Ochrona przeciwprzepięciowa: na co należy zwrócić uwagę?

Skuteczna ochrona przeciwprzepięciowa nie jest po prostu instalowana. Należy to dostosować indywidualnie – do chronionego systemu i warunków otoczenia panujących na miejscu. Z tego powodu projekt i koncepcja muszą być spójne. Oznacza to, że należy wziąć pod uwagę wiele szczegółów, począwszy od norm i przepisów, aż po klasyfikację według strefy ochrony odgromowej.

Normy dotyczące ochrony odgromowej i przepięciowej

Normy krajowe i międzynarodowe stanowią wytyczne dotyczące ustalania koncepcji ochrony odgromowej i przepięciowej, a także projektowania poszczególnych urządzeń ochronnych.

Ochrona odgromowa zgodnie z IEC 62305:

Część 1: Charakterystyka uderzeń pioruna

W części 1 tej normy [1] uwzględniono charakterystyczne właściwości uderzeń pioruna, prawdopodobieństwo wystąpienia i potencjał zagrożenia.

Część 2: Analiza ryzyka

Analiza ryzyka zgodnie z częścią 2 tej normy [2] opisuje proces, za pomocą którego przede wszystkim analizuje się potrzebę ochrony odgromowej systemu fizycznego. W centrum uwagi znajdują się różne źródła uszkodzeń, np. bezpośrednie uderzenie pioruna w budynek, a także rodzaje szkód z tego wynikających:

• Wpływ na zdrowie lub utratę życia

• Utrata usług technicznych dla ludności

• Utrata niezastąpionych przedmiotów o znaczeniu kulturowym

• Straty finansowe

Korzyści finansowe określa się w następujący sposób: jak ma się roczny całkowity koszt instalacji odgromowej do kosztów potencjalnych szkód bez instalacji ochrony odgromowej? Wycena kosztów opiera się na wydatkach na planowanie, montaż i konserwację instalacji odgromowej.

Części 3 i 4: Pomoce w planowaniu i specyfikacje

Jeżeli ocena ryzyka wykaże, że ochrona odgromowa jest wymagana i opłacalna, wówczas rodzaj i zakres konkretnych środków ochrony można zaplanować w oparciu o Części 3 [3] i 4 [4] tej normy. Poziom ochrony odgromowej określony w ramach zarządzania ryzykiem ma decydujące znaczenie dla określenia rodzaju i zakresu środków.

W przypadku konstrukcji fizycznych, które wymagają wyjątkowo wysokiego poziomu bezpieczeństwa, prawie wszystkie uderzenia muszą zostać przechwycone i bezpiecznie odprowadzone. W przypadku systemów, w których dopuszczalne jest wyższe ryzyko szczątkowe, uderzenia o niższych amplitudach nie są rejestrowane.

Ochrona przeciwprzepięciowa zgodnie z IEC 60364-4-44

Norma ta [5] opisuje warunki, w jakich należy stosować urządzenia przeciwprzepięciowe w instalacjach niskiego napięcia w celu ochrony instalacji elektrycznej przed przepięciami. Obszar zastosowania ogranicza się zatem do przepięć spowodowanych wpływami atmosferycznymi lub w wyniku procesów przełączania, które są przenoszone przez system zasilania. Nie uwzględnia się bezpośrednich uderzeń pioruna w system konstrukcyjny, a jedynie uderzenia w lub w pobliżu linii zasilających.

Podobnie systemy konstrukcyjne zagrożone wybuchem, a także zastosowania konstrukcyjne, które mogą powodować szkody dla środowiska (np. systemy petrochemiczne lub elektrownie jądrowe), nie są objęte zakresem stosowania normy. W przypadku tych procesów należy stosować wyłącznie normę dotyczącą uderzeń pioruna IEC 62305.

Jeżeli przejściowe przepięcie może mieć wpływ na:

• Życie ludzkie, np. systemy bezpieczeństwa, szpitale

• Instytucje publiczne i kulturalne, np. utrata usług publicznych, centra IT, muzea

• Działalność przemysłowa lub biznesowa, np. hotele, banki, systemy produkcyjne, gospodarstwa rolne.

Podstawowe środki i sprzęt ochronny

Aby konsekwentnie chronić system konstrukcyjny przed uderzeniami piorunów i przepięciami, wymagane są różne, dostosowane do siebie środki ochronne lub sprzęt. Szeroki podział można przeprowadzić w następujący sposób:

• Zewnętrzna ochrona odgromowa

• Wewnętrzna ochrona odgromowa

• Uziemienie i wyrównanie potencjałów

• Skoordynowany system SPD

Zewnętrzna ochrona odgromowa

Zewnętrzna ochrona odgromowa (rys. 15) ma na celu odwrócenie uderzeń zbliżających się do chronionego obiektu i przekazanie prądu piorunowego od miejsca uderzenia w ziemię. W związku z tym nie mogą wystąpić żadne uszkodzenia spowodowane efektami termicznymi, magnetycznymi lub elektrycznymi. Zewnętrzna ochrona odgromowa ma charakter systematyczny: składa się z zwodu, ograniczników i układu uziemiającego.

