Internal lightning protection in the monumental buildings Текст научной статьи по специальности «Математика»

mgr inz. Artur DLUZNIEW SKI mgr inz. Lukasz JOHN Instytut Kolejnictwa

WEWNÇTRZNA OCHRONA ODGROMOWA OBIEKTÓW

ZABYTKOWYCH

Internal lightning protection in the monumental buildings

Streszczenie

W artykule omówiono zasady ochrony urz^dzeñ elektrycznych i elektronicznych znajduj^cych siç w obiektach zabytkowych przed przepiçciami. Ochrona przeciwprzepiçciowa polega na zastosowaniu strefowej koncepcji ochrony urz^dzeñ i systemów. Opisano podstawowe zasady ekranowania i prowadzenia instalacji elektrycznej i transmisji sygnalów w celu unikniçcia sprzçzen pomiçdzy instalacjami znajduj^cymi siç w zabytkowym obiekcie.

Podano przyklady ochrony urz^dzen elektronicznych znajduj^cych siç w starych dworkach ze wzglçdu na ich znaczenie kulturalne. Pokazano równiez przyklady zabezpieczenia przed przepiçciami systemów i urz^dzen znajduj^cych siç w zabytkowym obiekcie kolejowym na przykladzie nastawni dyspozytorskiej, które przystosowano do instalowania nowoczesnych urz^dzen elektronicznych.

Summary

The article discusses the principle of protection of electrical and electronic equipment located in monumental buildings before the surge. Surge Protection is the partition using the concept of security devices and systems. Describes the basic principles of screening and conduct electrical signals and to avoid linkage between installations located in the monumental building.

Protection are examples of electronic devices located in the old manor monumental because of their cultural significance. Showing examples of surge protection systems and equipment located in a historic building on the example of railway control room dispatcher, which is adapted to the installation of modern electronic devices.

Slowa kluczowe: ochrona przeciwprzepieciowa, strefowa ochrona przeciwprzepieciowa, udar elektryczny Keywords: surge protectors, lightning protection zone, electric surge

Wst^p

Wyposazenie obiektu zabytkowego w zewn?trzna instalacj? odgromowy stanowi tylko polow? calosci problemu zabezpieczenia odgromowego, poniewaz instalacja odgromowa ochroni obiekt przed zniszczeniem wylycznie w 98%. Obiekty zabytkowe obecnie zawierajy cenne zbiory kultury narodowej i swiatowej. W takich obiektach jak stare dwory znajdujy si? meble posiadajyce status antyku oraz cenne obrazy. Ze wzgl?du na ochron? takich obiektow instaluje si? w nich rowniez elektroniczne urzydzenia ochrony przeciwpozarowej i przeciwwlamaniowej. W takich obiektach jak stare dwory system zabezpieczen przeciwpozarowych powinien bye rozbudowany ze wzgl?du na ich konstrukcj? budowlany oparty w wi?kszosci przypadkow na materiale budowlanym takim jak drewno, ktore jest materialem bardzo latwo palnym.

Zewn?trzna ochrona odgromowa nie stanowi zadnego zabezpieczenia dla urzydzen elektronicznych znajdujycych si? w zabytkowym obiekcie. Zewn?trzna instalacja odgromowa wr?cz przeciwnie moze wplynye nie korzystnie na rozbudowany siee czujnikow rozmieszczonych w obiekcie b?dyc jednoczesnie zrodlem impulsowego pola elektromagnetycznego podczas wyladowania atmosferycznego i w wyniku sprz?zenia indukcyjnego z instalacjami alarmowymi stanowie powazne dla nich zagrozenie. Podczas takiego wyladowania znaczna cz?se energii od wyladowania atmosferycznego moze przeniknye do wewn?trznej instalacji elektrycznej i przesylu sygnalow powodujyc jej uszkodzenie. Prawidlowe zabezpieczenie obiektu i urzydzen elektronicznych polega na zainstalowaniu zewn?trznej i wewn?trznej ochrony odgromowej zwanej ochrony przeciwprzepi ?ci owy.

Koncepcja budowy wewn^trznej ochrony odgromowej (przeciwprzepi^riowej)

Obiekty zabytkowe takie jak (zabytkowy dworek, dworzec kolejowy, kolejowa nastawnia dyspozytorska) charakteryzujy si? zroznicowany zabudowy wewn?trzny. Konsekwencja zroznicowanej zabudowy np. zabytkowego dworku lub palacu powoduje, ze instalacja czujnikow przeciwwlamaniowych nie tylko wewnytrz obiektu, ale i na zewnytrz. Czujniki te mogy, bye zatem narazone na impulsowe pole elektromagnetyczne pochodzyce od wyladowania atmosferycznego.

Jako przyklad mozna zilustrowae taky sytuacje, gdy przez przewod odprowadzajycy instalacji odgromowej plynie pryd piorunowy o amplitudzie 18kA/2p,s. Przenikalnose

magnetyczna powietrza p = 4n10 Vs/Am. Wartosc napi?cia, jakie si? indukuje w p?tli

0 wymiarach 1m/1m w odleglosci 1m pokazuje przyklad (1). Taky p?tl? mogy stworzyc przewody dowolnej instalacji np. komputerowej.

U = /u- s — ■ — = 4n ■ 10-7 • 1 •1,8 ' 1063 •—L- = 1,69kV (1)

dt 2nr 2 ■ 10-6 2n ■ 1

Jak widac z przedstawionego przykladu wartosc napi?cia, zaindukowanego w takiej p?tli moze spowodowac uszkodzenie urzydzen znajdujycych si? w poblizu instalacji odgromowej.

Zatem najlepszy metody unikni?cia zagrozenia jest zastosowanie ochrony przeciwprzepi?ciowej a wlasciwie zastosowanie koncepcji strefowej ochrony ze wzgl?du na róznorodny poziom narazania urzydzen elektronicznych w zaleznosci od lokalizacji w poszczególnych pomieszczeniach obiektu. Z punktu widzenia metodyki ich ochrony mozna rozróznic kilka zróznicowanych stref ochrony.

