w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r   4 / 2 0 0 6

p r e z e n t a c j a

Bardzo często inżynierowie w zakładach produkcyjnych za-

dają sobie pytanie, jak zaprojekto-wać i wdrożyć system ochrony przed przepięciami, aby uzyskać wysoką niezawodność i skutecz-ność działania. Zautomatyzowane przedsiębiorstwa produkcyjne z pełnym sterowaniem złożonymi procesami przemysłowymi stawia-ją sobie dwa cele, którym musi sprostać zainstalowany system ochrony przed przepięciami. Pierw-szy z nich to zapobieganie stratom powstałym w wyniku bezpośred-nich wyładowań piorunów w obiek-ty budowlane zakładu i obiekty technologiczne lub przepięć prze-dostających się do instalacji we-wnętrznych poprzez zewnętrzne układy zasilania, automatyki, sys-temy antenowe. Drugi z celów to utrzymanie ciągłości produkcji przy pojawiających się zakłóce-niach (tab. 1).

Przy tak określonych założe-niach dla systemu ochrony przed przepięciami w zakładzie produk-

cyjnym bardzo pomocna przy pro-jektowaniu może być norma PN‑IEC 61312‑1 „Ochrona przed pioruno-wym impulsem elektromagnetycz-nym”, przywołana w Rozporządze-niu Ministra Infrastruktury w spra-wie warunków technicznych, ja-kim powinny odpowiadać budyn-ki i ich usytuowanie [1]. Wykorzy-stując Strefową Koncepcję Ochrony zawartą w tej normie, przestrzeń podlegającą ochronie możemy po-dzielić na strefy ochrony odgromo-wej (LPZ) w celu wyznaczenia stref zagrożenia o różnej intensywności oddziaływania prądu i pola wyła-dowania piorunowego (LEMP) oraz ustalenia punktów połączeń na gra-nicach tych stref (rys. 1).

Poszczególne strefy charaktery-zują się zasadniczą zmianą warun-ków elektromagnetycznych na ich granicach. Jest to związane z ogra-niczeniem wartości szczytowych przepięć występujących w instala-cjach niskonapięciowych oraz im-pulsów pola elektromagnetycznego do wartości dopuszczalnych w da-

nej strefie. W ten sposób powstałe strefy możemy podzielić na:§ LPZ 0A – w której elementy są

narażone na bezpośrednie ude-rzenie pioruna, a przez to na przepływ jego prądu aż do cał-kowitego włącznie. Występuje w niej nietłumione pole elek-tromagnetyczne,§LPZ 0B – w której elementy nie

są narażone na bezpośrednie uderzenie pioruna, ale wystę-puje nietłumione pole elektro-magnetyczne,§LPZ 1 – w której elementy nie

są narażone na bezpośrednie uderzenie pioruna i prądy we wszystkich znajdujących się w niej częściach przewodzących są zredukowane w stosunku do prądu w strefie 0B. W zależności od środków ekranowania może być w niej tłumione pole elek-tromagnetyczne. Jeżeli jest wymagane dodatko-

we zmniejszenie prądów przewo-dzonych i/lub pola elektromagne-tycznego, według [2] powinny być wprowadzone strefy ochronne LPZ.

Dla urządzeń ochrony przepięcio-wej (SPD) stosowanych do połą-czeń na granicy między strefami LPZ 0A i LPZ 1 należy przyjmować wartości prądów piorunowych od 200 do 100 kA w zależności od przy-jętego poziomu ochrony obiektu, z uwzględnieniem podziału prą-du na wiele przewodów, gdy takie istnieją. Urządzenia należy dobie-rać indywidualnie, zakładając, że w zewnętrznych częściach przewo-dzących znajdujących się w strefie LPZ 0B będzie przepływał prąd in-dukowany i mała część prądu pio-runowego [2].

