Kuba – dlaczego piorun wprowadza się celowo do szyny wyrównania potencjałów?

Nie rozumiem dlaczego sami przez takie połączenie zapraszamy napięcie salama do domu?

Pytanie

Dalej nie rozumiem dlaczego sami przez takie połączenie zapraszamy napięcie salama do domu?

„jest to zjawisko normalne, a połączenie instalacji odgromowej z szyną wyrównania potencjałów poprzez uziemienie wykonuje się celowo. Będzie to opisane w kolejnych artykułach”

Nie mogę się doczekać nowego artykułu. 

pozdrawiam

Kuba

Odpowiedź

Panie Jakubie w dużym uproszczeniu wyjaśnię o co chodzi, i dlaczego celowo wprowadzamy część prądu pioruna do domu.

Zacznę od przypomnienia kilku podstawowych zagadnień z elektrotechniki, których zrozumienie będzie kluczowe:

• Napięcie – jest to różnica potencjałów elektrycznych pomiędzy dwoma punktami obwodu elektrycznego.
• Prąd – jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Aby pomiędzy dwoma punktami mógł popłynąć prąd, musi między nimi powstać napięcie czyli różnica potencjałów.
• Rezystancja – (opór elektryczny), w uproszczeniu określa jak dany materiał lub połączenie materiałów np. styk, przewodzi prąd elektryczny?
• Napięcie izolacji przewodu np. 450/750 V. W tym przykładzie 450 V, oznacza napięcie fazowe, czyli wartość skuteczną napięcia pomiędzy dowolną żyłą a „ziemią”, natomiast 750 V, oznacza napięcie międzyfazowe, czyli wartość skuteczną napięcia pomiędzy dowolnymi dwoma żyłami fazowymi przewodu.

Aby wytłumaczyć, po co celowo wprowadzamy napięcie pioruna do budynku należy wyjaśnić dwa sposoby ochrony:

• Wyrównanie potencjałów,
• ochrona przeciwprzepięciowa.

Wyrównanie potencjałów

Połączenia wyrównawcze to sposób ochrony prosty aż do bólu − wystarczy galwanicznie połączyć ze sobą wszystko, co dostępne i przewodzące, a nie pojawi się różnica potencjałów zagrażająca porażeniem. Jednak ta prostota jest zwodnicza, o czym mogą świadczyć wieloletnie, ostre dyskusje o tym, co łączyć, a czego nie łączyć, i dlaczego albo o tym, że w tym użyciu termin ekwipotencjalizacja oznacza znaczne zmniejszenie różnicy potencjałów w warunkach zakłóceniowych, ale na ogół nie do zera. 

Poza ogólnymi zasadami stosowania połączeń wyrównawczych głównych i miejscowych oraz uziomów fundamentowych bądź parafundamentowych, jest wiele szczegółowych i specyficznych zasad odnoszących się do określonych urządzeń i/lub miejsc o specjalnym przeznaczeniu i szczególnych warunkach środowiskowych. Trzeba upowszechniać tę wiedzę w trosce zarówno o bezpieczeństwo ludzi oraz zwierząt hodowlanych, jak i niezakłócone działanie ważnych urządzeń i układów elektrycznych.

Autor: Edward Musiał 

Źródło: http://edwardmusial.republika.pl/pliki/polaczenia_wyrownawcze_ochr.pdf

Czyli wyrównanie potencjałów polega na połączeniu do uziemienia wszystkich części przewodzących obcych.

Trudność polega na określeniu definicji części przewodzącej obcej ponieważ różne źródła przytaczają różne definicje. Dr inż. Edward Musiał z Politechniki Gdańskiej wskazuje błędy, które pojawiają się w obowiązujących normach, nie wiem, jaką definicję przyjął by sąd gdyby doszło do procesu w sprawie gdy na wskutek błędnie wykonanych połączeń wyrównawczych zginął człowiek. Czy obowiązująca byłaby definicja zawarta w dokumentach czy definicja jaka podają autorytety np. Edward Musiał.

Część przewodząca obca

Część przewodząca obca – część przewodząca nie będąca częścią instalacji elektrycznej, która może znaleźć się pod określonym potencjałem, zazwyczaj pod potencjałem ziemi. Częściami obcymi mogą być: metalowe części konstrukcyjne obiektów, metalowe instalacje gazowe, wodne itp. oraz przewodzące ściany, podłogi.

