Ochrona przeciwprzepięciowa - dobór i montaż w praktyce

Prawidłowa ochrona przeciwprzepięciowa składa się z kilku czynników, z których każdy musi być prawidłowo przemyślany, zaprojektowany i wykonany. W praktyce najczęściej jest to wykonywane tak, że jest przepis nakazujący stosowanie ograniczników przepięć, więc montowany jest tani ogranicznik. Przepis spełniony, ale czy chroni to instalację, urządzenia i budynek przed efektami przepięć?

Tani nie znaczy dobry. Jaki ogranicznik przepięć wybrać?

Na rynku jest wiele różnych ograniczników przepięć. Z zewnątrz wyglądają podobnie – różne są marki i parametry. Przeważnie wybierany jest najtańszy, a zwykle najtaniej wychodzi zakupić przez internet z Chin. Czym się różni ogranicznik za 10 zł od modelu za 300 zł z marketu budowlanego i takiego za kilka tysięcy, kupionego na zamówienie w hurtowni elektrycznej? Który z nich wybrać i po co?

Sam tylko ogranicznik nie zapewni prawidłowej ochrony – trzeba uwzględnić jeszcze kilka innych czynników, ale zacznijmy od wyboru ogranicznika.

Istnieje kilka ich typów: najczęściej można spotkać oznaczenia T2, T1, B, C oraz B+C oraz parę innych (potocznie nazywane, lecz niewystępujące w obowiązujących aktach prawnych). Do tego każdy posiada pewne parametry, które bardzo często są ignorowane, gdyż instalacja jest wykonywana bez projektu od osoby posiadającej uprawnienia do projektowania. W wielu instalacjach do prawidłowej ochrony wystarczy niedrogi T2. Wystarczy, o ile mamy do czynienia z instalacją w bloku lub niskim parterowym domu nieposiadającym ochrony odgromowej i z linią zasilającą w całości podziemną.

Wiedza na temat ochrony przeciwprzepięciowej wśród elektryków jak i laików w chwili obecnej jest bardzo słaba. Bardzo często można usłyszeć, że nie da się ochronić sprzętu elektronicznego przed uderzeniem pioruna w sieć lub nawet w odgrom na dachu budynku.

Linie napowietrzne – metody ochrony

Jednak w Polsce linie zasilające domy jednorodzinne i inne budynki to dość często linie napowietrzne. W mniejszych miejscowościach to wręcz standard. Uderzenie pioruna w taką linię powoduje, oprócz jej uszkodzenia, także trwałe uszkodzenie instalacji elektrycznej i urządzeń z niej zasilanych. Bardzo często kończy się to pożarem lub porażeniem prądem, jeśli w tym samym czasie ktoś dotykał urządzenia podłączonego do gniazdka.

Na taki wypadek i dla spełnienia przepisów w ogromnej liczbie montowane są najtańsze ograniczniki warystorowe bez projektu i bez sprawdzania ich typu oraz parametrów. Prąd udarowy wywołany uderzeniem pioruna powoduje pewne uszkodzenie wkładki w takim ograniczniku. Często przy tym wkładka eksploduje lub zaczyna się palić, uszkadzając resztę instalacji elektrycznej i może wywołać pożar, jeśli ogień palącego się tworzywa się rozprzestrzeni. O co często jest bardzo łatwo, choćby poprzez izolację przewodów idących po całym budynku. Nie ma też wtedy gwarancji, że przepięcie zostanie prawidłowo ograniczone, aby uchronić instalację, urządzenia i przede wszystkim budynek wraz z osobami się w nim znajdującymi. Sama tylko wymiana instalacji elektrycznej to koszt wielokrotnie większy od prawidłowo dobranego ogranicznika.

Trzeba też zaznaczyć, że wiele uszkodzeń urządzeń jest spowodowanych przepięciami łączeniowymi bardzo często nikt nie wie, kiedy wystąpiły, rzadko która instalacja ma na stałe wbudowany analizator napięcia sieci za kilkadziesiąt tysięcy. W takim wypadku urządzenie ulega uszkodzeniu i użytkownik kompletnie nie wie, co było przyczyną.

Najpewniejszą metodą ochrony przed prądem udarowym podczas uderzenia pioruna są ograniczniki T1 posiadające iskiernik, a nie warystor. Mają one zarówno wiele zalet, jak i pewne wady. Pierwszą wadą jest wysoka cena. Druga wada to krótkotrwałe zwarcie podczas uderzenia pioruna mogące spowodować zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych (bezpieczników).

