Ograniczniki przepięć. Co to jest? Czy są niezbędne w każdym domu?

Na jednym ze specjalistycznych portali dotyczącym instalacji elektrycznych znalazłem takie stwierdzenie: Zarówno nowe, jak i modernizowane instalacje elektryczne powinny być wyposażone w urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej. Konieczność stosowania tych urządzeń zapisana jest w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. (Dziennik Ustaw z 2002 r. nr 75 poz. 690).

Znane rozporządzenie w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki oraz ich usytuowanie. Ale przecież pełne zasady ochrony przeciwprzepięciowej w obiektach budowlanych są określone szczegółowo w normie PN-IEC 60364-4-443, którą wspomniane rozporządzenie przywołuje! Zastanówmy się więc na ile to stwierdzenie jest prawdziwe, co się kryje pod słowem "konieczność". Ochrona przeciwprzepięciowa jest na pewno zalecana przez producentów i dystrybutorów osprzętu elektrycznego, natomiast wśród instalatorów oraz inwestorów zdania są podzielone. Dlaczego tak się dzieje?

Powstawanie przepięć

Zanim odpowiem na pytanie, rozważmy temat ochrony nieco szerzej. Nie mam zamiaru kwestionowania faktu, że współczesny sprzęt RTV i AGD, wyposażony w coraz bardziej skomplikowaną elektronikę, jest też coraz bardziej wrażliwy na zakłócenia, w szczególności na przepięcia, czyli nagły i krótkotrwały wzrost napięcia zasilającego. Zjawisko to wywołuje uszkodzenie układów elektronicznych, niewłaściwą pracę układów sterujących, przerwanie pracy komputerów, zerowanie pamięci układów cyfrowych, jak też różnorakie błędy w transmisji informacji, nawet jeśli nie dochodzi do fizycznego zniszczenia urządzeń, co też nie jest aż taką rzadkością.

Rys. dr inż. J. Wiater, Politechnika Białostocka

Powstanie przepięcia w instalacji elektrycznej może mieć różne źródła. Może to być wyładowanie atmosferyczne bezpośrednio w budynek lub jego linię zasilającą, wyładowanie w instalację odgromową lub element instalacji zewnętrznej typu monitoring, klimatyzacja, sterowanie bramy, oświetlenie zewnętrzne, ale też wyładowanie atmosferyczne w obiekty sąsiednie, a nawet odległe linie zasilające oddalone do 2 kilometrów! Nie pozostają też bez znaczenia tak zwane przepięcia komutacyjne. W szczególności chodzi tu o operacje łączeniowe podczas obsługi niektórych maszyn przemysłowych, a wtedy źródło przepięć mogą stanowić urządzenia takie jak szybko nawrotne napędy elektryczne, silniki, piece indukcyjne i spawarki. Czyli bezpieczeństwo domowego sprzętu w jakiejś części zależy również od naszych sąsiadów!

Powstaje więc pytanie, czy jesteśmy w stanie zabezpieczyć się przed niespodziankami takiego typu i jak to zrobić? Otóż mimo znacznego postępu w teoretycznym rozpoznaniu zagrożeń, w opracowywaniu różnych koncepcji układów ochrony i w konstrukcji urządzeń ochronnych, nigdzie na świecie nie opracowano systemu zapewniającego nam 100% skuteczność ochrony, czyli nie ma systemu zapewniającego pełne bezpieczeństwo naszego sprzętu! Nigdzie takowy nie istnieje!

Co wcale nie oznacza, że zagrożeń tego rodzaju nie da się łagodzić i minimalizować. Do tego celu służą urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej, nazwane ogranicznikami.

Czym są ograniczniki przepięć?

Ograniczniki przepięć (SPD - ang. surge protection device) są aparatami stosowanymi w instalacjach elektrycznych do ochrony przed przepięciami. Są budowane na bazie iskierników i/lub warystorów. Przedstawianie ich technicznych właściwości mija się z celem publikacji, dlatego też skoncentruję się na tym, co inwestorzy mogą spotykać w życiu codziennym, szczególnie podczas przygotowań do budowy własnego domu.

