3 Nr 158-159 Krzysztof WINCENCIK DEHN POLSKA Sp. z oo

3 Nr 158-159 Krzysztof WINCENCIK DEHN POLSKA Sp. z oo

Ochrona przeciwprzepiêciowa
Krzysztof WINCENCIK
DEHN POLSKA Sp. z o.o.
WIELOSTOPNIOWA OCHRONA PRZED PRZEPIÊCIAMI
INSTALACJI ELEKTRYCZNYCH I TELETECHNICZNYCH
W OBIEKTACH BUDOWLANYCH W OPARCIU O NORMY
Z SERII PN-EN 62305
Streszczenie:
Przyjêcie w roku 2006 przez kraje Wspólnoty Europejskiej nowych norm dotycz¹cych
ochrony odgromowej obiektów budowlanych spowodowa³o równie¿ zmianê w zakresie podejœcia do ochrony przed przepiêciami urz¹dzeñ elektrycznych i elektronicznych stanowi¹cych
wyposa¿enie obiektu. W roku 2010 nast¹pi³a zmiana i poszczególne arkusze normy zosta³y
zast¹pione poprzez wydanie drugie (Ed. 2). W Polsce nowe arkusze normy zosta³y ustanowione
przez PKN w roku 2011 (arkusze 1, 3, 4) oraz 2012 (arkusz 2). Edycja druga normy przyjêta
zosta³a jako Polska Norma w jêzyku orygina³u.
Do zmian wprowadzanych przez nowe normy z serii EN-62305 zaczêto równie¿ dopasowywaæ normy z zakresu instalacji elektrycznych oraz normy ITU dotycz¹ce instalacji teleinformatycznych.
1. Analiza ryzyka – ocena zagro¿eñ
Norma EN-62305 w zakresie ochrony odgromowej zmieni³a podejœcie do toku
postêpowania przy projektowaniu decyzji o doborze œrodków ochrony dla obiektu.
Podstaw¹ do oceny, czy dany obiekt powinien zostaæ wyposa¿ony w urz¹dzenie
piorunochronne czy te¿ wystarcz¹ inne œrodki zmniejszaj¹ce poziom ryzyka poni¿ej
wartoœci dopuszczalnej, jest analiza rynkowa. Podstawowym ryzykiem, z którym musi
siê zmierzyæ projektant to ryzyko R1 zwi¹zane z utrat¹ ¿ycia ludzkiego. Dla obiektu
mo¿na równie¿ analizowaæ ryzyko R2 zwi¹zane z utrat¹ us³ugi publicznej, ryzyko R3
zwi¹zane z utrat¹ dziedzictwa kulturowego oraz ryzyko R4 zwi¹zane z utrat¹ wartoœci
materialnej. Aby móc wyliczyæ wartoœæ ryzyka R nale¿y zdefiniowaæ i obliczyæ jego
komponenty zale¿ne od Ÿród³a i typu uszkodzenia. W przypadku ryzyka R1 nale¿y
uwzglêdniæ wszystkie 8 komponentów. Komponenty mog¹ byæ zwi¹zane z pora¿eniem istot ¿ywych napiêciami dotykowymi i krokowymi, fizycznymi uszkodzeniami
obiektu – zainicjowanie po¿aru, awari¹ systemów elektrycznych i elektronicznych
wskutek oddzia³ywania LEMP.
O ile wymóg wyposa¿enia budynku w urz¹dzenie piorunochronne nie wynika
z odpowiednich przepisów w³adz krajowych lub towarzystw ubezpieczeniowych projektant zobowi¹zany jest na podstawie analizy ryzyka dla danego obiektu dobraæ
odpowiednie œrodki minimalizuj¹ce ryzyko poni¿ej wartoœci granicznej dopuszczalnej przez normê. Jednym ze œrodków pozwalaj¹cych zminimalizowaæ komponenty
ryzyka zwi¹zane z awari¹ uk³adów elektrycznych i elektronicznych wewn¹trz obiektu
spowodowan¹ przez LEMP jest zastosowanie skoordynowanego uk³adu SPD (ograniczników przepiêæ). Pod tym pojêciem nale¿y rozumieæ zestaw w³aœciwie dobranych, skoordynowanych i zainstalowanych SPD w celu redukcji awarii uk³adów elektrycznych i elektronicznych.
