W obiekcie budowlanym przeznaczeniem urządzeń do ograniczania przepięć jest ochrona instalacji elektrycznej i urządzeń przed działaniem przepięć atmosferycznych indukowanych, przepięć wewnętrznych oraz przed bezpośrednim oddziaływaniem na instalację części prądu piorunowego. Urządzenia do ograniczania przepięć SPD (Surge Protective Device) stosowane obecnie w instalacjach elektrycznych wewnątrz obiektów budowlanych zawierają, co najmniej, jeden element nieliniowy „ucinający przepięcie” lub ograniczający jego wartość szczytową. Podstawowe informacje o właściwościach typowych urządzeń ograniczających przepięcia zestawiono w tabeli 1.

W obiekcie budowlanym przeznaczeniem urządzeń do ograniczania przepięć jest ochrona instalacji elektrycznej i urządzeń przed działaniem przepięć atmosferycznych indukowanych, przepięć wewnętrznych oraz przed bezpośrednim oddziaływaniem na instalację części prądu piorunowego. Urządzenia do ograniczania przepięć SPD (Surge Protective Device) stosowane obecnie w instalacjach elektrycznych wewnątrz obiektów budowlanych zawierają, co najmniej, jeden element nieliniowy „ucinający przepięcie” lub ograniczający jego wartość szczytową. Podstawowe informacje o właściwościach typowych urządzeń ograniczających przepięcia zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Charakterystyka urządzeń do ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym

Typ SPD	Klasa prób	Przeznaczenie
Typ 1	Klasa I	Ochrona przed bezpośrednim od­działywaniem części prądu pioru­nowego, przepięciami atmos­fe­rycznymi oraz wszelkiego ro­dzaju przepięciami łączenio­wymi, wyrównywanie potencjałów instalacji wchodzących do obiektu budowlanego.
Typ 2	Klasa II	Ochrona przed przepięciami at­mosferycznymi indukowanymi, wszelkiego rodzaju przepięciami łączeniowymi lub przepię­ciami „przepuszczonymi” przez urządzenia ochrony przepięciowej badane zgodnie z wymaganiami klasy I.
Typ 3	Klasa 3	Ochrona przed przepięciami at­mosferycznymi indukowanymi i przepięciami łączeniowymi powstającymi w instalacji elektrycznej wewnątrz obiektu budowlanego.
Typ SPD		Właściwości
Ucinający napięcie		Duża impedancja przy braku przepięcia, która zmniejsza się gwałtownie w odpowiedzi na występowanie udaru napięciowego. Elementy stosowane do „ucinania napięcia” - iskierniki *, rury gazowe, tyrystory i triaki.
Ograniczający napięcie		Duża impedancja przy braku przepięcia, która zmniejsza się w sposób ciągły w miarę wzrostu prądu udarowego i napięcia. Podstawowe elementy - warystory* i diody ograniczające.
Kombinowany		Zawiera zarówno element ucinający napięcie jak i element ograniczający napięcie i mogą ucinać napięcie, ograniczać napięcie lub spełniać te obie funkcje w zależności od charakteru doprowadzonego napięcia (np. równoległe lub szeregowe połączenie iskiernika z warystorem).
* najczęściej stosowane elementy,

W zależności od przeznaczenia, SPD powinny być poddane próbom klasy I, II lub III. W dalszej części artykułu urządzenia do ograniczania przepięć badane zgodnie z wymogami poszczególnych klas będą nazywane odpowiednio SPD typu 1, 2 lub 3.

Ogólną zasadę rozmieszczania SPD różnych typów w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym w zależności od strefy zagrożenia piorunowego oraz kategorii instalacji przedstawiono na rys. 1.

Układy poprawnie dobranych i rozmieszczonych SPD różnych typów powinny zapewnić bezawaryjne działanie urządzeń, nie powodować przerw w ich zasilaniu oraz poprawnie współpracować z innymi urządzeniami w instalacji elektrycznej.

