Obliczenia zwarciowe

28.06.21 05:02

Rodzaje przepięć

Przepięcia wewnętrzne – powstają na skutek zwarć niesymetrycznych,

jedno- i dwufazowych z ziemią, oraz w wyniku takich czynności
łączeniowych, jak wyłączanie nieobciążonych transformatorów i linii,
załączanie nieobciążonych linii długich, a także nagłą zmianą napięcia.

Ochronę przed przepięciami wewnętrznymi zapewniają ograniczniki

przepięć.

Przepięcia zewnętrzne (atmosferyczne) – mają charakter nieokresowy

o wartościach dochodzących do kilku tysięcy kilowoltów przy
wyładowaniach bezpośrednich oraz do 200 – 300 kV przy
wyładowaniach pobliskich (przepięcia indukowane).

Ochronę przed wyładowaniami bezpośrednimi zapewniają zwody

pionowe i poziome (przewody odgromowe), a przed przepięciami
indukowanymi – ograniczniki przepięć.

28.06.21 05:02

Koordynacja izolacji

Koordynacja izolacji – działania polegające na stopniowaniu

wytrzymałości elektrycznej izolacji oraz stosowaniu ograniczników
przepięć obniżających największe wartości przepięć do wartości
mniejszych od założonego poziomu ochrony U

Izolacja urządzeń elektrycznych powinna charakteryzować się

wytrzymałością  na  przepięcia  krótkotrwałe  o  częstotliwości
sieciowej  oraz  udarowe  nie  niższą  od  napięć  probierczych
wytrzymywanych,  stosowanych  w  próbie  wytrzymałości  elektrycznej
urządzeń.

Izolacja urządzeń elektrycznych i stosowane środki ochrony przepięciowej

powinny  być  tak  dobrane  i  zwymiarowane,  aby  nie  dochodziło  do  jej
przebicia,  a  jeżeli  już  do  niego  musi  dojść,  to  tylko  w  części  izolacji
równoległej,  której  przebicie  nie  powoduje  trwałych  uszkodzeń,  czyli
np. w powietrzu.

28.06.21 05:02

Koordynacja izolacji

Zasada koordynacji izolacji w sieci
WN

uziemionym

punktem

zerowym:

– amplituda napięcia fazowego,

b – amplituda napięcia fazowego

w przypadku 1-fazowego zwarcia

sąsiedniej fazy,

– przebieg fali przepięciowej

ograniczonej do wartości U

– napięcie wytrzymywane udarowe

piorunowe 1,2/50 s

wł

– napięcie wytrzymywane łączeniowe

250/2500 s

– wsp. zapasu wytrzymałości dla

napięć udarowych

– wsp. zapasu wytrzymałości dla

napięć łączeniowych

28.06.21 05:02

Koordynacja izolacji

Współczynnik bezpieczeństwa (zapasu wytrzymałości izolacji)

- różnica pomiędzy wartością napięcia wytrzymywanego U

a wartością

założonego poziomu ochrony U

= U

– U

Rozróżniamy współczynniki bezpieczeństwa dla napięć udarowych

i współczynniki bezpieczeństwa dla napięć łączeniowych

28.06.21 05:02

Ochrona odgromowa

I. OBIEKTY ENERGETYCZNE

Ochronę przed wyładowaniami bezpośrednimi stosuje się w:



Stacjach napowietrznych i wnętrzowych o napięciu 110 kV



Stacjach transformatorowych średnich napięć z transformatorami
o łącznej mocy powyżej 1600 kVA

Ochrona budynków stacji elektroenergetycznych



Budynki rozdzielni i nastawni chroni się zgodnie z zasadami
obowiązującymi w zakresie ochrony odgromowej budowli

Uziomy



Naturalne – jeżeli znajdują się w odległości mniejszej niż 10 m



Sztuczne – pionowe lub poziome (bednarka na głębokości 0,6 m)

28.06.21 05:02

Ochrona odgromowa

Ochrona urządzeń i aparatów elektroenergetycznych

Zwody poziome – strefa ochronna zapewniana przez dwa zwody poziome

zawieszone na wysokości h nie większej niż 30 m (a) oraz strefa
chroniona na wysokości h

