Wielostopniowa ochrona przed przepięciami instalacji elektrycznych i teletechnicznych w obiektach budowlanych na podstawie norm z serii PN-EN 62305

fot. DEHN

Wprowadzone w Europie nowe normy z zakresu ochrony odgromowej zmieniły podejście do zagadnień ochrony przeciwprzepięciowej w obiektach budowlanych. Podstawą doboru środków ochrony stała się analiza ryzyka przeprowadzana zgodnie z normą EN-62305-2. Ważnym zapisem tej normy jest również zwrócenie uwagi na konieczność koordynacji poszczególnych stopni ochrony, tak aby nie dochodziło do uszkodzeń sprzętu elektronicznego mimo stosowania środków ochronnych.

Przyjęcie w roku 2006 przez kraje Wspólnoty Europejskiej nowych norm dotyczących ochrony odgromowej obiektów budowlanych spowodowało również zmianę w zakresie podejścia do ochrony przed przepięciami urządzeń elektrycznych i elektronicznych stanowiących wyposażenie obiektu. W roku 2010 nastąpiła zamiana i poszczególne arkusze normy zostały zastąpione poprzez wydanie drugie (Ed. 2) . W Polsce nowe arkusze normy zostały ustanowione przez PKN w roku 2011 (arkusze 1, 3, 4) oraz 2012 (arkusz 2). Edycja druga normy przyjęta została jako Polska Norma w języku oryginału.

Do zmian wprowadzanych przez nowe normy z serii EN-62305 zaczęto również dopasowywać normy z zakresu instalacji elektrycznych oraz normy ITU dotyczące instalacji teleinformatycznych.

Analiza ryzyka – ocena zagrożeń

Norma EN-62305 w zakresie ochrony odgromowej zmieniła podejście do toku postępowania przy projektowaniu decyzji o doborze środków ochrony dla obiektu. Podstawą do oceny czy dany obiekt powinien zostać wyposażony w urządzenie piorunochronne, czy też wystarczą inne środki zmniejszające poziom ryzyka poniżej wartości dopuszczalnej jest analiza rynkowa. Podstawowym ryzykiem, z którym musi się zmierzyć projektant to ryzyko R1 związane z utratą życia ludzkiego. Dla obiektu można również analizować ryzyko R2, związane utratą usługi publicznej, ryzyko R3 – związane z utratą dziedzictwa kulturowego oraz ryzyko R4 – związane z utratą wartości materialnej. Aby móc wyliczyć wartość ryzyka R należy zdefiniować i obliczyć jego komponenty zależne od źródla i typu uszkodzenia. W przypadku ryzyka R1 należy uwzględnić wszystkie 8 komponentów. Komponenty mogą być związane z porażeniem istot żywych napięciami dotykowymi i krokowymi, fizycznymi uszkodzeniami obiektu – zainicjowanie pożaru, awarią systemów elektrycznych i elektronicznych wskutek oddziaływania LEMP.

O ile wymóg wyposażenia budynku w urządzenie piorunochronne nie wynika z odpowiednich przepisów władz krajowych lub towarzystw ubezpieczeniowych projektant zobowiązany jest na podstawie analizy ryzyka dla danego obiektu dobrać odpowiednie środki minimalizująceryzyko poniżej wartości granicznej dopuszczalnej przez normę. Jednym ze środków pozwalających zminimalizować komponenty ryzyka związane z awarią układów elektrycznych i elektronicznych wewnątrz obiektu spowodowaną przez LEMP jest zastosowanie skoordynowanego układu SPD (ograniczników przepięć). Pod tym pojęciem należy rozumieć zestaw właściwie dobranych, skoordynowanych i zainstalowanych SPD w celu redukcji awarii układów elektrycznych i elektronicznych.