Przyj?to, ze najbardziej zagrozona strefa b?dzie oznaczona jako LPZ 0 (Lightning Protection Zone) natomiast stref? o najwi?kszym stopniu bezpieczenstwa jako LPZ 4. Na rycinie 1 przedstawiono zasady podzialu budynku na strefy bezpieczenstwa oraz lokalizacje elementów i ukladów ochronnych na granicy stref.

Parametry takie jak nat?zenie impulsowego pola elektromagnetycznego, przet?zenia

1 aktualny poziom przepi?cia stanowiy skladowe charakteryzujyce kazdy ze stref.

- Strefa LPZ 0a

Systemy i urzydzenia umiejscowione w tej strefie sy narazone na bezposrednie oddzialywanie impulsowego pola elektromagnetycznego oraz na przeplyw prydu piorunowego o maksymalnej amplitudzie który moze wystypic podczas wyladowania atmosferycznego. Systemy oraz urzydzenia te najcz?sciej znajdujy si? poza budynkiem i bez ekranowania sy poddawane przeplywowi prydu udarowego lub zaindukowanemu udarowi napi?ciowemu. Do urzydzen instalowanych najcz?sciej w strefie LPZ 0A nalezy wszelkiego rodzaju anteny. W tej strefie przyjmuje si?, ze ksztalt udaru testujycego odpornosc udarowy odpowiada impulsowi o ksztalcie 10/350ps.

Ryc. 1. Podzial budynku na strefy bezpieczenstwa

Zródlo: opracowanie wlasne

Wartosc amplitudy udaru napi^ciowego zawiera si? w granicy od dziesi^tek do setek kV i z ni^ jest scisle zwi^zana wytrzymalosc izolatorów lub kabli. W tej strefie waznymi parametrami s^. równiez:

• wartosc szczytowa nat^zenia pola magnetycznego - 10 kA/m,

• wartosc szczytowa nat^zenia pola elektrycznego - 400 kV/m

W obiektach zabytkowych typu dworek najcz^sciej wyst^puj^cymi elektronicznymi urz^dzeniami s^. mikrofalowe czujniki przeciwwlamaniowe oraz czujniki przeciwpozarowe. Natomiast w zabytkowych obiektach typu kolejowego sytuacja jest bardziej skomplikowana. W tej strefie na dachach obiektow takich jak dworce kolejowe lub nastawnie dyspozytorskie zainstalowane s^. rowniez urz^dzenia nadawczo-odbiorcze kolejowej l^cznosci radiowej.

- Strefa LPZ 0b

Cech^. charakterystyczn^. tej strefy jest to, ze urz^dzenia i systemy narazone s^. na bezposrednie oddzialywanie impulsowego pola elektromagnetycznego powstalego wskutek przeplywu pr^du piorunowego przez instalaj odgromow^.. W wyniku sprz^zenia magnetycznego obwodow urz^dzenia z instalaj odgromow^. moze powstac udar napi^ciowy i pr^dowy podobnie jak w strefie LPZ 0A. W strefie LPZ 0B nie moze jednak wyst^pic bezposrednie oddzialywanie pr^du piorunowego na urz^dzenie lub system. Systemami, jakie mog^. znalezc si? w tej strefie s^. najcz^sciej uklady anten nadawczo-odbiorczych kolejowej l^cznosci radiowej. Inne urz^dzenia instalowane w obiektach najcz?sciej nie s^. ekranowane oraz nie posiadaj^ wlasnego systemu minimalizacji wplywu udarow napi?ciowych i pr^dowych, ktore w tej strefie wynosz^.:

• w sieci elektroenergetycznej niskiego napiçcia - 10 kV,

• w linii transmisji sygnalôw - 6 kV.

Do oceny udaru prydowego w strefie 0B przyjmuje siç impuls o ksztalcie 8/20p,s. Strefa LPZ 1

Ochrona urzydzen znajdujycych siç w tej strefie, polega na zabezpieczeniu ich przed bezposrednim oddzialywaniem impulsowego pola elektromagnetycznego np. poprzez zastosowanie ekranôw, ktôre tworzy na przyklad elementy konstrukcyjne budynku. Mozna rôwniez zastosowac odpowiednie uklady zabezpieczajyce przed udarami prydowymi i napiçciowymi pelniyce zadanie pierwszego stopnia ochrony danego urzydzenia.. W tej strefie mogy siç znajdowac rôznego rodzaju systemy lycznosci oraz urzydzenia sterowania ruchem kolejowym, ktôre posiadajy wlasne zabezpieczenia przeciwprzepiçciowe pozwalajyce pracowac w sposôb bezawaryjny w tej strefie. Istotnym parametrem, ktôry nalezy wziyc pod uwagç w strefie 1 jest wartosc szczytowa napiçcia udarowego w:

• instalacji elektrycznej - 6 kV,

• liniach transmisji sygnalôw - 4 kV.

Wartosci amplitudy natçzenia pola magnetycznego i elektrycznego w strefie LPZ1 wynoszy odpowiednio kilka A/m i kilkanascie kV/m. Ksztalt udaru prydowego jest taki sam jak w strefie LPZ 0B.

Kolejne strefy ochrony

Kolejne strefy wewnçtrznej ochrony odgromowej (przeciwprzepiçciowej) tworzone sy poprzez wykorzystywanie nastçpnych stopni ochrony.

W praktyce do ochrony urzydzen elektrycznych i elektronicznych w obiektach budowlanych przed przepiçciami stosuje siç dwu- lub trzystopniowy ochronç. W tabeli 1 zestawiano dopuszczalne wartosci cechujyce udary napiçciowe w kolejnych strefach.

