego urządzenia piorunochronnego obiektu. W przypadku bezpośredniego wyładowania pioruna w taki obiekt, prąd piorunowy będzie płynął przez ekran strefy LPZ 1. W takim przypadku wartość szczytową natężenia pola magnetycznego w strefie LPZ 1 można wyznaczyć ze wzoru [105]: H = k I 1 H w/ ( d w dr) ( A/ m) (2.7.) gdzie: d r odległość pomiędzy rozważanym punktem a dachem ekranowanej strefy LPZ 1, w [m], d w odległość pomiędzy rozważanym punktem a ścianą ekranowanej strefy LPZ 1, w [m], I wartość szczytowa impulsu prądu pioruna odpowiadająca poziomowi ochrony, w [A], k H współczynnik konfiguracji, typowo k H = 0,01 (1/ m), w szerokość oka siatki ażurowego ekranu strefy LPZ 1, w [m]. Zależność ta obowiązuje tylko dla obszaru bezpieczeństwa wewnątrz ażurowego ekranu, tj. w odległości od ekranu równej szerokości oka siatki w. Największe wartości pola magnetycznego obserwowane są w pobliżu ścian i dachu. Zatem z najgorszym możliwym przypadkiem mamy do czynienia wówczas, gdy urządzenia lub instalacje znajdują się w odległości od ściany lub dachu równej dystansowi bezpieczeństwa. Wykorzystując zależność (2.7.) oraz uwzględniając parametry impulsów prądu pioruna, wyprowadzono wzory pozwalające obliczyć napięcia i prądy indukowane wewnątrz strefy LPZ 1 przez pole magnetyczne bezpośredniego wyładowania pioruna. Wartości szczytowe napięcia dla otwartego obwodu U OC oraz prądu dla zwartego obwodu I SC pętli wynoszą [105]: dla pierwszego udaru: UOC = 126, b ln 1+ l/ d1/ w w d1 r If [ V] (2.8.) ( ) ( ) ( 1 ) ( 1 ) 6 ISC = 12, 6 10 b ln 1+ l/ d / w w d r If / L [ A] (2.9.) 19