Rys.1. Źródła uszkodzenie i związane z nimi komponenty ryzyka

W budynkach z nieskoordynowanymi SPD może powstać uszkodzenie urządzenia elektronicznego, jeżeli SPD od strony odbiorów lub SPD w obrębie urządzenia przeszkodzi prawidłowemu działaniu SPD na wejściu urządzenia usługowego. W złożonych układach elektrycznych i elektronicznych, przy doborze i instalowaniu właściwego układu skoordynowanych SPD, muszą być brane pod uwagę zarówno obwody elektroenergetyczne, jak i sygnałowe.

W celu zapewnienia skuteczności przyjętych środków ochrony konieczne jest udokumentowanie lokalizacji wszystkich zainstalowanych SPD. Przy zastosowaniu rodzin skoordynowanych SPD, producent SPD powinien wykazać, że koordynacja jest osiągnięta.

Stąd też w niektórych zaleceniach branżowych, aby uniknąć problemów z prawidłowym działaniem poszczególnych stopni ochrony, zapisano, że w obiekcie należy stosować skoordynowany system SPD pochodzący od jednego producenta ( rodzina produktów).

Dobór najbardziej odpowiednich środków ochrony przed LEMP powinien być dokonywany na podstawie oceny ryzyka zgodnie z IEC 62305-2, przy uwzględnieniu czynników technicznych i ekonomicznych.

W ramach analizy ryzyka dla obiektu w normie EN-62305-2 wprowadzone zostało pojęcie PSPD – prawdopodobieństwa awarii układu wewnętrznego z zainstalowanymi SPD. Wartości współczynnika PSPD zależą od przyjętego poziomu ochrony odgromowej (LPL), któremu przyporządkowano SPD o odpowiednich parametrach.

Tabela 1. Wartość prawdopodobieństwa PSPD w zależności od LPL, któremu zostały przyporządkowane SPD:

Przyjęcie mniejszych wartości PSPD jest możliwe w przypadku zainstalowania SPD mających lepsze charakterystyki ochronne (większą wytrzymałość prądową, niższy poziom ochrony itp.) w porównaniu z wymaganymi podanymi dla LPL I.

Przyjęto tutaj, że następuje podział rozpływu prądu piorunowego w stosunku 50/50% – połowa prądu pioruna wnika w uziemienie systemu ochrony piorunochronnej rozpatrywanego budynku, druga połowa w instalacje przewodzące wchodzące do budynku. W najgorszym przypadku (gdy inne instalacje wykonane są z materiałów nieprzewodzących ) połowa prądu piorunowego może wpłynąć do instalacji elektrycznej. Stąd też wielobiegunowy ogranicznik przepięć na wejściu instalacji elektrycznej do budynku z urządzeniem piorunochronnym musi wytrzymać udar prądu o amplitudzie 100 kA w przypadku LPL I lub 50 kA w przypadku LPL III-IV.

Pomoc w zakresie analizy ryzyka może zapewnić projektantowi program DEHNsupport , który znacznie ułatwia i skraca czas obliczeń oraz umożliwia w prosty sposób dokonanie wielowariantowej analizy doboru środków ochrony pod kątem technicznym oraz ekonomicznym.

Rys. 2. Podział rozpływu prądu piorunowego po uderzeniu w budynek

Montaż ograniczników przepięć w instalacji telekomunikacyjnej 

W znowelizowanym w 2009 rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie oraz przygotowanym od roku 2011 uaktualnieniu mowa jest także o instalacjach telekomunikacyjnych, w skład których wchodzą zestawy antenowe do odbioru programów telewizyjnych i radiofonicznych rozpowszechnianych w sposób naziemny lub satelitarny oraz okablowanie wykonane z kabla współosiowego lub kabla światłowodowego wraz z osprzętem instalacyjnym i urządzeniami telekomunikacyjnymi od anten. W rozporządzenia nowelizacji zapisano, że w instalacji telekomunikacyjnej należy zastosować urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej, a elementy instalacji wyprowadzone ponad dach należy umieścić w strefie chronionej przez instalację piorunochronną (zgodnie z zapisami normy PN-EN 62305).