Symbole stosowane w schematach elektrycznych

Ochrona przeciwprzepięciowa, aby była w miarę skuteczna, musi być wykonana jako wielostopniowa, inaczej mówiąc kaskadowa. I nie jest obojętne jaki element i gdzie zostanie zamontowany. Dlatego też przed dokonaniem właściwego doboru urządzeń należy dokonać kompleksowej oceny całości zagadnień z nią związanych, by uniknąć błędów projektowych jak też montażowych. Chociaż z założenia idea ochrony nie jest zbyt skomplikowana.

Przy zasilaniu obiektów stosuje się trójstopniowy system ochrony przeciwprzepięciowej. Stanowią go ograniczniki przepięć typu 1, 2 i 3, zgodnie z normą PN-EN 61643-11 (albo dawniej spotykane w naszym kraju oznaczenie klasy B, C i D, według DIN VDE 0675).

Ograniczniki każdego typu pełnią ważną i odrębną rolę przy redukcji przepięć. Ogranicznik typu 1, czyli dawnej klasy B, często nazywany odgromnikiem, służy do ochronny przed przepięciami o wysokiej wartości napięcia, wywoływanymi bezpośrednim albo bliskim uderzeniem pioruna w linię energetyczną. Jego zadaniem jest ograniczenie impulsu napięciowego do wielkości poniżej 4 kV, większość producentów deklaruje wielkość osiąganą jako 2,5 kV. Najważniejszym jego elementem jest iskiernik.

Ogranicznik przepięć, widok ogólny. (fot. Eaton)

Ogranicznik typu 2, czyli dawnej klasy C, często jest nazywany prosto ochronnikiem. Jego zadaniem jest ograniczenie przepięcia do wartości 1-1,5 kV, co wprawdzie zabezpiecza dużą część odbiorników elektrycznych przed przepięciami komutacyjnymi oraz przepięciami zredukowanymi przez ograniczniki przepięć typu 1, ale jednak zagraża jeszcze wielu urządzeniom. Elementem wykonawczym są tu warystory z ZnO (tlenku cynku).

Ochronnik typu 3, czyli dawnej klasy D, służy do bezpośredniej ochrony wybranych, czułych na wszelkie przepięcia urządzeń. Jego zadaniem jest ograniczenie energii, którą przepuszczają ograniczniki klasy B i C. Montowany jest w rozdzielnicy lub za gniazdkiem w puszce elektrycznej, albo bezpośrednio w urządzeniu. Poziom redukowanego przepięcia to 0,8 kV.

Wszystkie typy ochronników muszą być zamontowane kaskadowo, inaczej cała ochrona przeciwprzepięciowa będzie nieskuteczna. Ochronniki dalszych stopni nie poprzedzone tymi wcześniejszymi nie są w stanie wyeliminować obciążeń cieplnych, jakim odgromniki i bezpieczniki podlegają przy przepływie prądów piorunowych. Bez stopnia poprzedzającego ulegają one zniszczeniu.

Miejsce montażu ochronników przeciwprzepięciowych

W Polsce nie ma jednoznacznych przepisów dotyczących umiejscowienia odgromników (ochronników typu 1 czy też klasy B) w instalacji obiektu budowlanego, a postanowienia normy w tym zakresie są ogólnikowe i niejasne, mówiące jedynie, iż odgromniki winny być zainstalowane w pobliżu złącza instalacji lub w rozdzielnicy głównej, możliwie najbliżej złącza.

Cóż z tego, jeśli to najbardziej właściwe miejsce jest dla nas niedostępne, gdyż dostawca energii nie chce ich widzieć po swojej stronie granicy eksploatacji, przed licznikiem energii, aby uniknąć związanych z nimi problemów, chociażby odpowiedzialności za ich stan techniczny. I trudno się tutaj z nim spierać.

