Leszek Kachel Jan M. Kelner Mieczysław Laskowski Instytut Telekomunikacji Wydział Elektroniki Wojskowa Akademia Techniczna Zasady projektowania kompleksowej ochrony obiektów przed zaburzeniami elektromagnetycznymi o dużej energii W artykule omówiono problematykę projektowania kompleksowych zabezpieczeń urządzeń elektronicznych zainstalowanych w obiekcie budowlanym, które narażone są na oddziaływanie zaburzeń elektromagnetycznych o dużej energii. Kompleksowa ochrona składa się z zewnętrznej ochrony odgromowej i ochrony przeciwprzepięciowej, której urządzenia zainstalowane są wewnątrz obiektu. Prawidłowo zaprojektowana ochrona przeciwprzepięciowa powinna się składać z minimum dwustopniowego ograniczania przepięć. Przy rozbudowanym przestrzennym rozmieszczeniu urządzeń zaleca się stosować trzeci stopień ochrony. W artykule przedstawiono ogólne zasady projektowania takiej ochrony, z uwzględnieniem wyrównywania potencjałów w obiekcie. 1. Wprowadzenie Szczególnie niebezpieczne dla urządzeń elektronicznych są pojedyncze szybkozmienne udary o znacznych wartościach szczytowych. Podstawowymi źródłami tego rodzaju zaburzeń są wyładowania atmosferyczne i procesy komutacyjne w sieciach energetycznych. Impulsowe zaburzenia elektromagnetyczne są dziś jednym z najważniejszych czynników decydujących o niezawodności urządzeń i systemów telekomunikacyjnych i teleinformatycznych instalowanych w obiektach budowlanych. Przepięcia atmosferyczne mogą być wywoływane przez: bezpośrednie uderzenie piorunu w obiekty, obwody sieci zasilającej lub linie przesyłu sygnału oraz w bliskim sąsiedztwie obwodów elektrycznych, urządzeń lub systemów. Wśród szczególnie zagrożonych urządzeń i systemów znajdują się: wszelkie rozbudowane systemy telekomunikacyjne i teleinformatyczne, zwłaszcza te, które wykorzystują cyfrowy przesył sygnałów. Przenikanie zaburzeń ze źródła do obwodu urządzenia może następować na drodze: sprzężeń konduktancyjnych, pojemnościowych i indukcyjnych, propagacji fal w liniach oraz promieniowania. Odporność udarowa urządzenia elektronicznego jest to właściwość określająca zdolność urządzenia elektronicznego do przeciwstawienia się niszczącemu bądź zakłócającemu działaniu impulsowych zaburzeń elektromagnetycznych. Bezawaryjne i niezawodne działanie urządzeń, i systemów elektronicznych można zapewnić stosując odpowiednie rozwiązania ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej. 2. Analiza przepisów normalizacyjnych dotyczących urządzeń informatycznych Zaprojektowanie oraz wykonanie poprawnie działającego systemu ochrony przed przepięciami wymaga posiadania niezbędnych informacji charakteryzujących: podstawowe źródła zagrożeń wytwarzane przez nie napięcia udarowe, poziomy odporności urządzeń oraz systemów na działanie napięć udarowych. 692
Projektując systemy ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej należy skoordynować zalecenia wynikające z norm ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej z wymaganiami określającymi zakresy badań odporności udarowej urządzeń technicznych. Bezawaryjne i niezawodne działanie urządzeń, i systemów elektronicznych można zapewnić stosując odpowiednie rozwiązania ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej. We wstępnej fazie projektowania systemy ochrony przeciwprzepięciowej należy określić wymagany poziom ochrony dla analizowanego obiektu, wszelkie możliwe drogi wnikania udarów do chronionych urządzeń lub systemów, przybliżone wartości występujących napięć i prądów udarowych, jakie są dopuszczalne w poszczególnych strefach oraz poziomy odporności udarowej chronionych urządzeń. Podstawowym etapem prac przy tworzeniu systemu ochrony przeciwprzepięciowej jest określenie narażeń udarowych poszczególnych instalacji, takich jak: instalacji elektrycznej, linii telekomunikacyjnych, systemów kontrolno-pomiarowych. W przypadku połączeń wewnątrz obiektu należy uwzględnić zagrożenia stwarzane przez indukowane przepięcia atmosferyczne. Dobierając elementy i układy ograniczające przepięcia należy założyć poziom efektywności ochrony. Tabela 1. Efektywność ochrony w zależności od poziomu ochrony Poziom ochrony Efektywność ochrony Wartość szczytowa prądu piorunowego I 98 % 200 ka II 95 % 150 ka III 90 % 100 ka IV 80 % 100 ka Do ochrony przed działaniem części prądu piorunowego oraz przed wszelkiego rodzaju przepięciami należy w instalacji elektrycznej zastosować wielostopniowy układ ograniczników