Podobne zalecenia znajdują się w normie EN-60728-11 „Sieci kablowe służące do rozprowadzania sygnałów: telewizyjnych, radiofonicznych i usług interaktywnych Część 11: Wymagania bezpieczeństwa”. W normie zapisano m.in., że wszystkie elementy zewnętrznego systemu antenowego powinny być tak zaprojektowane, aby wytrzymywały wyładowania atmosferyczne bez niebezpieczeństwa powstania pożaru lub aby separowały zewnętrzny system antenowy, lub jego części, od konstrukcji wsporczej. Zwrócono również uwagę na zagrożenie przepięciowe związane z przepięciami indukowanymi spowodowanymi np. wyładowaniem pioruna w pobliżu obiektu.

Wskutek indukcji mogą powstawać wysokie napięcia w gniazdach przelotowych, gniazdach abonenckich, w stacji głównej sieci kablowej lub na wejściu urządzenia abonenckiego. Zapobiegać temu można np. poprzez połączenie wyrównawcze za pomocą ograniczników przepięć (SPD).

Aby oszacować, jak duże może być zagrożenie prądem piorunowym w przypadku wyładowania w linie telekomunikacyjne wchodzące do budynku, można skorzystać z danych zapisanych w arkuszu 1 normy EN-62305. Zgodnie z tablicą E3 w przypadku bezpośredniego wyładowania w linię telekomunikacyjną wchodzącą do budynku maksymalny prąd, jaki może wpłynąć do wnętrza to 2 kA (10/350 dla budynku z poziomem LPL I).

Stąd też ograniczniki przepięć do linii sygnałowych przeznaczone do montażu na granicy stref OA/1 przystosowane są do odprowadzania prądów piorunowych o amplitudach rzędu 2,5 kA (10/350) na jedną żyłę przewodu. Przykłady takich ograniczników pokazano na rysunku 6.

Rys. 6. Ograniczniki przepięć do ochrony linii sygnałowych na granicy stref OA/1 
a) ogranicznik do ochrony systemów TV-SAT – przewód koncentryczny - 2,5kA (10/350)
b) ogranicznik uniwersalny do ochrony 4 żył przewodów – całkowity prąd 10 kA (10/350)

Podsumowanie

Wprowadzone w Europie nowe normy z zakresu ochrony odgromowej zmieniły również podejście do zagadnień ochrony przeciwprzepięciowej w obiektach budowlanych. Podstawą doboru środków ochrony stała się analiza ryzyka przeprowadzona zgodnie z EN-62305-2. W ten sam sposób podeszła do zagadnienia bezpieczeństwa obiektów Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna (ITU), która do własnych norm dotyczących ochrony odgromowej i przepięciowej wprowadziła zapisy uwzględniające konieczność analizy ryzyka. Ważnym zapisem normy jest też zwrócenie uwagi na konieczność koordynacji poszczególnych stopni ochrony, tak aby nie dochodziło do uszkodzeń sprzętu elektronicznego pomimo stosowania środków ochronnych.

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego na V Krajowej Konferencji Naukowo-Technicznej „Inżynieria elektryczna w budownictwie”, zorganizowanej w Krakowie, 25 października 2012 r., przez Oddział Krakowski SEP.

Montaż ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej 

W przypadku ograniczników przepięć stosowanych w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia, wewnątrz obiek tów budowlanych można rozpatrywać dwa przypadki. W pierwszym rozważamy obiekt wyposażony w urządzenie piorunochronne od odpowiednim poziomie ochrony, a tym samym o znanej amplitudzie prądu piorunowego mogącego wniknąć do instalacji elektrycznej.

W drugim przypadku rozważamy obiekt bez urządzenia piorunochronnego, w tym przypadku wartość prądu piorunowego mogącego wniknąć do instalacji elektrycznej nie może być ustalona.

Obiekt wyposażony w urządzenie piorunochronne

Zasady montażu SPD w instalacji elektrycznej obiektu z urządzeniem piorunochronnym zapisane zostały w arkuszu nr 3 i 4 normy EN-62305.