Źródło: http://www.sep.ciechanow.pl/?show=page_unlike&id=63&idm=62

Połączenia wyrównawcze dla celów ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych budynków zostały w Polsce wprowadzone zaledwie 35 lat temu i to w wersji bardzo ograniczonej: tylko połączenia wyrównawcze główne i bez wsparcia uziomem fundamentowym. Od blisko dziesięciu lat Polskie Normy teoretycznie są identyczne z Normami Europejskimi i powinny umożliwiać wykonywanie połączeń wyrównawczych w sposób zgodny z uznanymi w świecie zasadami wiedzy technicznej, ale pojawiły się przeszkody mentalne. Polskojęzyczne teksty norm są zdeformowane błędnym tłumaczeniem, w przepisach prawa budowlanego pojawiają się zapisy niezgodne z postanowieniami norm, a pseudowiedza natrętnie sprzedawana szeregowym elektrykom nie sprzyja podnoszeniu ich kwalifikacji. 

Autor: Edward Musiał 

Źródło: http://edwardmusial.republika.pl/pliki/polaczenia_wyrownawcze_ochr.pdf

W polskich dokumentach normatywnych i w licznych komentarzach do nich znajdują się następujące definicje terminu część przewodząca obca:
PN-91/E-05009/02 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Terminologia.
PN-IEC 60050-826:2000 Międzynarodowy słownik terminologiczny elektryki. Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
826-03-03. Część przewodząca obca – część przewodząca nie będąca częścią instalacji elektrycznej, która może znaleźć się pod określonym potencjałem, zazwyczaj pod potencjałem ziemi.
N SEP-E-001:2003 Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia. Ochrona przeciwporażeniowa.
Część przewodząca obca – dostępna dla dotyku część przewodząca, nie będąca częścią urządzenia elektrycznego, która może znaleźć się pod określonym potencjałem, zazwyczaj pod potencjałem ziemi.
Te błędne definicje,

…

Zatem poprawne polskie tłumaczenie brzmi: część przewodząca obca – część przewodząca nie będąca częścią instalacji elektrycznej, która może wprowadzić określony potencjał, zazwyczaj potencjał ziemi.

Wobec tego część przewodząca obca jest to dostępny dla dotyku przewodzący przedmiot, nie będący częścią urządzenia elektrycznego, który do rozpatrywanego pomieszczenia lub w inne rozpatrywane miejsce może z zewnątrz wprowadzić określony potencjał, np. metalowa konstrukcja budowlana, metalowy rurociąg, przewodząca podłoga lub ściana. Chodzi o przewodzące rurociągi, konstrukcje budowlane i inne przedmioty o dużych rozmiarach, przechodzące przez różne pomieszczenia i/lub różne kondygnacje, które do rozpatrywanego pomieszczenia lub w inne miejsce mogą wprowadzić z zewnątrz określony potencjał. Może to być potencjał ziemi w przypadku części przewodzących nieuchronnie uziemionych, a może to być potencjał części czynnej lub znaczna jego część – w przypadku części przewodzących nieuziemionych lub przypadkowo uziemionych przez dużą rezystancję, jeżeli może z nimi nastąpić zwarcie części czynnej.

Autor: Dr inż. Edward Musiał Politechnika Gdańska

Źródło: http://www.redinpe.com/attachments/materialy/materialy_03.pdf

Odpowiednie normy, określają minimalne przekroje przewodów jakich należy użyć do wykonania połączeń wyrównawczych, oraz minimalny przekrój np. bednarki jaką należy połączyć wszystkie instalacje z uziemieniem. Ponieważ samo połączenie wielu przewodów do bednarki było by kłopotliwe opracowano specjalną złączkę którą nazwano szyną wyrównania potencjałów.

Szyna Ekwipotencjalna

Dzięki stosunkowo dużym przekrojom połączeń wyrównawczych, rezystancja przewodów jest mała. Wszystkie podłączone do uziemienia (poprzez szynę wyrównania potencjałów) elementy przewodzące mają takie samo napięcie czyli ten sam potencjał.

Jeśli na którymkolwiek z połączonych do szyny wyrównania potencjałów elementów pojawi się jakiś potencjał (napięcie), niezwłocznie jest odprowadzane poprzez układ uziemienia do ziemi (potencjał jest wyrównywany do potencjału ziemi). Należy pamiętać, że potencjał pojawia się praktycznie w tej samej chwili na wszystkich podłączonych do szyny ekwipotencjalnej elementach dzięki czemu pomiędzy połączonymi elementami potencjał cały czas jest równy, co oznacza, że napięcie jest równe, lub bliskie 0 V.

