Wysokie wymagania dotyczące niezawodności pracy urządzeń niskiego napięcia i aparatury elektronicznej, ich wysoki koszt oraz mała odporność na działanie przepięć – szczególnie aparatury elektronicznej – powodują konieczność stosowania skutecznej ochrony przeciwprzepięciowej instalacji elektrycznych.

Ochrona zewnętrzna i wewnętrzna

Zewnętrzne systemy ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej przejmują prądy bezpośrednich wyładowań atmosferycznych i odprowadzają je do ziemi, chroniąc obiekty i znajdujących się w nich ludzi oraz sprzęt. Ochronę tę uzyskuje się poprzez zwody, przewody odprowadzające i uziemiające oraz uziomy, czyli metalowe przedmioty umieszczone w gruncie.

Wewnętrzna ochrona ogranicza poziomy przepięć docierających do urządzeń. Tworzy się ją poprzez zachowanie odpowiednich odstępów między instalacją piorunochronną a innymi urządzeniami i instalacjami, wykonanie połączeń wyrównawczych oraz stosowanie dodatkowych zabezpieczeń w postaci odgromników i ochronników przeciwprzepięciowych. Ograniczniki przepięć instaluje się równolegle do chronionego urządzenia. Powinny mieć znaczną wytrzymałość na obciążenie cieplne, ponieważ są narażone na przepływ dużych prądów o stosunkowo długim czasie kilkumilisekundowym.

Strefowa koncepcja ochrony

Aby jak najefektywniej wykorzystać możliwości elementów ochrony, stworzono strefową koncepcję ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej (ang. Lightning Protection Zone – LPZ). Urządzenia elektryczne, które pracują w obiekcie znajdującym się w obszarze działania sygnałów wywołanych przez wyładowanie piorunowe i inne przepięcia, narażone są na wpływy udarów o różnym kształcie i różnych wartościach szczytowych. Optymalnym sposobem ochrony przed przepięciami jest wydzielenie w zagrożonym obiekcie stref, w których dopuszcza się wystąpienie przepięć o określonych amplitudach. W trakcie przechodzenia z jednej strefy do drugiej przepięcia są ograniczane do wartości dopuszczalnych w danej strefie. W tym celu wykorzystuje się ekrany tłumiące pole elektromagnetyczne, odgromniki i ochronniki przeciwprzepięciowe oraz linie kablowe wewnątrz i na zewnątrz budynków.

Strefy ochronne zdefiniowano w normie PN-EN 62305-4 – są to:

• Strefa ochrony odgromowej 0A – urządzenia pracujące w tej strefie, najczęściej na wolnym powietrzu, narażone są na bezpośrednie uderzenia pioruna. Pole elektromagnetyczne rozchodzi się bez przeszkód.

• Strefa ochrony odgromowej 0B – urządzenia są tu chronione przed bezpośrednimi uderzeniami pioruna przez odgromniki, co ogranicza udary napięciowe i prądowe. Pole elektromagnetyczne rozchodzi się bez przeszkód.

• Strefa ochrony odgromowej 1 – w tej strefie płynie część prądu piorunowego ograniczona odgromnikami i przewodami wyrównującymi potencjał. Pole elektromagnetyczne jest tłumione przez ekran utworzony najczęściej przez przewodzące elementy konstrukcyjne budynków (zbrojenie itp.).

• Strefa ochrony odgromowej 2 – tu występują jeszcze częściowe prądy piorunowe zmniejszone przez kolejne ochronniki. Pole elektromagnetyczne zostaje dodatkowo wytłumione przez ekran. Jeżeli konieczne jest dodatkowe zmniejszenie prądów przewodzonych i pola elektromagnetycznego, to powinny być wprowadzone kolejne strefy.

Zmniejszanie i ograniczanie przepięć

Po podziale budynku na strefy ochronne w miejscach granicznych między strefami – przy przejściach do strefy o wyższym stopniu ochrony – instalowane są ograniczniki przepięć. Te stosowane w instalacjach elektrycznych wewnątrz obiektów budowlanych zawierają co najmniej jeden element nieliniowy „ucinający” przepięcie lub ograniczający jego wartość szczytową.

Wśród ograniczników przepięć przeznaczonych do montażu w instalacji elektrycznej w obiekcie budowlanym można wyróżnić w pierwszej kolejności te ucinające napięcie – po przekroczeniu pewnej wartości napięcia następuje gwałtowny spadek oporu wewnętrznego i szybkie przejście ze stanu nieprzewodzenia do stanu przewodzenia. W tego typu urządzeniach elementem do ucinania napięcia są: iskierniki, rury gazowe, tyrystory i triaki.

Kolejny rodzaj to ograniczniki zmniejszające napięcie – ograniczenie napięcia stanu nieustalonego do bezpiecznego poziomu następuje wtedy, gdy poddana działaniu przepięcia impedancja elementu ograniczającego znacznie zmniejsza wartość. Zbudowane są z elementu nieliniowego, zwykle warystora. Mogą przejść ze stanu wysokoomowego do niskoomowego w bardzo krótkim czasie i mają dużą zdolność pochłaniania energii.