Tabela. 1.

Dopuszczalne wartosci amplitudy udarow elektrycznych w poszczegolnych strefach

Parametr LPZ 2 LPZ 3 LPZ 4

przepiçcia w instalacji elektrycznej 4 kV 2,5 kV 1,5 kV

przepiçcia w liniach przesylu sygnalôw (przewôd-ziemia) 2 kV 1 kV 0,5 kV

natçzenie pola elektrycznego 5 kV/m 50 V/m 5 V/m

natçzenie pola magnetycznego1 100 A/m 1 A/m 0,1 A/m

Zródlo: A. Sowa - „Ochrona odgromowa i przeciwprzepiçciowa"

Ocena zagrozenia piorunowego obiekcie zabytkowym

Projektuj^c instalacjç przeciwprzepiçciowa zaklada siç, ze w przypadku bezposredniego wyladowania atmosferycznego w budynek pr^d piorunowy poplynie bezposrednio do uziomu obiektu. Czçsc tego pr^du w wyniku istniej^cego sprzçzenia indukcyjnego pomiçdzy instalacjami elektrycznymi w budynku przeniknie do sieci elektroenergetycznej i linii transmisji sygnalów.

Odgromniki instalowane w pierwszym stopniu ochrony powinny byc tak dobrane, aby wytrzymaly przeplyw pr^du udarowego o ksztalcie 10/350^s i amplitudzie co najmniej 20kA. Ekwipotencjalizacja w obiektach budowlanych

Podstawowym zadaniem ekwipotencjalizacji (wyrównywania potencjalów) jest zapobieganie mozliwosci powstania róznic potencjalów pomiçdzy uziemionymi urz^dzeniami wewn^trz obiektu. Zapewni to przede wszystkim bezpieczenstwo ludzi znajduj^cych siç w obiekcie.

W obiektach zabytkowych takich jak stare dworki, w których znajduje siç tylko siec czujników instalacji alarmowej, wykonanie prawidlowej instalacji wyrównywania potencjalów nie jest zadaniem trudnym do wykonania. Zadanie to spelnia jednoczesnie przewód PE sieci elektroenergetycznej systemu TNS, do której podl^czone s^. systemy antywlamaniowe i przeciwprzepiçciowe. Jezeli w obiekcie wystçpuje instalacja elektryczna typu TNC to przewód N pelni wtedy równiez rolç przewodu PE.

Ekwipotencjalizacja w zabytkowych obiektach kolejowych jest znacznie bardziej zlozona. Problem pojawia siç w chwili, jesli w takim obiekcie jak nastawnia bçd^ instalowane elektroniczne urz^dzenia l^cznosci. Ekwipotencjalizacja powinna byc wykonana wówczas dla wszystkich znajduj^cych siç w obiekcie instalacji zarówno wprowadzanych do budynku jak i wszystkich instalacji wewnçtrznych. Prawidlowo wykonane wyrównywanie potencjalów powinno byc zrealizowane za pomoc^ niskoimpedancyjnych pol^czeñ bezposrednich lub niekiedy poprzez odpowiednio dobrane iskierniki, jesli bezposrednie pol^czenie jest niemozliwe. Pol^czenia bezposrednie wykonywane s^. w instalacjach, w których nie wystçpuje trwale jakikolwiek potencjal. Pol^czenia ochronników wykonywane s^. pomiçdzy obwodami urz^dzenia a uziomem oraz pomiçdzy izolowanymi od ziemi i znajduj^cymi siç

1 Wstçpne wartosci natçzenia impulsowego pola elektromagnetycznego.

pod napiçciem przewodami urzydzen elektrycznych. Dziçki temu nie powstanie róznica potencjalów pomiçdzy poszczególnymi instalacjami oraz poprawi siç bezpieczenstwo osób przebywajycych w obiekcie. Urzydzenia i systemy przeciwprzepiçciowe i odgromowe bçdy wtedy prawidlowo dzialaly. Zapewniona bçdzie równiez bezawaryjna praca urzydzen elektronicznych znajdujycych siç w zabytkowym obiekcie.

Na rycinie 2 przedstawiono ogólny zasadç tworzenia systemu wyrównywania potencjalów dla obiektu, w którym instalowane sy systemy lycznosci.

Urzydzenie techniczne

Ryc. 2. Wyrównywanie potencjalów w budynku

Zródlo: A. Sowa - „Ochrona odgromowa i przeciwprzepiçciowa"

Z ryciny 2 wynika, ze do zrealizowania ekwipotencjalizacji wykorzystac mozna ekran kanalu kablowego oraz inne uziemione elementy przewodzyce wystçpujyce w budynku. Dodatkowo na kazdym piçtrze budynku nalezy zastosowac szynç lub przewód wyrównujycy potencjal.

Podczas modernizacji zabytkowego obiektu kolejowego znajdujycego siç w poblizu toru nalezy uwzglçdnic jego ewentualne polozenie w strefie trakcji elektrycznej. Polega to na tym, ze jezeli obiekt bçdzie siç znajdowac siç w odleglosci 5m od osi toru, to wówczas instalacja wyrównywania potencjalów w obiekcie musi byc polyczona z obwodem uczynienia a nie z uziomem. Blçdne wykonanie ekwipotencjalizacji w takim przypadku moze byc przyczyny wystypienia róznicy potencjalów powodujycej porazenie personelu oraz uszkodzenie urzydzen lycznie z mozliwosciy wystypienia pozaru.

Sposób ukladania przewodów wewn^trz budynków

W zabytkowych budynkach prawidlowo zaprojektowana instalacja elektryczna, transmisji sygnalow oraz inne instalacje znajduj^ce si? w obiekcie umozliwi^. ograniczanie wplywu taki ch zj awi sk jak:

oddzialywanie przepi?c indukowanych powstaj^cych podczas wyladowan atmosferycznych,

sprz?zen wzajemnych pomi?dzy poszczegolnymi instalacjami.

