Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe - jak działają i jak je dobrać do instalacji?

Czym są zabezpieczenia przeciwprzepięciowe i kiedy są potrzebne?

Przepięcia to nagłe i krótkotrwałe skoki napięcia w sieci elektrycznej, które znacznie przekraczają wartości znamionowe. Mogą one powstawać na skutek bezpośrednich lub pośrednich wyładowań atmosferycznych (uderzeń piorunów) lub skoków napięcia wynikających z procesów łączeniowych w sieci. W przypadku wyładowań atmosferycznych, zarówno przewód fazowy, jak i neutralny mogą doświadczyć skoków wysokiego napięcia, które muszą być skutecznie odprowadzone do ziemi.

Rola zabezpieczeń przeciwprzepięciowych (SPD – Surge Protective Devices) jest nie do przecenienia. Stanowią one nieodłączny element każdego gospodarstwa domowego i biura, chroniąc instalacje elektryczne oraz urządzenia, takie jak komputery stacjonarne, telewizory czy telefony. Są kluczową częścią ochrony odgromowej obiektów budowlanych. Ich głównym zadaniem jest ochrona sieci i podłączonych do niej urządzeń przed negatywnymi skutkami przepięć, zapobiegając poważnym usterkom, awariom, a nawet katastrofom.

Jak działają zabezpieczenia przeciwprzepięciowe?

Instalacja zabezpieczeń przeciwprzepięciowych jest złożonym systemem, składającym się z kilku elementów, takich jak:

• ochronniki przeciwprzepięciowe (SPD),
• przewody uziemiające i odprowadzające,
• zaciski odgromowe,
• zwody,
• uziomy.

Zasada działania opiera się na podłączeniu przewodów fazowych oraz przewodu neutralnego do ochronnika przeciwprzepięciowego. W momencie wystąpienia przepięcia, ogranicznik przepięć redukuje napięcie dostarczane do urządzenia elektrycznego poprzez blokowanie lub zwarcie przepływu prądu. Blokowanie odbywa się za pomocą cewek indukcyjnych, które hamują nagłe zmiany prądu. Zwarcie natomiast jest realizowane przez iskierniki, lampy wyładowcze, półprzewodniki typu Zenera oraz warystory z tlenków metali (MOV), które zaczynają przewodzić prąd po osiągnięciu określonego progu napięcia. Kondensatory również mogą być używane do hamowania nagłych zmian napięcia. Dzięki temu, prąd wywołany przepięciem jest bezpiecznie kierowany prosto do uziomu, chroniąc instalację elektryczną przed poważnymi uszkodzeniami.

Rodzaje zabezpieczeń przeciwprzepięciowych – przegląd rozwiązań

Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe dzielą się na różne typy i klasy, co pozwala na ich odpowiednie zastosowanie w zależności od poziomu ochrony i lokalizacji. Przy klasyfikacji ochronników występują stare oznaczenia i nowe typy SPD. Według norm obecnie używa się oznaczeń Typ 1, Typ 2 i Typ 3, choć wielu producentów nadal stosuje stare symbole B+C, C i D.

Klasa A (niskie napięcie) - zabezpieczenia stosowane w instalacjach o bardzo niskim napięciu, zazwyczaj w niewielkich budynkach mieszkalnych lub gospodarczych.

Typ 1 (dawniej Klasa B) - montowane w głównej rozdzielnicy, w budynkach wyposażonych w instalacje odgromowe (piorunochrony). Mogą rozładowywać bardzo silne prądy piorunowe, charakteryzują się wysoką zdolnością do odprowadzania energii udaru. Są określone próbą klasy I - udarami o impulsie fali prądowej (kształcie) 10/350 µs i wartości szczytowej Iimp. Chronią przed bezpośrednim wyładowaniem strefę LPZ 1 (LPZ – Lightning Protection Zones - opis stref w dalszej części artykułu) na przejściu ze stref LPZ 0A i LPZ 0B, czyli obszar wewnątrz budynku. Powinny być instalowane możliwie najbliżej miejsca wprowadzenia instalacji elektrycznej do budynku. Obsługują napięcie na poziomie około 100 kV. Są niezbędne w obiektach posiadających instalację piorunochronną, a także w tych bez piorunochronów, ale z liniami zasilającymi doprowadzonymi drogą napowietrzną.