Nie zawsze trzeba zabezpieczać wszystkie przewody fazowe za pomocą iskiernika. Piorun uderzający w linię napowietrzną z wszystkimi przewodami blisko siebie powoduje uszkodzenie ich izolacji i ten prąd udarowy nie płynie jednym z nich, tylko rozkłada się między nie. W takich przypadkach projektant często decyduje się na wybór tańszego ogranicznika T1 warystorowego lub ogranicznik 3+1, który jest znacznie lepszą opcją: są trzy warystory, jeden tylko iskiernik a wartość ograniczonego przepięcia L-N jest około dwukrotnie niższa, pozwalająca na ochronę urządzeń elektronicznych nawet bez dodatkowego ogranicznika T3 w gnieździe lub wewnątrz urządzenia.

Układ 3+1

Mało znany, lecz dopuszczalny przez normy układ 3+1 to po prostu warystory pomiędzy fazą/fazami (L) a przewodem neutralnym (N) oraz iskiernik pomiędzy przewodem neutralnym (N), a ochronnym (PE). W przypadku niestety bardziej rozpowszechnionego układu 4+0 wkładki warystorowe lub ewentualnie iskiernikowe pracują pomiędzy przewodami roboczymi (L i N) a ochronnym (PE). Przyjmując, że każda z wkładek układu 4+0 ograniczy przepięcie do wartości równo 1.5kV to ta wartość jest pomiędzy przewodem roboczym a ziemią (E, PE) – urządzenie zasilane z napięcia L-N więc w takim przypadku otrzymuje impuls przepięcia o wartości 3kV, a nie 1.5kV. Łatwo więc zauważyć, że najlepszą i zarazem stosunkowo niedrogą ochroną przeciwprzepięciową jest układ 3+1. Renomowani producenci posiadający laboratoria do ich testowania je polecają i niejednokrotnie udostępniają bezpłatnie wyniki ich prób i pomiarów w laboratoriach.

Powiedzmy, że posiadamy bardzo drogi ogranicznik typu T1 z iskiernikami a kilka-kilkanaście metrów przewodu dalej porządny warystorowy ogranicznik T2. Lub też ogranicznik we wspomnianym wyżej układzie 3+1. W wielu wypadkach ochroni to instalację oraz budynek. Ale czy na pewno i czy urządzenia również?

W pierwszych akapitach wspomniałem, że ochrona przepięciowa w instalacjach elektrycznych to nie tylko same ograniczniki przepięć. Także ich prawidłowy dobór, montaż oraz to o czym często inwestorzy lubią zapomnieć: prawidłowo wykonane uziemienie budynku.

Dobór ogranicznika polega m.in. na określeniu spodziewanej wartości natężenia i czasu trwania prądu płynącego przez ogranicznik. Długość i umiejscowienie tras przewodów ma bardzo duże znaczenie. Podczas wyboru przede wszystkim należy sprawdzić typ, wartości prądu nominalnego, maksymalnego, maksymalny czas ich trwania oraz szczytowe napięcie do jakiego zostaje ograniczone przepięcie. Niestety, jego wartość zwiększa się wraz z długością przewodów. Dość często elektromonterzy idą na skróty łącząc je kawałkiem przewodu od bloku rozdzielczego, od rozłącznika lub innego modułu rozdzielnicy.

Udar prądowy, dobezpieczenie ogranicznika i zabezpieczenia nadprądowe

Przyjmuje się, że na jednym metrze przewodu udar prądowy może wywołać spadek napięcia aż do 1kV, więc dwa metry przewodu między blokiem rozdzielczym a podstawą ogranicznika zwiększą przepięcie z np. 1.5kV do 5.5kV, gdyż spadek napięcia pojawia się na każdym z tych przewodów. Normy oraz producenci zalecają maksymalnie łącznie pół metra długości lub najlepiej połączenie w układzie V (na kształt tej litery). Czyli przewód idący z rozłącznika (potocznie FR) idzie do podstawy ogranicznika, a następnie z niego wychodzi do dalszej części rozdzielnicy lub instalacji elektrycznej – powinno tak być zawsze wykonywane, o ile jest tylko możliwość. Tak samo przewód uziemiający zamiast iść bezpośrednio do listwy lub bloku, powinien iść najpierw do podstawy, a następnie dopiero na listwę jak najkrótszym przewodem.

Warto wspomnieć, że ogranicznik przepięć B+C w normach nie został opisany i według większości ich interpretacji nie jest z nimi zgodny, więc radziłbym na nie uważać, a najlepiej nie decydować się na ich zakup. Inne bardzo częste błędy to niepotrzebne dobezpieczenie ogranicznika oraz dobezpieczanie za pomocą wyłącznika nadprądowego zwanego potocznie esem. Ogranicznik dobezpiecza się tylko wtedy, gdy wcześniejsze zabezpieczenie przeciwprzepięciowe przekracza zdolność zwarciową wkładki lub podstawy. Dobezpieczanie z użyciem wyłącznika powoduje, że podczas silniejszego udaru mogą skleić się jego styki lub może on nawet eksplodować. Do tego dochodzi jeszcze indukcyjność jego wyzwalacza zwarciowego, która dość znacznie pogarsza ograniczanie przepięć.

