2
www.elektro.info.pl
1/2003
ochrona przed
przepięciami
urządzeń systemów kontrolno-pomiarowych
rowe, należy zwrócić szcze-
gólną uwagę na przepięcia
powstające
sporadycznie
o znacznych wartościach
szczytowych, które są w sta-
nie zniszczyć urządzenia.
Brak informacji o tego rodza-
ju zagrożeniu powoduje, że
jest ono najczęściej lekcewa-
żone i nieuwzględniane nie
tylko przez instalatorów, ale
też przez użytkowników urzą-
dzeń.
Przepięcia są szczególnie
groźne dla urządzeń pracują-
C
echą charakterystycz-
ną
współczesnych
urządzeń i systemów
elektronicznych jest ich nie-
wielka odporność udarowa.
Dotyczy to zarówno odporno-
ści urządzeń na bezpośrednie
oddziaływanie impulsowego
pola elektromagnetycznego,
jak i odporności na działanie
napięć i prądów udarowych
dochodzących do tych urzą-
dzeń z sieci zasilającej oraz
z linii przesyłu sygnałów.
Rozpatrując zagrożenie uda-
cych w rozbudowanych sy-
stemach elektronicznych, np.
w systemach sterowania i po-
miarów w zautomatyzowa-
nych zakładach przemysło-
wych. W takich przypadkach
nawet drobne uszkodzenie
pojedynczego
urządzenia
(Fot.1) może spowodować
unieruchomienie całego sy-
stemu i zatrzymanie lub ogra-
niczenie produkcji.
Dotyczy to szczególnie:
n
automatycznych linii mon-
tażowych,
n
układów sterowania i po-
miarów,
n
obrabiarek sterowanych
numeryczne,
n
robotów przemysłowych,
n
systemów
pracujących
w obiektach na otwartym
terenie, np. oczyszczalnie
ścieków.
Ograniczanie występujące-
go zagrożenia można osią-
gnąć:
n
eliminując
potencjalne
źródła przepięć,
n
ograniczając możliwości
sprzężeń między źródłami
zakłóceń a torami sygnało-
wymi,
n
dobierając
urządzenia
o większej odporności uda-
rowej,
n
stosując odpowiednio do-
brane elementy i układy
ograniczające przepięcia
w instalacji elektrycznej
oraz w systemach przesyłu
sygnałów.
W rzeczywistych warun-
kach realizacja pierwszych
trzech sposobów jest bardzo
trudna lub niemożliwa do
wykonania i często jedynym
rozwiązaniem jest zastoso-
prof. dr hab. inż. Andrzej
Sowa
Politechnika Białostocka
mgr inż. Krzysztof
Wincencik
DEHN Polska Sp. z o.o.
Fot.1 Przykład uszkodzeń wywołanych przez przepięcia
3
1/2003
www.elektro.info.pl
deklarowania spełnienia norm
europejskich dotyczących po-
ziomów odporności i wytrzy-
małości urządzeń na zakłóce-
nia panujące w danym środo-
wisku. W Polsce część norm
europejskich już wprowadzo-
no i niektórzy producenci po-
dają wyniki badań odporno-
ści udarowej urządzeń. Po-
siadając takie informacje, na-
leży dobrać elementy lub
układy ograniczające w taki
sposób, aby ograniczały prze-
pięcia do wartości nieprze-
kraczających poziomów od-
porności udarowej chronione-
go urządzeń.
Elementy ograniczające
przepięcia: Elementy wyko-
rzystywane do ochrony przed
przepięciami powinny cha-
rakteryzować się możliwością
zmiany własnej impedancji
w zakresie od bardzo dużych
wartości, podczas normalnej
pracy chronionego urządze-
nia, do wartości bardzo ma-
łych, w chwili wystąpienia
przepięcia. Po zaniku prze-
pięcia impedancja powinna
ponownie narastać do du-
żych wartości. Podstawowe
parametry typowych elemen-
tów wykorzystywane do
ochrony przed przepięciami
zestawiono w tabeli 2.