Typ 2 (dawniej Klasa C) - montowane w głównej rozdzielnicy, często poniżej SPD Typu 1 lub Typu 1+2 (z minimalną odległością 1 m). Rozładowują prądy z pośrednich uderzeń piorunów, przepięć indukcyjnych, przewodzących oraz tranzystorów przełączających. Charakteryzują się próbą klasy II - udarami o kształcie 8/20 µs i wartości szczytowej In. Niwelują przepięcia z obwodów zasilania, które nie są narażone na bezpośrednie wyładowanie atmosferyczne. Chronią strefę LPZ 2 na przejściu od LPZ 1. Powinny być zawsze używane. Ich instalacja jest zalecana szczególnie w budynkach często narażonych na uderzenia piorunów, np. w wieżowcach. Należy pamiętać, że zazwyczaj nie posiadają wewnętrznych zabezpieczeń przed prądem zwarciowym i wymagają dodatkowego bezpiecznika.

Typ 3 (dawniej Klasa D) - są przeznaczone do ochrony konkretnych, wrażliwych urządzeń. Stosuje się je w urządzeniu końcowym, np. w listwach przeciwprzepięciowych. Mają bardzo niską zdolność rozładowania. Określone są próbą klasy III - udarami o kombinacji napięciowo-prądowej (napięcie obwodu otwartego generatora Uoc 1,2/50 µs, prąd zwarcia ICW 8/20 µs). Zabezpieczają najbardziej wrażliwe urządzenia, jak systemy alarmowe, routery, automatyczne bramy wjazdowe czy konsole do gier. Chronią strefę LPZ 3 wewnątrz pomieszczenia.

Kombinacje typów SPD - w zależności od specyfiki obiektu, stosuje się również kombinacje ochronników:

• Typ 1 + 2 + 3 - w obiektach przemysłowych, gdzie występuje instalacja odgromowa;
• Typ 2 + 3 - gdy w obiekcie nie ma instalacji odgromowej;
• dostępne są także urządzenia Typ 1 + Typ 2.

Rodzaje ograniczników przepięć ze względu na budowę i zasadę działania

Ograniczniki przepięć mogą wykorzystywać różne technologie, często łączone w urządzeniach kombinowanych.

Iskiernikowy ogranicznik przepięć składa się z dwóch oddalonych od siebie elektrod. W momencie pojawienia się przepięcia, tworzy się łuk elektryczny (zwarcie) między elektrodami, kierując prąd udarowy do ziemi. Łuk wygasa, gdy napięcie wraca do wartości znamionowej. Ogranicznik iskiernikowy zapewnia dużą ochronę przed bezpośrednim wyładowaniem i nie zużywa się szybko. Jest często stosowany w SPD Typu 1. Jego czas reakcji wynosi około 1 µs, co jest postrzegane jako wada.

Warystorowy ogranicznik przepięć bazuje na warystorze, który w normalnych warunkach jest izolatorem - ma dużą rezystancję dla małych napięć. Przy przekroczeniu ustalonej wartości napięcia warystor gwałtownie zmniejsza swoją rezystancję, co prowadzi do rozłączenia lub przepalenia bezpiecznika. Musi być połączony równolegle ze źródłem napięcia. Warystory mogą pochłaniać znacznie wyższe energie przejściowe i tłumić zarówno dodatnie, jak i ujemne stany przejściowe. Czas reakcji tych ograniczników jest krótszy niż nanosekunda i mogą wytrzymać przepięcia do 70 000 A. Cechują się brakiem zwarciowego prądu zastępczego i niewielkimi rozmiarami. Wadą jest konieczność wymiany co kilka lat. Istnieje też ryzyko wybuchu w przypadku przekroczenia prądu znamionowego. Niektóre moduły warystorowe są wyposażone w rozłącznik termiczny, który bezpiecznie odłącza zużyty warystor.

Jak dobrać odpowiednie zabezpieczenie przeciwprzepięciowe do domu?

Dobór odpowiedniego zabezpieczenia przeciwprzepięciowego do instalacji domowej wymaga uwzględnienia rodzaju instalacji, poziomu zagrożenia oraz lokalizacji budynku. Jest to proces dość skomplikowany, wymagający oceny ryzyka.

Przyjąć należy trzy ogólne zasady stosowania odpowiedniej ochrony przeciwprzepięciowej:

1. poznanie rodzajów lub kategorii urządzeń przeciwprzepięciowych (Typ 1, Typ 2, Typ 3);
2. ocena ryzyka uderzeń piorunów i zdolności rozładowania wymaganych dla danej instalacji.
3. użycie odpowiednich urządzeń, by chronić same zabezpieczenia przeciwprzepięciowe.