Od kilku lat projektanci i wykonawcy instalacji elektrycznych spotykają w katalogach firm na ograniczniki typów B+C , B+C+D. Początkowo stosowanie takich oznaczeń można było uzasadnić wymogami norm niemieckich i brakiem norm krajowych. Obecnie jest to sprzeczne z ustaleniami norm gdyż takie typy SPD w nich nie występują.  Stosowanie takich oznaczeń może być świadomie lub nieświadomie wykorzystywane do tworzenia mitu ograniczników, które są w stanie zapewnić ochroną tworzoną dotychczas przez wielostopniowe systemy SPD.

Urządzenia do ograniczania przepięć typu 1

Urządzenie do ograniczania przepięć typu 1 są zalecane do ochrony instalacji elektrycznej oraz urządzeń przed zagrożeniami stwarzanymi przez:

• część prądu piorunowego wpływającego do głównego punktu wyrównywania potencjałów w obiekcie budowlanym podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w ten obiekt oraz przez rozpływający się prąd piorunowy podczas wyładowań w przewody linii napowietrznych lub zakopane kable niskiego napięcia,
• przepięcia atmosferyczne indukowane oraz wszelkiego rodzaju przepięcia łączeniowe dochodzące do obiektu z sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia.

W tabeli 2 zestawiono podstawowe zakres badań, dane techniczne oraz zasady montażu urządzeń do ograniczania przepięć typu 1.

Tabela 2. Podstawowe informacje o SPD typu 1

Zakres	Podstawowe dane
Montaż	Na szynie 35 mm lub w gniazdach bezpiecznikowych za głównymi zabezpieczeniami zasilania w miejscu wprowadzania instalacji elektrycznej do obiektu. Typowe miejsca montażu: złącze, dodatkowa szafka obok złącza, rozdzielnica główna.
Zakres badań właściwości ograniczających	Podstawowe badania właściwości ograniczających SPD  obejmują próby: znamionowym napięciem udarowym 1,2/50, prądem impulsowym Iimp, (prąd symulujący prąd piorunowy), znamionowym prądem wyładowczym  8/20.
Podstawowe parametry	rodzaj i poziom napięcia znamionowego (napięcie przemienne, stałe lub obydwa napięcia), największe trwałe napięcie pracy oraz znamionową częstotliwość, napięciowy poziom ochrony, największą zalecaną wartość dodatkowego zabezpieczenia nadprądo­wego (jeśli jest wymagane), wytrzymałość zwarciową, sposób montażu (identyfikacja zacisków, określenie pozycji normalnej).

Podstawowymi elementami SPD typu 1 są iskierniki, które zapewniają ochronę przed prądami udarowymi o wartościach szczytowych 20 kA, 25 kA lub nawet 50 kA i kształcie
10/350 ms.

Zapewnienie ochrony instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym wymaga, aby wartości szczytowe udarów „przepuszczonych” przez układy SPD typu 1 nie przekraczały wartości
4000 V. Normy opisujące zakresy badań SPD typu 1 nie określają dokładnie wymaganych napięciowych poziomów ochrony, ale przedstawiają jedynie wartości zalecane. W przypadku instalacji o napięciu znamionowych 230/400 V można wybrać napięciowy poziom ochrony SPD z następującego ciągu wartości: 600 V, 700 V, 800 V, 900 V, 1000 V, 1200 V, 1500 V, 1800 V, 2000 V, 2500 V, 3000 V, 4000 V, 5000 V i 6000 V.

Urządzenia do ograniczania przepięć typu 1 należy umieszczać w pobliżu miejsca wprowadzania instalacji elektrycznej do obiektu budowlanego. Przykładowe miej­sca montażu układu SPD typu 1 w zależności od stosowanej ochrony odgromowej obiektu oraz właściwości sieci elektroenerge­tycznej niskiego napięcia zestawiono w tabeli 3.