(b)

28.06.21 05:02

Ochrona odgromowa

Ochrona urządzeń i aparatów elektroenergetycznych

Zwody pionowe – strefa ochronna zapewniana przez dwa zwody pionowe

nie wyższe niż 30 m; c) strefa chroniona na wysokości h

28.06.21 05:02

1
1

Ochrona odgromowa

Ochrona linii elektroenergetycznych



Linie na konstrukcjach stalowych powinny być chronione na całej
długości, jednym lub dwoma przewodami odgromowymi



kąt ochrony dla skrajnych przewodów nie powinien być większy niż:

– dla linii 110 kV

– dla linii 220 kV i więcej



kąt ochrony dla środkowego przewodu (pomiędzy dwoma
przewodami odgromowymi) nie może przekraczać 60



przewody odgromowe na każdym słupie powinny być uziemione



Linie bez przewodów odgromowych powinny być w niego wyposażone
1-2 km przed wejściem do stacji

28.06.21 05:02

1
2

Ochrona odgromowa

II. OBIEKTY BUDOWLANE

W Polsce zagadnienia ochrony odgromowej regulują zasadniczo

dwie normy:



PN/E-05003/1986

- Ochrona odgromowa obiektów budowlanych



PN-IEC 61024/2002

- Ochrona odgromowa obiektów budowlanych

Kryteria stosowania ochrony odgromowej

według normy PN-86/E-05003



Podział obiektów budowlanych



Obiekty produkcyjne i magazynowe oraz nie zagrożone wybuchem oraz
budynki mieszkalne, użyteczności publicznej itp.



Obiekty zagrożone pożarem oraz wybuchem



Inne nie wymieniowe powyżej, np. kominy, kolejki linowe, mosty,
dźwigi , obiekty sportowe itp.

28.06.21 05:02

1
3

Ochrona odgromowa

Rodzaje ochrony odgromowej



podstawowa



obostrzona



w wykonaniu specjalnym

Obiekty wymagające ochrony podstawowej to np.:



budynki nie występujące w zwartej zabudowie (wolnostojące)
o wysokości powyżej 15 m i powierzchni ponad 500 m



budynki użyteczności publicznej, w których mogą przebywać ludzie
w dużych grupach (ponad 50 osób): domy towarowe, kościoły, kina,
teatry, restauracje itp.



budynki przeznaczone dla osób o ograniczonej zdolności poruszania się



obiekty o dużej wartości historycznej, materialnej lub kulturalnej



budynki wyższej użyteczności publicznej: policja, straż, urzędy)

28.06.21 05:02

1
4

Ochrona odgromowa



Hale o wymiarach przekraczających 40x40 m o żelbetowych lub
stalowych słupach wsporczych



Budynki z materiałów łatwo zapalnych



Obiekty do produkcji, przetwarzania i składowania materiałów łatwo
zapalnych



Obiekty nie wymienione powyżej dla których wskaźnik zagrożenia
piorunowego przekracza wartość 10

-4

Ochrona obostrzona



Obiekty zagrożone pożarem i wybuchem

Ochrona w wykonaniu specjalnym



Nietypowe obiekty: kominy, mosty itp..

28.06.21 05:02

1
5

Ochrona odgromowa

Obiekty nie wymagające ochrony odgromowej



obiekty usytuowane w strefie ochronnej sąsiadujących obiektów



budynki o wysokości nie przekraczającej 25 m, usytuowane w zwartej
zabudowie i nie wyszczególnione jako obiekty wymagające ochrony

Budynek w zwartej zabudowie, to budynek do którego przylegają

bezpośrednio z co najmniej dwóch stron inne budynki i którego poziom
dachu nie przekracza więcej niż 6 m poziomów dachów budynków
sąsiednich. Do budynków w zwartej zabudowie zalicza się również
budynki nie przekraczające powierzchni 500 m

