Podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w zewnętrzną instalację piorunochronną obiektu budowlanego prąd piorunowy powinien być bezpiecznie odprowadzany do systemu uziomowego. Zastosowanie poprawnie zaprojektowanej i wykonanej instalacji zewnętrznej nie eliminuje jednak różnic potencjałów pomiędzy poszczególnymi instalacjami oraz przewodzącymi elementami wewnątrz obiektu. W typowych przypadkach prąd piorunowy rozpływający się w przewodach odprowadzających może wywołać różnice potencjałów o znacznych wartościach (kilkadziesiąt –kilkaset kilowoltów lub nawet wyższe).

Wyrównywanie potencjałów instalacji wprowadzanych do obiektu budowlanego

Wewnątrz obiektu budowlanego, w którym brak systemu wyrównywania potencjałów lub został on wykonany w sposób nieprawidłowy, powstające różnice potencjałów mogą spowodować:
• zagrożenie porażeniowe ludzi przebywających wewnątrz obiektu,
• uszkodzenie instalacji elektrycznej oraz obwodów przesyłu sygnałów,
• uszkodzenie urządzeń,
• zagrożenie pożarowe.
Ograniczenie występujących zagrożeń zapewnia wyr��wnywanie potencjałów instalacji przewodzących wprowadzanych do obiektu oraz przebiegających w jego wnętrzu.

Ogólne zasady wyrównywania potencjałów

Podstawowe zasady wyrównania potencjałów zewnętrznych instalacji przewodzących wprowadzanych do budynku zawarto w normach dotyczących ochrony odgromowej obiektów budowlanych (serie PN-IEC 61312, PN-IEC 61024, PN-EN 62305). Przedstawiane zalecenia dotyczą obiektów budowlanych posiadających urządzenia piorunochronne, ale powinny być również stosowane w obiektach nie chronionych przed wyładowaniem piorunowym. Postępując zgodnie z tymi zasadami należy wyrównać potencjały wszelkich przewodzących instalacji wprowadzanych do obiektu. Poniżej zestawiono podstawowe wymagania, jakie należy przestrzegać wprowadzając instalacje przewodzące do obiektów budowlanych.

  • Instalacje wprowadzane należy łączyć z szyną wyrównawczą, dowolnym elementem urządzenia piorunochronnego lub metalowym elementem konstrukcji obiektu w miejscu położonym możliwie najbliżej miejsca wprowadzania instalacji.
  • Zewnętrzne instalacje przewodzące oraz linie przesyłu sygnałów i elektroenergetyczne powinny wchodzić do obiektu blisko poziomu gruntu. Zalecanym rozwiązaniem jest wprowadzanie wszelkich instalacji w jednym, wspólnym miejscu (rys. 1).
  • Do szyny wyrównawczej należy bezpośrednio dołączyć:
    - metalowe rury instalacji wodnokanalizacyjnej, gazowej, centralnego ogrzewania;
    - telekomunikacyjne, pomocnicze i pomiarowe elektrody uziemiające;
    - ekrany lub przewodzące elementy konstrukcyjne linii transmisji sygnałów;
    - przewody PEN lub PE sieci elektroenergetycznej.
  • Urządzenia ograniczające przepięcia SPD (ang. Surge Protective Devices) powinny być zainstalowane w miejscu wprowadzanie instalacji do obiektu i łączyć z główną szyną wyrównawczą:
    - przewody fazowe i neutralny (jeśli taki występuje) instalacji elektrycznej,
    - przewody przesyłu sygnałów.
Rys. 1 Połączenia instalacji przewodzących z szyną wyrównywania potencjałów w miejscu ich wprowadzenia do obiektu Rys. 1 Połączenia instalacji przewodzących z szyną wyrównywania potencjałów w miejscu ich wprowadzenia do obiektu

Połączenia układów SPD z główną szyną wyrównawczą powinny być możliwie najkrótsze i o małej impedancji.