Urządzenia ochrony przepięcio-wej (SPD) muszą wytrzymywać czę-ściowe prądy piorunowe i powin-ny spełniać dodatkowe wymaga-nia dotyczące maksymalnych na-pięć na zaciskach przy przepię-ciach i zdolności gaszenia prądu następczego z instalacji zasilają-cej [2]. Wysokie wymagania tech-niczne stawiane ogranicznikom, zwłaszcza na granicy strefy LPZ 0A i LPZ 1, mogą być spełnione przy wykorzystaniu iskierników w tech-

Fot. 1 Wrocławska Oczyszczalnia Ścieków Janówek

Rys. 1 Podział obiektu na strefy ochrony odgromowej

�

p r e z e n t a c j a

strefowa koncepcja ochrony odgromowej i przepięciowej w praktyceJerzy Zarówny – MPWiK we Wrocławiu, Andrzej Białorusow – DEHN Polska

w w w. e l e k t r o . i n f o . p ln r   4 / 2 0 0 6

nologii Radax Flow (DEHNventil, DEHNbloc Maxi, DEHNbloc Ma-xi S, DEHNbloc H, DEHNport Maxi, DEHNport) (fot. 2).

Ograniczniki wykonane w tej technologii – oprócz podstawowej funkcji wyrównania potencjałów w instalacjach elektrycznych i za-pewnienia niskiego napięciowe-go poziomu ochrony – skutecznie gaszą prądy następcze o amplitu-dach do 50 kAeff. Również systemy automatyki przechodzące przez po-szczególne strefy należy wyposa-żać w ograniczniki przepięć, które spełnią określone kryteria parame-trów dla danej strefy LPZ. W ofercie firmy DEHN jest duży wybór ogra-niczników dopasowanych do para-metrów powszechnie stosowanych systemów automatyki (tab. 2).

BLITZDUCTOR CT jest uniwer-salnym urządzeniem w techni-ce modułowej do ochrony syste-mów i wyposażenia techniki in-formatycznej. Urządzenia z rodzi-ny BLITZDUCTOR CT można stoso-wać jako ochronę zgrubną, ochronę zgrubną i dokładną oraz ochronę dokładną (rys. 2). Uzyskiwany po-ziom ochrony jest skoordynowany z odpornością udarową urządzeń końcowych systemów automatyki przemysłowej i techniki informa-tycznej. Istotną funkcją w budo-wie ogranicznika jest możliwość wymiany modułu bądź dokona-nia testów ogranicznika bez prze-rywania pracy obwodu chronione-go. Umożliwia to bypass umiesz-czony w podstawce ogranicznika, zapewniający nieprzerwaną pracę obwodu automatyki po wyciągnię-ciu modułu ochronnego.

przebieg procesu projektowania ochrony przepięciowej

W pierwszej kolejności należy określić zagrożenia, na jakie jest na-rażony projektowany obiekt, a także możliwości powstania przepięć i ich przedostania się do projektowanej instalacji. Należy także wyznaczyć, w jakiej strefie zlokalizowano nasz obiekt. Kolejnym etapem jest okre-ślenie odporności chronionego obiektu, czyli deklarowaną przez wytwórcę odporność najsłabszego elementu w obiekcie. Zgodnie z tym parametrem wyznaczamy strefę dla obiektu chronionego.

W dalszej kolejności należy wy-znaczyć przebieg granicy pomiędzy strefami. Jeżeli projektowany jest większy obiekt o skomplikowanej budowie, możliwe jest wyznaczenie wielu stref w zależności od odporno-ści urządzeń i instalacji instalowa-nych w danym obszarze. Na etapie projektowania można również tak lokalizować urządzenia, aby te o naj-mniejszej odporności zlokalizować

w wydzielonym obszarze, z ogra-niczoną liczbą wejść dla impulsów przepięciowych. Można w ten spo-sób znacznie uprościć budowę insta-lacji ochrony przepięciowej i zmniej-szyć koszty tej ochrony.

