Czym są przepięcia? Rodzaje ograniczników przepięć

Wyróżniamy dwa podstawowe typy przepięć:

• Przepięcia łączeniowe – powstają w wyniku operacji łączeniowych w sieci elektroenergetycznej, np. podczas załączania lub wyłączania dużych obciążeń indukcyjnych czy pojemnościowych.
• Przepięcia atmosferyczne – są efektem bezpośrednich lub pośrednich wyładowań atmosferycznych, które mogą generować ekstremalnie wysokie napięcia.

Przepięcia mogą być wynikiem różnych czynników, które dzielimy na:

• Czynniki naturalne – głównie wyładowania atmosferyczne, które mogą uderzyć bezpośrednio w instalację elektryczną lub spowodować indukcję napięcia w przewodach znajdujących się w pobliżu uderzenia pioruna.
• Czynniki techniczne – obejmują operacje łączeniowe w sieciach elektroenergetycznych, prace konserwacyjne, uszkodzenia izolacji przewodów, zakłócenia elektromagnetyczne oraz nieprawidłowe działanie urządzeń elektrycznych.

Zastosowanie ograniczników przepięć regulowane jest przez szereg norm i przepisów, które określają wymagania dotyczące ich parametrów i instalacji. Do najważniejszych norm należą:

• PN-EN 61643-11 – dotyczy wymagań dla ograniczników przepięć stosowanych w sieciach niskiego napięcia.

• PN-IEC 60364-4-44 – określa zasady ochrony przed przepięciami w instalacjach elektrycznych.

• PN-EN 62305 – normy dotyczące ochrony odgromowej, w tym ochrony przed przepięciami spowodowanymi wyładowaniami atmosferycznymi. 

Ograniczniki przepięć różnią się budową, sposobem działania oraz zastosowaniem. Ich główną rolą jest ochrona instalacji elektrycznych i urządzeń przed skutkami przepięć atmosferycznych oraz łączeniowych. W zależności od ich właściwości wyróżniamy dwa podstawowe typy elementów nieliniowych:

• Ucinające napięcie – działają na zasadzie gwałtownego przerwania przepływu prądu przy przekroczeniu określonego napięcia progowego. Do tej grupy należą iskierniki oraz odgromniki gazowe

• Ograniczające napięcie – stopniowo zmniejszają rezystancję przy wzroście napięcia, co pozwala na kontrolowane odprowadzenie energii przepięcia. Przykładem takich elementów są warystory oraz diody tłumiące.

• Typ 1 (B): Chroni przed prądami udarowymi z wyładowań atmosferycznych.
• Typ 2 (C): Ogranicza przepięcia łączeniowe i resztkowe, stosowany w podrozdzielniach.
• Typ 3 (D): Ochrona końcowa dla urządzeń wrażliwych (gniazdka, sprzęt elektroniczny).

Dawniej ograniczniki klasy B, znane również jako ograniczniki typu 1 (T1), służą do ochrony przed przepięciami powstającymi w wyniku bezpośrednich uderzeń piorunów. Są instalowane na wejściu do budynku , w rozdzielnicach głównych i muszą być zdolne do odprowadzania prądów piorunowych o wysokiej wartości.

Podstawowe parametry ograniczników TYP 1

• Klasa ochrony: Typ 1 (B) – odporny na bezpośrednie uderzenia pioruna.
• Prąd wyładowczy (Iimp): Zwykle 12,5 kA lub 25 kA na biegun (przy fali 10/350 µs).
• Poziom ochrony napięciowej (Up): Zwykle < 2,5 kV.
• Technologia: Może opierać się na iskiernikach lub warystorach.
• Montaż: W głównych rozdzielniach elektrycznych, na szynie DIN.

Ograniczniki klasy C, czyli ograniczniki typu 2 (T2), są przeznaczone do ochrony przed przepięciami łączeniowymi i indukowanymi. Instalowane są w podrozdzielnicach i zapewniają ochronę na poziomie instalacji wewnętrznej.

Stosowane są w:

• budynkach mieszkalnych, biurowych i przemysłowych,
• rozdzielnicach wtórnych (np. w poszczególnych piętrach lub pomieszczeniach technicznych),
• instalacjach bez zewnętrznej ochrony odgromowej (ale wciąż narażonych na przepięcia z sieci).