Ochrona przeciwprzepięciowa

Gdy piorun uderzy w instalacje odgromową, w elementach przewodzących budynku w tym również w kablach i przewodach, pojawia się przepięcie, którego wartość jest ciężka do oszacowania, a uzależniona jest od bardzo wielu czynników (na potrzeby tego opracowania wystarczy takie uogólnienie). W celu ograniczenia strat spowodowanych przepięciami, stosuje się odpowiednio dobrane i zainstalowane ograniczniki przepięć. 

Ograniczniki przepięć różnią się między sobą budową, parametrami oraz układem podłączeń (są przeznaczone do konkretnego układu sieci energetycznej). Oznacza to, że nie wystarczy znać parametrów napięciowych ogranicznika, lub oznaczeń: T1 czy T2, lecz należy uwzględnić jeszcze do jakiego układu sieci dany ogranicznik może być użyty np. TT; TN-C; TN-S.

W doborze właściwego ogranicznika pomóc mogą kalkulatory i konfiguratory zebrane w sekcji elektryk doceni >>

Pojedynczy ogranicznik nie zapewni skutecznej ochrony wszystkich urządzeń zainstalowanych w domu. Aby ochrona była skuteczna ograniczniki muszą być odpowiednio dobrane i prawidłowo podłączone. Jednym z podstawowych błędów popełnianych podczas montażu ograniczników przepięć, a który skutkuje brakiem skutecznej ochrony są zbyt cienkie lub zbyt długie przewody łączące ogranicznik z szyną wyrównania potencjałów.

Poniżej uproszczony schemat doboru ograniczników przepięć. Należy zwrócić uwagę, że jeśli odległość pomiędzy ogranicznikiem przepięć a chronionym urządzeniem przekracza odległość 10 m (liczona po przewodzie), należy powielić stopień ochrony T2, natomiast ogranicznik T3, należy montować jak najbliżej chronionego urządzenia. 

Jak działa ogranicznik przepięć?

W dużym uproszczeniu np. w układzie sieci TN-S ogranicznik przepięć wpinany jest pomiędzy chroniony przewód (L1; L2; L3; N), a szynę wyrównania potencjałów. W przypadku wystąpienia przepięcia, napięcie pierwotnie narasta do wartości zadziałania ogranicznika przepięć (U_p), następnie w zależności od konstrukcji ogranicznika napięcie jest ograniczane lub ucinanie do odpowiedniej wartości.

W przypadku kompletnej i dobrze dobranej ochrony przeciwprzepięciowej, kolejne ograniczniki przepięć obniżają wartość przepięcia aż do wartości bezpiecznej dla chronionych urządzeń.

Wspomnieć należy, że rozróżniamy trzy główne konstrukcje ograniczników przepięć:

• iskiernikowe,
• warystorowe,
• kombinowane (iskiernik połączony z warystorem).

W zależności od wykonania różnią się miedzy sobą: napięciowym poziomem ochrony U_p, prądem udarowym I_iml, oraz typem sieci do jakiego mogą być zamontowane.

Korzyści z stosowania ochrony przeciwprzepięciowej

W bardzo dużym uproszczeniu przy sprawnych dobrze dobranych i zainstalowanych ogranicznikach przepięć, są dwie zasadnicze korzyści z ich stosowania:

• Znacznie ograniczona jest możliwość elektrycznego uszkodzenia izolacji przewodu lub kabla. Każda izolacja wytrzymuje określoną wartość napięcia, jeśli wartość ta zostanie przekroczona izolacja może ulec uszkodzeniu a przewód lub kabel nadaje się do wymiany.
• Napięcie w chronionym obwodzie jest w zakresie napięcia wytrzymywanego przez elementy instalacji, nie występują nieprzewidziane i groźne dla podłączonych urządzeń wzrosty napięcia. Dzięki czemu nie występuje niebezpieczne iskrzenie pomiędzy elementami znajdującymi się pod napięciem, np. ścieżkami na płytkach w obwodach elektronicznych.

Moja rada

Wybierając ograniczniki przepięć warto wybrać ogranicznik którego konstrukcja zawiera iskiernik, oraz jakość parametrów ogranicznika jest potwierdzona badaniami przeprowadzonymi w niezależnych laboratoriach (bo skąd można wiedzieć, że to co podaje producent jest prawdą). W sprzedaży jest dostępnych bardzo dużo produktów, które w mojej opinii nigdy nie powinny być dopuszczone do sprzedaży, ale cóż się nie zrobi dla zysku a i tak większa część klientów kieruje się zasadą CCC.