By jednak ochrona była skuteczna, ochronnik typu 1 (klasy B) musi zostać oddzielony od ochronnika typu 2 (klasy C) odsprzęgającą indukcyjnością odcinka instalacji (przyjmuje się nie mniej niż 10 m) lub specjalnym dławikiem. W praktyce oznacza to konieczność montażu w złączu (skrzynce z licznikiem). Jednak zachowanie tego warunku jest często niemożliwe, dlatego w podobnej sytuacji posługujemy się zastępczym ochronnikiem typu 1 + 2, czyli klasy B + C, instalując go w rozdzielnicy domowej umiejscowionej bardzo różnie. Czasami w jakimś garażu, komórce czy innym egzotycznym miejscu, gdzie nie mamy dobrego dostępu do uziemienia obiektu.

I znowu, aby aparat spełniał swoją rolę, należy rozważyć nie tylko usytuowanie ochronnika w schemacie instalacji elektrycznej, ale też sposób jego mocowania i przyłączenia w obiekcie, łącznie ze szczegółami montażowymi: wystarczający przekrój przewodów, jak najmniejsza długość przewodów poprzecznej gałęzi ochrony, w zasadzie nie przekraczająca 0,5 m z każdej strony, unikanie pętli i ostrych łuków. Jak to wykonać w powstałej sytuacji?

Poza tym, przewody uziemiające nie powinny być układane w osłonach metalowych, chyba że są z nimi połączone na obu końcach. Pamiętać też należy o narażeniach cieplnych przewodów w razie zwarcia i o unikaniu konfiguracji połączeń sprzyjających występującym podczas wyładowania atmosferycznego, dużym siłom elektrodynamicznym.

Budowa ochronników przepięciowych

Standardowy, jednofazowy ochronnik klasy B lub C (ewentualnie B+C, bo i takie istnieją) zbudowany jest zewnętrznie z dwóch elementów, czyli podstawy oraz wkładki zawierającej element zabezpieczający. Wkładka jest częścią wymienną i posiada wskaźnik określający jej sprawność. Stan uszkodzenia aparatu sygnalizowany jest pojawieniem się czerwonego pola w okienku. W razie stwierdzenia uszkodzenia wkładki należy ją niezwłocznie wymienić.

Całość aparatu ma szerokość standardowego modułu montowanego w rozdzielnicy domowej na szynie DIN TS35.

Jeżeli stan odgromników nie jest monitorowany, to po wystąpieniu burzy, a zwłaszcza po możliwym uderzeniu pioruna w obiekt, stan ochronników oraz szczególnie bezpieczników je dobezpieczających, koniecznie należy sprawdzić.

Jakie ochronniki zastosować w moim domu? Jak je podłączyć do instalacji?

W przeciwieństwie do wielu porad spotykanych na różnych portalach internetowych, nie odpowiem na takie pytania, gdyż sensowna odpowiedź na tak ogólnie zarysowany problem nie istnieje! Każda instalacja, każdy dom czy mieszkanie jest inne, aby więc projektować coś konkretnego, należałoby znać wszelkie uwarunkowania techniczne, mieć pełną wiedzę o danym obiekcie, jego zasilaniu i usytuowaniu poszczególnych elementów instalacji. Poza tym ochronniki to nie jest jakiś pojedynczy aparat, który można kupić w sklepie, zamontować po cichu w rozdzielnicy i spać spokojnie. To tak nie będzie działało!

Aby ochrona była w miarę skuteczna, skoordynowane ze sobą wzajemnie ochronniki muszą być dobrane do konkretnej instalacji, do jej typu (TN-C albo TT), do długości i sposobu wykonania przyłącza elektrycznego, jak też kilku innych warunków zewnętrznych. Musimy też dysponować odpowiednim uziemieniem - inaczej nie będzie przecież gdzie odprowadzić niebezpiecznego prądu!