Układy
ograniczające
przepięcia: Układy zabezpie-
czające stosujemy w przy-
padkach, gdy oddzielne uży-
cie pojedynczych elementów
ochronnych nie zapewnia do-
statecznego poziomu ochrony
przed przepięciami. Łączenie
elementów
ochronnych
w układy umożliwia zsumo-
wanie ich ochronnych zalet
i wyeliminowanie niepożąda-
nych efektów związanych
z ich oddzielnym zastosowa-
niem. Typowy układ ograni-
czający przepięcia składa się
z pojedynczych elementów
zabezpieczających, połączo-
nych elementami wzdłużny-
mi, nazywanych również ele-
mentami odsprzęgającymi
(rys.1).
Jako elementy wzdłużne
najczęściej stosowane są re-
zystancje lub indukcyjności.
Ogólne zasady tworzenia
systemu ochrony przeciw-
przepięciowej: Przed przy-
stąpieniem do doboru układu
ochronnego należy zebrać in-
formacje dotyczące:
n
odporności analizowanych
urządzeń na udary docho-
dzące z linii przesyłu sy-
gnałów,
n
stopnia zagrożenia pioru-
nowego i przepięciowego,
n
podstawowych parame-
trów przesyłanych sygna-
łów oraz stosowanego oka-
blowania.
W tym ostatnim przypad-
ku należy posiadać informa-
cje określające:
n
znamionowe i maksymalne
dopuszczalne
napięcie
przesyłanych sygnałów,
n
maksymalny prąd wystę-
pujący w liniach przesyłu
sygnałów,
n
częstotliwość graniczną,
n
sposób przesyłu sygnałów
(układy symetryczne lub
niesymetryczne),
Branża przemysłu
Papiernictwo
Browarnictwo
Motoryzacja - kooperanci
produkujący podzespoły
Motoryzacja - montaż końcowy
samochodów
Centrum obliczeniowe
Koszt jednogodzinnego przestoju
ok.10.000 EUR
ok.10.000 EUR
ok.12.500 EUR
ok.250.000 EUR
ok.500.000 EUR (przy możliwej
utracie przetwarzanych danych)
Tabela 1 Zestawienie kosztów ponoszonych przez przedsiębiorstwa
przemysłowe przy wystąpieniu przerw w pracy trwających
min 1 godzinę
wanie ograniczników prze-
pięć, które powinny zapew-
nić bezawaryjne działanie
urządzeń oraz nie wpływać
na jakość ich pracy. Przykła-
dowe koszty jednogodzin-
nych przestojów dla zakła-
dów przemysłowych w pań-
stwach Wspólnoty Europej-
skiej pokazano w tabeli 1,
która powstała na podstawie
materiałów zamieszczonych
w niemieckim czasopiśmie
„de Deutsche Elektromei-
ster” nr 3/98, s.134. Warto-
ści strat przeliczono na Euro
(poziom cen 2002).
zasady ochro-
ny przeciw-
przepięciowej
Zaprojektowanie i wykona-
nie poprawnie działającego
systemu ochrony przed prze-
pięciami wymaga posiadania
niezbędnych informacji cha-
rakteryzujących:
n
podstawowe źródła zagro-
żeń oraz wytwarzane przez
nie napięcia udarowe,
n
poziomy odporności urzą-
dzeń oraz systemów na
działanie napięć udaro-
wych,
n
właściwości stosowanych
środków zabezpieczają-
cych.
W krajach Unii Europej-
skiej na producentów urzą-
dzeń jest nałożony obowiązek
Element
Parametr
Oznaczenie graficzne
Charakterystyka U/I
Poziom ochrony
Prąd udarowy (8/20)