(1000 m

dla budynków

mieszkalnych)

jeżeli

budynki

sąsiadujące

są

usytuowane

w odległości nie większej niż wysokość rozpatrywanego budynku
(dla budynków mieszkalnych podwójna wysokość)



Obiekty dla których wskaźnik zagrożenia piorunowego jest mniejszy
niż 10

-5

28.06.21 05:02

1
6

Ochrona odgromowa

Wskaźnik zagrożenia piorunowego

W = n·m·N·A

n, m- współczynniki uwzględniające liczbę ludzi w obiekcie oraz położenie obiektu (n =

1 dla obiektów w których przewiduję się przebywanie nie więcej niż 1 człowieka
na 10 m

powierzchni; n = 2 przy większej liczbie ludzi; m = 0,5 dla budynków w

zwartej zabudowie; m = 1 dla pozostałych obiektów)

- roczna gęstość powierzchniowa wyładowań [m

-2

] (N = 1,8·10

-6

-2

lub 2,5 ·10

-6

-2

w zależności od szerokości geograficznej)

- powierzchnia równoważna zbierania wyładowań przez obiekt [m

]

A = S+4·l·h+50·h

- powierzchnia zajmowana przez obiekt [m

]

- obwód obiektu [m];

h – wysokość obiektu [m]

- prawdopodobieństwo wywołania szkody przez wyładowanie piorunowe

p = R(Z+K)

R, Z, K

- wsp. uwzględniające rodzaj (R), zawartość (Z) i konstrukcję (K) obiektu

28.06.21 05:02

1
7

Ochrona odgromowa

Klasyfikacja obiektów oraz poziomy ochrony

według normy PN-IEC 61024

Klasyfikacja obiektów



Obiekty zwykłe: mieszkalne, gospodarstwa rolnego, teatry, szkoły,
obiekty sportowe; banki, obiekty handlowe, szpitale, przemysł, muzea



Obiekty o zwiększonym zagrożeniu: telekomunikacja, obiekty
przemysłowe z niebezpieczeństwem pożarowym



Obiekty groźne dla swojego otoczenia: rafinerie, stacje paliwowe,
wytwórnie sztucznych ogni; zakłady zbrojeniowe



Obiekty groźne dla środowiska: zakłady chemiczne, urządzenia
nuklearne, laboratoria i zakłady biochemiczne

28.06.21 05:02

1
8

Ochrona odgromowa

Instalację piorunochronną w wykonaniu specjalnym należy
stosować w przypadku:



Obiektów o wysokości powyżej 60 m



Pól kempingowych i obiektów sportowych



Instalacji tymczasowych



Obiektów w budowie

Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych

- akceptowana roczna częstość bezpośrednich wyładowań piorunowych
w chroniony obiekt

- spodziewana roczna częstość bezpośrednich wyładowań piorunowych
w chroniony obiekt

= N

·A

·10

-6

na rok

28.06.21 05:02

1
9

Ochrona odgromowa

- średnia roczna gęstość wyładowań doziemnych na km

i na rok

w rejonie usytuowania obiektu (1,8 lub 2,5 w zależności od szerokości
geograficznej)

- równoważnia powierzchnia zbierania wyładowań przez obiekt w m

(w skrajnym przypadku powierzchnia poziomego rzutu obiektu)

Jeżeli:

≤ N

– urządzenie piorunochronne nie jest potrzebne

> N

– potrzebne urządzenie piorunochronne o skuteczności

E ≥ 1-N

28.06.21 05:02

2
0

Ochrona odgromowa

Skuteczność urządzenia piorunochronnego

i odpowiadające im poziomy ochrony

Poziom ochrony

0,98

0,95

III

0,90

0,80

28.06.21 05:02

2
1

Ochrona odgromowa

Elementy ochrony odgromowej



zwody – powinny wytrzymywać przepływ prądu piorunowego. Zwodami
mogą być elementy konstrukcyjne obiektu (zwody naturalne) lub
przewody umieszczone tylko w celach ochrony odgromowej (zwody
sztuczne)



przewody odprowadzające – w pierwszej kolejności należy
wykorzystywać elementy konstrukcyjne budynku (przewody naturalne),
a w przypadku ich braku – przewody sztuczne



przewody uziemiające – elementy łączące przewody odprowadzające
z uziomem. W miejscu ich połączenia powinny być zaciski probiercze.