  • Wstawki izolacyjne, które mogą występować w rurociągach gazowych lub wodnych należy, za zgodą dostawców gazu i wody, mostkować za pomocą iskierników przeznaczonych do takich celów.
  • Jeżeli instalacji zewnętrznych, linii zasilających, telekomunikacyjnych i sygnałowych nie można wprowadzić do obiektu w jednym miejscu i wchodzą one w różnych punktach to należy zastosować kilka szyn wyrównawczych połączonych możliwie najkrótszymi przewodami z uziomem otokowym oraz ze zbrojeniem obiektu (rys. 2a). Jeśli uziom otokowy nie jest stosowany, to szyny połączeń wyrównawczych powinny zostać połączone z oddzielnymi uziomami oraz połączone wzajemnie ze sobą za pomocą wewnętrznego przewodu otokowego (lub otoku częściowego rys. 2b).
  • Przewód łączący szyny wyrównawcze należy łączyć z przewodzącymi elementami konstrukcji żelbetowej lub innymi elementami ekranującymi.
  • W przypadku wprowadzana zewnętrznych części przewodzących nad ziemią, szyny wyrównawcze powinny być połączone z poziomym, wewnętrznym lub zewnętrznym przewodem otokowym, połączonym z przewodami odprowadzającymi urządzenia piorunochronnego oraz ze zbrojeniem, jeśli ono istnieje.
  • Główna szyna wyrównawczej umieszczana jest najczęściej na poziomie ziemi możliwie najbliżej miejsca, w którym wchodzą instalacje przewodzące i połączona z uziomem np. uziomem fundamentowym. Do szyny należy również dołączyć występujące w obiekcie części metalowe dźwigów, przewody wentylacyjne itp. Rury doprowadzające / odprowadzające paliwo z ochroną katodową należy łączyć z szyną wyrównywania potencjałów przez iskiernik.
Rys. 2 Przykłady rozwiązań układu wyrównywania potencjałów w przypadku kilku miejsc wejścia zewnętrznych instalacji przewodzących do obiektu Rys. 2 Przykłady rozwiązań układu wyrównywania potencjałów w przypadku kilku miejsc wejścia zewnętrznych instalacji przewodzących do obiektu Rys. 2 Przykłady rozwiązań układu wyrównywania potencjałów w przypadku kilku miejsc wejścia zewnętrznych instalacji przewodzących do obiektu

Podstawowymi elementami wspólnych sieci połączeń wyrównawczych wewnątrz obiektów budowlanych są szyny oraz pierścienie wyrównawcze. Poniżej zestawiono podstawowe wymagania dotyczące tych elementów. Szczególną uwagę zwrócono na główne szyny lub pierścienie wyrównawcze.

Główna szyna wyrównawcza

  • Główna szyna wyrównawcza powinna być połączona możliwie najkrótszym przewodem z uziomem i metalowym elementami zbrojenia obiektu, jeśli one występują.
  • W niewielkich budynkach dopuszczalne jest stosowanie szyny wyrównywania potencjałów umieszczonej na jednej ze ścian wewnątrz obiektu.
  • Główna szyna wyrównawcza powinna być wykonana z ocynkowanego płaskownika stalowego lub miedzianego o przekroju, co najmniej 75 mm² i mieć zaciski śrubowe nie mniejsze niż M10, zabezpieczone przed odkręcaniem się.
  • Szynę należy umieścić w miejscu dostępnym do kontroli, np. na ścianie. W przypadku mocowania szyny miedzianej na wspornikach stalowych należy zastosować podkładki chroniące przed korozją.
  • W celu uzyskania najkrótszych połączeń z uziomem wskazane jest instalowanie szyny wyrównawczej w suterenie obiektu.