Pochłaniana energia
Obciążenie stałe
Czas odpowiedzi
Pojemność
Dopuszczalne zmiany
zakresu ochronnego
Prąd upływu
Zakres temperatur
Dioda zabezpieczająca
asymetryczna
6V - 190 V
do 1 kA
do 1 J
do 1 W
< 10 ps
300pF - 15 000pF
± 5%, ± 10%
< 5uA
-65°C - + 175°C
Warystor
symetryczna
20V - 2000V
do 25 kA
do 1800 J
do 2 W
< 25 ns
40pF - 40 000pF
± 10 %
< 0,2 mA
-40°C - + 125°C
Odgromnik
symetryczna
65V- 12 000V
do 60 kA
do 60 J
800 WW (1s.)
zależy do du/dt
0,5pF - 7 pF
± 15 %
< 15 nA
-55°C - + 130°C
Tabela 2 Zestawienie podstawowych parametrów charakteryzujących elementy zabezpieczające
dzeń i systemów automatyki,
pomiarów i kontroli istnieją
normy oraz zalecenia określa-
jące zakres badań i wymaga-
ne poziomy odporności uda-
rowej. Przykładowe wartości
odporności
różnorodnych
urządzeń na działanie nara-
żeń impulsowych zestawiono
w tabeli 3, w której ograni-
czono się tylko do przedsta-
wienia odporności urządzeń
na działanie:
n
udarów napięciowo-prądo-
wych 1,2/50-8/20 µs [7],
4
www.elektro.info.pl
1/2003
Rodzaj sprzętu
Sprzęt pomiarowy,
sterowania
i laboratoryjny
Sprzęt medyczny
Sterowniki
programowalne
i indywidualne urządzenie
peryferyjne
Roboty przemysłowe
Miejsce wprowadzania
udaru
Zasilanie ac
Zasilanie dc
WE/WY sygnalizacji
i sterowania
Zasilanie
WE/WY połączone z
pacjentem
Zasilanie
WE/WY cyfrowe UŁ 24 V
WE/WY cyfrowe Uł24V,
analogowe,
WE/WY
telekomunikacyjne
Zasilanie ac
WE/WY sygnalizacji i
sterowania
WE/WY jw. dołączone do
sieci
Rodzaj narażenia
Serie szybkich zakłóceń
impulsowych
Udary
1 kV
0,5 kV* , 1kV**
1 kV
0,5 kV* , 1kV**
1 kV
1 kV***
2 kV
1 kV* , 2kV**
1 kV
2 kV
1 kV
1 kV
1 kV
0,5 kV
nie wymagane
2 kV
2kV* , 4 kV**
1 kV
1 kV ***
2 kV
1 kV* , 2 kV**
n
dopuszczalne tłumienie
w linii przesyłu sygnałów,
n
impedancję falową linii
przesyłu sygnałów,
n
dopuszczalną impedancję,
jaką można wstawić w to-
rze przesyłu sygnałów,
n
rodzaje złącz stosowanych
w systemie przesyłu sygna-
łów,
n
rodzaj elementów lub ukła-
dów ochronnych zastoso-
wanych
bezpośrednio
w urządzeniu (w przypad-
ku ochrony wprowadzonej
przez producenta urządze-
nia).
Kolejnym etapem pracy
jest poprawny dobór i rozmie-
szczenie układów ochron-
nych i ich prawidłowy mon-
taż. W celu ułatwienia roz-
wiązania problemów wystę-
pujących przy doborze, roz-
mieszczeniu i montażu ukła-
dów ochronnych oraz przy
tworzeniu systemów ochrony
przeciwprzepięciowej, opra-
cowano wieloetapowy tok po-
stępowania.
Szczegółowa
analiza poszczególnych eta-
pów postępowania przekra-
cza ramy niniejszego artyku-
łu. Dlatego poniżej zwrócona
zostanie uwaga jedynie na
najważniejsze etapy.
Podstawową sprawą przy
doborze i rozmieszczaniu
ograniczników przepięć jest
posiadanie informacji o od-
porności udarowej urządzeń
(Etap 1). W przypadku urzą-
n
serii szybkich zakłóceń im-
pulsowych o
kształcie
5/50ns [6].
W kolejnych etapach (Eta-
py 3 i 4) ograniczania nara-
żeń impulsowych należy
uwzględnić występujące za-
grożenie (Etap 3) i dobrać
ograniczniki (Etap 4) zapew-
niające ochronę przed:
n
Bezpośrednim działaniem
prądów piorunowych lub
zwarciowych. Układy ochro-
ny przepięciowej powinny
być odporne na działanie
prądów udarowych o war-
tościach szczytowych 2,5
kA - 5 kA i kształcie
10/350.
n
Przepięciami atmosferycz-
nymi indukowanymi, prze-
pięciami przepuszczonymi
przez pierwszy stopień
ochrony lub generowanymi
przez inne źródła zakłóceń.