zaciski

kontrolne

uziomów

indywidualnych

oraz

uziomów

wspomagających

28.06.21 05:02

2
2

Ochrona odgromowa



uziomy  (otokowe,  pionowe,  promieniowe,  fundamentowe)  -  zaleca  się
stosowanie  przede  wszystkim  wykorzystywanie  uziomów  naturalnych
obiektu  budowlanego.  W  przypadku  uziomów  sztucznych  zaleca  się
stosowanie uziomów otokowych.

Norma PN-IEC 61024 wprowadza podział uziomów stosowanych do
celów ochrony odgromowej na:



typu A, do którego należą uziomy pionowe oraz poziome
(promieniowe)

dołączone

każdego

przewodów

odprowadzających instalacji piorunochronnej



typu B, do którego należą uziomy otokowe, kratowe
i fundamentowe.

28.06.21 05:02

2
3

Ochrona przepięciowa

I. OBIEKTY ELEKTROENERGETYCZNE

Ważne urządzenia elektroenergetyczne (transformatory, linie kablowe itp.)

powinny być chronione przed skutkami przepięć za pomocą
ograniczników przepięć. W przypadku mniej ważnych urządzeń mogą
być stosowane również: iskierniki lub odgromniki wydmuchowe.

Iskierniki – najprostszy środek ochrony przeciwprzepięciowej. Działa w
wyniku przekroczenia wytrzymałości elektrycznej przerwy powietrznej
pomiędzy elektrodami, co doprowadza do zwarcia obwodu z ziemią. Po
zadziałaniu płynie prąd następczy, który musi być wyłączony przez
wyłącznik.

Stosowanie

iskierników

sens

liniach

z układem automatyki samoczynnego ponownego zasilania SPZ.

28.06.21 05:02

2
4

Ochrona przepięciowa

Odgromniki wydmuchowe – podstawowy element stanowi iskiernik

umieszczony w rurze z materiału gazującego. Gaszenie łuku następuje

wskutek wydmuchu gazów wydzielających się ze ścianek tulei

wykonanej z materiału silnie gazującego.

Instalując odgromniki wydmuchowe należy zachować dodatkową przerwę
izolacyjną między linią pod napięciem a górną elektroda iskiernika wewnętrznego,
w zależności od napięcia znamionowego i rodzaju chronionych urządzeń.

Wyszczególnienie

Typ odgromnika

OWS-18

OWS-25

OWS-37

Przerwa zew. przy ochronie izolacji w [mm]
- linii, podejść, głowic kablowych

- transformatorów

Wymiary strefy wydmuchowej w [m]
- max. średnica stożka wydmuchowego

1,2

1,5

1,2

- wysokość stożka

2,0

2,5

2,0

28.06.21 05:02

2
5

Ochrona przepięciowa

Odgromniki wydmuchowe o konstrukcji rurowej (a) i szczelinowo-śrubowej (b) oraz

przebieg napięcia i prądu następczego (c)

1 – elektroda górna

2 – elektroda dolna

3 – rura gazująca

4 – elektroda
iskiernika
zewnętrznego

5 – okucie
uziemione

6 – przerwa
zewnętrzna

7 – wkładka
śrubowa

8 – linia pod
napięciem

9 – ekran sterujący

28.06.21 05:02

2
6

Ochrona przepięciowa

Zaworowe iskiernikowe ograniczniki przepięć (odgromniki

zaworowe) – są zbudowane z iskierników oraz rezystorów

o nieliniowej charakterystyce. W momencie wystąpienia przepięcia

następuje zadziałanie iskiernika i przepływ prądu wyładowczego

o znacznej wartości (rezystancja jest mała). Spadek napięcia na

rezystancji nieliniowej nosi nazwę napięcia obniżonego.