Wybór właściwego rozwiązania musi nastąpić z uwzględnieniem całości zagadnień ochrony (zarządzanie ryzykiem, wybór klasy urządzenia odgromowego, dobór konkretnego modelu, koordynacja energetyczna, inne parametry). Taki projekt powinien wykonać wykwalifikowany specjalista. Inaczej jest to tylko zapewnienie bytu producentom aparatów i nasze dobre samopoczucie, że "się starałem". Realnie niczego nie dające. Równie dobrze można kupić gromnicę i zapalać w domu podczas burzy, skutek będzie dokładnie taki sam. Po co więc mamy jeść taką żabę? 

Instalować ochronniki czy nie instalować?

Powtórzę w nim dylemat, postawiony na wstępie niniejszego opracowania. Ochrona przeciwprzepięciowa jest na pewno zalecana przez producentów i dystrybutorów osprzętu elektrycznego, natomiast wśród instalatorów oraz inwestorów zdania są podzielone. Dlaczego tak się dzieje?

Przyczyn jest kilka.

• Po pierwsze, znajomość problematyki ochrony przeciwprzepięciowej wśród działających na rynku elektryków jest nikła. Piszę to z przykrością, ale takie są fakty. Rynek usług dla inwestorów prywatnych jest w dużej mierze opanowany przez dyletantów, których jedyną zaletą jest niska cena świadczonych usług, za którą idzie znajomość branży na poziomie sprzed lat trzydziestu co najmniej. Spotykam się z tym na co dzień, nie ma czego ukrywać.
  
  
• Po drugie, tematyka jest naprawdę trudna, nawet technicznie! Ilu wykonawców wie jaka powinna być odległość między stopniem B i C, aby koordynacja zabezpieczeń odpowiednio działała? Ilu potrafi wyliczyć niezbędny przekrój przewodów odprowadzających czy wartość wkładek dobezpieczeń? Nie wierzcie pseudo-entuzjastom, którzy są gotowi wstawić do rozdzielnicy zakupiony ochronnik i będą twierdzili, że to już wszystko! To tak nie działa i działać nie będzie.
  
  
• Po trzecie, jest oczywistym, że każdy inwestor zawsze bije się z myślami czy warto inwestować w ograniczniki przepięć. Nie jest to najtańszy element instalacji elektrycznej. Teoretycznie podczas poważniejszego remontu mieszkania czy też budowy domu, wydatek rzędu kilkuset albo tysiąca złotych to kropla w morzu wydatków. W praktyce jednak nie wygląda to tak różowo, a sytuacja, że ochronnik faktycznie zadziała, wcale nie jest taka duża. Zresztą, nawet jak zadziała, to obniżenie napięcia do poziomu 1,5 kV czy nawet 0,8 kV może nie wystarczyć i nie zabezpieczy naszych czułych urządzeń elektronicznych.
  
  
• Po czwarte i bardzo ważne. Jak wykazały przeprowadzone niedawno cząstkowe badania, na 16 losowo wybranych typów ochronników zaledwie 4 (cztery) z nich wytrzymały parametry deklarowane przez producentów! Jest to o tyle groźne, że pozostałe aparaty okazały się nie tylko bezwartościowymi gadżetami, ale przy rzeczywistym wyładowaniu atmosferycznym stwarzałyby ponadto zagrożenie pożarowe!
  
  
• I wreszcie, po piąte, to wszystko czasami bywa rzeczywiście niepotrzebne! Jeśli właściwie zdiagnozować zagrożenie.

Kiedy możemy zrezygnować ze stosowania ochronników?

Norma dotycząca ochrony przeciwprzepięciowej w instalacjach elektrycznych, czyli PN-IEC 60364-4-443, na którą powołałem się jeszcze na wstępie, ma pewien rozdział, oznaczony numerem 443.3.1 Ograniczanie naturalne przepięć. Stanowi on, że nie jest potrzebna ochrona od przepięć atmosferycznych, jeśli obiekt jest zasilany z sieci kablowej albo napowietrznymi przewodami izolowanymi lub ekranowanymi. Nie jest też wymagana taka ochrona przy zasilaniu z sieci napowietrznej na terenach o rocznej liczbie dni burzowych nie przekraczającej 25, czyli na przeważającym obszarze Polski. Bo nie ma wtedy sensu! Ogólny koszt zapobiegania jest wtedy wyższy, niż przewidywane straty! I co teraz?