Tabela 3. Typowe miejsca montażu układu SPD typu 1

Obiekt	Sieć elektro­energetyczna nn	Miejsce montażu
Obiekt bu­dowlany bez urządzenia piorunochronnego	Ułożona w ziemi	Układy SPD typu 1 nie są wymagane
	Linie napowietrzne z długim podejściem ka­blowym	Układy SPD typu 1 nie są wymagane
	Linie napowietrzne z krótkim podej­ściem kablowym *	Złącze, szafka obok złącza
	Linie napowietrzne *	Złącze, szafka obok złącza
Obiekt bu­dowlany posiada­jący urządzenie piorunochronne	Dowolny sposób doprowadzania sieci elektroenergetycznej	Złącze lub szafka obok złącza, jeśli są one na ścianach (lub we wnę­kach) obiektu
		Rozdzielnice główne w przypadku złącza na zewnątrz obiektu (np. na granicy posesji).
* - w obszarze gdzie występuje ponad 25 dni burzowych lub wymagana jest większa niezawodność urządzeń

Należy zaznaczyć, że w przypadku budynku posiadającego urządzenie piorunochronne i złą­cze kablowe na ścianie budynku, układy SPD mogą być montowane w złączu (szafce obok złącza), rozdzielny głównej lub obok rozdzielnicy w zależności od wymagań wynikających z zastosowania kolejnych stopni ograniczania przepięć.

Układy iskiernikowych SPD typu 1 ograniczają zagrożenie piorunowe i przepięciowe do krótkotrwałych (trwających od kilkuset nanosekund do kilku mikrosekund) napięć udarowych, które nie powinny być groźne dla początkowej części instalacji elektrycznej, urządzeń tu zainstalowanych oraz dla kolejnych stopni urządzeń do ograniczania przepięć typu 2 lub 3.

Przykładowe rozwiązania SPD typu 1 oraz sposoby ich montażu przedstawiono na rys. 2.

Instalując SPD typu 1 należy przestrzegać podstawowych zasad wynikających z zasadniczego ich zadania, jakim jest ochrona przed działaniem części prądu piorunowego.

Przepływ takiego prądu powoduje szereg negatywnych zjawisk, wśród których na szczególną uwagę zasługują następujące:

• oddziaływanie sił elektrodynamicznych pomię­dzy przewodami, w których płyną prądy udarowe,
• wystąpienie spadków napięć na indukcyjnościach przewo­dów,
• zagrożenie wywołane przez wyprowadzanie zjonizowanych, gorących gazów na zewnątrz SPD w przypadku stosowania nieobudowanych iskierników.

Urządzenia do ograniczania przepięć typu 2

Zadaniem SPD typu 2 jest ograniczanie przepięć do wartości odpowiadającej I lub II kategorii wytrzymałości udarowej. Najczęściej wymagane jest ograniczanie przepięć poniżej 1,5 kV, gdyż takie wartości przepięć wytrzymuje większość przyłączy zasilania urządzeń elektrycznych i elektronicznych.

Typowe miejsca montażu SPD typu 2 oraz zakres badań zestawiono w tabeli 4.

Tabela 4. Zadania, miejsca montażu oraz wymagany zakres badań SPD typu 2

Parametr	Charakterystyka
Montaż	Na szynie 35mm lub w gniazdach bezpiecznikowych w miejscach rozgałęzienia instalacji elektrycznej wewnątrz obiektu budowlanego(rozdzielnice główne, rozdzielnice oddziałowe, tablice rozdzielcze).
Zakres badań próby klasy II	Podstawowe  badania: znamionowym prądem wyładowczym in, największym prądem wyładowczym imax , napięciem udarowym 1,2/50.

Zalecanym kształtem prądów wyładowczych znamionowego I_n i największego I_max stosowanych do badań SPD typu 2 jest udar o czasie narastania czoła 8 ms i czasie trwania do półszczytu na grzbiecie 20 ms.

Wartości szczytowe prądu i_n , który może wielokrotnie przepłynąć przez SPD typu 2 nie powodując jego uszkodzenia, są wybierane z następującego szeregu wartości: 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 5,0; 10; 15 i 20 kA..

Do budowy SPD typu 2 najczęściej stosowane są zmienno-oporowe elementy półprzewodnikowe-warystory. Po zamontowaniu SPD typu 2 na ich zaciskach panuje napięcie fazowe i przez warystory płyną prądy o niewielkich wartościach (poniżej 1 mA).