W przypadku prowadzonej instalacji teletechnicznej mi?dzy kondygnacjami nie zaleca si? instalowanie jej na przy zewn?trznych scianach obiektu jesli w poblizu prowadzone s^. na zewn?trznej scianie przewody odprowadzaj^ce instalacji odgromowej. Instalacja ta powinna byc prowadzona w ekranowanych kanalach biegn^cych w srodku budynku. W ten sposob zostaje zapewniona odpowiednia odleglosc instalacji teletechnicznej od instalacji odgromowej. Tak^ sytuacje ilustruje rycina, 3 na ktorej pokazano bl?dne ulozenie przewodow zasilaj^cych. Bl^d polega na poprowadzeniu przewodow zasilaj^cych na scianie, na ktorej po drugiej stronie ulozony jest przewod odprowadzaj^cy instalacji odgromowej. Prawidlowo natomiast poprowadzony jest przewod transmisji sygnalow pomi?dzy centralk^. alarmow^. a obwodami czujnika.

Ryc. 3. Przyklad zlego poprowadzenia instalacji elektrycznej

Zrodlo: praca wlasna

Nieprawidlowe ulozenie przewodow zasilaj^cych spowoduje zaindukowanie przepi?c w chwili przeplywu pr^du udarowego plyn^cego przez przewod instalacji odgromowej. Wartosc zaindukowanego przepi?cia moze byc tak duza, ze spowoduje uszkodzenie systemu znajduj^cego si? wewn^trz zabytkowego obiektu.

W sytuacji, gdy ulozenie instalacji elektrycznej i teletechnicznej nie jest mozliwe w kanale ekranuj^cym nalezy je ukladac jak najblizej siebie. Ma to na celu unikni?cie

powstania w tej instalacji duzej pçtli, w której mozliwe jest indukowanie siç przepiçc o znacznych wartosciach i jednoczesnie nie wplynie na wyglyd wewnçtrzny obiektu.

Ochrona przeciw przepiçciowa

Ochrona przed przepiçciami w instalacji elektrycznej

W starych obiektach zabytkowych czçsto spotykanym ukladem sieci elektrycznej jest sieci typu TNC oraz TNC-S. Jezeli dla danego obiektu planuje siç przeprowadzenie prac adaptacyjnych do nowych warunków eksploatacyjnych nalezy wówczas przeprowadzic równiez prace modernizacyjne sieci energetycznej z typu TNC-S na sieci typu TNS. Jest to spowodowane tym, ze przewód N pelniycy funkcjç przewodu PE w sieci typu TNC-S nie moze byc wykorzystywany jako przewód ochronny dla urzydzen elektrycznych i elektronicznych typu centralka alarmowa i przeciwpozarowa.

Wlasciwy dobór systemów przeciwprzepiçciowych jest uzalezniony od przewidywanej wielkosci prydu udarowego i miejsca montazu urzydzen oraz sposobu doprowadzenia instalacji elektroenergetycznej do obiektu. Ograniczniki przepiçc wykorzystywane w instalacji elektrycznej mozna zatem podzielic na cztery kategorie, co przedstawia tabela nr 2.

Tabela. 2.

Podziat ograniczników przepiçc w sieci elektroenergetycznej niskiego napiçcia

Nazwa ogranicznika Klasa* Przeznaczenie Miejsce montazu

Ograniczniki wykorzystywane w liniach napowietrznych A Ochrona przed przepiçciami atmosferycznymi i lyczeniowymi. Linie energetyczne niskiego napiçcia.

Odgromnik B(I) Ochrona przed bezposrednim oddzialywaniem prydu (wyrównywanie potencjalów w obiektach budowlanych), przepiçciami atmosferycznymi oraz lyczeniowymi wszelkiego rodzaju. Miejsce wprowadzenia instalacji do obiektu budowlanego posiadajycego instalacjç odgromowy. Zlycze, rozdzielnica glówna, podrozdzielnia.

Ochronnik przeciwprzepiçciowy C(II) Ochrona przed przepiçciami atmosferycznymi indukowanymi, przepiçciami lyczeniowymi wszelkiego rodzaju, przepiçciami „przepuszczonymi" przez odgromniki Rozdzielnia instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym, rozdzielnica glówna, oddzialowa, tablica rozdzielcza.

D(III) Ochrona przed przepiçciami atmosferycznymi indukowanymi i lyczeniowymi Gniazda wtykowe lub puszki w instalacji oraz bezposrednio w urzydzeniach

* urzydzenia ochrony przepiçciowej badane zgodnie z wymaganiami klasy I, II, III [7]

Zródlo: A. Sowa - „Ochrona odgromowa i przeciwprzepiçciowa

Lokalizacja obiektów zabytkowych takich jak stare dworki lub dworce kolejowe w wiçkszosci przypadków wymusza doprowadzenie energii elektrycznej za pomocy linii

napowietrznych. Konsekwenj takiego rozwi^zania jest koniecznosc zastosowania w punkcie dol^czenia napowietrznej instalacji elektrycznej do obiektu ogranicznika klasy A.

Odgromniki tego typu maj^ chronic urz^dzenia elektryczne i elektroniczne przed pr^dami udarowymi o ksztalcie 8/20p,s i amplitudzie o wartosci 20 kA. S3. to wartosci pr^du udarowego w przypadku niewielkiego bezposredniego wyladowania atmosferycznego lub w poblizu linii elektroenergetycznej, ktora stanowi doskonale medium przenosz^ce pr^dy udarowe nawet na kilkadziesi^t kilometrow. W sytuacji, gdy nast^pi wyladowanie atmosferyczne o duzej amplitudzie bezposrednio w lini? poprzez odgromnik poplynie praktycznie nieograniczony pr^d udarowy, ktory powoduje jego uszkodzenie. Jezeli uklad nie zostanie wymieniony, to w instalacji elektrycznej obiektu podczas nast?pnego wyladowania poplynie pr^d udarowy, ktory spowoduje zniszczenie urz^dzen elektronicznych lub nawet powstanie pozaru, ktory moze doprowadzic do calkowitego zniszczenia obiektu.