Główny pierścień wyrównawczy

  • Główne pierścienie wyrównawcze powinny obiegać dookoła od wewnątrz cały budynek po jego ścianach zewnętrznych i być tak zlokalizowane w obiekcie, aby istniała możliwość ich połączenia z uziomem możliwie najkrótszymi przewodami. W obiektach budowlanych, w których pracują rozległe systemy elektroniczne (np. systemy telekomunikacyjne, sieci komputerowe) pierścień wyrównawczy powinien być łączony ze zbrojeniem, co ok. 5 m.
  • W celu uzyskania najkrótszych połączeń z uziomem wskazane jest instalowanie pierścienia wyrównawczego w suterenie obiektu.
  • W budynkach nieposiadających podziemnych kondygnacji pierścień lub szyna wyrównywania potencjałów powinna być zamocowana możliwie najniżej, nie niżej jednak niż 300 mm nad poziomem ziemi.
  • Pierścień wyrównywania potencjałów powinien być wykonany z nieizolowanego przewodu stalowego ocynkowanego lub miedzianego w postaci linki, pręta okrągłego, taśmy lub szyny o przekroju, co najmniej 120 mm² - w przypadku stali i 50 mm² w przypadku miedzi.
  • Pierścień wyrównywania potencjałów powinien być zamocowany do wsporników stalowych na wewnętrznej stronie ściany, w dolnej kondygnacji budynku, w miejscach łatwych do kontroli i obserwacji i chroniących przed uszkodzeniem mechanicznym (rys. 3).
  • Przy przechodzeniu przez ściany pierścień powinien być umieszczany w rurach z PCV lub ceramicznych.
  • Przewód miedziany należy zamocować na wspornikach stalowych mających podkładki chroniące przed korozją.
  • W budynkach wielokondygnacyjnych szynę lub przewód wyrównawczy, najlepiej obiegający dookoła od wewnątrz całą kondygnację po jej ścianach zewnętrznych, należy instalować na każdym piętrze.
  • Umieszczone na poszczególnych piętrach pierścienie wyrównywania potencjałów powinny być ze sobą połączone przy pomocy pionowych przewodów oddalonych od siebie o kilka – kilkanaście metrów.
  • Systemy, elementy i urządzenia, które z przyczyn eksploatacyjnych lub ochrony przed korozją nie mogą być na trwałe uziemione należy łączyć z pierścieniem, szyną wyrównawczą lub innymi, spełniającymi tę rolę, elementami konstrukcji stalowej za pośrednictwem iskierników ochronnych.
Rys. 3 Pierścień wyrównawczy w obiekcie budowlanym Rys. 3 Pierścień wyrównawczy w obiekcie budowlanym

Przewody uziemiające, stanowią połączenie głównego pierścienia wyrównawczego lub głównej szyny wyrównawczej z uziomami naturalnymi lub sztucznymi, powinny być:
- wykonane w sposób pewny i trwały pod względem mechanicznym i elektrycznym;
- prowadzone w miarę możliwości najkrótszymi drogami;
- zabezpieczone przed uszkodzeniami mechanicznymi, na przykład za pomocą ceownika lub kątownika stalowego.

Należy stosować połączenia spawane albo, jeżeli jest to trudne lub niemożliwe do wykonania, połączenia mechaniczne (np. połączenia śrubowe) mające zacisk lub zaciski zabezpieczone przed rozluźnieniem się. Miejsca połączenia przewodów uziemiających z uziomami naturalnymi powinny być zabezpieczone przed korozją.
W normach ochrony odgromowej podano wymagania dotyczące wymiarów przewodów uziemiających stosowanych do połączeń z szyną lub pierścieniem wyrównawczym (tabela 2).

Tabela 2. Przekroje poprzeczne przewodów uziemiających stosowanych do połączeń z szyną / pierścieniem wyrównawczym
Źródło informacjiPN-IEC 61312-1PN-EN 62305-4
Rodzaj przewoduPrzepływ znacznej części prądu piorunowegoPrzepływ nieznacznej części prądu piorunowegoPołączenia szyna – system uziomowy
Przewód miedziany16 mm²6 mm²14 mm² (16 mm²)
Przewód aluminiowy25 mm²10 mm²22 mm² (25 mm²)
Przewód stalowy50 mm²16 mm²50 mm²
W nawiasach podano przekroje przewodów zgodne z IEC 62305-4, Ed.2 (Draft CDV)

Przewody uziemiające powinny być połączone z pierścieniem lub szyną wyrównywania potencjałów za pomocą zacisków probierczych pozwalających odłączać instalację uziemiającą od uziomów przy wykonywaniu pomiarów rezystancji. Zaciski probiercze powinny znajdować się w miejscu łatwo dostępnym, a ich rozłączanie powinno być możliwe jedynie z użyciem narzędzi.
Zaciski powinny być tak dobrane, aby po zamontowaniu miały obciążalność prądową nie mniejszą niż główny przewód uziemiający. Zaciski probierze są zbyteczne, jeśli prawidłowo prowadzone pomiary rezystancji uziemienia nie wymagają odłączenia sieci uziemiającej od części uziemianych.
W obiekcie, w którym pracują systemy elektroniczne o szczególnych wymaganiach dotyczących niezawodności ich pracy (centra komputerowe, budynki telekomunikacyjne) zalecane jest stosowanie szyny wyrównawcze w postaci płyty metalowej w miejscu wprowadzenia instalacji do obiektu, tzw. płyta dławiąca (rys. 4).