Charakterystyka i parametry

• Klasa ochrony: Typ 2 (C) – chroni przed przepięciami indukowanymi i łączeniowymi, ale nie przed bezpośrednimi skutkami uderzenia pioruna.
• Prąd wyładowczy (In): Zwykle 20 kA (przy fali 8/20 µs).
• Poziom ochrony napięciowej (Up): Zwykle < 1,5 kV, co zapewnia ochronę sprzętu elektronicznego.
• Technologia: Najczęściej bazuje na warystorach (elementach ograniczających napięcie).
• Montaż: Na szynie DIN w podrozdzielniach.

Ogranicznik przepięć typu 3 (dawniej określany jako klasa D) to urządzenie, które chroni delikatne urządzenia elektroniczne przed przepięciami o małej energii, które mogą wystąpić na skutek np. wyładowań atmosferycznych (przepięcia indukowane) lub łączeń w sieci elektrycznej. Ograniczniki tego typu zapewniają ochronę przed przepięciami na poziomie urządzeń końcowych, takich jak komputery, sprzęt RTV, AGD czy systemy teleinformatyczne.

Charakterystyka i parametry

• Klasa ochrony: Typ 3 (D) – chroni urządzenia przed przepięciami o niskiej energii, typowymi dla urządzeń końcowych.
• Prąd wyładowczy (In): Zwykle 3–5 kA (przy fali 8/20 µs).
• Poziom ochrony napięciowej (Up): Zwykle < 1,5 kV, co zapewnia wystarczającą ochronę dla urządzeń wrażliwych.
• Technologia: Często bazuje na komponentach takich jak warystory, diody i iskierniki, które zapewniają szybkie i skuteczne tłumienie przepięć.
• Montaż: Ograniczniki przepięć typu 3 mogą być montowane bezpośrednio w urządzeniu lub w postaci wtyczek z ogranicznikiem.

Ogranicznik przepięć kombinowany to urządzenie, które łączy funkcje ogranicznika typu 1 (B) i ogranicznika typu 2 (C) w jednym urządzeniu. Jest to rozwiązanie, które zapewnia kompleksową ochronę przed przepięciami w instalacjach elektrycznych. Ograniczniki kombinowane chronią przed zarówno przepięciami wywołanymi przez wyładowania atmosferyczne (pioruny), jak i przepięciami indukowanymi oraz łączeniowymi.

Charakterystyka i parametry

• Prąd wyładowczy (Iimp): Zwykle 12,5 kA lub 25 kA na biegun, odpowiednie dla ochrony przed przepięciami piorunowymi (10/350 µs).
• Prąd znamionowy (In): Zwykle 20 kA (8/20 µs) – ochrona przed przepięciami indukowanymi i łączeniowymi.
• Poziom ochrony napięciowej (Up): Zwykle < 1,5 kV, co zapewnia bezpieczną ochronę dla wrażliwych urządzeń.
• Technologia: Zwykle wykorzystują iskierniki i warystory, zapewniając skuteczną ochronę przed przepięciami zarówno o dużej, jak i małej energii.
• Montaż: Ograniczniki kombinowane montuje się w głównych rozdzielnicach elektrycznych, często na szynie DIN.

Dobór ograniczników przepięć (SPD – Surge Protective Devices) zależy od układu sieci, poziomu ochrony oraz miejsca instalacji. Kluczowe czynniki to typ układu sieci (TN-C, TN-S, TT, IT), klasa ochrony ogranicznika (T1, T2, T3), poziom napięcia oraz kategoria ochrony urządzeń.

Typ 1 (T1) – Do ochrony przed bezpośrednim uderzeniem pioruna i prądami piorunowymi:

• Stosowany w głównych rozdzielnicach budynków z instalacją odgromową (LPS).
• Wymagany w miejscach, gdzie prąd udarowy może osiągnąć do 100 kA (10/350 µs).
• Przykład: Budynki z zewnętrzną ochroną odgromową (LPS).

