Baza wiedzy

Wstęp i cel stosowania izolacji wysokonapięciowej. 

W zewnętrznym systemie ochrony odgromowej (LPS) podstawowym mechanizmem zapobiegania niekontrolowanym wyładowaniom bocznym (bocznym przeskokom iskrowym) jest zachowanie bezpiecznego odstępu separującego s. Odstęp ten definiuje minimalną odległość w powietrzu lub w materiale stałym, jaka musi zostać zachowana między przewodami odprowadzającymi prąd piorunowy a jakimikolwiek metalowymi elementami konstrukcyjnymi bądź instalacjami wewnętrznymi połączonymi galwanicznie z wnętrzem obiektu. Wartość ta jest zmienna i zależy bezpośrednio od wybranej klasy ochrony odgromowej (LPS) określającej parametry prądu pioruna, sposobu podziału prądu w przewodach odprowadzających (liczby równoległych dróg rozpływu), właściwości dielektrycznych materiału izolacyjnego oraz długości trasy przewodu od punktu zbliżenia do najbliższego uziomu lub połączenia wyrównawczego.

Rys. 1. Badania przewodu w izolacji wysokonapięciowej w Hali Najwyższych Napięć w Instytucie Energetyki na Morach (Warszawa).

W warunkach nowoczesnego budownictwa, przy skomplikowanej architekturze dachowej oraz dużym nasyceniu urządzeniami technicznymi (takimi jak systemy fotowoltaiczne PV, agregaty klimatyzacyjne, wentylatory czy kamery CCTV), zachowanie tradycyjnego odstępu separującego w powietrzu – wynoszącego najczęściej od 0,5 m do 1 m – staje się fizycznie niemożliwe. W takich sytuacjach tradycyjne podejście oparte na przewodach nieizolowanych zawodzi. Zbliżenie instalacji odgromowej do okablowania PV lub obudów urządzeń dachowych poniżej bezpiecznej granicy wywołuje gwałtowny wzrost natężenia pola elektrycznego i w konsekwencji niekontrolowane przeskoki iskrowe. Przeskok ten diametralnie zmienia drogę rozpływu prądu piorunowego, wprowadzając niszczący prąd udarowy bezpośrednio do instalacji elektrycznych budynku. Skutkuje to natychmiastowym spaleniem falowników, sterowników oraz innego wrażliwego wyposażenia, a także stwarza bezpośrednie zagrożenie pożarowe dla obiektu.

Zastosowanie elementów izolowanych wysokonapięciowo eliminuje problem braku przestrzeni montażowej. Rozwiązania te umożliwiają prowadzenie przewodów odprowadzających bezpośrednio po chronionych urządzeniach i ich konstrukcjach wsporczych bez ryzyka wystąpienia bocznego przeskoku iskry.

Budowa i zasada działania przewodów wysokonapięciowych

Dedykowany przewód wysokonapięciowy stosowany w ochronie odgromowej charakteryzuje się specjalistyczną konstrukcją warstwową, która musi wytrzymać ekstremalne udary napięciowe towarzyszące odprowadzaniu prądu pioruna.

a)

 

b)

Rys. 2. Budowa przewodów wysokonapięciowych firmy Elko-bis: a) przewód wysokonapięciowy nr kat. 30000199; b) przewód wysokonapięciowy nr kat. 30000199;

Powszechnym i bardzo niebezpiecznym błędem wykonawczym jest próba zastępowania przewodów odgromowych tradycyjnymi kablami elektroenergetycznymi średniego napięcia (SN), na przykład o napięciu roboczym 30 kV. Zwykły kabel SN jest budowany według odmiennych norm i badany napięciem udarowym o wartości zaledwie 100 kV, co nie uwzględnia charakterystyki wyładowań atmosferycznych. Podczas bezpośredniego uderzenia pioruna, napięcia generowane na zwodach są wielokrotnie wyższe, co na powierzchni standardowego kabla SN powoduje powstanie gwałtownych wyładowań ślizgowych (pełzających) i nieuchronne przebicie poprzeczne jego izolacji. Profesjonalny przewód wysokonapięciowy dla LPS musi przejść badania typu przy napięciu probierczym wynoszącym s*10 kV/cm zgodnie z wymaganiami standardu IEC TS 62561-8 (np. dla przewodu 30000199 jest to 75 cm *10 kV/cm = 750 kV).