przepięć. Tworząc system ochronny w instalacji elektrycznej należy uwzględnić następujące wymagania dotyczące ograniczników przepięć: liczbę ograniczników przepięć i sposób ich montażu należy dostosować do systemu sieci oraz wymaganej kategorii przepięciowej, ograniczniki należy rozmieścić w taki sposób, aby zapewniały ograniczenie przepięć do wartości wymaganych w wybranych kategoriach przepięciowych, wytrzymałość zwarciową ograniczników przepięć należy dostosować do spodziewanej wartości prądu zwarcie, jakie może wystąpić w miejscu zainstalowania ograniczników, zachować, zgodne z zaleceniami producenta, najmniejsze dopuszczalne odległości pomiędzy ogranicznikami różnych klas, ogranicznikami a chronionymi urządzeniami oraz innymi urządzeniami w miejscu montażu ograniczników. 3. Budowa zewnętrznej i wewnętrznej ochrony odgromowej Urządzeniem piorunochronnym nazywa się zespół elementów konstrukcyjnych obiektu budowlanego lub elementów na nim zainstalowanych, odpowiednio połączonych i wykorzystywanych do ochrony odgromowej. Na typowe urządzenie piorunochronne składają się następujące elementy: zwody przeznaczone do bezpośredniego przyjmowania prądów piorunowych wyładowań atmosferycznych, przewody odprowadzające łączące zwody z przewodami uziemiającymi, przewody uziemiające łączące przewody odprowadzające z uziomami oraz uziomy i elementy metalowe umieszczone w gruncie i zapewniające z nim połączenie elektryczne. Urządzenie piorunochronne ma za zadanie przejęcie prądu piorunowego i jego odprowadzenie do ziemi bez szkody dla chronionego obiektu oraz w sposób bezpieczny dla ludzi przebywających wewnątrz. Do ochrony urządzeń elektronicznych należy również zastosować wymogi tzw. wewnętrznej ochrony odgromowej, która obejmuje m.in. zagadnienia: wyrównywania potencjałów wewnątrz 693
obiektów budowlanych, zachowania odstępów izolacyjnych od elementów z prądem piorunowym, właściwego doboru ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej oraz systemach przesyłu sygnałów. Dobierając rozwiązania ochrony wewnętrznej należy również uwzględnić informacje o odporności poszczególnych urządzeń na działanie różnorodnych udarów napięciowych i prądowych dochodzących z instalacji elektrycznej i linii przesyłu sygnałów oraz oddziaływanie bezpośrednio na urządzenia impulsowego pola magnetycznego. Uwzględniając powyższe wymagania należy zastosować wielostopniową ochronę przeciwprzepięciową w obiektach, w których pracują systemy elektroniczne. 4. Tworzenie wielostopniowego systemu ochronnego w instalacji elektrycznej Strefowa koncepcja ochrony odgromowej jest rozwiązaniem optymalnym zarówno ze względów technicznych jak i ekonomicznych. Przejściu z jednej strefy do drugiej towarzyszy ograniczenie wartości szczytowych przepięć. Każdą z wyodrębnionych w obiekcie stref charakteryzują poziomy przepięć i przetężeń dochodzących do urządzenia pracującego w danej strefie oraz wartość natężenia impulsowego pola elektromagnetycznego. Tworząc skutecznie działający wielostopniowy układ ochrony przeciwprzepięciowej należy stosować krótkie przewody łączące ograniczniki przepięć z systemem uziemień lub wyrównywania potencjałów. Pierwszy stopień ochrony znajdujący się na przejściu stref powinien służyć do odprowadzenia do ziemi zasadniczej części prądu piorunowego, a kolejne stopnie ochrony powinny być narażone tylko na działanie niewielkiej części prądu piorunowego. Wykonując instalacje odgromową i przeciwprzepięciową należy wyrównać potencjały na wewnątrz i na zewnątrz obiektu co zapewni bezawaryjne działanie urządzeń elektronicznych pracujących w obiekcie oraz bezpieczeństwo osób przebywających w obiekcie. Do szyny wyrównywania potencjałów dołączane są wszelkie ekrany lub przewodzące elementy konstrukcyjne linii transmisji sygnałów, ekrany przewodów antenowych oraz przewody PEN lub PE sieci elektroenergetycznej. Również należ dobrać właściwe typy ograniczników w systemach przesyłu sygnałów Podstawową konfiguracją systemu ochrony przeciwprzepięciowej jest układ dwustopniowy zawierający ochronniki typu B i C. Zapewniają one ochronę na poziomie poniżej 1,5 kv, co jest wielkością wystarczającą w przypadku większości urządzeń. Trzeci stopień (D) jest wymagany praktycznie do ochrony jedynie bardzo czułych i bardzo drogich urządzeń. W podstawowej konfiguracji stopień B montuje się z złączu kablowym, rozdzielni głównej, w miarę blisko miejsca dojścia zasilania do budynku. Stopień