Typ 2 (T2) – Do ochrony przed przepięciami łączeniowymi i indukowanymi:

• Instalowany w rozdzielnicach wtórnych.
• Chroni przed przepięciami o mniejszej energii (8/20 µs).
• Przykład: Budynki bez instalacji odgromowej.

Typ 3 (T3) – Do ochrony urządzeń końcowych (komputery, sprzęt RTV):

• Montowany blisko chronionych urządzeń.
• Chroni przed niskimi napięciami (1,2/50 µs).
• Przykład: Ochrona gniazd elektrycznych.

Układ TN-C (wspólny przewód PEN)

• Zalecenie: Instalacja ogranicznika typu T1 lub kombinowanego T1 + T2 w głównej rozdzielnicy.
• Uzasadnienie: W układzie TN-C, gdzie przewód PEN pełni funkcję zarówno neutralnego, jak i ochronnego, istnieje zwiększone ryzyko przepięć pochodzących od wyładowań atmosferycznych. Dlatego zaleca się stosowanie ograniczników typu T1, które są przeznaczone do ochrony przed bezpośrednimi skutkami uderzeń pioruna.

Układ TN-S (rozdzielone przewody N i PE)

• Zalecenie: W głównej rozdzielnicy stosuje się ograniczniki typu T1 lub T1 + T2, natomiast w podrozdzielnicach ograniczniki typu T2.
• Uzasadnienie: Rozdzielenie przewodów neutralnego i ochronnego zmniejsza ryzyko przepięć, jednak wciąż istnieje potrzeba ochrony przed przepięciami pochodzącymi z zewnątrz, co uzasadnia stosowanie ograniczników typu T1 w głównej rozdzielnicy.

Układ TT (osobno uziemione przewody N i PE)

• Zalecenie: W głównej rozdzielnicy stosuje się ograniczniki typu T1 lub T1 + T2, a w podrozdzielnicach typu T2.
• Uzasadnienie: W układzie TT, gdzie przewody neutralny i ochronny są uziemione niezależnie, istnieje ryzyko wystąpienia wysokich napięć względem ziemi podczas przepięć, co wymaga zastosowania ograniczników typu T1 w głównej rozdzielnicy.

Układ IT (izolowany punkt neutralny)

• Zalecenie: Stosowanie ograniczników typu T1 lub T1 + T2 w punktach wejścia do budynku.
• Uzasadnienie: W układzie IT, gdzie punkt neutralny jest izolowany od ziemi, przepięcia mogą powodować znaczne różnice potencjałów, co wymaga zastosowania ograniczników typu T1 w miejscach wejścia instalacji do budynku.

• Blisko punktu wejścia do budynku – montuj ograniczniki T1 lub T1+T2.
• Zachowaj krótkie połączenia – przewody ≤ 50 cm między SPD a uziemieniem. (Sprawdź koniecznie jakie długości przewodów przewiduje producent danego ogranicznika przepięć!)
• Strefy ochrony (LPZ):
  • LPZ 0 → LPZ 1 – T1 (wejście do budynku).
  • LPZ 1 → LPZ 2 – T2 (rozdzielnica wtórna/podrozdzielnica).
  • LPZ 2 → urządzenie – T3 (blisko sprzętu).

• Wskaźniki zużycia – Nowoczesne ograniczniki wyposażone są w sygnalizację (optyczną lub elektroniczną), informującą o ich stanie:
  • Zielony – sprawny.
  • Czerwony – do wymiany.
• Zdalne monitorowanie – W dużych obiektach wykorzystuje się ograniczniki z interfejsem komunikacyjnym (np. Modbus) do bieżącej diagnostyki.

• Nieprawidłowy dobór napięcia znamionowego – Ogranicznik zbyt niskiego napięcia może ulec przedwczesnemu uszkodzeniu, natomiast zbyt wysokiego – nie zapewni ochrony.
• Brak uziemienia ochronnego – Nawet najlepszy ogranicznik bez właściwego uziemienia nie odprowadzi skutecznie energii przepięcia.
• Montaż w niewłaściwej kolejności – Ograniczniki powinny być montowane w układzie kaskadowym: od T1 do T3. Pominięcie T1 w budynkach z instalacją odgromową może prowadzić do poważnych uszkodzeń.