Uziemienie – jak robić to dobrze

Przechodząc do kwestii uziemienia trzeba wspomnieć, czym jest przepięcie. Przepięcie to nic innego, jak chwilowy wzrost wartości napięcia ponad pożądaną wartość, co może spowodować uszkodzenie instalacji elektrycznej, urządzeń a także doprowadzić do porażenia prądem czy to podczas przepięcia czy też jakiś czas po nim, wskutek uszkodzenia izolacji.

Napięcie elektryczne to nic innego jak różnica wartości potencjałów (ilości nośników elektrycznych - elektronów lub jonów). Uziemienie powoduje wyrównanie tego potencjału zarówno w trakcie normalnej pracy (co chroni przede wszystkim od porażenia prądem), jak i podczas przepięcia, zwłaszcza wywołanego uderzeniem pioruna.

Pod każdym względem najlepszym uziomem jest uziom fundamentowy. Poza trwałością i dość niskim kosztem jego wykonania, zapewnia najlepszą ekwipotencjalizację – czyli wyrównanie potencjału, mające duży wpływ na ograniczenie wartości przepięcia i ochronę przed uszkodzeniem izolacji w instalacji i w urządzeniach z niej zasilanych. Niestety, uziom fundamentowy możliwy jest w realizacji jedynie w trakcie budowy fundamentu. Po zalaniu go zaprawą nie jest to już możliwe. Powołując się na normy - maksymalna dopuszczalna wartość rezystancji uziemienia to zwykle 10 Ohm (10 Omów lub 10Ω).

W praktyce im mniej rezystancji, tym lepiej. Jednak pomiar tej wartości zwykle nie jest wykonywany w sposób udarowy, czyli pokazujący realną sytuację przy uderzeniu pioruna i przy przepięciach łączeniowych. Uziom pionowy z jednej pary kilku, czy nawet kilkunastu szpil i kilkudziesięciu metrach przewodu z wynikiem np. 9 Ohm może stanowić wystarczający środek ochrony od porażeń (w zależności od układu sieci i innych czynników), ale źle to współdziała z ochroną przeciwprzepięciową.

Również prowadzenie przewodów blisko innych instalacji narażonych na uderzenie pioruna lub inne przepięcia powoduje zaindukowanie się napięcia w taki sam sposób jak działają transformatory - poprzez indukcję elektromagnetyczną. Czym dłuższy przewód, tym większa jego impedancja (słabsze „odprowadzenie” przepięcia do odległego ogranicznika) oraz ryzyko powstania przepięcia, wobec czego producenci często zalecają ponawianie ograniczników przepięć (zwykle T2 są wystarczające, ale nie zawsze) co 50m lub częściej (jeśli odcinek jest większy niż 10 m należy powielić ochronę T2). Ja polecam dodatkowo uziemić przewód ochronny PE na końcu tej linii - normy dopuszczają uziemianie przewodu PE w wielu miejscach - nie dość, że zmniejszy to wartość przepięć to jeszcze dość znacznie ograniczy ryzyko związane z porażeniem prądem.

W tym momencie mamy ograniczone przepięcia, powiedzmy gdzieś w zakresie do 1-2kV (1kV = 1000V) przy impulsie trwającym 8/20us. Prawidłowo wykonana instalacja elektryczna przy użyciu nie najtańszych materiałów nie powinna ulec uszkodzeniu. Również wiele urządzeń elektronicznych to wytrzyma.

Niestety, nie wszystkie: zwykle najdelikatniejsze są te najmniejsze. Przykładowo, mała ładowarka do telefonu ma mostek Greatza zbudowany z diod prostowniczych, które w swym wnętrzu mają bardzo cienkie druciki. Prąd wywołany przepięciem bardzo łatwo może je uszkodzić, podobnie jest z ich strukturą krzemową. Za mostkiem zwykle pracują kondensatory elektrolityczne, które również mają swoją wytrzymałość, w tym wypadku bardziej na wartość napięcia niż tak krótki udar prądowy. Tak małe kondensatory (o małej pojemności) bardzo szybko przyjmą ładunek prowadząc do nadmiernego napięcia. Dobrze zaprojektowana ładowarka lub inne urządzenie impulsowe ma szansę wytrzymać taki udar nawet bez posiadania warystorów w swym wnętrzu, o których można przeczytać w następnym akapicie.