Do ograniczania przepięć można również stosować SPD składające się z szeregowo połączonego warystora i iskiernika. Ograniczniki o takim układzie połączeń elementów ograniczających przepięcia są stosowane w instalacji elektrycznej, w której nie powinny występować prądy upływu, nawet o niewielkich wartościach.

Typowy SPD może być konstrukcją zwartą lub składającą się z podstawy umożliwiającej montaż oraz wyjmowanego modułu z warystorem.

W zależności od rozwiązania montażowego, SPD typu 2 (rys. 3) można podzielić na dwie grupy:

• jednopolowe - produkowane zarówno do montażu na typowej szynie 35mm lub w gniazdach bezpiecznikowych,
• wielopolowe – wykonywane do podstawowych systemów sieci trój­fazowej, składające się z  podstawy oraz  wymiennych modułów, montaż na szynie 35 mm.

W celu uniknięcia przerw w zasilaniu urządzeń wymagane jest samoczynne odłączanie uszkodzonych SPD typu 2. Zadanie to wykonują różnorodne „urządzenia odłączające” instalowane przez producentów wewnątrz SPD.

Informację o uszkodzeniu SPD i jego „odłączeniu” wskazuje zmiana koloru w „okienku kontrolnym” w przypadku SPD instalowanych na szynie 35mm lub zwiększenie długości dodatkowego bolca, który posiadają SPD montowane w gniazdach bezpiecznikowych.

SPD typu 2 może również posiadać dodatkowy zestyk zwierno-rozwierny (przełączalny) umożliwiający tworzenie obwodu elektrycznego, którego elementy (np. głośniki, lampki) sygnalizują jego uszkodzenie w miejscu dowolnie wybranym przez użytkownika.

SPD typu 2 mogą być instalowane na wejściu instalacji elektrycznej do obiektu budowlanego (najczęściej w obiektach bez instalacji piorunochronnej) lub jako drugi stopień ograniczania przepięć (obiekty posiadające instalację piorunochronną).

Urządzenia do ograniczania przepięć typu 3

W większości przypadków dwustopniowy układ ochronny, zawierający SPD typu 1 i 2 powinien zapewnić dostateczne ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej.

W przypadku czułych urządzeń elektronicznych lub instalacji, w której występują przepięcia wewnętrzne o znacznych wartościach należy zastosować SPD typu 3. Zapewniają one ochronę urządzeń przed przepięciami atmosferycznymi wywoła­nymi przez odległe wyładowania atmosferyczne (kilkaset metrów od obiektu).

Podstawowe informacje o zadaniach SPD typu 3 i zasadach ich montażu przedstawiono w
tabeli 5.

W rzeczywistych warun­kach nie można wyelimino­wać bezpośrednich uderzeń piorunów w obiekty budowlane lub wyładowań zacho­dzących w bliskim ich sąsiedztwie. Fakt ten powoduje, że w instalacji elektrycznej SPD typu 3 współpracują najczęściej z SPD typu 1 i 2 tworząc wielostopniowe układy ochronne.

W typowym SPD typu 3 do ograniczania przepięć występującymi pomiędzy przewo­dem fazowym a neutralnym wykorzystywane są warystory. Różnice potencjałów pomiędzy przewodem PE a przewodami N i L ogranicza iskiernik (odgromnik gazowany).

Należy zauważyć, że prawidłowo dobrany i zainstalowany SPD typu 3 zapewnia ochronę kilku sąsiednich gniazd tej samej jedno- lub trójfazowej instalacji.

Tabela 5 Podstawowe wymagania dotyczące ograniczników typu 3

Parametr	Charakterystyka
Celowość stosowania	Zastosowanie w przypadku: występowaniu zbyt dużych odległości pomiędzy układami ograniczników przepięć typu 2 i chronio­nymi urządzeniami, ochrony urządzeń o nieznanej odporności udarowej lub o mniejszej odporności od pozosta­łych urządzeń pracujących w danym obiekcie.
Montaż	Na szynie 35mm, w puszkach, gniazdach, w kanałach kablowych, bezpośrednio w gniazdach lub jako układy przenośne wtykane do gniazd, w urządzeniach.
Zakres badań próby klasy III	Badania znamionowym udarem napięciowo-prądowym 1,2/50-8/20.