Natomiast wewn^trz obiektu ochron? przed przepi?ciami zapewniaj^. ograniczniki przepi?c klasy B (I), C (II) i D (III). Na rycinie 4 przedstawiono schemat instalacji ogranicznikow przepi?c poszczegolnych klas w przykladowym zabytkowym obiekcie kolejowym o schemacie sieci TNS. Uklad sieci TNS jest obecnie wymaganym ukladem sieci elektroenergetycznej obiektow budowlanych.

Ryc. 4. Przyklad ogranicznikow przepi?c dla obiektu kolejowego typu nastawnia

Zrodlo: opracowanie wlasne

Ochrona urz^dzen w sieci elektrycznej w zabytkowej nastawni kolejowej oparta jest na trojstopniowym systemie zabezpieczen. Jest to wymagane ze wzgl?du na usytuowanie w tego typu obiekcie urz^dzen takich jak centralka telekomunikacyjna, system kolejowej l^cznosci radiowej oraz centralka alarmowa i przeciwpozarowa. Przy projektowaniu, jako

pierwszy stopien ochrony stosuje siç ogranicznik przepiçc klasy B. Zaklada siç, ze maksymalny pryd udarowy jaki moze poplynyc w strefie B wynosi 100kA. Najczçsciej jest to ogranicznik iskiernikowy, który jest powszechnie stosowany w niskonapiçciowych szafach rozdzielczych. Stosowane rozwiyzanie konstrukcyjne umozliwiajy koordynacjç ochrony z innymi typami ograniczników w nastçpnych stopniach ochrony. Ochronniki tego typu sy przystosowane do montazu na szynie 35 mm i sy wyposazone w zaciski, które umozliwiajy lyczenie przewodów i szyn grzbietowych z innymi aparatami w technice modulowej.

W przypadku obiektów zabytkowych takich jak stare dworki schemat jest znacznie prostszy ze wzglçdu na brak urzydzen technicznych takich jak centralka telekomunikacyjna oraz systemów lycznosci radiowej.

T stopien ochrony

IT stopien fwl ochrony Ш

TU stopieñffl ochrony

Til stopien ochrony

,ien Щ

¥ I

L1

230V/50HZ

Ï

TIT stopien ochrony

Ryc. 5. Przyklad ograniczników przepiçc dla zabytkowego dworku.

Zródlo: praca wlasna

W obiekcie zabytkowym takim jak stary dworek czy dworzec kolejowy, nie wyposazonym w systemy telekomunikacyjne, zarówno pierwszy jak i drugi stopien ochrony przeciwprzepiçciowej moze byc umieszczony w szafie rozdzielczej niskiego napiçcia. Schemat przykladowego systemu zabezpieczen w sieci elektroenergetyczne przedstawiono na rycinie 5.

W ukladzie sieci TNS, odgromniki nalezy wlyczyc pomiçdzy przewody niskonapiçciowe sieci zasilajycej a ziemiç w nastçpujycy sposób:

• miçdzy kazdy przewód fazowy i ziemiç oraz jezeli jest przewód neutralny miçdzy przewód neutralny a ziemiç,

• jezeli przewod neutralny nie jest uziemiony na pocz^tku instalacji, mi?dzy kazdy przewod fazowy i ziemi? oraz przewod neutralny a ziemi?,

• jesli przewod neutralny jest uziemiony na pocz^tku instalacji, mi?dzy kazdy nieuziemiony przewod fazowy a ziemi?.

Pol^czenia pomi?dzy odgromnikami a przewodami fazowymi i neutralnymi zaleca si? wykonywac za pomoc^ przewodow o przekroju min. 16 mm Cu. Przewod o takiej srednicy

mozna rowniez wykorzystac do pol^czenia odgromnika z szyn^. wyrownawcz^.. Jednakze dla

2

podniesienia bezpieczenstwa warto zastosowac przewod o srednicy 25 mm Cu lub nawet 35 mm2.

W drugim stopniu ochrony przeciwprzepi?ciowej zadaniem ochronnikow jest obnizenie amplitudy przepi?c do wartosci w praktyce od 1 kV do 1,5 kV. Znamionowa wartosc pr^du wyladowczego w drugim stopniu ochrony przeciwprzepi?ciowej miesci si? zazwyczaj w zakresie od 2 do 15 kA, a niekiedy nawet do 40 kA. Jest to wartosc pr^du wyladowczego jaki moze ograniczon^ liczb? razy przeplyn^c przez odgromnik. Przyjmuje si?, ze ksztalt pr^d wyladowczego ma czas narastania czola 8p,s i czas trwania do polszczytu 20 [j,s.

Ograniczniki przepi?c tego typu mog^. czasami pelnic funkcj? pierwszego stopnia (B),

0 ile spelnione s^. nast?puj^ce warunki:

• brak mozliwosci bezposredniego uderzenia piorunu w obiekt oraz w siec

elektroenergetyczn^. niskiego napi?cia dochodz^c^ do budynku,

• istnieje male prawdopodobienstwo uderzenia piorunu w siec energetyczn^. niskiego napi?cia dochodz^c^ do budynku,

• istnieje male prawdopodobienstwo uderzenia piorunu w obiekt, do ktorego doprowadzona jest zabezpieczona przeciwprzepi?ciowo siec energetyczna.

