Przepięcia i ochrona odgromowa — SPD klasy I, II i III w praktyce

Skąd biorą się przepięcia?

Przepięcia w instalacji elektrycznej mają dwa główne źródła: wyładowania atmosferyczne (pioruny bezpośrednie i indukowane) oraz przepięcia łączeniowe (switching surges) — powstające przy załączaniu i wyłączaniu dużych obciążeń indukcyjnych: silników, transformatorów, kondensatorów w sieci OSD.

Przepięcia atmosferyczne mogą osiągać kilkadziesiąt kV w miejscu uderzenia pioruna i kilka kV w linii zasilającej w odległości 1–2 km od wyładowania. Elektronika domowa, sterowniki PLC i inwertory PV są niszczone już przez przepięcia rzędu 1–2 kV.

Strefy ochrony odgromowej (LPZ)

Norma PN-EN 62305-4 wprowadza pojęcie stref LPZ (Lightning Protection Zones):

• LPZ 0A — na zewnątrz budynku, narażona na bezpośrednie uderzenia pioruna i pełne pole EM
• LPZ 0B — na zewnątrz, chroniona przed bezpośrednim uderzeniem, ale pełne pole EM
• LPZ 1 — wnętrze budynku, pole EM częściowo ograniczone przez ekranowanie
• LPZ 2 — pomieszczenie z wrażliwymi urządzeniami, dalsze tłumienie pola EM

SPD montujemy na granicach stref — przewody wchodzące z LPZ 0_A (narażonej na bezpośrednie wyładowanie) do LPZ 1 chroni się SPD typu 1 (lub 1+2), a wchodzące z LPZ 0_B — SPD typu 2.

Klasy SPD — co oznaczają?

SPD klasy I (typ 1) — chronią przed bezpośrednim uderzeniem pioruna. Badane prądem udarowym I_imp o kształcie 10/350 µs (wolno narastający, duża energia). Montaż: przy wejściu kabla zasilającego do budynku, w rozdzielnicy głównej (RG). Wymagane gdy budynek ma instalację odgromową (LPS) lub zasilany jest z napowietrznej linii energetycznej. Typowo U_p ≤ 2,5 kV.

SPD klasy II (typ 2) — chronią przed przepięciami indukowanymi i łączeniowymi. Badane prądem szczytowym I_max o kształcie 8/20 µs. Montaż: w rozdzielnicy głównej lub piętrowej. Stosowane w każdej rozdzielnicy głównej (WT § 183, PN-HD 60364-4-443). Typowo U_p ≤ 1,5 kV. We wszystkich typach U_p dobiera się tak, by było niższe od wytrzymałości udarowej chronionych urządzeń.

SPD klasy III (typ 3) — ochrona końcowa przy wrażliwych urządzeniach. Badane napięciem kombinowanym U_oc. Montaż: w listwach zasilających, przedłużaczach z ochroną przepięciową, bezpośrednio przy urządzeniu (serwer, kasa fiskalna, stacja ładowania). Napięcie ograniczenia U_p ≤ 1,5 kV.

Koordynacja kaskadowa SPD

Gdy montujemy SPD kilku klas, muszą ze sobą koordynować — każdy kolejny musi „widzieć" niższe napięcie niż poprzedni. Kluczowa zasada: między SPD klasy I a II powinna być minimalna odległość kabla 10 m (indukcyjność kabla ogranicza prąd dla dolnego SPD) lub cewka sprzęgająca (dekupling inductor).

Producenci oferują gotowe kombinacje I+II w jednym module — eliminują problem koordynacji i oszczędzają miejsce w rozdzielnicy.

Dobór SPD — parametry techniczne

• U_c (napięcie trwałej pracy) — musi być ≥ 1,1 × U₀ (U₀ = 230 V → U_c ≥ 253 V, typowo 275 V lub 320 V)
• I_n / I_imp — dla typu 2 PN-HD 60364-5-534 wymaga znamionowego prądu wyładowczego I_n ≥ 5 kA (8/20 µs) na tor; w praktyce stosuje się I_n 20 kA / I_max 40 kA. Dla budynków z LPS: typ 1 z I_imp ≥ 12,5 kA (10/350 µs) na tor
• U_p — napięcie ochrony, musi być < napięcia wytrzymałości udarowej chronionych urządzeń (dla urządzeń kategorii II: 2,5 kV)
• Tryb ochrony: L-N, L-PE, N-PE (dla TN-S wszystkie 3 tryby, dla TT: L-N + N-PE)

Zabezpieczenie przed zwarciami SPD

SPD musi być chroniony bezpiecznikiem od strony zasilania — producent podaje maksymalną wartość I_SCPD. Dobór wg instrukcji producenta SPD (maksymalny prąd zabezpieczenia i wytrzymałość na prąd udarowy). Preferowane są wkładki gG, bo przenoszą prąd udarowy bez zbędnego zadziałania; MCB stosuje się tylko wtedy, gdy producent SPD je dopuszcza.

Kiedy SPD jest obowiązkowe?

Warunki techniczne (§ 183 ust. 1 pkt 10) wymagają stosowania w instalacji urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej. PN-HD 60364-4-443 określa, kiedy ochrona przed przepięciami przejściowymi jest wymagana (m.in. gdy przepięcie mogłoby zagrozić życiu ludzi, usługom publicznym, działalności gospodarczej lub dużej liczbie osób; w pozostałych przypadkach — na podstawie oceny ryzyka), a PN-HD 60364-5-534 — zasady doboru i montażu. SPD stosuje się zawsze m.in. w następujących sytuacjach:

• Budynek z instalacją odgromową (LPS) — wymagane SPD klasy I na wejściu
• Zasilanie z napowietrznej linii energetycznej — SPD klasy I+II
• Obiekt z wrażliwymi urządzeniami elektronicznymi (serwerownia, przychodnia, kasa fiskalna)
• Instalacja PV — SPD po stronie DC i AC falownika, gdy wynika to z oceny ryzyka (PN-HD 60364-7-712; dla budynków bez LPS kryterium długości krytycznej L_crit)
• Wymóg ubezpieczyciela (coraz częstsze)