Czy ochrona przeciwprzepięciowa jest rzeczywiście konieczna? Co mówią normy?

 

Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe coraz bardziej zyskują na znaczeniu ze względu na rosnącą liczbę przypadków uszkodzeń i awarii. Wciąż jednak wielu klientów nie docenia wagi zabezpieczenia przeciwprzepięciowego do czasu, aż jakieś urządzenie ulegnie uszkodzeniu. W przemyśle coraz większa liczba decydentów woli uniknąć kosztów zastosowania dobrze dobranych aparatów przeciwprzepięciowych, a także często wolą zignorować fakt, że jeśli coś się stanie, będą mieli do czynienia z przerwami w produkcji i być może znacznymi kosztami napraw.

Projektanci i instalatorzy urządzeń elektrycznych powinni opierać się na wymaganiach występujących w normach, by przekonać klientów do zastosowania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych. Normy te zawierają jasne ustalenia dotyczące zabezpieczeń, które należy stosować w poszczególnych przypadkach. Znając wymagania tych norm, projektant czy instalator będzie znacznie lepiej przygotowany do prowadzenia argumentacji w tym zakresie.

Rys. 1. Różne sposoby powstawania przepięć przewidziane w normach

 

Nasuwa się również kolejne ważne pytanie: Czy projektantów i instalatorów można pociągnąć do odpowiedzialności w przypadku zaniedbania w zapewnieniu ochrony przeciwprzepięciowej? Również w tym zakresie normy zawierają odpowiednie informacje. Są to:

  • PN-HD 60364-1
  • IEC 60364-4-44
  • PN-EN 62305 – Części 3 i 4
  • PN-HD 60364-5-53

Normy te są zgodne ze sobą i umożliwiają instalatorom i projektantom instalacji elektrycznych dokonanie prawidłowego wyboru odpowiednich rozwiązań w zakresie ochrony przeciwprzepięciowej.

Ważne: Przede wszystkim należy ustalić, która z norm ma zastosowanie w danym przypadku. Po uporaniu się z tym zadaniem dobranie zgodnych z normami zabezpieczeń przeciwprzepięciowych nie będzie szczególnie trudne.

1.           Norma PN-HD 60364-1

Zasady ogólne

Cel ochrony Ochrona przeciwprzepięciowa i podjęcie działań przeciwdziałających zakłóceniom elektrycznym
Działanie W razie potrzeby zapewnienia ochrony przeciwprzepięciowej należy odnieść się do innych obowiązujących norm
Uwaga Należy poinformować osoby odpowiedzialne o konieczności dokonania oceny potrzeby zapewnienia ochrony
2.           Norma IEC 60364-4-44
Ustalenie koniecznej ochrony przeciwprzepięciowej
Cel ochrony Ochrona przed przepięciami spowodowanymi przez wyładowania atmosferyczne lub przez procesy łączeniowe powiązane z siecią elektroenergetyczną od zewnątrz
Działanie Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe w tablicach rozdzielczych, kanałach kablowych i przy urządzeniach końcowych
Uwaga

 

Konieczność stwierdzona dzięki obliczeniom i poprzez określenie typu budynku
3.  Norma  PN-EN 62305
Ma zastosowanie dodatkowo do budynków z zewnętrzną instalacją ochrony odgromowej
Część 3
Cel ochrony Ludzie i budynki
Działanie Ochrona przeciwprzepięciowa przewidziana jako zabezpieczenie przeciwpożarowe (wyrównanie potencjałów ochrony odgromowej)
Uwaga Zastosowanie mogą mieć również niektóre wymagania IEC 60364-4 Część 443
Część 4
Cel ochrony Urządzenia elektryczne i elektroniczne w budynkach
Działanie Dodatkowe zabezpieczenia przeciwprzepięciowe przewidziane w tablicach rozdzielczych, kanałach kablowych i przy urządzeniach końcowych.
Części 3 i 4
Uwaga Konieczność zastosowania zewnętrznej ochrony odgromowej wynika z:

– obliczenia ryzyka zgodnie z normą PN-EN 62305-2

oraz

– wymagań odpowiednich przepisów budowlanych

oraz

– wymagań ubezpieczycieli obiektów

4.           Norma PN-HD 60364-5-53
Działania wymagane w konkretnych przypadkach
Cel ochrony Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe dla urządzeń elektrycznych
Działanie

 

Konkretne instrukcje realizacji zabezpieczeń przeciwprzepięciowych
Uwaga Określa, co konkretnie należy zrobić w poszczególnych rodzajach przypadków (wybór urządzeń zabezpieczeniowych, uwagi na tematy instalacji)

Rys. 2. Przegląd odpowiednich norm

 

 

Określenie konieczności: PN-HD 60364-1

Norma PN-HD 60364-1 „Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 1: Wymagania podstawowe, ustalanie ogólnych charakterystyk, definicje.” stwierdza w pkt 131.6.2, że ludzie i zwierzęta należy zabezpieczyć przed obrażeniami, a mienie należy zabezpieczyć przed uszkodzeniami powstałymi wskutek przepięć spowodowanych wyładowaniami atmosferycznymi lub przepięciami łączeniowymi.