Po wyznaczeniu przebiegu gra-nic pomiędzy strefami należy wy-znaczyć wszystkie punkty połącze-nia instalacji, przechodzące przez te granice. Miejsca te wyznaczają lo-kalizację urządzeń ochrony. Dobór właściwych urządzeń ochrony zale-ży od tego, na granicy jakich stref wyznaczono te punkty. Należy pa-miętać, aby w lokalizacji uwzględ-nić wszystkie aspekty techniczne montażu ochronników, wskazane przez ich wytwórcę, zapewnić moż-

liwość skutecznego odprowadze-nia ładunku impulsu przepięcio-wego przez instalację wyrównania potencjałów. Wszystkie urządzenia ochrony są elementami tej instala-cji. Zatem każdy projekt, w którym uwzględniono urządzenia ochrony przepięciowej, powinien być po-przedzony analizą wynikającą ze strefowej koncepcji ochrony.

Ważnym aspektem jest strona eko-nomiczna tzw. analiza ryzyka (po-równanie kosztów budowy instala-cji ochrony przepięciowej z konse-kwencjami i kosztami powstałymi w wyniku awarii). Należy określić, na jakie straty jest narażony inwe-stor lub przyszły użytkownik pro-jektowanego obiektu. Należy oszaco-wać prawdopodobieństwo powstania przepięć i wyznaczyć, do jakich nale-żą kategorii. Bardzo ważne jest usy-tuowanie geograficzne obiektu, jak również charakter okolicy. Są miej-sca w różnym stopniu narażone na występowanie burz i wyładowań at-mosferycznych, lecz również prze-pięć powstających w instalacji zasi-lającej np. wskutek łączeń. W kosz-tach awarii bardzo często zasadniczy

Fot. 2 Ograniczniki wykonane w technologii Radax Flow

Branża Koszty spowodowane przerwą w pracy – 1 godz.

Papiernictwo ok. 10 000 €Browarnictwo ok. 10 000 €Motokooperanci ok. 12 000 €Elektrownia ok. 90 000 €Motomontażownia ok. 250 000 €Centrum obliczeniowe ok. 500 000 € (możliwa utrata danych)

Tab. 1 Oszacowane straty przedsiębiorstw różnych branż w wyniku jednogodzinnego przestoju produkcyjnego

Rys. 2 Przykład zastosowanej ochrony dla systemu pomiaru ultradźwiękowego w strefie Ex

�

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r   4 / 2 0 0 6

p r e z e n t a c j a

udział ma nie tyle wartość uszkodzo-nych urządzeń i instalacji, co straty powstałe wskutek zatrzymania ru-chu, przerwanie produkcji, koniecz-ność ponownego rozruchu instalacji. Do inwestora czy użytkownika nale-ży zatem ostateczna decyzja o zakre-sie zastosowanej ochrony.

przykładowe problemy przy projektowaniu układów ochrony przed przepięciami

Jednym z głównych problemów, który należy rozwiązać, jest umiesz-czanie w projektach ochronników z uwzględnieniem odpowiedniego wskazania aspektów związanych z ich montażem, od których zależy ich skuteczność. Należy zaprojekto-wać kompletny system, odpowied-nio ochraniający projektowaną in-stalację i urządzenia (fot. 3). Ko-nieczne jest wskazanie szczegółowe-go położenia ochronników i unik-

nięcie takiej lokalizacji, która nara-zi chronione obwody na przeniesie-nie, wyindukowanie ładunku impul-su przepięciowego w chronionej in-stalacji.

Skuteczną ochronę możemy za-pewnić stosując właściwe urzą-

dzenie. Problem ten wynika z ko-nieczności wykonania szczegóło-wej analizy zagrożeń oraz spraw-dzenia odporności urządzeń zain-stalowanych w chronionym obiek-cie za każdym razem, gdy jest pro-jektowana taka instalacja. Z powo-

du braku jednej, spójnej analizy dla całego projektowanego obiek-tu zdarza się, że branże elektrycz-na i automatyki „rozdzielają” po-między siebie poszczególne stop-nie ochrony, zapominając o zagro-żeniach na granicach stref, nie sto-sując koordynacji poszczególnych stopni zabezpieczeń.