Należy stosować układy
ochrony przepięciowej od-
porne na działanie:
napięć udarowych o war-
tościach szczytowych od
kilkuset V do kilku kV
i kształcie 1,2/50,
prądów udarowych o war-
tościach szczytowych od
kilkuset A do kilku kA (do
10 kA) i kształcie 8/20.
Podstawowe zasady okre-
ślania liczby stopni ochron-
nych i ich właściwości zesta-
wiono w tabeli 4.
Należy zaznaczyć, że na
działanie prądów piorunowych
narażone są tylko te urządze-
nia, do których dochodzą
przewody wychodzące na ze-
wnątrz obiektu budowlanego.
Do ochrony przed tego rodza-
ju narażeniem można zasto-
sować układ dwóch ogranicz-
ników przepięć. Pierwszy
z nich będzie umieszczony
w miejscu wprowadzania
przewodów
do
obiektu,
a drugi bezpośrednio przed
urządzeniem (rys.2a). Taki
układ ochrony zalecany
jest w przypadku urządze-
nia umieszczonego w głębi
obiektu. W przypadku urzą-
dzeń instalowanych w pobli-
Rys.1 Ogólny układ połączeń dwustopniowego układu zabezpieczającego
przed przepięciami
Tabela 3 Poziomy odporności udarowej różnego rodzaju sprzętu elektronicznego
* - linia do linii, ** - linia do ziemi, *** - tylko w przypadku linii dłuższych niż 3 m
5
1/2003
www.elektro.info.pl
Opis układu
Linie przesyłu sygnałów dochodzą
z zewnątrz do obiektu (istnieje za-
grożenie bezpośrednim oddziały-
waniem prądów piorunowych)
Długie linie przewodów systemu
ułożone w obiekcie budowlanym
Krótkie linie przewodów ułożone
wewnątrz obiektu
Zagrożenie
Prądy udarowe 10/350
2,5kA - 5 kA kształt
Prądy udarowe 8/20,
Kilka-kilkanaście kA,
Prądy udarowe 8/20,
Kilkadziesiąt-kilkaset A
Poziom ograniczania udarów
większy równy 1000V
mniejszy od 1000V
większy równy 1000V
mniejszy od 1000V
mniejszy od 1000V*)
Układy ochronne
Jednostopniowy układ odgromni-
ków gazowanych
Jeden wielostopniowy układ
ochronny
2 układy ochronne rozmieszcze-
nie: wejście do obiektu i przy urzą-
dzeniu
Jednostopniowy układ odgromni-
ków gazowanych
Wielostopniowy układ ochronny
Jednostopniowy układ warystorów
lub diod ochronnych
żu miejsc wprowadzania
przewodów do obiektu, moż-
na zastosować jeden wielo-
stopniowy (najczęściej trój-
stopniowy) ogranicznik prze-
pięć (rys.2b).
Określenia liczby stopni
ochronnych w obiekcie (Etap
5) należy dokonać na podsta-
wie istniejącego zagrożenia,
poziomu odporności udaro-
wej urządzeń oraz ich roz-
mieszczenia w obiekcie.
Urządzenie o odporności
udarowej od strony wejść sy-
gnałowych na poziomie po-
nad 1000 V wymaga:
n
układu jednostopniowego
(jeden lub dwa odgromniki
gazowane).
Urządzenie o
odporności
udarowej od strony wejść sy-
gnałowych poniżej 1000 V
wymaga:
n
pojedynczego wielostopnio-
wego układu ochronnego,
n
dwóch układów ochron-
nych.