Przewód musi być badany również na przewodzenie prądu wyładowania. Maksymalna wartość natężenia impulsu prądowego zależy między innymi od klasy LPS dla jakie dopuszczony jest dany przewód, np. Dla klasy LPS I jest to 200 kA. Przewód badany jest wraz z końcówkami umożliwiającymi połączenie z instalacją odgromową – dopiero taki zestaw stanowi komplet, który spełnia wymogi IEC TS 62561-8.

Konstrukcja warstwowa specjalistycznego przewodu wysokonapięciowego:

• Żyła robocza (rdzeń): Wielodrutowy przewód miedziany lub aluminiowy (o typowym przekroju 35 mm² Cu lub 50 mm² AL), przystosowany do bezpiecznego odprowadzenia prądu udarowego o wysokiej energii.
• Wewnętrzna warstwa półprzewodząca: Wyrównująca rozkład pola elektrycznego wokół żyły miedzianej.
• Izolacja wysokonapięciowa: Gruba, jednorodna warstwa polietylenu usieciowanego (XLPE) o bardzo wysokiej wytrzymałości dielektrycznej na przebicie poprzeczne.
• Zewnętrzna warstwa półprzewodząca: Najbardziej krytyczny element sterujący. Wykonuje się ją z materiału o nieliniowej impedancji (którego właściwości fizyczne przypominają warystor). W momencie gwałtownego wzrostu potencjału podczas udaru, warstwa ta zmienia swoje parametry przewodności, sterując rozkładem pola elektrycznego w osi wzdłużnej i poprzecznej przewodu. Dzięki temu całkowicie zapobiega się powstawaniu niebezpiecznych wyładowań ślizgowych i pełzających na zewnętrznej powierzchni przewodu.
• Zewnętrzna osłona izolacyjna: Warstwa z tworzywa odpornego na długotrwałe oddziaływanie promieniowania UV oraz skrajne czynniki atmosferyczne.

Odstęp izolacyjny

Prawidłowe zastosowanie przewodu wysokonapięciowego wiąże się z ustaleniem minimalnego odstępu izolacyjnego dla danego obiektu zgodnie z normą PN-EN 62305-3 „izolacja elektryczna zewnętrznego LPS”. Odstęp izolacyjny jaki zapewnia przewód wysokonapięciowy wynosi:

W zależności od konstrukcji przewodu oraz klasy LPS obiektu, maksymalna długość przewodu, jaka powinna być stosowana wynosi:

Przegląd komponentów systemu izolowanego

Kompletny, certyfikowany system izolowany składa się z wzajemnie dopasowanych akcesoriów, przebadanych pod kątem mechanicznym i elektrycznym zgodnie z normą IEC TS 62561-8:

• Wysokonapięciowe przewody izolowane: W opracowaniach technicznych dąży się do stosowania sprawdzonych przewodów wysokiej jakości, takich jak przewody wysokonapięciowe dostarczane przez firmę Elko-bis. Przewody te posiadają zadeklarowany i potwierdzony badaniami laboratoryjnymi równoważący odstęp separacyjny w powietrzu oraz w materiałach stałych, gwarantując bezpieczne odprowadzenie prądu pioruna bez ryzyka przebicia poprzecznego.
• Izolowane maszty odgromowe i wsporniki dystansowe: Do budowy konstrukcji wsporczych wykorzystuje się elementy wykonane z tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem szklanym (GRP/GFK / FRP). Materiał ten charakteryzuje się pełną stabilnością mechaniczną, odpornością na oddziaływanie promieni UV oraz doskonałymi właściwościami dielektrycznymi (przypisuje się mu korzystny współczynnik materiałowy k_m = 0,7). Zgodnie z normą, wsporniki izolacyjne muszą legitymować się wytrzymałością izolacji na poziomie co najmniej 500 kV przy czasie czoła udaru zbliżonym do 1 µs.
• Elementy mocujące i opaski przyłączeniowe: W skład osprzętu wchodzą specjalistyczne uchwyty, np.: ścienne, na felc blachy, gąsiory oraz bezinwazyjne opaski naciągowe. Elementy te są zaprojektowane w sposób uniemożliwiający mechaniczne uszkodzenie lub zgniecenie zewnętrznej warstwy półprzewodzącej przewodu. Ponadto stosuje się dedykowane opaski przyłączeniowe służące do uziemiania powłoki zewnętrznej przewodu u jego podstawy.

Kryteria doboru i obliczenia

Stosowanie przewodów wysokonapięciowych wymaga rzetelnego doboru projektowego. Podstawowym kryterium jest zasada, aby wyliczony na podstawie normy PN-EN 62305-3 wymagany rzeczywisty odstęp separujący s w żadnym punkcie trasy nie przekroczył maksymalnej wartości odstępu równoważnego gwarantowanej przez producenta przewodu.