Oznacza to, że przed budową instalacji należy zawsze ustalić, czy potrzebne jest zastosowanie dodatkowych zabezpieczeń przepięciowych. W praktyce, według polskich przepisów budowlanych należy zawsze zastosować ochronę przeciwprzepięciową (ROZPORZĄDZENIE MINISTRA INFRASTRUKTURY z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Paragraf § 183. 1. Punkt 10)

 

 

Kryteria prób: IEC 60364-4-44

Norma IEC 60364-4-44 „Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 4-44: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona  przed  przepięciami  –  Ochrona  przed  zakłóceniami   elektromagnetycznymi” określa w pkt 443 kryteria stosowane do oceny konieczności zastosowania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych.

Przepięcia wywołane przez operacje łączeniowe oraz przez odległe wyładowania atmosferyczne nie są tak niebezpieczne, jak te spowodowane przez bezpośrednie wyładowania atmosferyczne. Z tego powodu ograniczniki przepięć Typu 2 i 3 zapewniają wystarczającą ochronę przeciwprzepięciową. Urządzenia te mają na celu ochronę przed przepięciami spowodowanymi przez operacje łączeniowe oraz odległe wyładowania atmosferyczne. Jeśli budynek jest wyposażony w zewnętrzną instalację ochrony odgromowej, wówczas zastosowanie mają również wymagania PN-EN 62305 Części 3 i 4.

Jednym z czynników krytycznych jest to, czy klient lub ubezpieczyciel obiektu żąda zastosowania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych. Jeśli tak jest, wówczas należy w każdym przypadku dobrać zabezpieczenia przeciwprzepięciowe i zainstalować je zgodnie z normą PN-HD 60364-5-53.

Jeżeli klient lub ubezpieczyciel nie odniósł się do konieczności stosowania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych, to są one niezbędne, jeśli przepięcia stanowią ryzyko dla jednego z trzech rodzajów obiektów:

  • Związane z ludzkim życiem, np. w przypadku urządzeń medycznych w szpitalach
  • Obiekty publiczne, takie jak infrastruktura telekomunikacyjna i muzea
  • Działalność gospodarcza i przemysłowa, np. w bankach, hotelach, przedsiębiorstwach i gospodarstwach rolnych

W przypadku budynków komercyjnych i przemysłowych decyzja w sprawie stosowania ochrony przeciwprzepięciowej leży ostatecznie po stronie klienta, operatora, właściciela, lub firmy ubezpieczającej instalację.

UWAGA: projektanci i elektrycy muszą zaplanować zabezpieczenia przeciwprzepięciowe dla wszystkich obiektów zaliczanych do powyższych trzech kategorii.

Rys. 3. Przykład uderzenia pioruna w linię napowietrzną

 

Jeśli chodzi o budynki innego typu, jak budynki mieszkalne, mniejsze biurowce, szkoły i kościoły, należy dokonać oceny ryzyka. Ocena ta uwzględnia poziom zagrożenia i prawdopodobieństwo wyładowania atmosferycznego w linie elektroenergetyczne. Uwzględnia się je w promieniu jednego kilometra.

Ważną rolę odgrywają tu takie czynniki, jak częstotliwość wyładowań atmosferycznych i typ linii elektroenergetycznej (linia napowietrzna, przyłącze transformatorowe). Norma IEC 60364-4-44 określa wzór, za pomocą którego można obliczyć, czy ochrona przeciwprzepięciowa jest konieczna (zob. rys. 4).

Konieczność zastosowania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych zgodnie z IEC 60364-4-44

jeśli d › dc, wówczas potrzebne są zabezpieczenia  przeciwprzepięciowe.

Wyznaczanie wartości dc
dc [odległość krytyczna] Zagrożenie dla zgromadzeń ludzi, kościoły, szkoły:

dc = 1/Ng (w km)

Zagrożenie dla osób indywidualnych, np. dla małych i średnich budynków mieszkalnych oraz budynków biurowych.

dc = 2/Ng (w km)

Ng Częstotliwość wyładowań atmosferycznych na km2 rocznie (gęstość wyładowań doziemnych)
Wyznaczanie wartości d
d [odległość konwencjonalna] d = d1 + d2 / kg + d3 / kt

d to wyznaczona i przeliczona długość (w km) (linia napowietrzna/podziemna) linii elektroenergetycznej (długość maksymalna = 1 km)

d1 Linia napowietrzna niskiego napięcia (maks. 1 km)
d2 Linia niskiego napięcia (nieekranowana) podziemna (maks. 1 km)
d3 Linia napowietrzna wysokiego napięcia (maks. 1 km)

Długość kabla wysokiego napięcia przebiegającego pod ziemią ignoruje się

Długość ekranowanego kabla niskiego napięcia przebiegającego pod ziemią ignoruje się

kg Wartość = 4

Współczynnik redukcji dla nieekranowanej linii napowietrznej/podziemnej

kt Wartość = 4

Typowy współczynnik redukcji dla transformatora

 

Rys. 4. Wzór z normy IEC 60364-4-44

 

Ochrona przed przepięciami w budynkach zewnętrzną instalacją ochrony odgromowej PN-EN 62305

Budynki z zewnętrzną instalacją ochrony odgromowej posiadają już ochronę przeciwprzepięciową pierwszego poziomu w postaci instalacji wyrównania potencjałów ochrony odgromowej (ogranicznik przepięć Typu 1) do ochrony ludzi i budynków zgodnie z normą PN-EN 62305 – Część 3. Jest to jeden z elementów przewidzianych przez tę normę.

