Znaczną część uszkodzeń urządzeń i systemów elektronicznych powodują przepięcia powstające wskutek wyładowań atmosferycznych. Szkody, jakie wywołują, są wielokrotnie większe niż zniszczenia powstające podczas bezpośrednich uderzeń piorunów w obiekty budowlane (pożary, uszkodzenia budynków, instalacji itp.). Przepięcia są szczególnie groźne dla urządzeń pracujących w rozbudowanych systemach. Szczególnie zagrożone są urządzenia służące do przesyłania, magazynowania i przetwarzania informacji elektronicznych. W takich przypadkach nawet uszkodzenie pojedynczego układu scalonego lub urządzenia może unieruchomić cały system. Dotyczy to szczególnie sieci komputerowych.

Cechą charakterystyczną współczesnych układów elektronicznych jest ich niewielka odporność udarowa. Urządzenia wyposażone w takie układy - bez zastosowania odpowiednich środków ochronnych - charakteryzuje zmniejszona odporność na bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektromagnetycznego oraz na działanie udarów napięciowych lub prądowych dochodzących do tych urządzeń z sieci zasilającej oraz z linii transmisji sygnałów.

Zaprojektowanie i wykonanie poprawnie działającego systemu ochrony przed narażeniami impulsowymi wymaga posiadania niezbędnych informacji dotyczących:

• podstawowych źródeł zakłóceń oraz parametrów wy

twarzanych przez nie udarów

• wrażliwości urządzeń oraz systemów na działanie na

rażeń impulsowych

• właściwości stosowanych środków zabezpieczających.

Narażenia impulsowe wynikają głównie z częstego nieuwzględniania tego problemu przez instalatorów oraz niestosowania odpowiednich środków ochronnych w konstrukcji obiektu, w instalacji elektrycznej oraz systemach transmisji sygnałów.

Stopień zagrożenia stwarzanego przez udary dochodzące do urządzeń technicznych najlepiej obrazują nakłady finansowe ponoszone przez towarzystwa ubezpieczeniowe na naprawy oraz wymianę sprzętu elektronicznego uszkadzanego lub zniszczonego w wyniku przepięć. W krajach o dużym nasyceniu sprzętem elektronicznym ocenia się, że rocznie wypłaty na ten cel sięgają ok. 30-35 proc. ogólnej sumy wypłacanej na pokrycie szkód powstałych na skutek różnego rodzaju przyczyn .

• Przeprowadzone w USA obserwacje wykazały szczególną ważność niezawodnego działania systemów komputerowych. W razie uszkodzenia lub błędnej pracy systemu komputerowego banki są zdolne do działania dopiero po 2 dniach.

W przypadku firm o innym profilu działalności dopuszczalne okresy przestoju wynoszą odpowiednio:

• 3 dni w firmach prowadzących działalność handlową

• 4 dni w zakładach przemysłowych

• 6 dni firmy ubezpieczeniowe.

Zaobserwowano również bankructwo ok. 90 proc. firm, w których nastąpiły uszkodzenia systemu komputerowego i związany z nimi przestój trwający dłużej niż dwa tygodnie. Sygnały o podobnej skali zagrożenia dochodzą również z jednoczącej się Europy, coraz bardziej uzależnionej od systemów przetwarzania i transmisji informacji.

Powyższe fakty powodują gwałtowny wzrost zainteresowania problematyką ochrony przed przepięciami. W krajach wysoko rozwiniętych wymagania dotyczące zasad tworzenia ochrony przeciwprzepięciowej w instalacji elektrycznej oraz systemach przesyłu sygnałów należą obecnie do kategorii wymagań podstawowych.

W Polsce jesteśmy dopiero w początkowej fazie rozwoju zastosowań kompleksowych systemów informatyczno-telekomunikacyjnych. Dzięki temu mamy szansę, stosując odpowiednio dobrane systemy ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej, uniknąć lub znacznie ograniczyć szkody wywołane przez wyładowanie piorunowe oraz różnego rodzaju przepięcia.

Dodatkowo należy zauważyć, że tylko kompleksowe potraktowanie zagadnień zagrożenia oraz odpowiedni dobór środków ochrony stwarzają warunki zapewniające bezawaryjne i niezawodne działanie urządzeń i systemów.