Rys. 4 Płyta metalowa w miejscu wprowadzania instalacji do obiektu Rys. 4 Płyta metalowa w miejscu wprowadzania instalacji do obiektu

Płytę należy połączyć ze wszystkich stron, tj. na całym jej obwodzie, z prętami zbrojenia budynku lub z ekranem zastosowanym w obiekcie. Jeżeli w obiekcie nie występują elementy ekranujące to płytę należy połączyć z systemem uziomowym obiektu.
Wytrzymałość mechaniczna płyty powinna zapewniać utrzymanie elementów koniecznych do zapewnienia przejścia wszystkich instalacji i przewodów do budynku np. rur, złącz wtykowych, bolców lub gniazd przyłączeniowych, itp. Metalowe rury stosowanych przepustów należy dokładnie na całym ich obwodzie zespawać lub szczelnie przylutować do ekranu obiektu lub do płyty, jeśli taką zastosowano na wejściu do obiektu.
Nieprzewodzące rury lub przewody np. światłowodowe powinny być wprowadzane do obiektu przez króćce rurowe. Falowody, zewnętrzne przewody kabli koncentrycznych, metalowe powłoki, ekrany i osłony kabli telekomunikacyjnych i energetycznych łączyć należy na całym ich obwodzie z rurami przepustów.
W przypadkach, w których ekrany wykorzystywane są podczas normalnej pracy i takie połączenie nie jest możliwe, należy zastosować specjalne, dodatkowe środki ochronne np. dodatkowy ekran lub połączenia ochronne.

W sieci systemu TN – należy wybrać korzystniejsze, krótsze połączenie (wariant A lub B). Rys. 5 Układy połączeń SPD typu 1 w różnych systemach sieci W sieci systemu TN – należy wybrać korzystniejsze, krótsze połączenie (wariant A lub B).
Rys. 5 Układy połączeń SPD typu 1 w różnych systemach sieci

Instalacje elektryczne i linie przesyłu sygnałów

Rys. 6 Urządzenie do ograniczania przepięć typu 1 w rozdzielnicy głównej instalacji elektrycznej, a) montowane na szynie 35mm, b) zamontowane w gniazdach bezpiecznikowych Rys. 6 Urządzenie do ograniczania przepięć typu 1 w rozdzielnicy głównej instalacji elektrycznej, a) montowane na szynie 35mm, b) zamontowane w gniazdach bezpiecznikowych Rys. 7 Przykład połączenia ekranu kabla z szyną wyrównawczą przy pomocy obejmy dociskowej [15] Rys. 7 Przykład połączenia ekranu kabla z szyną wyrównawczą przy pomocy obejmy dociskowej [15] Rys. 8 Typowe układy połączeń iskierników gazowych Rys. 8 Typowe układy połączeń iskierników gazowych

W instalacji elektrycznej do wyrównywania różnic potencjałów wywołanych przez rozpływający się prąd piorunowy wykorzystywane są urządzenia do ograniczania przepięć typu 1, które powinny spełnić wymagania próby klasy I.
Dobierając przewody do połączenia SPD typu 1 z przewodami fazowymi, neutralnym oraz szyną wyrównywania potencjałów należy uwzględnić zjawiska termiczne i dynamiczne wywoływane przez przepływ prądu udarowego o wartości szczytowej dochodzącej do 100 kA i kształcie 10/350 – odwzorowującego część prądu piorunowego. Początkowo zalecano stosowanie do połączeń SPD typu 1 przewodów o przekroju wynoszącym, co najmniej 10 mm² Cu. Obecnie pojawiają się wymagania zwiększenia przekroju do 16 mm² Cu.
Przewody stosowane do połączeń odgromników powinny być możliwie najkrótsze gdyż zapobiega to powstawaniu spadków napięć na indukcyjnościach przewodów przy przepływie prądów udarowych.
SPD typu 1 nie posiadają wewnętrznych zabezpieczeń zwarciowych i powinny być chronione przed skutkami zwarć. Rozwiązaniem tego problemu może być dodatkowe zabezpieczanie nadprądowe włączane w szereg z ogranicznikiem. Na rysunku 5 przedstawiono typowe układy połączeń SPD w różnych systemach sieci.
Przykładowe rozwiązanie połączeń SPD typu 1 przeznaczonych do montażu na szynie 35 mm lub w gniazdach bezpiecznikowych przedstawiono na rys. 6.