Ogranicznik przepięć nie
może zniekształcać przesyła-
nych sygnałów. Wielkościami,
które charakteryzują właści-
wości ogranicznika przepięć,
jest częstotliwość znamiono-
wa f
NOGR
oraz graniczna f
GRAN
(Etap 9). Ogranicznik dobie-
rany do ochrony urządzenia
lub systemu przesyłu sygna-
łów f
NS
powinien spełniać na-
stępujące warunki:
f
NS
≤ f
NOGR
f
NS
< f
GRAN
Instalując układy ochron-
ne bezpośrednio przed urzą-
dzeniem posiadającym „wła-
sne” elementy ochronne, na-
leży zapewnić właściwą
współpracę wszystkich ele-
mentów ochronnych, jakie
występują w linii przesyłu sy-
gnałów. Wymaga to porów-
nania ich właściwości ochron-
nych i oceny możliwości
wzajemnej koordynacji dzia-
łania (Etap 10). W rzeczywi-
stych warunkach przeprowa-
dzenie takiej analizy i ocena
możliwości współpracy „ze-
wnętrznego układu ochron-
nego” z wewnętrznymi ele-
mentami ochronnymi jest
najczęściej niemożliwa z po-
wodu braku danych. W ta-
kich przypadkach do ochro-
ny urządzeń posiadających
„własne” elementy lub ukła-
dy ochronne, należy zastoso-
wać układy posiadające do-
datkowe elementy odsprzę-
gające (rys.3). Przewód łą-
czący ogranicznik przepięć
z lokalną szyną wyrównywa-
nia potencjałów lub obudo-
wą urządzenia powinien być
możliwie najkrótszy - dzięki
temu unikamy spadków na-
pięć na jego indukcyjności.
Dotyczy to szczególnie ogra-
niczników przeznaczonych
do ochrony przed działaniem
prądu piorunowego.
Należy również uwzglę-
dnić zalecenia dotyczące
możliwości łączenia ekranów
przewodów z lokalnymi sy-
stemami wyrównywania po-
tencjałów. Jeśli znamionowe
warunki pracy zalecają izolo-
wanie ekranu przewodu do-
chodzącego do urządzenia
(ekran nie może być połączo-
ny z lokalnym punktem wy-
równywania potencjałów) na-
leży, w celu wyrównywania
różnic potencjałów występu-
jących, np. podczas pioruno-
wego wyładowania doziem-
nego, połączyć ekran przez
iskiernik z lokalną, punktem
wyrównywania potencjałów.
Przykładowe
połączenia
ograniczników przepięć sto-
sowanych w torze przesyłu
sygnałów, którego powinien
być izolowany lub uziemiony
przedstawia rys. 4.
Tablica 4 Podstawowe zasady określania liczby stopni ochrony
*) przy odporności powyżej 1000 V można nie stosować układów
ochronnych
Rys. 3 Dodatkowe elementy odsprzęgające w ograniczniku przepięć
Rys. 2 Wielostopniowe układy ochronne: a) skupiony, b) rozłożony
a)
b)
6
www.elektro.info.pl
1/2003
Zapewnienie
ochrony
przepięciowej może wyma-
gać zastosowania w torze
przesyłu sygnałów nawet kil-
ku ograniczników przepięć.
Uzależnione to jest od wymo-
gów ochrony (Etap 13). Pod-
stawowe zasady rozmiesz-
czania ograniczników prze-
pięć ochrony zostaną przed-
stawione na przykładzie sy-
stemu pomiaru temperatury,
w którym czujnik znajduje
się na zewnątrz obiektu
budowlanego.
W analizowanym układzie
przetwornik, umieszczony
w skrzynce w sąsiedztwie
czujnika, narażony jest na
działanie przepięć docho-
dzących z pętli prądowej
oraz przewodów zasilają-
cych. Przedstawione zostaną
tylko zasady ochrony w torze
przesyłu sygnałów (rys. 5a).
W przedstawionym ukła-
dzie podstawowym urzą-
dzeniem
wymagającym
ochrony jest sterownik, do
którego najczęściej docho-
dzi kilka lub kilkadziesiąt li-
nii sygnałowych (rys. 5b).
W następnej kolejności
ograniczniki przepięć należy
zamontować przed prze-
twornikiem od strony linii
przesyłu sygnałów (rys. 5c).
Jeśli skrzynka z przetworni-
kiem znajduje się z znacz-
nej odległości od czujnika
lub czujnik jest narażony na
skoki potencjałów, to nale-
ży dodatkowo zastosować
ograniczniki liniach docho-
dzących od czujnika do prze-
twornika (rys.5d).