W przypadku bezpośredniego wyładowania atmosferycznego część energii pioruna jest odprowadzana za pośrednictwem instalacji uziemiającej. Ograniczniki przepięć Typu 1 zabezpieczają przed wywołaniem przeskoków ładunków oraz istotnie zwiększają potencjał budynku względem doprowadzonych do niego linii elektroenergetycznych. Tym samym zapobiegają powstawaniu obrażeń u ludzi i szkód pożarowych w budynku. Instalowanie ograniczników przepięć Typu 1, które mogą odprowadzać prąd piorunowy bezpośrednio przy wejściu instalacji elektrycznej do budynku zapewnia tę ochronę.

Sposób projektowania ograniczników Typu 1 w odniesieniu do zdolności odprowadzania wyładowań atmosferycznych może różnić się w zależności od dobranego poziomu ochrony odgromowej.  Z tego powodu nie kolidują one z normą PN-HD 60364-5-53.

 

Rys. 5. Skutki wyładowania atmosferycznego

 

W przypadku, gdy projektant lub operator przewiduje zastosowanie normy PN-EN 62305 – Część 4 z dodatkowym celem zabezpieczenia „instalacji elektronicznych”, wówczas wymagane są dodatkowe zabezpieczenia przepięciowe zgodnie z normą PN-HD 60364-5-53.

W przypadku, gdy nie są znane inne warunki, a budynek jest wyposażony w urządzenia elektryczne lub elektroniczne, wówczas należy również określić konieczność zapewnienia ochrony przeciwprzepięciowej zgodnie z normą IEC 60364-4-44.

PN-EN 62305 – Część 4 określa dodatkowe wymagania dotyczące ochrony przeciwprzepięciowej w różnych obszarach. W większości przypadków wymagane jest skoordynowane zastosowanie ograniczników przepięć Typu 1 z ogranicznikami przepięć Typu 2 w tablicach rozdzielczych oraz Typu 3 przy urządzeniach końcowych.

Część 4 normy zawiera również kryteria podziału budynków na strefy ochrony odgromowej. Strefy te powinny być ekranowane w ścianach, fundamentach i stropach. W punktach przejścia między strefami należy stosować zabezpieczenia przeciwprzepięciowe.

Zabezpieczenia właściwe dla poszczególnych zastosowań: PN-HD 60364-5-53

Różne okoliczności, wymagania klientów i typy budynków wymagają stosowania różnych zabezpieczeń przeciwprzepięciowych. Norma PN-HD 60364-5-53 określa, jaki ogranicznik przepięć jest potrzebny w każdym konkretnym przypadku oraz jakie właściwości musi posiadać. Dotyczy to jego typu (Typ 1, Typ 2, Typ 3), znamionowego napięcia, napięciowego poziomu ochrony oraz sposobu połączenia. Różnice w konstrukcji tych ograniczników są minimalne w budynkach bez zewnętrznej instalacji odgromowej. Norma ta zawiera również instrukcje dotyczącą sposobu instalacji.

Minimalne wymagania dotyczące ograniczników przepięć zgodnie z PN-HD 60364-5-53 (minimalne wymagania są przewidziane dla III i IV poziomu ochrony odgromowej LPL)

 

Typ 1 (również Typu 1+2)

I imp (prąd piorunowy)

Typ 2

In (znamionowy prąd wyładowczy)

Na każdy tor zabezpieczeń (pole) 12,5 kA 10/350 5 kA 8/20
Łącznie dla instalacji trójfazowych 50 kA 10/350 20 kA 8/20

Rys. 6. Minimalne wymagania zgodnie z PN-HD 60364-5-53

W zwykłych budynkach o poziomie ochrony odgromowej III i IV (mogą nimi być np. budynki komercyjne, budynki mieszkalne, budynki biurowe) należy bezwzględnie zastosować ogranicznik Typu 1 lub Typu 1+2 o łącznej zdolności odprowadzania wyładowań atmosferycznych (Iimp) wynoszącej 50 kA (10/350).

Rys. 7. Ograniczniki przepięć V50 Typu 1 („1+2”) określony w PN-HD 60364-5-53 do ochrony odgromowej poziomu III

Norma PN-HD 60364-5-53 zawiera również informacje o przekrojach przewodów, długości linii, połączeniach, oraz koordynacji różnych zabezpieczeń zwarciowych.