C montowany jest w podrozdzielniach, rozdzielniach piętrowych, obszarowych a stopień D bezpośrednio przy chronionym urządzeniu. Stopień ochrony B może być pominięty w przypadku obiektów, co do których mamy pewność, że niemożliwe jest wpłynięcie do ich instalacji prądu piorunowego, a więc budynki usytuowane w zwartej zabudowie, zasilanie linią kablową i które nie posiadają zewnętrznej instalacji odgromowej. Ograniczniki instaluje się pomiędzy wszystkimi przewodami, między którymi możliwe jest powstanie przepięcia, a więc w sieci z rozdzielonymi przewodami neutralnym i ochronnym, również pomiędzy tymi przewodami. Powyższego warunku nie ma potrzeby stosować w przypadku, gdy oba przewody rozdzielają się parę metrów obok miejsca instalacji ochronników, lub są mostkowane w każdej rozdzielni. Samego podłączenia dokonuje się za pomocą możliwie krótkich przewodów o przekroju takim samym jak przekrój przewodów głównych, jednakże w przypadku sieci prowadzonej za pomocą szyn, lub przewodów o bardzo dużym przekroju, należy stosować odczepy o przekroju maksymalnym, jaki może pomieścić ogranicznik. Dobór konkretnego typu ogranicznika powinien być poprzedzony zaznajomieniem się z warunkami panującymi w danym obiekcie, a także powinien uwzględniać życzenia klienta. Samo umiejscowienie ograniczników nie ma większego znaczenia. Z reguły mogą one być zainstalowane obok innych urządzeń w jednej rozdzielnicy, gdyż nie wpływają na ich działanie. 694
Iskiernikowy stopień ochrony B, aby dobrze współpracował ze stopniem C powinien być od niego oddalony o min. 10 metrów, a jeżeli tego warunku nie da się zrealizować, należy między nich włączyć indukcyjność separującą. Wielostopniowy układ ochrony przeciwprzepięciowej Dobór miejsc montażu odgromników (pierwszy stopień ochrony) Dobór miejsc montażu ochronników przeciwprzepięciowych (drugi stopień) Określenie potrzeby zastosowania trzeciego stopnia ochrony. Określenie odległości L pomiędzy pierwszym i drugim stopniem ochrony L > L dop L < L dop Dobór miejsc montażu układów trzeciego stopnia ochrony Określenie systemu sieci, w której będą montowane odgromniki Tok postępowania przy tworzeniu II stopnia ochrony Określenie systemu sieci w której będzie montowany układ odgromniki-dławiki-ochronniki przeciwprzepięciowe Porównanie znamionowych wartości prądów I F zabezpieczeń nadprądowych przed odgromnikami z wartościami dopuszczalnymi dla wybranego typu Schemat połączeń odgromniki dławiki ochronniki przeciwprzepięciowe I F < I odgr I F > I odgr Schemat układu odgromników bez dodatkowych bezpieczników Schemat układu połączeń odgromników z dodatkowymi bezpiecznikami włączonymi w szereg z ochronnikami Rys. 1. Schemat blokowy przedstawiający zasadę tworzenia wielostopniowego układu ochrony Dobra ochrona przeciwprzepięciowa powinna zawierać także ograniczniki zainstalowane w torach przesyłu sygnałów. Niewystarczające chronienie odbiornika od przepięć mogących dojść jedynie od strony zasilania. Poprawna realizacja ochrony powinna uwzględniać instalację ochronników na wszystkich przewodach dochodzących do budynku, należy więc wziąć także pod uwagę wszelkiego rodzaju przewody telefoniczne, antenowe, komputerowe, sygnalizacyjnopomiarowe i itp. Przykład trójstopniowej ochrony pokazano na rysunku 2. 695
Rys. 2 Podział ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym w zależności od strefy zagrożenia. Zasilanie Rozdzielnica główna Urządzenia elektroniczne 220V/50Hz Ogranicznik Przepięć Klasa B Ogranicznik Przepięć Klasa C 220V/50Hz 220V/50Hz Ogranicznik Przepięć Klasa D Rys.3. Schemat blokowy kompleksowej ochrony obiektu Zgodnie z obowiązującymi zaleceniami w instalacji elektrycznej należy stosować m.in. wyłączniki przeciwporażeniowe różnicowoprądowe i urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej. Ich wzajemne rozmieszczenie w instalacji powinno nie zmniejszać ich zadań ochronnych oraz nie ograniczać ciągłości dostawy energii elektrycznej. Umieszczenie układu ograniczników przepięć klasy C za wyłącznikiem różnicowoprądowym powoduje narażenie wyłącznika na działanie 696