W zabytkowym budynku wyposazonym w instalacj? odgromow^. najcz?sciej pierwszy stopien ochrony nalezy umiescic w rozdzielnicy zlokalizowanej mozliwie jak najblizej przyl^cza energetycznego. W zaleznosci od zastosowanych rodzajow ogranicznikow przepi?c

1 wzajemnych odleglosci mi?dzy nimi, zalecane jest zastosowanie indukcyjnosci odsprz?gaj^cych, ktorych zadaniem jest wzajemna koordynacja ich dzialania. Jest to spowodowane tym, ze zastosowane ograniczniki rozni^ si? mi?dzy sob^ szybkosci^. reakcji na impuls udarowy. W chwili pojawienia si? impulsu udarowego na wejsciu instalacji

elektrycznej w pierwszej kolejnosci otwiera siç ogranicznik przepiçc klasy drugiej i zaczyna przez niego plynyc pryd. Powoduje on powstanie spadku napiçcia na indukcyjnosci. Spadek ten przyspiesza zadzialanie ogranicznikow klasy pierwszej z powodu przekroczenia ich progu zadzialania. W momencie zadzialania ogranicznikow klasy pierwszej nastçpuje odciyzenie ogranicznikow drugiego stopnia.

Indukcyjnosc odsprzçgajyca jest wymagana w sytuacji, gdy odleglosc miçdzy pierwszym i drugim stopniem jest mniejsza niz zalecana przez producenta dla danego typu ogranicznikow. Wowczas nalezy stosowac dlawiki o indukcyjnosci wynoszycej zwykle 5^H. Przeciçtna odleglosc pomiçdzy pierwszym i drugim stopniem, zalecana przez producentow powinna wynosic nie mniej niz 15 m, poniewaz taka dlugosc kabla odpowiada wartosci indukcyjnosci odsprzçgajycej. W praktyce zastosowanie indukcyjnosci odsprzedajycych jest coraz rzadziej spotykane, poniewaz odleglosc pomiçdzy I i II stopniem ochrony jest coraz czçsciej wiçksza niz 15 m. Obecnie najnowoczesniejsze ograniczniki przepiçc produkowane przez niektore firmy nie wymagajy do ogranicznika stosowania separacji indukcyjnosci odsprzçgajycych.

Projektujyc instalacjç elektryczny w obiekcie zaleca siç umieszczenie w niej bezpiecznikow roznicowoprydowych zabezpieczajycych personel przed porazeniem. Wspoldzialajy one z ogranicznikami klasy II.

Kolejny III stopien ochrony przeciwprzepiçciowej ma za zadanie ochronic urzydzenia przed przepiçciami atmosferycznymi oddalonymi od obiektu o okolo kilkadziesiyt metrow i przepiçciami lyczeniowymi wystçpujycymi w sieci elektroenergetycznej (np. czujniki instalacji antywlamaniowe w bramie ogrodzenia). Trzeci stopien ochrony przeciwprzepiçciowej nie moze w zadnym przypadku wystçpowac jako jedyne zabezpieczenie urzydzen.

W wielostopniowym systemie ochrony urzydzen trzeci stopien stanowi tylko i wylycznie uzupelnienie. Stopien III powinien byc zastosowany w przypadku, gdy urzydzenie znajduje siç w duzej odleglosci od urzydzen ograniczajycych drugiego stopnia. Odleglosc ta jest uzalezniona od poziomu odpornosci poszczegolnych urzydzen oraz sposobu prowadzenia instalacji elektrycznej. W praktyce wynosi ona od kilkunastu do kilkudziesiçciu metrow. Ograniczniki III stopnia najczçsciej instalowane sy w:

• puszkach,

• kanalach kablowych,

• bezposrednio w gniazdkach,

• lub j ako uklady przenosne wtykane do gniazdek.

W trzecim stopniu ochrony przeciwprzepiçciowej wykorzystuje siç warystory lub diody lawinowe wl^czone pomiçdzy przewod fazowy PE, a niekiedy pomiçdzy fazowy i neutralny w ukladzie sieciowym TNC i TNC-S. Ochronniki klasy D montowane s^. najczçsciej za bezpiecznikami rôznicowopr^dowymi. Takie umiejscowienie zapewnia zmniejszenie prawdopodobienstwa nieuzasadnionego zadzialania wyl^cznikôw rôznicowopr^dowych przy przeplywie pr^du udarowego Zastosowanie ochronnika o takim rozwi^zaniu uniemozliwi przeplyw pr^du pomiçdzy przewodem fazowym L i neutralnym N a ochronnym PE. Jezeli ochronnik klasy III jest prawidlowo podl^czony to zapewnia on rôwniez ochronç kilku s^siednich gniazdek tej samej instalacji jednofazowej

Nalezy zaznaczyc, ze prawidlowy dobôr urz^dzen wewnçtrznej ochrony przed przepiçciami jest procesem skomplikowanym i waznym. Niewlasciwy dobôr urz^dzen ochronnych moze spowodowac w konsekwencji uszkodzenie urz^dzen np. central? alarmow^, przeciwpozarow^. lub zainstalowanych urz^dzen telekomunikacyjnych wewn^trz zabytkowego budynku oraz w przypadku udaru o duzej amplitudzie moze spowodowac rôwniez koniecznosc wymiany uszkodzonych fragmentôw instalacji elektrycznej obiektu.

Ogolne zasady ochrony przeciwprzepiçciowej w torach sygnalowych

Kolejowe obiekty zabytkowe zabezpieczane s^. rôwniez przeciwprzepiçciowo w obwodach transmisji sygnalôw co wymaga nowego spojrzenia na problem. W chwili, gdy obiekty byly budowane nie przewidywano, ze bçd^ w nich pracowac skomplikowane systemy i urz^dzenia elektroniczne.