• Okres eksploatacji – Żywotność ograniczników zależy od liczby i energii przepięć, jakie muszą rozproszyć. Typowy czas eksploatacji wynosi 5-10 lat.
• Wymiana po zadziałaniu – Jeśli ogranicznik zareagował na duże przepięcie (np. 50 kA), powinien zostać wymieniony, nawet jeśli sygnalizacja wskazuje stan sprawny.
• Dokumentacja eksploatacyjna – Każdy ogranicznik powinien być wpisany do harmonogramu przeglądów instalacji elektrycznej.

Pomiary rezystancji izolacji

Ograniczniki przepięć są elementami nieliniowymi – ich rezystancja spada przy wysokim napięciu. Pomiar rezystancji izolacji odbywa się przy napięciu 500V, 1000V lub nawet 2500V (w zależności od układu), co może spowodować:

• Fałszywe zaniżenie wyniku – prąd upływu przez ogranicznik obniży odczyt.
• Uszkodzenie ogranicznika – napięcie pomiarowe może przekroczyć wartość, którą ogranicznik jest w stanie bezpiecznie wytrzymać.

Postępowanie:

• Przed pomiarem odłącz ograniczniki przepięć (zdemontuj wkładki lub odłącz obwód).
• Po zakończeniu pomiarów ponownie podłącz ograniczniki i upewnij się, że zostały prawidłowo osadzone.

Normy międzynarodowe i europejskie dotyczące ochrony przed przepięciami

PN-EN 61643-1:2019-03 – Ograniczniki przepięć – Część 1 Wymagania ogólne i metody badań

• To podstawowa norma, która określa wymagania dotyczące urządzeń służących do ochrony przed przepięciami w instalacjach niskonapięciowych. Zawiera przepisy dotyczące budowy, działania, badań oraz klasyfikacji ograniczników przepięć (SPD).
• Zakres: Dotyczy ograniczników przepięć do instalacji niskonapięciowych, takich jak ograniczniki T1, T2, T3.

PN-EN 62305-1:2011 – Ochrona odgromowa – Część 1: Podstawy ochrony odgromowej

• Norma ta dotyczy ochrony budynków przed skutkami wyładowań atmosferycznych, a także wskazuje, jak zintegrować ochronę przed przepięciami, które mogą pojawić się w wyniku uderzeń piorunów.
• Zakres: Określa zasady ochrony przed przepięciami wywołanymi przez wyładowania atmosferyczne.

PN-EN 50539-11:2017 – Urządzenia ochrony przed przepięciami (SPD) – Wymagania dotyczące urządzeń ochrony przed przepięciami w instalacjach elektrycznych

• Norma ta reguluje wymagania dotyczące urządzeń ochrony przed przepięciami, wskazując na aspekty ich montażu i użytkowania.

IEC 61643-11 (międzynarodowa norma) – Ograniczniki przepięć – Część 11: Ograniczniki przepięć do instalacji niskonapięciowych

• Norma międzynarodowa, z której czerpią normy krajowe, zawierająca szczegółowe wytyczne dotyczące typów ograniczników, ich zastosowań oraz metod testowania.

Prawo budowlane (Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane)

• Określa wymagania dotyczące bezpieczeństwa budynków, w tym także zabezpieczeń przed przepięciami. Choć przepisy nie odnoszą się bezpośrednio do instalacji przepięciowych, ogólne przepisy o bezpieczeństwie elektroenergetycznym mają zastosowanie.

Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie

• Zawiera wymagania dotyczące ochrony budynków przed przepięciami, w tym np. wymagania dla instalacji odgromowych i ochrony przed przepięciami w sieciach elektrycznych.

Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 24 czerwca 2016 r. w sprawie szczegółowych warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać instalacje i urządzenia elektryczne

• Określa wymagania dotyczące instalacji elektrycznych, w tym ochrony przed przepięciami w instalacjach niskonapięciowych, zwłaszcza w kontekście zabezpieczenia przed skutkami uderzeń piorunów i przepięć indukowanych.