Istnieją wreszcie ograniczniki kombinowane, zawierające element ucinający napięcie oraz element ograniczający napięcie.

Zadania ograniczników

Urządzenia do ograniczania przepięć powinny być, w zależności od ich przeznaczenia, poddane próbom klasy I, II lub III. Ze względu na właściwości ograniczników przepięć i ich zastosowanie podzielono je na trzy typy.

Ograniczniki typu 1 (dawniej typ B) mają chronić przed zagrożeniami pochodzącymi od bezpośrednich lub bliskich wyładowań piorunowych. Stosowane są przy przejściu między strefami ochrony odgromowej 0A i 1 (LPZ 0A -> LPZ 1). Wykonuje się je głównie z wykorzystaniem iskierników. Ograniczniki typu 2 i 3 (dawniej C i D) chronią instalacje i urządzenia końcowe przed zagrożeniami pochodzącymi od odległych wyładowań piorunowych i operacji łączeniowych. Stosowane są przy przejściu ze strefy ochrony odgromowej 0B do kolejnych stref.

Z kolei ograniczniki kombinowane (dawniej tzw. typ B+C) chronią instalacje i urządzenia końcowe przed zagrożeniami pochodzącymi od bezpośrednich lub pobliskich wyładowań piorunowych. Stosuje się je przy przejściu między strefami ochrony odgromowej 0A-1, jak również 0A-2.

Ograniczniki typu 1 zapewniają ochronę instalacji elektrycznej i podłączonych do niej odbiorników w przypadku bezpośredniego uderzenia pioruna w linię zasilającą lub w instalację odgromową budynku. Najczęściej montuje się je na początku instalacji, która zasilana jest z sieci napowietrznej lub z linii kablowej. Ogranicznik taki ma również odprowadzać do uziomu prąd piorunowy powstały po bezpośrednim uderzeniu pioruna w sieć zasilającą.

Hybrydowe ograniczniki typu 1+2 zapewniają ochronę przed przepięciami atmosferycznymi spowodowanymi uderzeniem pioruna w obiekty, które znajdują się w sąsiedztwie linii napowietrznych, lub bezpośrednio w linię niskiego napięcia w dużej odległości od miejsca zainstalowania ograniczników. Stanowią też zabezpieczenie przed przepięciami łączeniowymi.

Z kolei ograniczniki typu 2 chronią instalację elektryczną przed skutkami przepięć powstałych w wyniku pośrednich wyładowań atmosferycznych lub procesów łączeniowych w sieci elektrycznej. Mowa przede wszystkim o załączaniu urządzeń elektrycznych takich jak silniki, transformatory czy spawarki. Ograniczniki te redukują też przepięcia występujące w wyniku zadziałania zabezpieczeń instalacji.

Do zabezpieczania urządzeń komputerowych i sprzętu elektronicznego stosuje się ograniczniki typu 3, które chronią czułe odbiorniki przed przepięciami zredukowanymi już przez wcześniejszy stopień ochrony.

Urządzenia te wykorzystywane są również w przypadku nieustalonej odporności udarowej aparatury oraz kilkudziesięciometrowej odległości między czułym urządzeniem a ostatnim stopniem ochrony.

Ochrona w przemyśle

Większość współczesnych zakładów przemysłowych opiera swoją produkcję na szeroko rozumianej automatyce i elektronice. Ich uszkodzenie w wyniku przepięcia powstałego w kablach połączeniowych lub liniach energetycznych może powodować ogromne straty z powodu zatrzymania lub zakłócenia procesu produkcyjnego. Dlatego należy w nich stosować dobrze przemyślaną instalację odgromową i przeciwprzepięciową oraz odpowiednio dobrane urządzenia zabezpieczające. Mają one do wykonania wiele odpowiedzialnych zadań. Na przykład w obwodach sygnałowych w normalnych warunkach pracy elementy zabezpieczające nie mogą zakłócać (zniekształcać) przesyłanych sygnałów, ograniczać szybkości ich transmisji, za to muszą szybko reagować na zakłócenia. Z kolei w obwodach zasilających nie mogą prowadzić do spadku mocy, muszą zredukować przepięcie do określonej wartości w jak najkrótszym czasie, odprowadzać nadmiar energii i działać do zaniku przepięcia.

Producenci tego rodzaju komponentów oferują szeroki wybór modeli przeznaczonych do ochrony poszczególnych instalacji elektrycznych i systemów, np.: sterowania i kontrolno-pomiarowych, dozorowych i alarmowych czy sygnałów transmisji danych. Ograniczniki przepięć do zastosowania w typowym otoczeniu przemysłowym mają często modułową budowę i wymienne wkłady, co ułatwia ich montaż, wymianę i obsługę, a kompaktowa obudowa zajmuje mało miejsca w rozdzielnicy. Modele z optycznym wskaźnikiem uszkodzenia sygnalizują zadziałanie ogranicznika, zmieniając barwę wskaźnika.