Ograniczniki przepiçc w torach przesylu sygnalôw powinny zapewnic bezawaryjn^. pracç urz^dzen teleinformatycznych oraz systemôw automatyki i kontroli. Zastosowane ograniczniki przepiçc powinny bys tak dobrane, aby ograniczaly amplitudç przepiçcia do dopuszczalnych wartosci i jednoczesnie nie wprowadzaly znieksztalcen sygnalu. W praktyce stosowane s^. ograniczniki umieszczane w rôznych miej scach sieci teleinformatycznej. Jest to uzaleznione od wystçpuj^cego zagrozenia i rozmieszczenia systemu przesylu sygnalôw w obiekcie. Ograniczniki przepiçc mog^. byc, zatem instalowane:

• w miej scu wprowadzenia linii przesylu sygnalôw do obiektu,

• w miej scu pomiçdzy poszczegôlnymi strefami,

• bezposrednio przed urz^dzeniem.

Dobierajyc ochronniki przepiçc nalezy brac pod uwagç nastçpujyce parametry:

• maksymalny pryd wystçpujycy w liniach przesylu sygnalu,

• maksymalne i znamionowe dopuszczalne napiçcie przesylanych sygnalow,

• sposob przesylu sygnalow (uklady niesymetryczne lub symetryczne),

• czçstotliwosc graniczna,

• rodzaje elementow lub ukladow ochronnych zastosowanych bezposrednio

w urzydzeniu.

Okreslajyc stopien zagrozenia udarowego w torach przesylu sygnalow nalezy brac pod uwagç podobnie jak przy instalacji elektrycznej sposob doprowadzenia instalacji do obiektu budowlanego. Wybor systemu ochrony przeciwprzepiçciowej zalezy od tego, czy instalacja przesylu sygnalow doprowadzona jest liniy napowietrzny czy kablowy oraz od sposobu prowadzenia instalacji odgromowej budynku, w tym rowniez dla istniejycej instalacji.

Urzydzenia stosowane w ochronie przeciwprzepiçciowej w torach przesylu sygnalu powinny zapewniac wielokrotne ich zadzialanie nie zmieniajyc przy tym swoich parametrow. Najczçsciej wykorzystywanym elementem chroniycymi urzydzenia przed udarami prydowo-napiçciowymi w obwodach sygnalowych jest odgromnik.

Ochrona urzydzen tele- i radiokomunikacyjnych

Ochronniki wykorzystywane do ochrony analogowych urzydzen telefonicznych muszy spelniac wymagania zapisane w normie [7]. Dotyczy ona ochrony urzydzen koncowych sieci telekomunikacyjnych i przepiçciami pochodzycymi z linii abonenckiej.

Jezeli urzydzenia telekomunikacyjne posiadajy odpornosc udarowy powyzej 1 kV stosowane sy ochronniki jednostopniowe instalowane w krosownicy centralowej.

W sytuacji, gdy wystçpuje koniecznosc zachowania kilkucentymetrowej odleglosci pomiçdzy centraly a krosownicy dla urzydzen posiadajycych odpornosc udarowy ponizej 1kV, nalezy stosowac dodatkowe uklady zabezpieczajyce lub wielostopniowe ochronniki. Jest to spowodowane zbyt maly wartosciy indukcyjnosci separujycej. Skladajy siç one z odgromnika gazowego i warystora lub odgromnika gazowego i diody lawinowej.

Natomiast, jezeli stosowany jest pojedynczy uklad wielostopniowy, to powinien ograniczac poziom udarow do wartosci mniejszej niz odpornosc udarowa urzydzen. Jezeli nie jest znany dokladny poziom odpornosci udarowej zabezpieczanego systemu to stosuje siç ograniczniki obnizajyce przepiçcie do wartosci od 1,5 do 2 wartosci amplitudy napiçc

przesylanych sygnalow. System telekomunikacyjny moze bys chroniony rowniez za pomoc^ dwoch ukladow jednostopniowych. Pierwszy z nich instalowany jest tuz przy wejsciu instalacji sygnalowej do obiektu. Stopien ten jednak nie chroni w pelni przed udarami i dlatego na wejsciu urz^dzenia powinien bye instalowany drugi stopien ochrony. Schemat przykladowego ukladu zabezpieczaj^cego pokazano na rycinie 6.

Ryc. 6. Schemat ogranicznika przepi^e w torach sygnalowych

Zrodlo: A. Sowa - „Ochrona odgromowa i przeciwprzepieciowa"

W obiektach zabytkowych bardzo wazne jest zabezpieczenie przed przepi^ciami centrali alarmowej, ktora stanowi istotny element ochrony obiektu przed zniszczeniem. Schemat zabezpieczenia takiej centralki pokazano na rycinie 7.

Ryc. 7. Schemat zabezpieczenia centrali alarmowej

Zrodlo: praca wlasna

W celu zabezpieczenia centralki alarmowej nalezy zastosowac ochronç nie tylko od strony zasilania, ale równiez w torach transmisji sygnalu pomiçdzy centralky a wszystkimi czujnikami zainstalowanymi w budynku. Zainstalowane zabezpieczenia maja uchronic czujki przed uszkodzeniem w przypadku zaindukowania udaru napiçciowego w przewodach transmisyjnych.

Zabezpieczenie systemów przeciwwlamaniowych realizowany jest w sposób analogiczny jak zabezpieczenie centralki alarmowej przed przepiçciami.

W zabytkowych obiektach kolejowych takich jak nastawnie dyspozytorskie instalowane sy równiez na dachach systemy nadawczo-odbiorcze kolejowej lycznosci radiowej. Systemy te sy urzydzeniami najbardziej narazonymi na bezposrednie wyladowanie atmosferyczne oraz na oddzialywanie impulsowego pola elektromagnetycznego. Wynika to z umiejscowienia anten lub masztów antenowych w strefie LPZ 0A i LPZ 0B. Zaleca siç, aby maszty antenowe instalowane na dachach obiektów budowlanych, posiadajycych zewnçtrzny ochronç odgromowy byly polyczone z najblizszym przewodem odprowadzajycym lub zwodem.

