3 Nr 150 dr hab. inż. Andrzej SOWA Politechnika Białostocka

Ochrona odgromowa
dr hab. inż. Andrzej SOWA
Politechnika Białostocka
NARAŻENIE PIORUNOWE SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ
ZASILAJĄCEJ OBIEKT BUDOWLANY
Z URZĄDZENIEM PIORUNOCHRONNYM
1. Wstęp
Podczas bezpośredniego wyładowania w urządzenie piorunochronne LPS (Lightning
Protection System) część prądu piorunowego wpływa do instalacji przewodzących
dochodzących do chronionego obiektu. Informacje 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
Nr 150
3
Ochrona odgromowa
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)
b)
c)
instalacja bez SPD przed przebiciem
izolacji,
przed zadziałaniem SPD,
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
Ochrona odgromowa
Rys. 2. Przykład podziału prądu piorunowego pomiędzy uziom obiektu i instalacje przewodzące
Prąd w dowolnej instalacji wynosi
0,5 ×
I pmax
iins =
n
(1)
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
itel =
0,05 ×
I pmax
(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
0,5 ×
I pmax
(3)
iins =
n×
m
Nr 150
5
Ochrona odgromowa
Prąd w pojedynczej żyle linii telefonicznej lub ekranie określa zależność
0,05 ×
I pmax
iptel =
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
Informacje ogólne o obiekcie
Duży obiekt budowlany z zainstalowanymi urządzeniami
i instalacjami elektronicznymi,
od których wymagane jest
niezawodne i pewne działanie
Poziom
ochrony
Prąd
piorunowy
Instalacje przewodzące
dochodzące do obiektu
I
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
Ochrona odgromowa
·
prąd wpływający do dowolnej instalacji podziemnej
I pmax ×
Z
I fp =
æ Z1 ö
ç
Z1 +
Z×
np +
nn × ÷
ç
÷
è Z2 ø
(5)
·
prąd wpływający do dowolnej instalacji podziemnej napowietrznej
I pmax ×
Z
I fp =
æ Z2 ö
ç
Z2 +
Z×
nn +
np × ÷
ç
÷
è Z1 ø
(6)
gdzie:
nn – liczna instalacji ułożonych nad ziemią,
np – liczba instalacji ułożonych w ziemi,
Z – impedancja uziemienia układu uziomów,
Z1 – impedancja uziemienia części zewnętrznych lub linii podziemnych,
Z2 – 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
0,5 ×
I pmax
I przew =
np
(7)
gdzie np – 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 PSPICE [7], ATP/EMTP [8] lub MATLAB/SIMULINK [9].
Tworząc uproszczony model iskiernikowego SPD typu l w instalacji elektrycznej
można przyjąć następujące założenia:
·
Iskiernik 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,
Nr 150
7
Ochrona odgromowa
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:
·
20% Ipmax w każdym z iskiernikowych SPD typu l,
·
35% Ipmax w przewodzie ochronno-neutralnym.
Tabela 2. Elementy schematu zastępczego
Wartość
Element
1
2
Rezystancja linii elektroenergetycznej pomiędzy stacją
transformatorową a obiektem
R2
1 mΩ/m
Indukcyjność linii elektroenergetycznej pomiędzy stacją
transformatorową a obiektem
L2
1 μH/m
8
Ochrona odgromowa
1
2
Rezystancja przewodów stosowanych do połączenia SPD
R4
1 mΩ/m
Indukcyjność przewodów stosowanych do połączenia SPD
L4
1 μH/m
Rezystancja uziomu obiektu
R6
zmieniana od 5 Ω do 10 Ω
Indukcyjność uziomu obiektu
L6
5 μH
Rezystancja uziomu transformatora
R3
zmieniana od 2 Ω do 5 Ω
Indukcyjność uziomu transformatora
L3
5 μH
Rezystancja uzwojenia wtórnego transformatora
R1
5 mΩ
Indukcyjność 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°
V2
220 V φ=120° f=50 Hz
V3
220 V φ=240° f=50 Hz
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
Nr 150
9
Ochrona odgromowa
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 II 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 RG = 10 Ω.
·
Obiekt wolnostojący o dachu dwuspadowym wymagający IV 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
Ochrona odgromowa
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)
Nr 150
11
Ochrona odgromowa
Tabela 3. Wartości szczytowe prądów w przewodach instalacji elektrycznej
Typ obiektu
Obiekt biurowy
Obiekt wolnostojący
Przewód fazowy
do ok. 16% Ipmax
do ok. 20% Ipmax
Przewód PEN
do ok. 22% Ipmax
do ok. 30% Ipmax
Przewód
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 61643-11:2006 Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć –
Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskie-go
napięcia – Wymagania i próby.
[2] PN-EN 62305-1:2008 Ochrona odgromowa – Część l: Wymagania ogólne.
[3] PN-EN 62305-4:2009 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. 22-28.
[5] Markowska R.: Surge currents and voltages at the low voltage power mains during
lightning strike to a GSM tower. IX International Symposium on Lightning Protection (IX SIPDA), 26÷30 November 2007, Foz do Iguaçu, Brazil, s. 347 – 350.
12
Ochrona odgromowa
[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:2004-2005 Results. 28th ICLP, Kanazawa, Japonia, 2006, s. 628-633.
[7] PSPICE – Personal-Computer-Simulation-Program with Integrated-CircuitEmphasis.
[8] ATP/EMTP – Alternative Transients Program / Electromagnetic Transients
Program
[9] MATLAB/SIMULINK – 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 International 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” 20.10.2011 r. w Krakowie.
CZYTAJ NA STRONIE:
Nr 150
13