Podstawowym warunkiem, jaki muszą spełniać SPD to zapis, że urządzenia do ograniczania przepięć (SPD) powinny wytrzymywać bez uszkodzenia spodziewaną część płynącego przez nie prądu pioruna. SPD powinny również mieć zdolność gaszenia prądów następczych sieci zasilającej, jeżeli są przyłączone do jej przewodów. Warto również wrócić w tym miejscu do definicji zamieszczonych na początku poszczególnych arkuszy, by zweryfikować publikowane powszechnie informacje o stosowaniu urządzeń SPD Typ 1+2 czy też klasy B+C. Obowiązujące w Unii Europejskiej normy wyraźnie stwierdzają, jak klasyfikowane są ograniczniki przepięć. Oznaczenia w postaci klas B, C, D obowiązywały w Niemczech do października roku 2004, po tym terminie wprowadzona została europejska norma EN-61643-11, która wyraźnie klasyfikuje ograniczniki jako Typ 1, Typ 2, Typ 3.

W żadnej z przytoczonych powyżej norm nie zajdziemy też informacji na temat łączenia ze sobą klas lub typów. Kolejną definicją, z którą należy się zapoznać to definicja ogranicznika typu kombinowanego lub złożonego, nazywanego popularnie ogranicznikiem hybrydowym. Ogranicznik ten zawiera elementy zarówno typu ucinającego (np. iskierniki) , jak i ograniczającego napięcie (warystory) i może wykazywać cechy elementu ucinającego, ograniczającego lub ucinającego i ograniczającego napięcie w zależności od charakteru stosowanego napięcia. Dlatego warto zapoznać się z dokumentacją producenta, na której pokazano schemat wewnętrzny ogranicznika, a nie tylko bazować na opisie handlowym, w którym podano określenie „ogranicznik hybrydowy”.

Podobnie wygląda sprawa z prądem udarowym Iimp, jakim testowany jest ogranicznik – aktualna norma europejska zaleca, aby ograniczniki przepięć Typ1 testowane były udarami (10/350) o amplitudach 25; 20; 12,5; 10 and 5 kA. Natomiast na rynku można spotkać ograniczniki, dla których producent podaje amplitudę prądu udarowego Iimp dla prób klasy I wynoszącą 4,5 lub 7 kA.

Jeżeli w tym samym obwodzie są instalowane, jeden za drugim, dwa lub więcej SPD, to powinny być one skoordynowane tak, aby nastąpił między nimi podział energii zgodny z ich zdolnością do jej pochłaniania.

Rys. 3. Porównanie kształtów udarustosowanych do testowania SPD typu 1 i SPD typu 2

W celu zapewnienia skutecznej koordynacji niezbędne jest uwzględnienie: właściwości poszczególnych SPD (jakie podaje wytwórca), możliwego zagrożenia w miejscu ich zainstalowania oraz charakterystyki urządzeń poddawanych ochronie. W arkuszu 4 normy EN-62305-4 pokazano przykład stosowania SPD w elektroenergetycznych układach rozdzielczych, zgodnie z koncepcją stref ochrony odgromowej. SPD są instalowane kolejno. Ograniczniki przepięć są dobierane zgodnie z wymaganiami dotyczącymi poszczególnych punktów ich instalowania.

Linie wchodzące ze strefy LPZ 0A (gdzie możliwe są wyładowania bezpośrednie) mogą wprowadzać do obiektu częściowe prądy pioruna. Aby odprowadzić te prądy na przejściu ze strefy LPZ 0A do strefy LPZ 1, trzeba zastosować ograniczniki przepięć Typ 1 (SPD badane prądem Iimp).

Jeżeli instaluje się dwa lub więcej SPD w układzie kaskadowym, to istnieje potrzeba zapewnienia koordynacji zarówno tych SPD, jak i chronionego urządzenia.

Koordynacja energetyczna jest potrzebna do uniknięcia nadmiernego narażenia SPD w układzie. 