Wewnętrzna ochrona odgromowa

Wewnętrzna instalacja odgromowa powinna zapobiegać tworzeniu się niebezpiecznych iskier wewnątrz instalacji. Iskry mogą być spowodowane prądem piorunowym w zewnętrznej instalacji odgromowej lub w innych przewodzących częściach systemu konstrukcyjnego.

Wewnętrzna instalacja odgromowa składa się z połączenia wyrównawczego i izolacji elektrycznej zewnętrznych instalacji odgromowych.

Wyrównanie potencjałów odgromowych to połączenie środków zapobiegających różnicom potencjałów. Łączą głównie instalację odgromową z instalacjami metalowymi, układami wewnętrznymi oraz układami elektrycznymi i elektronicznymi w ramach systemu. Odbywa się to za pomocą linii wyrównawczych, urządzeń przeciwprzepięciowych lub iskierników izolacyjnych.

Uziemienie i wyrównanie potencjałów

Celem systemu uziemiającego jest rozprowadzenie i odprowadzanie przechwyconego prądu piorunowego do ziemi. W tym przypadku rodzaj systemu uziemiającego jest ważniejszy niż rezystancja uziemienia. Prąd piorunowy to bardzo krótki impuls, który zachowuje się jak prąd o wysokiej częstotliwości. Ważne jest również skuteczne połączenie wyrównawcze. Połączenie wyrównawcze łączy ze sobą wszystkie części przewodzące prąd elektryczny za pomocą przewodników – aktywne przewody są chronione urządzeniami przeciwprzepięciowymi. Robiąc to, tochroni przed wszystkimi rodzajami złączy.

Skoordynowany system SPD

Przez skoordynowany system SPD rozumie się wielopoziomowy system skoordynowanych ze sobą ograniczników przepięć.

Aby uzyskać wysokowydajny system SPD, zaleca się wykonanie następujących kroków.

• Podzielić system konstrukcyjny na strefy ochrony odgromowej

• Włączyć wszystkie linie przecinające różne strefy do lokalnego połączenia wyrównawczego za pomocą odpowiednich SPD

• Skoordynuj różne typy SPD: urządzenia muszą adresować się do siebie selektywnie, aby zapobiec przeciążeniu poszczególnych komponentów

• Do równoległego połączenia SPD pomiędzy aktywnymi przewodami a połączeniem wyrównawczym należy używać krótkich przewodów zasilających

• Ułożyć oddzielnie przewody chronione i niezabezpieczone

• Tylko sprzęt naziemny poprzez odpowiedni SPD (zalecane)

Strefy ochrony odgromowej

Decyzja o tym, gdzie zainstalować urządzenia przeciwprzepięciowe w systemie konstrukcyjnym, opiera się na koncepcji strefy ochrony odgromowej wyjaśnionej w części 4 normy dotyczącej ochrony odgromowej IEC 62305 [4].

Dzieli systemy konstrukcyjne na strefy ochrony odgromowej (LPZ) i czyni to od zewnątrz do wewnątrz, przy malejącym poziomie ochrony odgromowej. W strefach zewnętrznych można używać wyłącznie sprzętu odpornego. Jednak w strefach wewnętrznych można również stosować wrażliwy sprzęt. Poszczególne strefy charakteryzują się i nazywają w następujący sposób:

LPZ 0A

Niechroniony obszar na zewnątrz budynku, w którym istnieje możliwość bezpośredniego uderzenia pioruna. Bezpośrednie sprzęganie prądów piorunowych w liniach, nietłumione pole magnetyczne uderzenia pioruna

LPZ 0B

Obszar na zewnątrz budynku chroniony przed bezpośrednim uderzeniem pioruna za pomocą zwodu. Nieosłabione pole magnetyczne uderzenia pioruna indukowało jedynie prądy udarowe w liniach.

LPZ 1

Obszar wewnątrz budynku, który może być w dalszym ciągu narażony na działanie przepięć lub prądów udarowych o wysokiej energii oraz silnych pól elektromagnetycznych

ŁZZ 2

Obszar wewnątrz budynku, który może w dalszym ciągu być narażony na przepięcia lub prądy udarowe oraz pola elektromagnetyczne, które zostały już znacznie osłabione.

ŁZZ 3

Obszar wewnątrz budynku, który może być narażony jedynie na bardzo niskie lub prawie żadne przepięcia lub prądy udarowe oraz bardzo słabe lub nieistniejące pola elektromagnetyczne.

Wszystkie linie przecinające strefy muszą być wyposażone w skoordynowane urządzenia przeciwprzepięciowe. Ich wartości mocy opierają się na wymaganym stopniu ochrony, który jest ustalany zgodnie z wymogami prawnymi lub na podstawie analizy ryzyka. Przy doborze ograniczników przepięć należy kierować się normą, zakładając, że do ziemi zostanie odprowadzony prąd piorunowy o wartości 50%. Pozostałe 50% prądu piorunowego kierowane jest do instalacji elektrycznej poprzez sieć głównąwyrównawcze i stamtąd należy je poprowadzić z dala od systemu SPD.