Przykładowo, jeżeli dany przewód wysokonapięciowy gwarantuje równoważny odstęp separujący o wartości do 0,75 m w powietrzu (lub do 1,5 m w materiale stałym), rzeczywisty odstęp wyliczony dla chronionego obiektu musi być mniejszy lub równy tym wartościom. Ponieważ potencjał przewodu rośnie proporcjonalnie do jego długości l, mierzonej od punktu instalacji głowicy (zwodu pionowego) do najbliższego punktu wyrównania potencjałów lub uziemienia, wprowadza się rygorystyczne ograniczenia dotyczące maksymalnej długości pojedynczej trasy przewodu wysokonapięciowego.

Przy wyznaczaniu maksymalnej dopuszczalnej długości przewodu L_max należy uwzględnić następujące współczynniki normatywne:

1. Współczynnik klasy ochrony (k_i):

• Dla Klasy LPS I: k_i = 0,08
• Dla Klasy LPS II: k_i = 0,06
• Dla Klasy LPS III/IV: k_i = 0,04

2.Współczynnik podziału prądu piorunowego (k_c): Zależy od liczby przewodów odprowadzających na obiekcie. W układzie uproszczonym przybiera wartości:

• Dla jednego przewodu (n = 1): k_c = 1,0
• Dla dwóch przewodów (n = 2): k_c = 0,66 (lub 0,5 przy symetrycznym podziale)
• Dla trzech i więcej przewodów (n ≥ 3): k_c =  0,44 (lub 0,33 przy optymalnym rozpływie)

3. Współczynnik materiałowy (k_m): Charakteryzuje ośrodek izolacyjny:

• Dla powietrza: k_m = 1,0
• Dla materiałów budowlanych stałych (cegła, beton): k_m = 0,5
• Dla tworzyw wzmacnianych włóknem GFK/GRP: k_m = 0,7

Elektryczną izolację pomiędzy zwodem lub przewodem odprowadzającym a konstrukcyjnymi częściami metalowymi, instalacjami metalowymi i układami wewnętrznymi można uzyskać, zapewniając odstęp separujący s pomiędzy tymi częściami. Ogólne równanie, pozwalające obliczyć odstęp s ma następującą postać:

Rzeczywisty odstęp separujący rośnie wraz z wysokością obiektu i odległością od ziemi. Jeżeli rzeczywista długość trasy projektowanego przewodu przekracza dopuszczalny limit wyznaczony przez parametry izolacyjne, konieczne jest zastosowanie dodatkowych, nieizolowanych przewodów odprowadzających w innych częściach budynku (w celu zmniejszenia wartości współczynnika k_c) lub zastosowanie przewodu o wyższym deklarowanym stopniu izolacji (np. o ekwiwalencie 0,95 m w powietrzu / 1,9 m w materiale stałym).

Kluczowe zasady montażu i błędy wykonawcze

Montaż systemów izolowanych wysokonapięciowo wymaga bezwzględnej dyscypliny technologicznej. Niezastosowanie się do wytycznych montażowych producenta skutkuje uszkodzeniem izolacji i całkowitym zniszczeniem chronionych urządzeń przy pierwszym uderzeniu pioruna.

Strefa zakończenia przewodu (strefa rozładowania pełzającego)

Na dolnym końcu przewodu wysokonapięciowego (oraz przy głowicy przyłączeniowej zwodu pionowego) następuje gwałtowny wzrost wartości natężenia pola elektrycznego.

Wymaganie konstrukcyjne: Należy bezwzględnie zachować tzw. obszar przyłączeniowy (strefę rozładowania pełzającego) o długości określonej przez producenta przewodu – wynosi ona 2*s (gdzie s jest wartością równoważnego odstępu izolacyjnego, np. dla przewodu 30000199 wynosi ona 2 * 0,75 m = 1,5 m). W strefie tej, mierzonej od złącza głowicy w dół, nie mogą znajdować się żadne elementy przewodzące, metalowe, uziemione, barierki, rury ani okablowanie instalacji PV.

Wymaganie czystości: Zewnętrzna powierzchnia przewodu oraz rury wsporczej GRP w strefie zakończenia musi być utrzymywana w bezwzględnej czystości. Osady z pyłu, sadzy kominowej, pyłów budowlanych oraz wilgoć drastycznie obniżają rezystancję powierzchniową, co przy udarze doprowadzi do powstania niszczących wyładowań pełzających (ślizgowych) wzdłuż powierzchni izolatora.