PODSTAWOWE ŹRÓDŁA PRZEPIĘĆ

Szczególnie niebezpieczne dla urządzeń technicznych są pojedyncze, szybkozmienne udary o znacznych amplitudach. Podstawowymi źródłami tego rodzaju zagrożeń są wyładowania atmosferyczne oraz stany nie ustalone w instalacji elektrycznej. Dodatkowo należy wymienić zagrożenie stwarzane przez wyładowania elektrostatyczne oraz w przypadku sprzętu systemów stosowanych w armii, udarowe pole elektromagnetyczne powstające podczas eksplozji nuklearnych.

W przypadku zagrożenia wywołanego przez wyładowania atmosferyczne należy uwzględnić przepięcia wywołane przez:

• Bezpośrednie uderzenie pioruna w obwody sieci zasilającej lub linie transmisji sygnałów. Groźne są również bezpośrednie wyładowania w obiekty budowlne, w których pracują urządzenia techniczne. W takich przypadkach część prądu piorunowego może przedostać się bezpośrednio do

urządzeń.

• Uderzenie w bliskim sąsiedztwie obwodów elektrycznych lub urządzeń. Powstające przepięcia są indukowane przez impulsowe pole elektromagnetyczne wywołane przez prąd piorunowy płynący w kanale wyładowania oraz przez część prądu piorunowego dopływającego do podziemnych kabli lub uziemień budynków.

• Wyładowania w chmurach lub między chmurami.

• Wyładowania wstępne poprzedzające wyładowania

doziemne.

• Odległe wyładowania doziemne.

Analizując zagrożenie piorunowe urządzeń elektronicznych należy zwrócić szczególną uwagę na wyładowania zachodzące w bliskim sąsiedztwie obiektów. Obserwacje wykazały, iż bez zastosowania odpowiednich układów ochronnych urządzenia elektroniczne znajdujące się w obszarze o promieniu 1,5 km od miejsca uderzenia pioruna mogą ulec zniszczeniu.

Oceniając zagrożenie piorunowe zaleca się uwzględnienie występowania:

- 25 dni burzowych w roku dla południowo-zachodniego

krańca Polski

- 20 dni burzowych w roku dla pozostałej części kraju.

Uwzględniając przedstawione liczby dni burzowych

w roku można określić roczną liczbę uderzeń pioruna na 1 km2 powierzchni. Wartości te wynoszą odpowiednio:

- 1,8 dla 20 dni burzowych w roku

- 2,5 dla 25 dni burzowych w roku.

STANY NIE USTALONE W SIECIACH ELEKTROENERGETYCZNYCH

Stany nieustalone w sieciach elektroenergetycznych powstają podczas nagłych zmian napięcia zasilającego lub konfiguracji układu połączeń poszczególnych elementów w systemie elektroenergetycznym. Są one źródłem tzw. przepięć wewnętrznych, wśród których najczęściej występującymi są:

• Przepięcia łączeniowe powstające podczas wyłączania

i ponownego załączania nie-obciążonych linii lub baterii kon

densatorów, przerywania niewielkich prądów indukcyjnych

likwidacji zwarć za pomocą szybkich układów automatyki

SPS.

• Przepięcia dorywcze wywołane nagłymi zmianami ob

ciążenia, zjawiskami rezonansu i ferrorezonansu, nie zanika

jącymi zwarciami jedno- lub dwufazowymi z ziemią.

• Przepięcia zwarciowe występujące podczas zwarć do

ziemnych w sieciach elektroenergetycznych.

• Przepięcia powstające po zadziałaniu układów ochro

ny przepięciowej wywołane gwałtowną zmianą napięcia

i towarzyszącym jej przepływem prądów udarowych.

• Bezpośredni styk przewodów transmisji sygnałów

z przewodami sieci elektroenergetycznej.

Część z przedstawionych rodzajów przepięć wewnętrznych występuje w sieciach średnich napięć. Wówczas zagrożenie urządzeń technicznych wynika z faktu przenoszenia przepięć na stronę niskonapięciową transformatorów energetycznych.

PRZEPIĘCIA W INSTALACJACH NISKONAPIĘCIOWYCH

Podstawowym źródłem informacji o przepięciach indukowa-nych w instalacjach elektrycznych i systemach transmisji sygnałów są wyniki długotrwałych rejestracji prowadzonych w rzeczywistych układach.