W systemach, od których
wymagane jest pewne i nie-
zawodne działanie, ochroną
przed przepięciami powinny
również zostać objęte czujniki
temperatury (rys. 5e). Ogra-
niczniki można umieścić w do-
datkowej skrzynce w sąsiedz-
twie czujnika (fot. 2).
W końcowym etapie (Etap
14) analizy należy ocenić po-
prawność ochrony w instala-
cji elektrycznej. W przypadku
obiektów przemysłowych za-
lecanym rozwiązaniem jest
dwu- lub trójstopniowy układ
ograniczników przepięć klasy
I, II lub nawet III (Rys. 6).
Dodatkowo należy zwrócić
uwagę na ochronę przez róż-
nicami potencjałów powsta-
jących pomiędzy:
Rys. 5 Przykładowe rozwiązania ochrony w układzie pomiaru temperatury
Fot. 2 Przykład montażu ograniczników przepięć w skrzynce obok chronio-
nych urządzeń
Rys. 4 Układy połączeń ograniczników przepięć w przypadku ekranu, który
może być uziemiany lub ekranu izolowanego.
7
1/2003
www.elektro.info.pl
n
przewodami w poszczegól-
nych instalacjach, docho-
dzących do urządzenia,
n
różnorodnymi instalacjami
dochodzącymi do urządzenia.
Optymalnym sposobem
ochrony jest umieszczenie
ograniczników w pobliżu
chronionego
urządzenia
(rys. 7).
wnioski
Postępując zgodnie z przed-
stawionymi zasadami, moż-
na zapewnić bezawaryjne
działanie wszystkich urzą-
dzeń systemu elektroniczne-
go, nawet w przypadku bez-
pośredniego uderzenia pioru-
nu w obiekt i wystąpienia za-
grożenia, jakie stwarza bez-
pośrednie
oddziaływanie
prądu piorunowego.Bardzo
często użytkownik, ze wzglę-
dów ekonomicznych, wyma-
ga jedynie zapewnienia bez-
awaryjnego działania wybra-
nych urządzeń w danym sy-
stemie, zakładając możli-
wość uszkodzenia poszcze-
gólnych urządzeń lub czujni-
ków. W takim przypadku
można ograniczyć zakres
ochrony, ale należy wykony-
wać to bardzo rozważnie,
uwzględniając również przed-
stawione zasady doboru
ograniczników przepięć.
Literatura
1. Missala T., Kompatybilność elek-
tromagnetyczna urządzeń ener-
goelektroniki. Wymagania doty-
czące odporności na zakłócenia
elektromagnetyczne, Przegląd
Elektrotechniczny nr 7, 1997.
2. Sowa A., Jężak S.,Ochrona
przed przepięciami w typowych
obiektach Zakładów Energetycz-
nych,
Polskie
Towarzystwo
Przesyłu i Rozdziału Energii
Elektrycznej, Poznań 1999.
3. Wiesinger J., Hasse P., Blitz-
schutz der Elektronik VDE VER-
LAG GMBH, 1999.
4. Sowa A., Ochrona odgromowa
i przeciwprzepięciowa, Kielce 1998.
5. PN-IEC 1131-2: 1996: Sterow-
niki programowalne. Wymaga-
nia i badania sprzętu.
6. PN-EN 61000-4-4:1998, Kompa-
tybilność
elektromagnetyczna
(EMC). Metody badań i pomia-
rów. Badania odporności na serie
szybkich zakłóceń impulsowych.
7. PN-EN 61000-4-5:1998, Kompa-
tybilność
elektromagnetyczna
(EMC). Metody badań i pomiarów.
Badania odporności na udary.
Rys. 6 Rozmieszczenie ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej
w obiekcie budowlanym, w zależności od kategorii instalacji oraz stre-
fy zagrożenia
Rys. 7 Wyrównywanie potencjałów in-
stalacji dochodzących do urzą-
dzenia: a) schemat komplekso-
wej ochrony urządzenia, b) przy-
kład ochrony sterownika progra-
mowalnego