Ocena ryzyka i strefy ochrony (LPZ – Lightning Protection Zones) według norm PN-HD 60364-7-712 i PN-EN 62305

• LPZ 0A - obszar zagrożony przez bezpośrednie wyładowania i pełne pole magnetyczne błyskawicy oraz jej pełny prąd.
• LPZ 0B - strefa zabezpieczona przed bezpośrednimi wyładowaniami, ale narażona na pełne pole elektromagnetyczne wyładowania i jego prąd.
• LPZ 1 - obszar wewnątrz budynku, gdzie prądy udarowe są ograniczane przez podział prądu i SPD. Na przejściu ze stref LPZ 0A i LPZ 0B jest chroniony przez ochronniki Typu 1.
• LPZ 2 - strefa (zazwyczaj pojedyncze pomieszczenie), w której prądy udarowe są dalej ograniczane. Na przejściu od LPZ 1 jest chroniona przez ochronniki Typu 2.
• LPZ 3 - strefa wewnątrz pomieszczenia, gdzie prądy udarowe są dalej ograniczane przez dalsze SPD na krótkich przewodach i w bezpośredniej bliskości urządzeń.

Praktyczne wskazówki dotyczące doboru zabezpieczeń dla instalacji domowych, zwłaszcza dla instalacji fotowoltaicznych

W przypadku braku odpowiednich odstępów izolacyjnych między systemem ochrony odgromowej a instalacją elektryczną (zwykle >0,5 m zgodnie z normą), lub gdy instalacja jest zamontowana na metalowym dachu, należy zainstalować ochronniki Typu 1 + Typu 2 (T1 + T2), aby zabezpieczyć się przed bezpośrednimi wyładowaniami i przepięciami.
Jeśli zachowany jest odpowiedni odstęp od ochrony odgromowej i dach nie jest metalowy, można zainstalować tylko ochronniki Typu 2.
W nowoczesnym domu, gdzie gniazda wykorzystują trzy przewody - liniowy, neutralny i uziemiający - wiele ograniczników łączy się ze wszystkimi trzema parami (linia-neutralny, linia-ziemia i neutralny-ziemia), aby zapewnić kompleksową ochronę przed skokami napięcia.
Do ochrony szczególnie wrażliwych urządzeń, takich jak systemy alarmowe czy routery należy stosować ograniczniki klasy D (Typ 3).

Najczęstsze błędy przy instalacji zabezpieczeń przeciwprzepięciowych

Nawet najlepsze zabezpieczenia mogą okazać się nieskuteczne, jeśli zostaną źle dobrane lub nieprawidłowo zainstalowane. Do najczęstszych błędów należą: złe miejsce montażu, brak uziemienia oraz nieprawidłowy dobór typu ochronnika.

Istotne kwestie, o których należy pamiętać:

• Złożoność instalacji - systemy zabezpieczeń przeciwprzepięciowych są dość skomplikowane. Dlatego za ich montaż powinni odpowiadać wyłącznie wykwalifikowani specjaliści z szeroką wiedzą teoretyczną i praktyczną. Samodzielne próby instalacji bez odpowiednich umiejętności mogą prowadzić do poważnych konsekwencji.
• Procedura instalacji - każda instalacja ochronników musi być poprzedzona odłączeniem dopływu prądu. Następnie konieczne jest dokładne zmierzenie napięcia za pomocą niezawodnych i nowoczesnych urządzeń pomiarowych.
• Dodatkowe zabezpieczenia - ograniczniki przepięć Typu C (dawniej Klasy C) zazwyczaj nie są wyposażone w wewnętrzne zabezpieczenia przed prądem zwarciowym, dlatego warto zainwestować w dodatkowy bezpiecznik współpracujący z nimi.
• Konserwacja warystorów - warystory, choć skuteczne, wymagają wymiany co kilka lat. Ich mankamentem jest również możliwość wybuchu w momencie przekroczenia prądu znamionowego. Niektóre nowoczesne moduły warystorowe posiadają rozłącznik termiczny, który bezpiecznie odłącza zużyty lub uszkodzony warystor. Należy upewnić się, że prąd zwarciowy w instalacji jest mniejszy niż wytrzymałość zwarciowa warystora (Isc < Iscpv), lub zwiększyć liczbę linii.

Zabezpieczenia antyprzepięciowe w sieciach przemysłowych i teleinformatycznych

W zaawansowanych instalacjach, jak sieci przemysłowe, serwerownie czy urządzenia IT, ochrona przed przepięciami jest niezwykle istotna ze względu na wysokie koszty ewentualnych uszkodzeń i krytyczność danych.

W obiektach przemysłowych wyposażonych w instalację odgromową często stosuje się kompleksowe kombinacje zabezpieczeń Typu 1 + 2 + 3. Producenci oferują pełną gamę produktów do ochrony przepięciowej DC i AC, obejmującą Typ 1, 2, 1+2, 3 oraz 2+3. Dotyczy to zarówno aplikacji wysokoprądowych, jak i aplikacji sterujących, w tym sieci Ethernet i RS-485.