Nr 158-159
3
Ochrona przeciwprzepiêciowa
Rys. 1. ród³a uszkodzenia i zwi¹zane z nimi komponenty ryzyka
W budynkach z nieskoordynowanymi SPD mo¿e powstaæ uszkodzenie urz¹dzenia elektronicznego, je¿eli SPD od strony odbiorów lub SPD w obrêbie urz¹dzenia przeszkodzi prawid³owemu dzia³aniu SPD na wejœciu urz¹dzenia us³ugowego.
W z³o¿onych uk³adach elektrycznych i elektronicznych, przy doborze i instalowaniu
w³aœciwego uk³adu skoordynowanych SPD, musz¹ byæ brane pod uwagê zarówno
obwody elektroenergetyczne, jak i sygna³owe.
W celu zapewnienia skutecznoœci przyjêtych œrodków ochrony konieczne jest
udokumentowanie lokalizacji wszystkich zainstalowanych SPD. Przy zastosowaniu
rodzin skoordynowanych SPD producent SPD powinien wykazaæ, ¿e koordynacja
jest osi¹gniêta.
St¹d te¿ w niektórych zaleceniach bran¿owych, aby unikn¹æ problemów z prawid³owym dzia³aniem poszczególnych stopni ochrony zapisano, ¿e w obiekcie nale¿y
stosowaæ skoordynowany system SPD pochodz¹cy od jednego producenta (rodzina
produktów).
Dobór najbardziej odpowiednich œrodków ochrony przed LEMP powinien byæ dokonywany na podstawie oceny ryzyka zgodnie z IEC 62305-2, przy uwzglêdnieniu
czynników technicznych i ekonomicznych.
W ramach analizy ryzyka dla obiektu w normie EN-62305-2 wprowadzone zosta³o pojêcie PSPD – prawdopodobieñstwa awarii uk³adu wewnêtrznego z zainstalowanymi SPD. Wartoœci wspó³czynnika PSPD zale¿¹ od przyjêtego poziomu ochrony
odgromowej (LPL), któremu przyporz¹dkowano SPD o odpowiednich parametrach.
Tablica 1. Wartoœæ prawdopodobieñstwa PSPD w zale¿noœci od LPL, któremu zosta³y przyporz¹dkowane SPD
LPL
Brak uk³adu skoordynowanych SPD
III–IV
II
4
PSPD
1
0,03
0,02
LPL
I
Lepsze ni¿ I
PSPD
0,01
0,005–0,001
Ochrona przeciwprzepiêciowa
Przyjêcie mniejszych wartoœci PSPD jest mo¿liwe w przypadku zainstalowania
SPD maj¹cych lepsze charakterystyki ochronne (wiêksz¹ wytrzyma³oœæ pr¹dow¹,
ni¿szy poziom ochrony itp.) w porównaniu z wymaganymi podanymi dla LPL I.
Przyjêto tutaj, ¿e nastêpuje podzia³ rozp³ywu pr¹du piorunowego w stosunku
50/50% – po³owa pr¹du piorunowego wnika w uziemienie systemu ochrony piorunochronnej rozpatrywanego budynku, druga po³owa w instalacje przewodz¹ce wchodz¹ce do budynku. W najgorszym przypadku (gdy inne instalacje wykonane s¹ z materia³ów
nieprzewodz¹cych) po³owa pr¹du piorunowego mo¿e wp³yn¹æ do instalacji elektrycznej.
St¹d te¿ wielobiegunowy ogranicznik przepiêæ na wejœciu instalacji elektrycznej do
budynku z urz¹dzeniem piorunochronnym musi wytrzymaæ udar pr¹du o amplitudzie
100 kA w przypadku LPL I lub 50 kA w przypadku LPL III-IV.