Instalacja ochrony przepięciowej jest rozszerzeniem lub uzupełnie-niem instalacji wyrównania po-tencjałów. Należy pamiętać o nie-zbędnej jej rozbudowie oraz zapew-nieniu skutecznego odprowadze-nia ładunków impulsów przepię-ciowych. Należy również ograni-czyć długość odcinków połączeń tej instalacji wykonywanych prze-wodem kablowym. Ze względu na wyższą indukcyjność przewodów o przekroju kołowym, wyższą sku-teczność i szybkość odprowadza-nia ładunków zapewnia bednar-ka. Dla impulsu przepięciowego każdy metr przewodu wprowadza znaczne opóźnienie w odprowa-dzeniu ładunku i zwiększa zagro-żenie wprowadzenia przepięcia do chronionej instalacji.

Przykładem zastosowania zale-ceń Polskiej Normy PN‑IEC 61312 z wykorzystaniem ograniczników firmy DEHN jest Miejskie Przed-siębiorstwo Wodociągów i Kanali-zacji we Wrocławiu.

Fot. 3 Ochrona przed przepięcia-mi urządzeń w rozdzielni AKP – Wrocławska Oczyszczalnia Ścieków Janówek Fot. 4 Ochrona urządzeń gospodarki gazowej oczyszczalni ścieków. Strefa Ex

Interfejs/sygnał Zalecane urządzenia ochronne Podłączenie

Udary probiercze

na żyłę 8/20 µs

10/350 µs

Żyły ochronne

Kody koordynacji Pozostałe cechy

0 - 20 mA, 4 - 20 mA(równie z HART)

BCT MOD BE24, 30+BCT BASBCT MOD ME24, 30+BCT BASDCO RK ME 24DCO RK 24

śruboweśrubowe

wagowago

20 kA, 2,5 kA10 kA5 kA

300 A

2222

XX/1X/1X/14/1

na szynę, 2-częściowyna szynę, 2-częściowyna szynę, 6 mm szer.na szynę, 6 mm szer.

4 - 20 mA (równie i z HART)wg zaleceń NAMUR NE 21 lub wg PN-EN 61000-4-5,poziom probierczy 0,5 kV ż/ż, 1 kV ż/PG

BCT MOD BE24, 30+BCT BASBCT MOD ME 24, 30+BCT BASDCO RK ME 24

śruboweśrubowe

wago

20 kA, 2,5 kA10 kA5 kA

222

XX/1X/1X/1

na szynę, 2-częściowyna szynę, 6 mm szer.na szynę, 6 mm szer.

AS-i AS i MOD przez moduł sprzęgający 10 kA 2×2 – dopuszczenie AS-i

nr 12401

Sygnały cyfrowe

BCT MOD BE...+BCT BAS

BCT MOD ME...+BCT BAS

DCO RK ME...DCO RK E...

śrubowe

śrubowe

wagowago

20 kA, 2,5 kA

10 kA

5 kA300 A

2

2

22

XX/1

X/1

X/14/1

na szynę, 2-częściowytyp wg napięcia znamionna szynę, 2-częściowy

typ wg napięcia znamionna szynę, 6 mm szer.na szynę, 6 mm szer.

typ wg napięcia znamion

Bitbus BCT MOD BE5+BCT BASBCT MOD ME5+BCT BAS

śruboweśrubowe

20 kA, 2,5 kA10 kA

22

XX/1X/1

na szynę, 2-częściowyna szynę, 2-częściowy

Can-Bus(tylko przewód sygnałowy)