Zabezpieczenie urządzeń elektronicznych

Najbardziej podatne na przepięcia urządzenia elektroniczne dodatkowo zabezpiecza się na kilka sposobów. W instalacji elektrycznej w puszce gniazd zasilających delikatne i drogie urządzenia wstawia się ogranicznik typu T3 w postaci małego elementu z przewodami. Ograniczniki T3 na szynę montażową TH35 najczęściej spotyka się w systemach przeciwpożarowych, gdyż ich awaria podczas pożaru miałaby bardzo złe skutki... Inne sposoby to warystory THT oraz czasami diody transil, oba do montażu na płytkach drukowanych urządzeń. Niestety, zwykle można je spotkać tylko w droższych urządzeniach, jak np. kuchenki elektryczne a np. wewnątrz zasilacza komputera już dość rzadko.

Świadomi zagrożenia elektrycy oraz elektronicy niejednokrotnie domontowują je na własną rękę – jedna sztuka kosztuje w detalu 1-5zł. Gdy udar wywołany przepięciem znacznie przekroczy zdolność takiego warystora, to w praktyce najczęściej ulega on uszkodzeniu powodując permanentne zwarcie, jednak po jego wymianie zazwyczaj urządzenie może dalej pracować. Kilka przykładowych sztuk różnego typu i różnych producentów można zobaczyć poniżej:

Takie same warystory można też znaleźć w listwach przeciwprzepięciowych. Panuje błędna opinia, że sama tylko listwa chroni urządzenia przed skutkami przepięć. Tak samo istnieje równie błędna opinia, że przed nimi ochroni najtańszy ogranicznik w instalacji elektrycznej.

Należy pamiętać że ograniczniki T3 oraz te małe warystory stanowią "końcowy etap" ograniczania przepięć, a nie jedyny lub co gorsza wstępny.

Zasady prawidłowej ochrony przed przepięciami

1. Dobór sposobu ochrony, typu i modelu ogranicznika zleć projektantowi posiadającemu uprawnienia do projektowania instalacji elektrycznych zamiast robić to samemu lub zlecać "zwykłemu" elektrykowi.
2. O ile nie masz układu TN-C na WLZ (czyli na przewodzie idącym od licznika), to spytaj projektanta o możliwość zastosowania układu 3+1.
3. Długie linie co maksymalnie 50 metrów powinny mieć ponawianą ochronę przeciwprzepięciową, zwykle za pomocą ograniczników przepięć T2 (jeśli odcinek jest większy niż 10 m należy powielić ochronę T2).
4. Jeśli tylko jest możliwość, ogranicznik powinien być podłączony na kształt litery V, tzn. przewód dochodzi do złącza i drugi od niego odchodzi.
5. Obudowa ogranicznika, wkładek i samej podstawy u bardziej cenionych producentów jest niepalna – w krytycznej sytuacji ratuje to przed pożarem.
6. Zadbaj o prawidłowo wykonany uziom i jak najkrótszą trasę przewodu uziemiającego między uziomem a rozdzielnicą.
7. Uziom fundamentowy zapewnia najlepszą ekwipotencjalizację, a przez to ochronę przed skutkami przepięć. Do tego często jest najtańszy w budowie. Zadbaj o obecność elektryka w trakcie budowy fundamentu, gdyż później uziom można wykonać tylko innymi, gorszymi i droższymi metodami. Tak samo zadbaj o połączenia wyrównawcze, zwłaszcza w dolnych kondygnacjach - zwiększa to bezpieczeństwo instalacji elektrycznej i zmniejsza przepięcia.
8. Przewody najbardziej narażone na przepięcia i prąd udarowy (WLZ oraz przewód uziemiający) prowadź jak najdalej od innych przewodów i instalacji. Im są dalej, tym mniejsza ich wzajemna indukcja oraz mniejsze ryzyko powstania łuku elektrycznego między nimi.
9. Przewody uziemiające powinny mieć przekrój poprzeczny nie mniejszy niż 16mm2.
10. Urządzenia elektroniczne, zwłaszcza te najdelikatniejsze, najdroższe oraz kluczowe dla ludzkiego życia (p-poż, centrale telefoniczne, szpitale itp) powinny być dodatkowo chronione przez ograniczniki T3, warystory/trasile w ich wnętrzu lub nawet oba te sposoby.
11. Okresowo, najlepiej po każdej burzy, sprawdzaj okienka w wkładkach ograniczników przepięć. Zależnie od producenta, najczęściej zielony kolor oznacza prawidłową pracę, a czerwony uszkodzenie i konieczność wymiany wkładki. Uszkodzona wkładka nie daje żadnej ochrony przed przepięciami.
12. Okresowo zgodnie z ustawą raz na góra 5 lat, zlecaj przegląd instalacji elektrycznej wraz z oględzinami i pomiarami także i uziemienia. Do ochrony przeciwprzepięciowej i odgromowej pomiar uziemienia powinien być wykonany metodami udarowymi.