Pomoc w zakresie analizy ryzyka mo¿e zapewniæ projektantowi DEHNsupport –
program, który znacznie u³atwia i skraca czas obliczeñ oraz umo¿liwia w prosty
sposób dokonanie wielowariantowej analizy doboru œrodków ochrony pod k¹tem
technicznym oraz ekonomicznym.
Rys. 2. Podzia³ rozp³ywu pr¹du piorunowego po uderzeniu w budynek
2. Monta¿ ograniczników przepiêæ w instalacji elektrycznej
W przypadku ograniczników przepiêæ stosowanych w instalacjach elektrycznych
niskiego napiêcia, wewn¹trz obiektów budowlanych mo¿na rozpatrywaæ dwa przypadki.
W pierwszym rozwa¿amy obiekt wyposa¿ony w urz¹dzenie piorunochronne o odpowiednim poziomie ochrony, a tym samym o znanej amplitudzie pr¹du piorunowego mog¹cego wnikn¹æ do instalacji elektrycznej. W drugim przypadku rozwa¿amy
obiekt bez urz¹dzenia piorunochronnego, w tym przypadku wartoœæ pr¹du piorunowego mog¹cego wnikn¹æ do instalacji elektrycznej nie mo¿e byæ ustalona.
Nr 158-159
5
Ochrona przeciwprzepiêciowa
2.1. Obiekt wyposa¿ony w urz¹dzenie piorunochronne
Zasady monta¿u SPD w instalacji elektrycznej obiektu z urz¹dzeniem piorunochronnym zapisane zosta³y w arkuszu nr 3 i 4 normy EN-62305.
Podstawowym warunkiem jaki musz¹ spe³niaæ SPD jest zapis, ¿e urz¹dzenia do
ograniczania przepiêæ (SPD) powinny wytrzymywaæ bez uszkodzenia spodziewan¹
czêœæ p³yn¹cego przez nie pr¹du pioruna. SPD powinny równie¿ mieæ zdolnoœæ gaszenia pr¹dów nastêpczych sieci zasilaj¹cej, je¿eli s¹ przy³¹czone do jej przewodów.
Warto równie¿ wróciæ w tym miejscu do definicji zamieszczonych na pocz¹tku
poszczególnych arkuszy, by zweryfikowaæ publikowane powszechnie informacje
o stosowaniu urz¹dzeñ SPD Typ 1+2, czy te¿ klasy B+C. Obowi¹zuj¹ce w ca³ej Unii
Europejskiej normy wyraŸnie stwierdzaj¹ jak klasyfikowane s¹ ograniczniki przepiêæ.
Oznaczenia w postaci klas B, C, D obowi¹zywa³y w Niemczech do paŸdziernika roku
2004, po tym terminie wprowadzona zosta³a europejska norma EN-61643-11, która
wyraŸnie klasyfikuje ograniczniki jako Typ 1, Typ 2, Typ 3.
W ¿adnej z przytoczonych powy¿ej norm nie znajdziemy te¿ informacji na temat
³¹czenia ze sob¹ klas lub typów. Kolejn¹ definicj¹, z któr¹ nale¿y siê zapoznaæ, to
definicja ogranicznika typu kombinowanego lub z³o¿onego, nazywanego popularnie
ogranicznikiem hybrydowym. Ogranicznik ten zawiera elementy zarówno typu
ucinaj¹cego (np. iskierniki), jak i ograniczaj¹cego napiêcie (warystory) i mo¿e wykazywaæ cechy elementu ucinaj¹cego, ograniczaj¹cego lub ucinaj¹cego i ograniczaj¹cego napiêcie w zale¿noœci od charakteru stosowanego napiêcia. Dlatego warto
zapoznaæ siê z dokumentacj¹ producenta, na której pokazano schemat wewnêtrzny
ogranicznika, a nie tylko bazowaæ na opisie handlowym, w którym podano okreœlenie
„ogranicznik hybrydowy”. Podobnie wygl¹da sprawa z pr¹dem udarowym Iimp, jakim
testowany jest ogranicznik – aktualna norma europejska zaleca, aby ograniczniki
przepiêæ Typ 1 testowane by³y udarami (10/350) o amplitudach 25; 20; 12,5; 10 i 5 kA.