Rys. 4. Koordynacja energetyczna układu wielostopniowej ochrony przepięciowej zgodnie z zaleceniami PN-EN 62305-4

Koordynacja energetyczna jest osiągnięta, jeżeli część energii, na oddziaływanie której każdy SPD jest narażony, jest mniejsza lub równa energii przez niego wytrzymywanej.

Skuteczność skoordynowanego układu SPD zależy nie tylko od właściwego doboru SPD, lecz również od prawidłowej instalacji ograniczników. Należy wziąć pod uwagę następujące kwestie:

• lokalizację SPD,
• przewody łączące,
• odległości ochronne z uwagi na oscylacje,
• odległości ochronne z uwagi na zjawiska indukcyjne.

W normie EN-62305-4 zawarto dodatkowe informacje i wzory pozwalające na prawidłowy dobór skoordynowanego układu SPD.

Obiekt niewyposażony w urządzenie piorunochronne

W przypadku obiektu niewyposażonego w urządzenia piorunochronne należy rozważyć przypadki dotyczące możliwości pojawienia się zagrożenia prądem piorunowym, gdy:

• obiekt zasilany jest linią napowietrzną,
• na dachu obiektu zainstalowano maszt antenowy,
• w pobliżu obiektu zlokalizowany jest inny budynek wyposażony w instalację piorunochronną lub inny wyższy obiekt typu wieża telefonii komórkowej, słup linii WN itd.

W takim przypadku, gdy obiekt nie posiada przypisanej klasy LPL trudno mówić o określeniu amplitudy prądu piorunowego zagrażającej linii zasilającej. Norma dotycząca zasad stawania i montażu ograniczników przepięć w instalacjach elektrycznych EN-HD 60364-5-534 stwierdza:

Jeżeli wartość prądu nie może być ustalona, to wartość Iimp nie powinna być mniejsza niż 12,5 kA bezwzględu na rodzaj ochrony. Tak więc w tym przypadku należy zastosować ograniczniki przepięć Typ 1, takie jak w obiekcie z poziomom ochrony LPL III-IV.

W tej normie zawarte są również zalecenia dotyczące doboru SPD ze względu na spodziewany prąd zwarciowy i zdolność przerwania prądu następczego w miejscu instalacji ogranicznika.

Wytrzymałość zwarciowa kombinacji SPD i nadprądowego urządzenia zabezpieczającego (OCPD), ustalona przez wytwórcę SPD, powinna być równa lub większa niż maksymalny prąd zwarciowy spodziewany w punkcie zainstalowania.

Przykładem takiego nowoczesnego kombinowanego SPD spełniającego zapisy normy jest ogranicznik DEHshield, zapewniający koordynację energetyczną z ogranicznikami przepięć Typ 3 zbudowanymi wewnątrz urządzenia lub stanowiącymi ochronę końcową urządzeń (np. listwy lub gniazdka wtyczkowe wyposażone w SPD). DEHNshield to nowoczesny ogranicznik przepięć Typ 1 z iskiernikiem nowej technologii, zapewniający wszystkie korzyści płynące z zastosowania złożonego SPD (strefy 0A – 2), takie jak:

• redukcja zagrożenia dla kolejnych urządzeń włączonych do instalacji elektrycznej po SPD (znaczne ograniczanie przepuszczalnej dalej energii zakłócenia),
• koordynacja energetyczna z SPD Typ 3 (doskonała współpraca z warystorami stanowiącymi ochronę końcową urządzeń – izolacja urządzenia nie jest narażona na przebicie),
• brak prądów upływu,
•  wykonanie dla poszczególnych typów sieci (TNC, TNS, TT),
• oszczędność miejsca w rozdzielnicy – szerokość tylko 4 moduły TE,
• bezwydmuchowy , o prądzie Iimp= 12,5 kA/biegun,
• napięciowy poziom ochrony ≤1,5 kV.

Rys. 5. Przypadki zagrożenia prądem piorunowym w budynku bez urządzania piorunochronnego oraz DEHNshield – kombinowany ogranicznik przepięć Typ1 do układu sieci TN-S