Zainteresowane osoby odsyłam do artykułu: Inteligentny budynek, ile kosztuje? w którym opisałem zagadnienie. 

Więcej informacji można również przeczytać w opracowaniu przygotowanym przez Krajową Izbę Gospodarczą Elektroniki i Telekomunikacji, opracowanie do pobrania poniżej: 

Pobierz opracowanie KIGEiT SPAE >>

Uderzenie pioruna w budynek

Jeśli w instalacje odgromową na budynku (zewnętrzny LPS) uderzy piorun, wówczas jest on sprowadzany i rozpraszany w ziemi poprzez sieć zwodów, przewodów odprowadzających i uziemienie.  Należy pamiętać, że czas w jakim prąd piorunowy przepływa przez instalacje odgromową jest bardzo krótki, ale wartości zarówno napięcia jak i prądu są ekstremalnie duże.

Jakie napięcie ma piorun?

Podczas wyładowania atmosferycznego napięcie osiąga bardzo duże, trudne do oszacowania wartości. Aby uzmysłowić skalę zagadnienia skupmy się na wytrzymałości dieelektrycznej (izolacyjnej) powietrza, która zależy od bardzo wielu czynników takich jak temperatura, ciśnienie…

Pomiary wytrzymałości dieelektrycznej powietrza są znormalizowane i zainteresowane osoby odsyłam do szczegółowych opracowań w tym zakresie.

Wytrzymałość dielektryczna powietrza przy ciśnieniu 1 atmosfery, w temperaturze 0 °C, pomiędzy płaskimi elektrodami wynosi 32 kV/cm.
Źródło: Jerzy Antoniewicz: Własności dielektryków.

Czyli, aby popłynął prąd, pomiędzy dwoma elektrodami oddzielonymi powietrzem, oddalonymi o 1 cm potrzebne jest napięcie około 32 000 V (32 kV).

Zastanów się, mówiąc o instalacji odgromowej często odstępy izolacyjne są powyżej 50 cm. Zadasz sobie trud, przeliczysz o jakich wartościach napięcia mówimy?

32 000 V x 50 cm = ……. V

Źródło: Instalacja odgromowa – jak prawidłowo wykonać?

Jaki prąd ma piorun

Maksymalnej wartości prądu pioruna nie da się, dokładnie przewidzieć. Na podstawie przebadanych wyładowań atmosferycznych przyjmuje się, że maksymalny prąd piorunowy wynosi 200 000 A czyli 200 kA. Zabezpieczenie gniazd jednofazowych w budynku najczęściej jest bezpiecznikiem nadprądowym o wartości 16 A.

Źródło: Ile za elektryka, czyli za co płacisz elektrykowi? Rozdział o ogranicznikach przepięć.

Podsumowując

Na wskutek przepływu prądu piorunowego przez instalację odgromową, w przewodzących prąd elementach budynku (w tym również rury, kable i przewody) indukuje się napięcie. Bardzo łatwo może nastąpić „przebicie” i niebezpieczne dla życia lub zdrowia napięcie może pojawić się na rurach z wodą, grzejniku czy obudowie np. lodówki.

Dzięki temu, że wszystkie przewodzące prąd elementy budynku są podłączone do szyny wyrównania potencjałów:

• bezpośrednio jak np. rury,
• pośrednio jak np. żyły przewodów (poprzez ograniczniki przepięć).

Praktycznie w tym samym momencie wszystkie przewodzące elementy mają względem siebie ten sam potencjał, dzięki czemu nie ma niebezpiecznego iskrzenia i napięcie pomiędzy elementami jest bliskie 0 V.

Co jeśli uderzy piorun, a…

… jakaś przewodząca część budynku np. metalowe rury CO, nie będą podłączone do szyny wyrównania potencjałów?

W momencie przepływu prądu piorunowego wystąpi na nich napięcie o nieznanej i trudnej do przewidzenia wartości. Pomiędzy rurami CO, a przewodami zasilającymi sterownik pieca lub pompkę CO wystąpi duża różnica potencjałów. W sterowniku może wystąpić przeskok iskry, który może zniszczyć lub uszkodzić elektronikę, lub może nastąpić uszkodzenie izolacji w pompce CO (awaria pompki i brak ogrzewania). Skutki mogą być ciężkie do przewidzenia.

Artykuł nie wyczerpuje tematu, a jedynie w bardzo dużym uproszczeniu omawia wybrane zagadnienia. Osobom zainteresowanym tematem polecam kompletny poradnik dotyczący instalacji odgromowych.

LPS, czyli zewnętrzna instalacja odgromowa – PORADNIK