Rys. 3. Porównanie kszta³tów udaru stosowanych do testowania SPD typu 1 i SPD typu 2
6
Ochrona przeciwprzepiêciowa
Natomiast na rynku mo¿na spotkaæ ograniczniki, dla których producent podaje amplitudê pr¹du udarowego Iimp dla prób klasy I wynosz¹c¹ 4,5 lub 7 kA.
Je¿eli w tym samym obwodzie s¹ instalowane, jeden za drugim, dwa lub wiêcej
SPD, to powinny byæ one skoordynowane tak, aby nast¹pi³ miêdzy nimi podzia³ energii zgodny z ich zdolnoœci¹ do jej poch³aniania.
Do zapewnienia skutecznej koordynacji niezbêdne jest uwzglêdnienie: w³aœciwoœci poszczególnych SPD (jakie podaje wytwórca), mo¿liwego zagro¿enia w miejscu
ich zainstalowania oraz charakterystyki urz¹dzeñ poddawanych ochronie. W arkuszu
4. normy EN-62305-4 pokazano przyk³ad stosowania SPD w elektroenergetycznych
uk³adach rozdzielczych, zgodnie z koncepcj¹ stref ochrony odgromowej. SPD s¹
instalowane kolejno. Ograniczniki przepiêæ s¹ dobierane zgodnie z wymaganiami dotycz¹cymi poszczególnych punktów ich instalowania.
Ogranicznik przepiêæ typu 1
PN-EN 62305-4
PN-EN 61643-11
10/350 µs
W
î, Q,
R
Ogranicznik przepiêæ typu 2
PN-EN 62305-4
PN-EN 61643-11
8/20 µs
Ogranicznik przepiêæ typu 3
PN-EN 62305-4
PN-EN 61643-11
1,2/50 µs; 8/20 µs
hybrydowy generator
Urz¹dzenie koñcowe
PN-EN 61000-4-5
1,2/50 µs; 8/20 µs
hybrydowy generator
Rys. 4. Koordynacja energetyczna uk³adu wielostopniowej ochrony przepiêciowej zgodnie z zaleceniami PN-EN 62305-4
Linie wchodz¹ce ze strefy LPZ 0A (gdzie mo¿liwe s¹ wy³adowania bezpoœrednie)
mog¹ wprowadzaæ do obiektu czêœciowe pr¹dy pioruna. Aby odprowadziæ te pr¹dy na
przejœciu ze strefy LPZ 0A do strefy LPZ 1, potrzeba zastosowaæ ograniczniki przepiêæ Typ 1 (SPD badane pr¹dem Iimp).
Je¿eli instaluje siê dwa lub wiêcej SPD w uk³adzie kaskadowym, to istnieje potrzeba zapewnienia koordynacji zarówno tych SPD, jak i chronionego urz¹dzenia.
Koordynacja energetyczna jest potrzebna do unikniêcia nadmiernego nara¿enia
SPD w uk³adzie. Koordynacja energetyczna jest osi¹gniêta, je¿eli czêœæ energii, na
oddzia³ywanie której ka¿dy SPD jest nara¿ony, jest mniejsza lub równa energii przez
niego wytrzymywanej.
Skutecznoœæ skoordynowanego uk³adu SPD zale¿y nie tylko od w³aœciwego doboru SPD, lecz równie¿ od prawid³owej instalacji ograniczników. Nale¿y wzi¹æ pod
uwagê nastêpuj¹ce kwestie:
lokalizacjê SPD,
przewody ³¹cz¹ce,
odleg³oœci ochronne z uwagi na oscylacje,
odleg³oœci ochronne z uwagi na zjawiska indukcyjne.
Nr 158-159
7
Ochrona przeciwprzepiêciowa
W normie EN-62305-4 zawarto dodatkowe informacje i wzory pozwalaj¹ce na
prawid³owy dobór skoordynowanego uk³adu SPD.