Natomiast, jezeli maszty antenowe sy wykonane z materialów nieprzewodzycych, to powinny byc wyposazone w zwody pionowe i powinny byc one polyczone z siatky zwodów na dachu obiektu. Odciygi masztów antenowych (drut, linka) nalezy polyczyc z najblizszym zwodem. Przyklad ochrony instalacji antenowych przedstawiono na rycinie 8.

V\fepornik na dach plaski

Zwód pionowy '

Maszt antenowy

-10

Ryc. 8. Zabezpieczenie odgromowe masztu antenowego

Zródlo: praca wlasna

Instalacja anteny w strefie ochronnej powinna bye wykonana w taki sposób, aby nie wplywala na pracç systemu nadawczo-odbiorczego. Pomiçdzy anteny a systemem zwodów nalezy zachowae odstçpy izolacyjne.

Zabezpieczenie w ukladach antenowych realizowane jest równiez poprzez instalowanie w fiderach kablowych antenowych ograniczników przepiçé. Instalowane ogranicznik przepiçé s^. tak dobierane, aby zabezpieczyly uklady nadawczo-odbiorcze w przypadku udaru pr^dowego o najczçsciej wystepuj^cej wartosci 20 kA.

Jezeli obiekt na dachu, którego zainstalowano maszt antenowy nie posiada zewnçtrznej instalacji odgromowej nalezy pol^czye go z:

• uziomem naturalnym,

• uziomem sztucznym.

Zabezpieczaj^c urz^dzenia nadawczo-odbiorcze przed przepiçciami nalezy pamiçtaé o przepiçciach pochodz^cych z:

• wej se antenowych,

• powstalych róznic potencjalów,

• zasilaj^cej instalacji elektrycznej.

Niekiedy na obiektach zabytkowych ze wzgl^dów komercyjnych instalowane s^. stacje bazowe pracuj^ce w ukladach:

• stacj a bazowa w obiekcie - maszt z anten^ poza obiektem,

• stacj a bazowa w obiekcie - antena umocowana do sciany lub na dachu budynku,

• stacja bazowa w wysokim obiekcie na jednej z ostatnich kondygnacji - antena

umieszczona na dachu budynku.

Stacje bazowe zasilane s^. z sieci napiçcia gwarantowanego. Wymagaj^. one równiez wielostopniowego zabezpieczenia przepiçciowego.

Jezeli maszt antenowy z zamontowan^ na nim anteny oddalony jest od obiektu konieczne jest zastosowanie ograniczników w torze antenowym przy maszcie. W przypadku, gdy maszt znajduje siç na dachu wysokiego obiektu, konieczne jest przestrzeganie nastçpuj^cych zasad:

• w obiekcie posiadajycym zewnçtrzny instalacje kabel antenowy powinien byc ukladany w strefie ochronnej w metalowych rurkach lub kanalach unikajyc w ten sposôb przenikania do niego indukowanych prydôw udarowych,

• rurki lub kanaly metalowe w zaleznosci od zastosowania muszy byc polyczone z instalacja odgromowy.

Podsumowanie

Problematyka dotyczyca projektowania i budowy ukladôw ochrony przeciwprzepiçciowej jest z zalozenia wielowytkowa i wymagajyca uwzglçdnienia stosowania rozwiyzan z wielu dziedzin techniki, w tym techniki wyrôwnywania potencjalôw, prowadzenia kabli w instalacjach elektrycznych.

Nowoczesne urzydzenia znajdujyce siç w zabytkowych obiektach takich jak stare dworki, dworce kolejowe lub nastawie dyspozytorskie muszy spelniac wymagane poziomy odpornosci okreslone w aktualnie obowiyzujycych normach.

Porôwnujyc koszty poniesione na kompleksowe zabezpieczenie obiektôw zabytkowych okazuje siç, ze sy one niewspôlmierne niskie w porôwnaniu z kosztami poniesionymi na likwidacje szkôd powstalych w wyniku powstalych przepiçc pochodzenia atmosferycznego lub komutacyjnego. W przypadku bezposredniego wyladowania atmosferycznego w urzydzenie nalezy jednak siç liczyc, ze zagwarantowany poziom ochrony urzydzenia wynosi tylko w 98%. Uszkodzenie np. urzydzen sterowania ruchem kolejowym znajdujycych siç w obiektach zabytkowych takich jak nastawnie dyspozytorskie na skutek przepiçcia pochodzycego od wyladowania atmosferycznego lub komutacyjnego moze w konsekwencji spowodowac utrudnienia w systemie prowadzenia ruchu kolejowego.

Literatura

1. Sowa A., Ochrona odgromowa iprzeciwprzepi^ciowa, KONTEKST 1997;

2. Charoy A., Zaktôcenia w urzqdzeniach elektronicznych. Zasady i porady instalacyjne, Tom 4 - WNT, Warszawa 2000;

3. Bialon A., Dluzniewski A., Laskowski M., Kompleksowe zabezpieczenie stacjonarnych obiektôw kolejowych przed zaburzeniami elektromagnetycznymi o duzej energi,i konferencja Semtrak 2008;

4. Bialon A., Dluzniewski A., Laskowski M., Stan srodowiska elektromagnetycznego na terenie kolejowym, konferencja MET 2009;

5. PN-EN 61000-4-5:2010 - Kompatybilnose elektromagnetyczna (EMC) Czçsé 4-5: Metody badan i pomiarów - Badanie odpornosci na udary;

6. PN-EN 61643-11:2006 - Niskonapiçciowe urz^dzenia do ograniczania przepiçé -Czçsé 11: Urz^dzenia do ograniczania przepiçé w sieciach rozdzielczych niskiego napiçcia - Wymagania i próby;

7. PN-T-83020:1996 - Ochronnik telefoniczny abonencki - Ogólne wymagania i badania.

Recenzenci:

dr inz. Andrzej Bialon

dr inz. Mieczyslaw Laskowski