To wcale nie jest ani śmieszne, ani bezpodstawne i ma swoje uzasadnienie. Kto ma do czynienia z zagrożeniem choćby poważnym, ale o tak małym prawdopodobieństwie, ten się ubezpiecza od jego skutków zamiast topić pieniądze w techniczne środki ochrony, które przecież działają poprawnie również z określonym prawdopodobieństwem. Równocześnie jednak, przywołane na wstępie rozporządzenie w sprawie warunków technicznych stwierdza w § 183. 1. obowiązek stosowania w instalacjach elektrycznych "urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej". Rozporządzenie jest zaś aktem prawnym i ma pierwszeństwo przed normą. Sytuacja od strony formalnej wcale nie jest więc jednoznaczna.

Ponadto norma (w punkcie 411.3.1.2) stanowi, że niezbędnym uzupełnieniem ochrony są główne połączenia wyrównawcze w każdym budynku, obejmujące żyły ochronne oraz metalowe osłony, powłoki bądź ekrany przewodów instalacji elektrycznych czy też telekomunikacyjnych, oraz części przewodzące obce, czyli metalowe rury wodne, gazowe, ogrzewcze i klimatyzacyjne, metalowe konstrukcje budowlane, łącznie z dostępnym zbrojeniem betonu.

I jeszcze jedno. Główne połączenia wyrównawcze ochronne powinny być wykonane z użyciem głównej szyny wyrównawczej, jak najbliżej miejsca wprowadzenia wszelkich instalacji do budynku. O takim wykonaniu wspominają normy grupy 60364-4-44, dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej, zalecając wprowadzanie do budynku wszelkich instalacji w jednym i tym samym miejscu. Dzięki temu główne połączenia wyrównawcze są krótkie, a tym samym bardziej niezawodne, a ponadto unika się tworzenia obszernych pętli przewodowych, w których mogą się indukować groźne przepięcia przy najbliższych i bliskich wyładowaniach atmosferycznych.

Podsumowanie

Przytoczony powyżej materiał pokazuje nam jasno i dobitnie, że troskę o ochronę naszych urządzeń domowych przed przepięciami powinniśmy przejawić już na etapie projektowania i budowy domu, a nie kiedy on już stoi! Bo wtedy spełnienie wymagań technicznych, zwiększających prawdopodobieństwo skuteczności zastosowanej ochrony, jest o wiele trudniejsze nawet dla doświadczonego projektanta. Zaś zwykły montażysta nie będzie w stanie poradzić sobie ze złożonością zagadnienia.

Gdyby nasze prawo wymagało obligatoryjnego wykonania uziomu fundamentowego w każdym nowo budowanym obiekcie oraz pomieszczenia przyłączowego, do którego wchodzą wszystkie zewnętrzne instalacje, temat mógłby właściwie nie istnieć. I wtedy, gdyby inwestor wyposażył instalację w zestaw ochronników, pewne układy można by wcześniej standaryzować, czyli zmniejszyć zarówno koszty ogólne jak też ryzyko popełniania błędów projektowych i montażowych.

Na razie jednak na nic takiego się nie zanosi. Każdy zatem musi sam podjąć ostateczną decyzję czy budować dom zgodnie z duchem czasu i najnowszą wiedzą techniczną, czy troskę o bezpieczeństwo własne i swoich urządzeń pozostawić na przyszłość losowi oraz firmom ubezpieczeniowym.

Musi jednak pamiętać, że koszty braku skutecznej ochrony przepięciowej wciąż rosną i mogą go jednak w przyszłości dotknąć. Los bywa różny.

Stanisław Liberski
fot. otwierająca: dlw1412 / pixabay.com