SPD typu 3 powinny posiadać akustyczne lub optyczne wskaźniki uszkodzenia, a niektórych przypadkach dodatkowe zestyki, które mogą być wykorzystywane do zdalnej sygnalizacji uszkodzenia.

Są one instalowane „szeregowo” w instalacji elektrycznej najczęściej przed chronionymi urządzeniami (rys. 4).  Istnieje również możliwość połączenia „równoległego” (rys. 4), które jest stosowane w przypadku znacznych wartości prądów znamionowych bezpiecznika F1.

Przykładowe SPD typu 3 przeznaczone do montażu na szynie 35 mm oraz w gniazdach instalacji elektrycznej przedstawiono na rys.5.

W przypadku ochrony czułych urządzeń elektronicznych może pojawić się potrzeba zastosowa­nia dodatkowych filtrów w instalacji elektrycznej współpracujących z urządzeniami do ograniczania przepięć lub zastosowania SPD typu 3 z zamontowanymi filtrami (Rys. 6).

Tajemnicze SPD typów B + C lub B + C + D

Nowe typy SPD typu 1 bez kłopotów spełniają wymagania wynikające z zakresu badań klasy I oraz II i zapewniają napięciowe poziomy ochrony poniżej 2500 V.

Uwzględniając takie możliwości początkowo pojawiło się określenie „ograniczników klasy klasy B+C” , które miało wskazać, że SPD posiadają stosunkowo niski poziom ochrony (poniżej 2500 V – odpowiadający poziomowi ograniczników klasy C) a jednocześnie spełniają wymogi badań klasy II.

Niestety pojawiły się również informacje, że takie SPD zastępują dwustopniowy układ SPD typu I i II i jednym takim układem SPD można zapewnić ochronę urządzeń przed przepięciami nawet w dużych obiektach budowlanych.

Kolejnym etapem rozwoju SPD typu 1 było zastosowanie iskierników umożliwiających otrzymanie napięciowego poziomu ochrony poniżej 1500V. Zapewniają one ochronę przed działaniem części prądu piorunowego oraz przed wszelkiego rodzaju przepięciami.

SPD typu 1 o poziomie ochrony poniżej 1500 V znalazły szerokie zastosowanie w instalacjach elektrycznych niewielkich obiektów np. stacji bazowych systemu telefonii komórkowej oraz w zasilaniu szaf lub kontenerów z aparaturą elektroniczną

Niski poziom ochrony spowodował, że pojawiło się określenie „ograniczników klasy B+C+D, które miało wskazać, że SPD spełnia wymogi badań klasy II i III i próbuje się sugerować, że zastępują one wielostopniowy system układów SPD typu 1, 2 i 3.

Takie podejście do rozwiązywanie problemów ochrony jest błędne, gdyż:

• do udarów napięciowych „przepuszczonych” przez SPD dodają się napięcia piorunowe indukowane w przewodach pomiędzy układem SPD a urządzeniami wewnątrz obiektu,
• mogą wystąpić oscylacje związane z odbiciami udarów napięciowych.

Powyższe zjawiska powoduję, że „zakres ochrony” typowych urządzeń elektrycznych i elektronicznych zapewniany przez układ SPD typu 1 ograniczający przepięcia do poziomu 1500 V wynosi najczęściej kilkanaście - kilkadziesiąt metrów. Dla instalacji bardziej rozległych należy stosować kolejne układy SPD typu 2 lub 3.

Podsumowanie

Ograniczając przepięcia występujące w instalacji elektrycznej do odpowiednich poziomów zapewniamy ciągłe i bezawaryjne działanie urządzeń. Jest to szczególnie istotne w przypadku zasilania urządzeń pracujących w rozbudowanych systemach elektrycznych i elektronicznych w obiektach posiadających urządzenia piorunochronne.

Tworząc systemy ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej należy zwrócić uwagę na dobór SPD odpowiednich typów i nie sugerować się informacjami o „uniwersalnych SPD klas B+C lub B+C+D”, które rzekomo mogą zastępować wielostopniowe systemy układów SPD nawet w dużych obiektach budowlanych.

Andrzej W. Sowa

---