2.2. Obiekt nie wyposa¿ony w urz¹dzenie piorunochronne
W przypadku obiektu nie wyposa¿onego w urz¹dzenia piorunochronne nale¿y
rozwa¿yæ przypadki dotycz¹ce mo¿liwoœci pojawienia siê zagro¿enia pr¹dem piorunowym, gdy:
obiekt zasilany jest lini¹ napowietrzn¹,
na dachu obiektu zainstalowano maszt antenowy,
w pobli¿u obiektu zlokalizowany jest inny budynek wyposa¿ony w instalacjê
piorunochronn¹ lub inny wy¿szy obiekt typu wie¿a telefonii komórkowej, s³up
linii WN itd.
W takim przypadku, gdy obiekt nie posiada przypisanej klasy LPL, trudno mówiæ
o okreœleniu amplitudy pr¹du piorunowego zagra¿aj¹cej linii zasilaj¹cej. Norma dotycz¹ca zasad stosowania i monta¿u ograniczników przepiêæ w instalacjach elektrycznych EN-HD 60364-5-534 stwierdza:
Je¿eli wartoœæ pr¹du nie mo¿e byæ ustalona, to wartoœæ Iimp nie powinna byæ
mniejsza ni¿ 12,5 kA bez wzglêdu na rodzaj ochrony.
Tak wiêc w tym przypadku nale¿y zastosowaæ ograniczniki przepiêæ Typ 1 – takie
jak w obiekcie z poziomem ochrony LPL III-IV.
W tej normie zawarte s¹ równie¿ zalecenia dotycz¹ce doboru SPD ze wzglêdu na
spodziewany pr¹d zwarciowy i zdolnoœæ przerwania pr¹du nastêpczego w miejscu
instalacji ogranicznika.
Wytrzyma³oœæ zwarciowa kombinacji SPD i nadpr¹dowego urz¹dzenia zabezpieczaj¹cego (OCPD), ustalona przez wytwórcê SPD, powinna byæ równa lub wiêksza
ni¿ maksymalny pr¹d zwarciowy spodziewany w punkcie zainstalowania.
Przyk³adem takiego nowoczesnego kombinowanego SPD spe³niaj¹cego zapisy
normy jest ogranicznik DEHNshield, zapewniaj¹cy koordynacjê energetyczn¹ z ogranicznikami przepiêæ typ 3 zbudowanymi wewn¹trz urz¹dzenia lub stanowi¹cymi ochronê
koñcow¹ urz¹dzeñ (na przyk³ad listwy lub gniazdka wtyczkowe wyposa¿one w SPD).
DEHNshield to nowoczesny ogranicznik przepiêæ Typ 1 z iskiernikiem nowej technologii, zapewniaj¹cy wszystkie korzyœci p³yn¹ce z zastosowania z³o¿onego SPD
(strefy 0A – 2) takie jak:
redukcja zagro¿enia dla kolejnych urz¹dzeñ w³¹czonych do instalacji elektrycznej po SPD (znaczne ograniczanie przepuszczalnej dalej energii zak³ócenia),
koordynacja energetyczna z SPD typ 3 (doskona³a wspó³praca z warystorami
stanowi¹cymi ochronê koñcow¹ urz¹dzeñ – izolacja urz¹dzenia nie jest nara¿ona na przebicie),
brak pr¹dów up³ywu,
wykonanie dla poszczególnych typów sieci (TNC, TNS, TT),
oszczêdnoœæ miejsca w rozdzielnicy – szerokoœæ tylko 4 modu³y TE,
bezwydmuchowy, o pr¹dzie Iimp = 12,5 kA/biegun,
napiêciowy poziom ochrony ≤ 1,5 kV.
8
Ochrona przeciwprzepiêciowa
Rys. 5. Przypadki zagro¿enia pr¹dem piorunowym w budynku bez urz¹dzenia piorunochronnego oraz DEHNshield – kombinowany ogranicznik przepiêæ Typ 1 do uk³adu sieci TN-S
3. Montaz ograniczników przepiec w instalacji telekomunikacyjnej
W znowelizowanym w 2009 r. rozporzadzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie
warunków technicznych, jakim powinny odpowiadac budynki i ich usytuowanie, oraz
przygotowanym od roku 2011 uaktualnieniu mowa jest takze o instalacjach telekomunikacyjnych, w sklad których wchodza zestawy antenowe do odbioru programów
telewizyjnych i radiofonicznych rozpowszechnianych w sposób naziemny lub satelitarny oraz okablowanie wykonane z kabla wspólosiowego lub kabla swiatlowodowego wraz z osprzetem instalacyjnym i urzadzeniami telekomunikacyjnymi od anten.