BCT MOD BE5+BCT BASBCT MOD ME5+BCT BAS

śruboweśrubowe

20 kA, 2,5 kA10 kA

22

XX/1X/1

na szynę, 2-częściowyna szynę, 2-częściowy

Delta Net Peer Bus

BCT MOD BE5+BCT BASBCT MOD ME5+BCT BAS

śruboweśrubowe

20 kA, 2,5 kA10 kA

22

XX/1X/1

na szynę, 2-częściowyna szynę, 2-częściowy

Tab. 2 Dobór ograniczników dla systemów automatyki (fragment)

�

w w w. e l e k t r o . i n f o . p ln r   4 / 2 0 0 6

instalacja ochrony przepięciowej urządzeń pomiarowych i sterowniczych

Instalacja ochrony przepięciowej urządzeń automatyki we Wrocław-skiej Oczyszczalni Ścieków Janó-wek powstała podczas uruchamia-nia i rozruchu instalacji automatyki tego obiektu. Podczas pracy komi-sji rozruchowej stwierdzono znacz-ne narażenie obiektu na przepięcia powstałe wskutek zakłóceń w sie-ci energetycznej i spowodowanych wyładowaniami atmosferycznymi. We wcześniejszym okresie oczysz-czalnia ograniczała się do zamknię-tych budynków stacji podnoszenia ścieków, budynku odwadniania osa-dów i pojedynczych urządzeń zain-stalowanych na wolnej przestrzeni. Nie było negatywnych doświadczeń z uszkodzeniami urządzeń wsku-tek przepięć. Jednak po rozbudowie oczyszczalni stwierdzono, że znacz-na część instalacji jest narażona na impulsy elektromagnetyczne. Przy-było obiektów otwartych, takich jak reaktory biologiczne i osadniki wtórne. Znacznie wzrosło obciąże-nie sieci energetycznej, co spowodo-wało bardziej widoczne skutki wszel-kich zakłóceń w sieci energetycznej. Wystąpiły pierwsze awarie spowodo-wane przepięciami. Dodatkowo oba-wiano się poważnych awarii, które mogłyby wystąpić w instalacjach ste-

rowniczych dla urządzeń gospodarki gazowej, biogazu, zlokalizowanych w strefie zagrożonej wybuchem. Zde-cydowano zatem, aby wszystkie za-grożone urządzenia gospodarki gazo-wej doposażyć w instalację ochrony przepięciowej.

Instalacja została zaprojektowa-na i zrealizowana przez wykonawcę systemu automatyki. Ze względu na prowadzenie oprzewodowania w tra-sach kablowych wykonanych z meta-lowych, zamkniętych korytek kablo-wych, kanalizacji teletechnicznej lub bezpośrednio w ziemi określono stre-fę dla okablowania sterowniczego i za-silania jako LPZ 0B. Urządzenia chro-nione wymagają zachowania warun-ków jak dla strefy LPZ 2. Do ochrony torów sygnałowych 4‑20 mA+Hart za-stosowano urządzenie BLITZDUCTOR BCT MOD ME24 po stronie urządze-nia chronionego oraz po stronie wejść sterownika obiektowego. Dla lokali-zacji w strefie zagrożonej wybuchem zastosowano specjalny typ MD EX (fot. 4). Dla ochrony urządzeń po stro-nie zasilania zastosowano ochronnik DEHNrail 230 FML. Po stronie roz-działu napięcia w szafach rozdziel-czych zastosowano ochronnik DEHNguard T (fot. 3). Ochronniki zlo-kalizowano w specjalnych skrzynkach pośrednich, bezpośrednio pod chronio-nymi urządzeniami, zapewniając sepa-rację okablowania przed i po ochronie (fot. 5). W szafie sterowniczej wydzie-lono obszar dla lokalizacji ochronni-ków torów sygnałowych, np. na bocz-nej ściance, separując w ten sposób wprowadzane z obiektu okablowanie od obszaru chronionego (fot. 6). Urzą-dzenia ochrony wybrano na podstawie wskazówek producenta urządzeń oraz warunków lokalizacyjnych, a także ze względu na sposób wykonania i pro-wadzenia instalacji w obszarze nara-żonym na oddziaływania czynników atmosferycznych. Wszystkie chronio-ne urządzenia są zasilane ze wspólne-go punktu analogicznie do przyporząd-kowania obiektowym układom sterow-niczym. Zastosowane ochronniki to-rów sygnałowych mają dwa elemen-ty ochronne – iskiernik i diodę bipo-