INSTALACJE ELEKTRYCZNE NISKIEGO NAPIĘCIA

Długotrwałe obserwacje przepięć prowadzone w zachodnioeuropejskich i amerykańskich sieciach zasilających niskiego napięcia wykazały, że w większości przypadków przepięcia mają formę tłumionych oscylacji o częstotliwościach od 30 do kilkuset kHz. W części układów zaobserwowano również przepięcia mające w przybliżeniu dwuwykladniczy przebieg.

Przepięcia osiągające takie wartości rejestrowano najczęściej w sieciach składających się z długich odcinków napowietrznych lub zakopanych linii. W ciągu roku w dowolnym punkcie instalacji elektrycznej przeciętnie rejestrowano przepięcia o następujących amplitudach:

300-500 V - kilkaset przypadków

500-1000 V - kilkadziesiąt przypadków

1000-5000 V - kilkanaście przypadków

Tabela 1. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących przepięcia atmosferyczne indukowane w liniach telekomunikacyjnych

transmisji sygnałów oraz jest podawany czas trwania pomiarów. Dzięki temu można w przybliżeniu określić przeciętne liczby przepięć o różnej amplitudzie, powstających w pojedynczej linii telekomunikacyjnej podczas dnia burzowego.

Analizując krytycznie dostępne dane należy stwierdzić, że podane liczby są w większości przypadków zaniżone. Wynika to z faktu stosowania aparatury pomiarowej, która nie jest w stanie zarejestrować wszystkich pojawiających się przepięć. Dotyczy to szczególnie przepięć powstających podczas ponad 5000 V - kilka przypadków przepięć. wielokrotnych wyładowań doziemnych. Potwierdzeniem wiejskim liczby przepięć o amplitudach przekraczających 1 kV były wielokrotnie większe. Zarejestrowano również przepięcia o amplitudzie dochodzącej do 10 kV. Wyniki długotrwałych obserwacji przepięć umożliwiają wykreślenie krzywych, pozwalających określić liczbę przepięć o dowolnej amplitudzie, jaka może wystąpić w instalacji elektrycznej. Przykładowe wyniki rejestracji przepięć występujących w szwajcarskich instalacjach elektrycznych w budynku przedstawiono na rysunku 4. Należy zaznaczyć, że przedstawione dane nie obejmują przepięć powstających podczas bezpośredniego uderzenia pioruna w linie lub budynki.

W Polsce nie prowadzono dotychczas długotrwałych obserwacji przepięć w sieciach elektro-energetycznych niskiego napięcia. Należy jednak przypuszczać, że może wystąpić w nich większa liczba przepięć o dużych wartościach szczytowych. Wynika to z faktu znacznego udziału linii napowietrznych niskiego napięcia w systemie elektroenergetycznym oraz braku nowoczesnych ochronników przepięciowych w tych liniach.

SYSTEMY TRANSMISJI SYGNAŁÓW

Przepięcia rejestrowano najczęściej w kablach telekomunikacyjnych. Analiza otrzymanych wyników pozwala wyodrębnić kilka podstawowych kształtów indukowanych napięć.

ZAGROŻENIE PIORUNOWE W OBIEKTACH UDERZONYCH PRZEZ PIORUNY

Bezpośrednie uderzenie pioruna w obiekt budowlany pozbawiony urządzeń piorunochronnych powoduje najczęściej:

-uszkodzenie pokryć dachowych, wybicie szyb oraz

uszkodzenie ścian

-zniszczenie aparatów elektrycznych w rozdzielnicy

oraz instalacji elektrycznej i telekomunikacyjnej (wszelkiego

rodzaju przewody oraz gniazda są wyrywane ze ścian)

-zniszczenie wszelkiego rodzaju urządzeń elektrycznych

i elektronicznych zainstalowanych w obiekcie.

Od kilkunastu lat podejmowane są również próby oceny zagrożenia powstającego podczas bezpośredniego uderzenia pioruna w obiekt budowlany z instalację piorunochronną. Źródłem informacji są wyniki badań symulujących zjawiska zachodzące w naturze oraz wyniki rejestracji prowadzonych podczas prowokowania bezpośrednich wyładowań piorunowych w badane budynki.

Wyniki otrzymane na podstawie przedstawionych metod badawczych wskazują, iż zaobserwowane przepięcia mają najczęściej formę wysokoczęstotliwościo-wych tłumionych oscylacji. W tabeli 2 zestawiono obliczone wartości szczytowe napięć indukowanych w różnego rodzaju układach przez prąd udarowy o stro-mości narastania 100 kA/s i amplitudzie 100 kA (wartości osiągane przez prąd piorunowy).