W rozporzadzenia nowelizacji zapisano, ze w instalacji telekomunikacyjnej nalezy
zastosowac urzadzenia ochrony przeciwprzepieciowej, a elementy instalacji wyprowadzone ponad dach nalezy umiescic w strefie chronionej przez instalacje piorunochronna (zgodnie z zapisami normy PN-EN 62305). Podobne zalecenia znajduja sie
w normie EN-60728-11 „Sieci kablowe sluzace do rozprowadzania sygnalów: telewizyjnych, radiofonicznych i uslug interaktywnych – Czesc 11: Wymagania bezpieczenstwa”. W normie zapisano m.in., ze wszystkie elementy zewnetrznego systemu antenowego powinny byc tak zaprojektowane, aby wytrzymywaly wyladowania atmosferyczne bez niebezpieczenstwa powstania pozaru lub aby separowaly zewnetrzny
system antenowy, lub jego czesci, od konstrukcji wsporczej. Zwrócono równiez uwage na zagrozenie przepieciowe zwiazane z przepieciami indukowanymi spowodowanymi np. wyladowaniem pioruna w poblizu obiektu.
Wskutek indukcji moga powstawac wysokie napiecia w gniazdach przelotowych, gniazdach abonenckich, w stacji glównej sieci kablowej lub na wejsciu
urzadzenia abonenckiego. Zapobiegac temu mozna np. poprzez polaczenie
wyrównawcze za pomoca ograniczników przepiec (SPD).
Aby oszacowac jak duze moze byc zagrozenie pradem piorunowym w przypadku
wyladowania w linie telekomunikacyjne wchodzace do budynku, mozna skorzystac
z danych zapisanych w arkuszu 1 normy EN-62305. Zgodnie z tablica E3 w przypadku
bezposredniego wyladowania w linie telekomunikacyjna wchodzaca do budynku
Nr 158-159
9
Ochrona przeciwprzepiêciowa
maksymalny prad jaki moze wplynac do wnetrza to 2 kA (10/350 dla budynku z poziomem LPL I). Stad tez ograniczniki przepiec do linii sygnalowych przeznaczone do
montazu na granicy stref 0A/1 przystosowane sa do odprowadzania pradów piorunowych o amplitudach rzedu 2,5 kA (10/350) na jedna zyle przewodu. Przyklady
takich ograniczników pokazano na rys. 6.
a)
b)
Rys. 6. Ograniczniki przepiêæ do ochrony linii sygna³owych na granicy stref 0A/1:
a) Ogranicznik do ochrony systemów TV-SAT – przewód koncentryczny – 2,5 kA (10/350)
b) Ogranicznik uniwersalny do ochrony 4 ¿y³ przewodów – ca³kowity pr¹d 10 kA (10/350)
4. Podsumowanie
Wprowadzone w Europie nowe normy z zakresu ochrony odgromowej zmienily
równiez podejscie do zagadnien ochrony przeciwprzepieciowej w obiektach budowlanych. Podstawa doboru srodków ochrony stala sie analiza ryzyka przeprowadzona
zgodnie z EN-62305-2. W ten sam sposób podeszla do zagadnienia bezpieczenstwa
obiektów Miedzynarodowa Unia Telekomunikacyjna (ITU), która do wlasnych norm
dotyczacych ochrony odgromowej i przepieciowej wprowadzila zapisy uwzgledniajace koniecznosc analizy ryzyka. Waznym zapisem normy jest tez zwrócenie uwagi na
koniecznosc koordynacji poszczególnych stopni ochrony, tak aby nie dochodzilo do
uszkodzen sprzetu elektronicznego pomimo stosowania srodków ochronnych.
10