W systemach fotowoltaicznych, na wejściu DC do przekształtnika (inwertera) należy zainstalować SPD przeznaczone do systemów PV, a na wyjściu AC przekształtnika ogranicznik Typu 2. W miejscu podłączenia do instalacji niskiego napięcia również wymaga się ogranicznika Typu 2, zależnie od typu instalacji (TT, TN). Jeśli panele PV są dalej niż 10 m od przekształtnika, zaleca się instalację dwóch SPD - jednego najbliżej paneli, a drugiego blisko przekształtnika.

Jakie są koszty i opłacalność stosowania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych?

Inwestycja w zabezpieczenia przeciwprzepięciowe to decyzja, która na pierwszy rzut oka może wydawać się dodatkowym kosztem. Jednak w dłuższej perspektywie, opłacalność tej inwestycji jest niezaprzeczalna, biorąc pod uwagę potencjalne straty w przypadku braku ochrony.

Potencjalne koszty braku odpowiednio dobranych zabezpieczeń mogą się wiązać z doprowadzeniem do poważnych uszkodzeń urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Koszty związane z naprawą lub wymianą uszkodzonych urządzeń i instalacji mogą być znacznie wyższe niż koszt zakupu i montażu zabezpieczeń. Spowodowane zwarciem uszkodzenie odbiornika może wygenerować dużą energię cieplną, stwarzając bezpośrednie zagrożenie pożarowe. Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe odgrywają kluczową rolę również w zakresie bezpieczeństwa mieszkających w budynkach ludzi.

W ochronę opłaca się inwestować. Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe, jeśli są prawidłowo zamontowane i optymalnie dobrane, charakteryzują się wysoką skutecznością działania. Są to urządzenia o stosunkowo niewielkich rozmiarach, które często mieszczą się w przydomowych rozdzielniach, co ułatwia ich instalację. Nie ma potrzeby stosowania różnych rodzajów zabezpieczeń dla linii komputerowej i telefonicznej, poza szczególnie wrażliwymi odbiornikami. Prawidłowo chroniona instalacja elektryczna zapewnia bezpieczeństwo i stabilność działania, co jest ważne zarówno z uwagi na wartość podłączonych urządzeń, jak i komfort oraz bezpieczeństwo mieszkańców.

Ceny dostępnych rozwiązań różnią się w zależności od typu, klasy i producenta. Przykładowo, ceny ochronników przeciwprzepięciowych mogą wahać się od kilkudziesięciu złotych za proste modele (np. ogranicznik przepięć klasy C+D 1P) do kilkuset złotych za bardziej zaawansowane (np. ogranicznik przepięć fotowoltaiczny DC klasy B+C 3P 12,5 kA 1000 V) czy systemy profesjonalne (np. iskiernikowy ogranicznik przepięć klasy B+C 4P 12,5 kA Professional).

Jakie zabezpieczenie do konkretnego ochronnika?

Wybór zależy od miejsca montażu w instalacji (rozdzielnica główna, urządzenia końcowe), poziomu zagrożenia (bezpośrednie czy pośrednie wyładowania atmosferyczne) oraz wrażliwości urządzeń, które mają być chronione. Ochronniki Typu 1 są do rozdzielnicy głównej przy instalacji odgromowej, Typu 2 w rozdzielnicy głównej jako ochrona ogólna, a Typu 3 do ochrony pojedynczych, wrażliwych urządzeń.

Jak dobrać model?

Warto zwrócić uwagę na nominalną wartość i charakterystykę impulsu napięcia dla SPD w odniesieniu do sprzętu podlegającego ochronie. Należy sprawdzić parametry takie jak Iimp (udar 10/350 µs) dla Typu 1 (np. T1 Iimp = 25 kA), In (udar 8/20 µs) dla Typu 2, Uoc (napięcie obwodu otwartego generatora 1,2/50 µs) dla Typu 3. Ważny jest również rodzaj ochronnika (iskiernikowy, warystorowy czy kombinowany) w zależności od specyfiki zastosowania, np. konieczności ochrony przed bezpośrednim wyładowaniem, czasu reakcji bądź częstotliwości wymiany.

Czy warto inwestować w rozwiązania jak najlepsze?

Zdecydowanie tak. Błędnie dobrane lub brak zabezpieczeń mogą prowadzić do poważnych uszkodzeń i zagrożeń dla całej instalacji i osób w budynku. Inwestycja w prawidłowo dobrane i zamontowane zabezpieczenia gwarantuje wysoką skuteczność działania, zapewnia bezpieczeństwo ludzi i urządzeń, a także chroni przed ryzykiem pożaru.

Potencjalne straty wynikające z przepięć często znacznie przewyższają koszty instalacji ochronników. Rynek oferuje szeroki wybór produktów zabezpieczających przed przepięciami od różnych producentów. Dostępne są zarówno pojedyncze ochronniki różnych typów, jak i kompleksowe rozwiązania kombinowane.

zdjęcia: Ekahardiwito — stock.adobe.com