PN-HD 60364-4-443:2015 – Instalacje elektryczne w budynkach – Część 4-443: Ochrona przed przepięciami

• Normy te określają zasady ochrony przed przepięciami w instalacjach elektrycznych budynków, ze szczególnym uwzględnieniem różnych metod ochrony:
  • Ochrona przed przepięciami przy pomocy ograniczników przepięć.
  • Podział instalacji na strefy ochrony.
  • Zasady montażu ograniczników w rozdzielnicach.

Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 26 marca 2015 r. w sprawie wymagań dla urządzeń elektrycznych

• Określa szczegółowe wymagania dotyczące urządzeń elektrycznych, w tym zabezpieczeń przed przepięciami, które muszą być spełnione przez urządzenia ochrony przepięciowej w instalacjach elektrycznych.

Wymogi dla projektowania instalacji ochrony przed przepięciami

• Obowiązek montażu ograniczników przepięć w instalacjach elektrycznych niskonapięciowych budynków.
• Zasady projektowania ochrony przed przepięciami muszą być zgodne z normami dotyczącymi bezpieczeństwa elektrycznego, takimi jak PN-EN 62305-1 czy PN-EN 61643-1.
• Okresowa kontrola instalacji ochrony przed przepięciami w ramach przeglądów okresowych instalacji elektrycznych.

Zasada podziału na strefy ochrony przepięciowej

Ochrona przed przepięciami powinna być realizowana na różnych poziomach, co wiąże się z podziałem na strefy ochrony przepięciowej (LPZ – Lightning Protection Zones)

• Strefa LPZ 0: To strefa zewnętrzna, w której mogą występować przepięcia o bardzo wysokiej energii, spowodowane uderzeniem pioruna. Ochrona w tej strefie odbywa się poprzez instalację odgromników, które przechwytują energię pioruna i odprowadzają ją do ziemi.
• Strefa LPZ 1: To strefa, w której występują przepięcia o nieco mniejszej energii, wywołane przez indukowane przepięcia elektromagnetyczne. Tu stosuje się ograniczniki przepięć klasy T1.
• Strefa LPZ 2: To strefa, gdzie występują przepięcia wywołane przełączaniem urządzeń, np. w wyniku załączania dużych silników. Ochrona ta może być realizowana przez ograniczniki przepięć klasy T2.
• Strefa LPZ 3: To strefa, gdzie przepięcia mają już bardzo niską energię i najczęściej są związane z zakłóceniami w sieci. Ochrona tu odbywa się przy pomocy ograniczników T3, które są montowane bezpośrednio w gniazdkach zasilających urządzenia.

Co mówi norma o „dobezpieczaniu” SPD

Zgodnie z normą PN-IEC 61643-11, urządzenia ochrony przed przepięciami (SPD) są zaprojektowane do pracy bez konieczności stosowania dodatkowych zabezpieczeń, chyba że jest to wymagane przez warunki lokalne (np. w rejonach o dużym ryzyku przepięć). W praktyce normy zalecają dobór odpowiednich urządzeń SPD, które będą w stanie wytrzymać określony poziom przepięć bez konieczności stosowania dodatkowych bezpieczników.

Podsumowując:

• Dobezpieczanie ograniczników przepięć nie jest zawsze wymagane, ale może być wskazane w przypadkach, gdzie instalacja jest narażona na wyjątkowo duże przepięcia lub przez producenta
• Producenci zazwyczaj nie zalecają dobezpieczania w standardowych instalacjach, ponieważ ograniczniki przepięć są zaprojektowane do samodzielnej ochrony.
• Jeśli dobezpieczenie jest konieczne, powinno ono być dobrane zgodnie z wymaganiami urządzenia (np. czas reakcji, maksymalny prąd roboczy).

„Dobezpieczanie” ograniczników przepięć jest procesem, który wymaga dokładnej analizy potrzeb instalacji i specyfikacji urządzenia, a każda decyzja powinna być zgodna z zaleceniami producentów i obowiązującymi normami.

Najważniejsze jest jednak, aby zapoznać się z wymaganiami samego producenta. Jeżeli konieczne jest „ dobezpieczenie „ ogranicznika przepięć - należy to zrobić zgodnie z wytycznymi producenta.