Po przepłynięciu prądu wyładowczego przerwy międzyelektrodowe są

nadal zjonizowane i płynie prąd następczy. Rezystancja ogranicznika

znacznie wzrasta i następuje przerwanie prądu następczego.
Rozróżnia się następujące konstrukcje iskierników w ogranicznikach

zaworowych:



z łukiem swobodnym



z łukiem wirującym



z elektromagnetycznym wydłużeniem (wydmuchem) łuku

Jako materiał na rezystory stosuje się karborund (węglik krzemu SiC), w

postaci stosu krążków o średnicy do 100 mm i wysokości od 10 do 60

mm.

28.06.21 05:02

2
7

Ochrona przepięciowa

Zaworowe ograniczniki przepięć: a) bez sterowania; b) ze sterowaniem; c) przebieg

napięcia u i prądu wyładowczego i w ograniczniku

1 – iskiernik wielokrotny; 2 – rezystory zmiennooporowe; 3 – iskierniki z rezystorami
sterującymi; u

– przebieg fali przepięciowej; U

– napięcie zapłonu; U

res

– napięcie obniżone; I

–

amplituda prądu wyładowczego

28.06.21 05:02

2
8

Ochrona przepięciowa

Beziskiernikowe ograniczniki przepięć – podstawowym elementem

są warystory wykonane z tlenku cynku (ZnO) o silnie nieliniowej

charakterystyce prądowo-napięciowej:

I = kU



gdzie:
 - współczynnik nieliniowości
k - stała

Beziskiernikowy ogranicznik przepięć:

1 – zacisk przyłączeniowy

2 – ogranicznik ciśnienia w aparacie

3 – warystor

4 – obudowa izolacyjna

5 – zacisk uziemiający

28.06.21 05:02

3
0

Ochrona przepięciowa

Ch-ki napięciowo-prądowe różnych rezystorów i elementów

1 – liniowy

2 – karborundowy

3 – selenowy

4 – warystorowy

5 – dioda Zenera

28.06.21 05:02

3
1

Ochrona przepięciowa

Przykładowe rozwiązania

ograniczników przepięć

warystorowy

iskiernikowy (SiC)

ogranicznik (a)
w podziałce (b)

28.06.21 05:02

3
2

Ochrona przepięciowa

Parametry ograniczników przepięć

Napięcie trwałej pracy ogranicznika U

– największa dopuszczalna wartość

skuteczna napięcia o częstotliwości sieciowej, które może być trwale

przyłożone między zaciski ogranicznika

Napięcie znamionowe ogranicznika U

– największa dopuszczalna wartość

skuteczna napięcia o częstotliwości sieciowej, przy której jest zapewnione

działanie ogranicznika w warunkach wystąpienia przepięcia

Napięcie obniżone ogranicznika U

res

– szczytowa wartość napięcia występującego

podczas przepływu znamionowego prądu wyładowczego

Znamionowy prąd wyładowczy I

– szczytowa wartość prądu udaru prądowego,

która jest stosowana do wyznaczenia poziomu ochrony ogranicznika (U

res

)

Graniczny prąd wyładowczy I

– szczytowa wartość prądu udaru

o kształcie 4/10 s, który jest stosowany do sprawdzenia odporności

ogranicznika na bezpośrednie wyładowanie piorunowe

Współczynnik zwarcia doziemnego k

– iloraz wartości skutecznej napięcia fazy

zdrowej w przypadku zwarcia doziemnego jednej z faz sąsiednich do

napięcia tej fazy bez takiego zwarcia.

28.06.21 05:02

3
3

Ochrona przepięciowa

Współczynnik k

przyjmuje wartości 1,4 w sieciach w uziemionym punktem

zerowym oraz 1,9 w sieciach z izolowanym punktem zerowym

Na ograniczniku może wystąpić max. napięcie:
Chronione urządzenie powinno wytrzymywać napięcie: U