larną. Zapewnia to skuteczną i dokład-ną ochronę od impulsów wyinduko-wanych w instalacji sterowniczej. Do-datkowo okablowanie sygnalizacyjne jest prowadzone oddzielnie od kabli za-silających w wydzielonych, zamknię-tych metalowych korytkach kablowych lub w podziemnej kanalizacji teletech-nicznej. Podobnie okablowanie zasila-nia poprowadzono w zamkniętych ko-rytkach kablowych lub kablach bezpo-średnio układanych w ziemi. Zapew-nia to znaczne ograniczenie możliwo-ści wyindukowania się przepięć w in-stalacji od zewnętrznego pola elektro-magnetycznego. Przed przepięciami po-chodzącymi od układu zasilania chro-nią ochronniki II klasy zainstalowane w rozdzielnicach obiektowych (urzą-dzenia pomiarowe posiadają odrębne rozdzielnice od pozostałych urządzeń) oraz III klasy, bezpośrednio przy urzą-dzeniu. Sterowniki obiektowe zabez-pieczono również w specjalne ochron-niki dla magistrali portu szeregowego RS485. Tak zbudowany układ chroni skutecznie urządzenia od 2000 roku. Mimo powstałych znacznych szkód w niechronionych obwodach zasila-nia, rozdzielnicach energetycznych tyl-ko raz doszło do uszkodzenia karty ma-gistrali RS485 sterownika ze względu na powstałe doziemienie w ochronni-ku. Ochronniki charakteryzują się dużą trwałością. Wymieniane są pojedyncze egzemplarze uszkodzonych ochronni-ków zasilania i sygnałowych.

proponowane zmiany podanego przykładu

W miejsce ochronników dla obwodów zasilających III klasy DEHNrail lepiej zastosować II kla-sy DEHNguard. Napięciowy poziom ochrony tych ochronników wyno-si 1,5 kV i jest to wystarczające dla większości urządzeń renomowa-nych wytwórców, a odporność uda-rowa, znamionowy prąd wyładow-czy jest znacznie wyższy. Ochron-niki te są w stanie samodzielnie przechwycić znaczny ładunek im-pulsu przepięciowego, a ochronnik III klasy wymaga jednak poprzedza-

jącego stopnia ochrony. Zapewne z tego powodu na 50 zainstalowa-nych urządzeń w ciągu roku kilka sztuk jest wymienionych z powodu uszkodzenia.

W miejsce ochronników BLITZDUC-TOR BCT MOD zlokalizowanych w sza-fach sterowniczych, zajmujących znacz-ną przestrzeń, wygodniej jest zastoso-wać listwy z wbudowanymi ochron-nikami typu DEHNconnect DCO RK. Znacznie prościej można odseparować (np. stosując osłoną mechaniczną) tę część szafy, do której wprowadza się niechronione okablowanie.

Przy projektowaniu nowych in-stalacji zasadnicze urządzenia ochrony powinny być wyposażane w zdalną sygnalizację uszkodzenia. Dla ochrony przewodu neutralne-go nie należy stosować warystorów, czyli ochronnika z wkładką DEHN-guard T, lecz specjalną wkładkę z iskiernikiem DEHNgap CT.

literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infra-struktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytu-owanie (Dz.U. 02.75.690 ze zm.).

2. PN‑IEC 61312‑1:2001 „Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne”.

Fot. 5 Ochrona przed przepięciami sta-nowiska pomiarowego

Fot. 6 Ochrona przed przepięcia-mi sterownika od strony auto-matyki