Przestrzeganie minimalnych promieni gięcia przewodów

Wymaganie: Ze względu na sztywną strukturę warstwową przewodu (ekrany półprzewodzące, dielektryk XLPE, rdzeń), kategorycznie zabrania się gwałtownego załamywania przewodu. Minimalny promień gięcia dla przewodu 30000199 wynosi 280 mm, a dla przewodu 30000299 200 mm.

Zagrożenie: Zbyt ostre wygięcie przewodu powoduje lokalne pęknięcia poprzeczne zewnętrznej powłoki półprzewodzącej oraz deformację izolacji stałej. Przy przepływie prądu piorunowego w miejscu tym nastąpi natychmiastowe przebicie poprzeczne dielektryka.

Prawidłowe podłączenie powłoki zewnętrznej do potencjału odniesienia

Wymaganie: Zewnętrzna warstwa półprzewodząca przewodu (najczęściej czarna lub szara) musi zostać połączona galwanicznie z lokalnym układem wyrównania potencjałów (potencjałem odniesienia).

• Połączenie potencjałowe wykonuje się bezpośrednio za elementem łączącym (pierwszym złączem potencjałowym) u podstawy izolowanego masztu.
• Przewód łączący zewnętrzną powłokę półprzewodzącą z metalową konstrukcją wsporczą, przewodami wyrównawczymi lub lokalną szyną wyrównawczą musi posiadać przekrój nie mniejszy niż 6 mm² (dla przewodu posiadającego żyłę wykonaną z miedzi.

Zagrożenie: Pozostawienie powłoki zewnętrznej bez uziemienia (niepodłączonej do potencjału odniesienia) sprawia, że mechanizm nieliniowego sterowania polem elektrycznym przestaje działać. Przewód wysokonapięciowy zachowuje się wtedy jak zwykły przewód nieizolowany, co generuje gwałtowne wyładowania ślizgowe na całej jego długości.

Lista kontrolna prawidłowego montażu

1. Oczyszczono powierzchnię rur osłonowych GRP/GFK oraz powłokę zewnętrzną przewodu wysokonapięciowego w strefie zakończenia z kurzu, smarów i wilgoci przed instalacją.

2. Zweryfikowano i dokładnie odznaczono długość strefy rozładowania pełzającego zgodnie z dokumentacją projektową.

3. Sprawdzono, czy wewnątrz strefy zakończenia nie znajdują się żadne metalowe obejmy montażowe, rynny, konstrukcje wsporcze lub kable PV.

4. Poprowadzono przewód wysokonapięciowy z zachowaniem minimalnych wartości promienia gięcia.

5. Podłączono zewnętrzną warstwę półprzewodzącą przewodu do uziemionej konstrukcji wsporczej lub przewodów wyrównawczych za pomocą dedykowanej opaski potencjałowej i przewodu o przekroju minimum 6 mm² (dla przewodu posiadającego żyłę wykonaną z miedzi).

6. Użyto odpowiedniego momentu obrotowego dla wszystkich połączeń śrubowych (zabezpieczenie przed samoczynnym odkręceniem).

Lista najczęstszych błędów wykonawczych (Do natychmiastowego odrzucenia przy odbiorze):

1. Użycie kabla elektroenergetycznego średniego napięcia (SN): Zastosowanie kabla SN (np. na napięcie 30 kV) zamiast certyfikowanego przewodu odgromowego przebadanego na napięcie udarowe zgodne z normą IEC TS 62561-8.

2. Złamanie strefy rozładowania pełzającego: zamontowanie metalowego uchwytu konstrukcyjnego lub uziemionego elementu bezpośrednio na kablu wewnątrz wyznaczonej strefy zakończenia (poniżej głowicy).

3. Brak połączenia wyrównawczego: pozostawienie zewnętrznej warstwy półprzewodzącej przewodu bez galwanicznego połączenia z potencjałem odniesienia (uziemioną konstrukcją).

4. Zanieczyszczenie instalacji: pozostawienie osadów pyłu budowlanego, cementu lub sadzy na powierzchniach izolacyjnych rur GRP/GFK.

5.  Zbyt mały promień gięcia: wykonanie gwałtownego załamania przewodu pod kątem 90° przy przejściu przez krawędź attyki lub konstrukcję wsporczą.

Przygotowanie przewodu wysokonapięciowego do instalacji

Rys. 3. Przykład zastosowania elementów instalacji wysokonapięciowej.

 

Autorzy:

Sebastian Łapczyński, Product Manager

Tomasz Bartoszewicz, Projektant