 k

res

; k

=1,3

Zastosowanie ograniczników przepięć



Do ochrony urządzeń stacji połączonych bezpośrednio z liniami

napowietrznymi lub za pomocą odcinków kabli < niż 2 km



Przy każdym transformatorze energetycznym



Zaleca się stosowanie na wejściu każdego pola linii napowietrznej oraz

do ochrony urządzeń rozdzielczych, pomiarowych w linii



Do ochrony linii kablowych łączących się z liniami napowietrznymi



Zaleca się stosowanie ograniczników do ochrony miejsc połączenia linii

na słupach nieprzewodzących z linią na słupach przewodzących przez

zainstalowanie ich na pierwszym słupie przewodzącym

U 

28.06.21 05:02

3
4

Ochrona przepięciowa

II. OBIEKTY BUDOWLANE – instalacje elektryczne

Kategorie instalacji elektrycznych



Kategoria IV – dotyczy początkowej części instalacji i zainstalowanych
tam urządzeń, które powinny być dobrane z uwzględnieniem możliwości
występowania przepięć atmosferycznych i łączeniowych; patrząc od
strony zasilania do złącza lub rozdzielnicy głównej



Kategoria III – dotyczy części instalacji narażone na obniżone wartości
przepięć; instalacje wewnętrzne



Kategoria II – dotyczy urządzeń przenośnych i ręcznych przyłączanych
do instalacji odbiorczej



Kategoria I – dotyczy urządzeń i elementów urządzeń stosowanych
w zamkniętych zestawach, szczególnie narażonych na przepięcia
(urządzenia elektroniczne)

28.06.21 05:02

3
6

Ochrona przepięciowa

Napięcie sieci zasilającej

względem ziemi [V]

Zalecane napięcia udarowe

wytrzymywane w prze poszczególne

kategorie instalacji

III

 50

1500

800

500

330

 100

2500

1500

800

500

 150

4000

2500

1500

800

 300

6000

4000

2500

1500

 600

8000

6000

4000

2500

 1000

12000

8000

6000

4000

28.06.21 05:02

3
7

Ochrona przepięciowa

Klasy ograniczników przepięć (wg norm VDE oznaczamy A, B, C, D,
a wg norm ICE – I, II, III)



Klasa B (I) – (odgromniki) – należy instalować na początku instalacji (w
złączu) zasilanych z sieci rozdzielczych napowietrznych oraz z sieci
kablowych w budynkach z zewnętrzną instalacją odgromową



Klasa C (II) – (ogranicznik przepięć) – należy stosować w miejscach
rozgałęzienia się instalacji w rozdzielnicach na poszczególnych piętrach
budynku oraz w rozdzielnicy głównej lub w złączu w budynkach bez
instalacji odgromowej zasilanych z sieci rozdzielczych kablowych



Klasa  D  (III)  –  ograniczniki  tej  klasy  instaluje  się  przeważnie
w  puszkach  rozgałęźnych,  kanałach  instalacyjnych,  specjalnych
gniazdach  wtyczkowych,  „przedłużaczach”  lub  bezpośrednio
w chronionych urządzeniach.

28.06.21 05:02

3
8

Ochrona przepięciowa

Podział ograniczników przepięć na klasy

Klasa

Zakres zastosowania

Miejsce

zainstalowania

Poziom

ochrony

Obciążal

-ność

prądowa

Ochrona linii napowietrznych
niskiego napięcia

Słupy linii nn

Zgodnie

z IEC

5–15 kA

(I)

Ochrona instalacji IV kategorii
(ochrona podstawowa)

Złącze,
rozdzielnica
główna

< 4 kV

100 kA

(II)

Ochrona instalacji III kategorii

Złącze jeżeli nie
stosuje się typu
B, RG i piętrowe

<1,5–2,5 kV

5–15 kA

D (III)

Ochrona urządzeń w II
kategorii

Puszki, gniazda,
przedłużacze

<1 – 1,5 kV

1,5–5 kA

28.06.21 05:02

4
2

Ochrona przepięciowa

Przykład wykonania ochrony
w instalacji o układzie TT

Z – złącze

R – rozdzielnica

1 – element indukcyjny

2 – ogranicznik typu B

3 – ogranicznik typu C

4 – wyłącznik ochronny

5 – szyna wyrównawcza główna

6 – szyna wyrównawcza miejscowa

Document Outline