przepływających prądów udarowych, które mogą spowodować jego zniszczenie lub zbędne zadziałanie. Zainstalowanie układu ograniczników przed wyłącznikiem praktycznie eliminuje tego rodzaju zagrożenie. Ograniczniki klasy D zapewniają ochronę urządzeń przed przepięciami atmosferycznymi wywołanymi przez odległe wyładowania atmosferyczne (kilkaset metrów od obiektu) oraz przed przepięciami łączeniowymi występującymi w instalacji elektrycznej. W rzeczywistych warunkach nie można wyeliminować bezpośrednich uderzeń piorunów w obiekty budowlane lub wyładowań zachodzących w bliskim ich sąsiedztwie. Fakt ten powoduje, że w instalacji elektrycznej ograniczniki przepięć klasy D współpracują najczęściej z ogranicznikami klas B i C tworząc wielostopniowe układy ochronne. 5. Podsumowanie Przedstawione zasady dobory, rozmieszczania i montażu ograniczników klasy B, C oraz D w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym zapewniają podstawowa ochronę przed wszelkiego rodzaju narażeniami udarowymi. Ich rozmieszczenie oraz parametry techniczne uzależnione są od poziomów odporności udarowej chronionych urządzeń technicznych. Bezawaryjne działanie urządzeń elektronicznych wymaga uwzględnienia zasad ochrony odgromowej oraz ochrony przeciwprzepięciowej. Dobierając elementy i układy ochronne należy uwzględnić obowiązujące obecnie normy i zalecenia oraz zasady wzajemnej koordynacji działania poszczególnych stopni ochronnych. Dodatkowo należy zaznaczyć, że właściwie zaprojektowane i wykonane układy ochrony przeciwprzepięciowej są tylko jednym z elementów ochrony. Należy również zapewnić właściwe rozwiązanie systemu wyrównywania potencjałów w obiekcie budowlanym. Wszystkie panele urządzeń będące w danym obiekcie elementami systemu powinny być połączone z instalacją wyrównywania potencjałów. Należy zapewnić odpowiednie odstępy izolacyjne pomiędzy instalacją elektryczną a elementami instalacji piorunochronnej. Unikać należy prowadzenia w bliskim sąsiedztwie przewodów, w których występują bardzo duże różnice w poziomach sygnałów elektrycznych. Dotyczy to przede wszystkim oddalenia przewodów odprowadzających od instalacji elektrycznej urządzeń (sygnałowej i zasilającej). Wszelkie zalecenia dotyczące ochrony przed impulsowymi zaburzeniami elektromagnetycznymi należy uwzględniać już w fazie opracowywania założeń do danego projektu urządzenia. Literatura 1. T. W. Więckowski: Badania odporności urządzeń elektronicznych na impulsowe narażenia elektromagnetyczne, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1993. 2. A. Sowa: Kompleksowa ochrona odgromowa i przepięciowa, COSiW, Warszawa, 2005. 3. A. Sowa: Ochrona przeciwprzepięciowa w instalacjach elektrycznych w obiektach budowlanych. Zalecenia i normy. Informacje o Normach i Przepisach Elektrycznych, INPE, Biuletyn SEP nr 33, 2000, str.31-40. 4. A. Sowa: Strefowa koncepcja ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej w obiektach budowlanych, Elektrosystemy nr 3., 2000, str. 30-34. 5. A. Sowa: Strefowa koncepcja ochrony odgromowej w obiektach telekomunikacyjnych, Krajowe Sympozjum Telekomunikacji KST'99, Bydgoszcz 8-10 września 1999. 6. A. Sowa: Strefowa koncepcja ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej w obiektach budowlanych, DEHN Polska, 2006, http://www.dehn.pl/pdf/publikacje/inne/lpz.pdf. 7. J. Zarówny, A. Białorusow: Strefowa koncepcja ochrony odgromowej i przepięciowej w praktyce, Elektro.info, nr 4, 2006, str. 30-35. 8. PN-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne. 9. PN-86/E-05003/02: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona podstawowa. 697
10. PN-86/E-05003/03: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona obostrzona. 11. PN-92/E-05003/04: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona specjalne. 12. PN-IEC 61024-1-1: 2001: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych. 13. PN-93/E-05009/443: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona zapewniająca bezpieczeństwo. Ochrona przed przepięciami.. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi. Comprehensive objects protection design rules against electromagnetic high-energy disturbances In this paper design rules for comprehensive protection electronics devices installed in the object buildings exposed to high-energy electromagnetic disturbances are presented. Comprehensive protection consists of outside lighting protection system as well as indoors installed over-voltage protection devices. Correct designed over-voltage protection system should consists of minimum two-grade voltage limiter. It is recommended to use the third grade protection in the spatial extended and located devices. In this paper general design rules are described as well as potential compensation in the object. 698