Pozostałe instalacje niskonapięciowe wchodzące do budynku np. przewody telekomunikacyjne, antenowe, linie przesyłu sygnałów należy również połączyć z główną szyną wyrównywania potencjałów (rys. 7):
• bezpośrednio np. ekrany kabli (rys. 7),
• za pomocą urządzeń ograniczających przepięcia.
W powyższych instalacjach do ochrony podstawowej przed działaniem części prądu piorunowego wykorzystywane są najczęściej iskierniki gazowe dwu- lub trój- elektrodowe (rys. 9). Typowe układy połączeń iskierników gazowych przedstawiono na rys. 8.
W zależności od ilości przewodów oraz układu połączeń można zastosować różnorodne sposoby montażu urządzeń ograniczających przepięcia.
W obiekcie budowlanym, w zależności od rozmieszczenia urządzeń oraz ich odporności udarowej, może zaistnieć potrzeba stosowania wielostopniowych układów ograniczających miejscu wprowadzania przewodów do obiektu budowlanego.
W takich przypadkach stosowane są najczęściej różnorodne połączenia iskierników gazowych gazowanych z diodami zabezpieczającymi.

Podsumowanie

Przedstawione zasady ograniczania skoków potencjałów w instalacjach dochodzących do obiektów budowlanych zapewniają również podstawowy stopień ochrony przed wszelkiego rodzaju przepięciami jakie mogą wystąpić w tych instalacjach. Kolejnym etapem jest dobór kolejnych stopni ograniczających przepięcia. Ich rozmieszczenie oraz parametry techniczne uzależnione są od poziomów odporności udarowej chronionych urządzeń.

Andrzej Sowa

Rys.9. Różnorodne układy ograniczające przepięcia w systemach przesyłu sygnałów [15] a) systemy kontrolno-pomiarowe, b) obwody wysokiej częstotliwości, c) obwody telekomunikacyjne Rys.9. Różnorodne układy ograniczające przepięcia w systemach przesyłu sygnałów [15]
a) systemy kontrolno-pomiarowe, b) obwody wysokiej częstotliwości, c) obwody telekomunikacyjne

LITERATURA
1. Hasse P., Wiesinger J.: Handbuch für Blitzschutz und Erdung. Richard Pflaum Verlag GmbH & Co. KG, Munchen 1998.
2. Kiefer G.: VDE 0100 und die Praxis. Wegweisern für Anfänger und Profis. VDEVerlag GMBH. Berlin und Offenbach 1997.
3. Sowa A.: Kompleksowa ochrona odgromowa i przepięciowa. Biblioteka COSiW SEP Warszawa 2005.
4. ITU-T Recommendation K.12 (02/2006), Characteristics of gas discharge tubes (GDT) for the protection of telecommunications installations.
5. PN-IEC 60364-5-534:2003, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Urządzenia do ochrony przed przepięciami.
6. PN-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi.
7. PN-HD 60364-4-443:2008, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi (oryg.).
8. PN-EN 61643-311:2002, Elementy do niskonapięciowych urządzeń ograniczających przepięcia – Część 311: Wymagania dla iskierników gazowych (GDT) (oryg.).
9. PN-EN 61643-21:2004, Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 21: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych. Wymagania eksploatacyjne i metody badań.
10. PN-EN 61643-11:2006, Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć – Część 11. Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia – Wymagania i próby
11. PN-IEC 61024-1-2:2002, Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B – Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych.
12. PN-T-83020:1996, Ochronnik telefoniczny abonencki. Ogólne wymagania i badania.
13. PN-EN 62305-3:2009, Ochrona odgromowa - Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia.
14. PN-EN 62305-4:2009, Ochrona odgromowa - Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych.
15. Materiały informacyjne firmy DEHN.