Ochrona przed przepięciami

Samo zastosowanie zasilaczy UPS i agregatów prądotwórczych nie gwarantuje pewnego, o wysokiej jakości zasilania. Zasilacze UPS nie są bowiem w stanie zapewnić skutecznej ochrony, a wręcz same muszą być chronione przed niektórymi zakłóceniami przedostającymi się do sieci od strony elektroenergetycznej sieci zasilającej.

Samo zastosowanie zasilaczy UPS i agregatów prądotwórczych nie gwarantuje pewnego, o wysokiej jakości zasilania. Zasilacze UPS nie są bowiem w stanie zapewnić skutecznej ochrony, a wręcz same muszą być chronione przed niektórymi zakłóceniami przedostającymi się do sieci od strony elektroenergetycznej sieci zasilającej.

Zapewnienie wysokiej jakości zasilania dla urządzeń teleinformatycznych jest niezwykle ważne dla ich prawidłowego funkcjonowania ze względu na ich dużą wrażliwość na złe parametry jakości napięcia.

Największym zagrożeniem dla wrażliwego sprzętu teleinformatycznego są przepięcia, czyli napięcia wyższe niż znamionowe trwające ułamki sekund, powstające w wyniku uderzenia pioruna lub w wyniku procesów łączeniowych zachodzących w sieci elektrycznej. Prowadzą one do poważnych awarii sprzętu i w konsekwencji do utraty danych, stanowiąc źródło ponad 25% szkód związanych z awariami sprzętu teleinformatycznego.

Należy zwrócić uwagę, iż w przypadku systemu teleinformatycznego nawet drobne uszkodzenie pojedynczego urządzenia może spowodować przestój całego systemu, a nawet utratę danych. Najbardziej niebezpieczne dla odbiorników, w tym i sprzętu teleinformatycznego, są przepięcia powstające w wyniku wyładowań atmosferycznych o znacznych wartościach szczytowych, które są w stanie zniszczyć czułe urządzenia.

Brak świadomości o tego typu zagrożeniach powoduje, iż są one często lekceważone i nieuwzględniane przez administratorów systemów teleinformatycznych w polityce bezpieczeństwa organizacji.

Przyczyny przepięć

Straty w sprzęcie elektronicznym

Straty w sprzęcie elektronicznym

Przepięcia ze względu na przyczynę powstawania można podzielić na dwie kategorie:

  • przepięcia powstające wskutek wyładowań atmosferycznych - LEMP (Lightning Electromagnetic Impuls), piorunowy impuls elektromagnetyczny.

  • przepięcia, które powstają wskutek awarii sieci lub operacji łączeniowych (np. przy zwarciach, przy włączaniu i wyłączaniu odbiorników o dużej mocy) - SEMP (Switching Electromagnetic Impuls), łączeniowy impuls elektromagnetyczny.
Przepięcia pochodzenia atmosferycznego, ze względu na miejsce trafienia pioruna dzieli się na bliskie (bezpośrednie) i odległe. Najbardziej niebezpieczne są bezpośrednie uderzenia pioruna w instalację odgromową budynku i w jego bezpośrednie otoczenie lub w linie wchodzące do budynku (np. linie zasilające, linie telefoniczne).

Prądy i napięcia udarowe tego pochodzenia stanowią przez swoją energię i wysoką amplitudę szczególne zagrożenie dla instalacji elektrycznych w budynkach i wrażliwych urządzeń IT. Bez zastosowania odpowiednich urządzeń ochronnych sprzęt teleinformatyczny w promieniu kilku km od miejsca uderzenia piorunu może zostać uszkodzony.

Źródłem przepięć są też same urządzenia elektryczne podłączone do instalacji. Przepięcia wewnętrzne występujące znacznie częściej (lecz o mniejszej wartości) od tych spowodowanych wyładowaniami, powstają w wyniku operacji łączeniowych oraz na skutek awarii instalacji elektrycznej.

Występowanie przepięć w instalacji elektrycznej

Podstawowym źródłem informacji o wartościach parametrów charakteryzujących przepięcia oraz częstotliwości ich występowania w sieci elektroenergetycznej są długotrwałe obserwacje prowadzone w zachodnioeuropejskich i amerykańskich sieciach zasilających niskiego napięcia - w Polsce nie prowadzono dotychczas takich badań. W trakcie przeprowadzonych obserwacji stwierdzono, iż na przestrzeni roku w typowej instalacji elektrycznej występują przepięcia o następujących parametrach:

  • 300 - 500 V - kilkaset przypadków

  • 500 - 1000 V - kilkadziesiąt przypadków

  • 1000 V - kilkadziesiąt przypadków

  • 1000 - 5000 V - kilkanaście przypadków;

  • ponad 5000 V - kilka przypadków.
Jak oceniają specjaliści, w Polsce występuje większa liczba przepięć w systemie elektroenergetycznym niż w krajach wysokorozwiniętych ze względu na dużą liczbę linii napowietrznych niskiego napięcia oraz braku stosowania nowoczesnych ograniczników przepięć.

Ochrona przed przepięciami

Poziom czułości różnych typów urządzeń

Poziom czułości różnych typów urządzeń

Przepięcia występujące w instalacjach elektrycznych są niezwykle niebezpieczne dla sprzętu teleinformatycznego, który jest bardzo wrażliwy na tego typu zakłócenia. Wytrzymałość na przepięcia instalacji elektrycznych budynków i zasilanych z nich urządzeń elektrycznych i elektronicznych powinna być dobierana do spodziewanych wartości przepięć w zależności od kategorii danej części instalacji. Wyodrębnia się w budynku strefy o różnych zagrożeniach, do których są przypisane urządzenia ochrony odgromowej i przepięciowej o określonej klasie.

W celu ochrony urządzeń teleinformatycznych powinno stosować się wielostopniowy system ochrony przeciwprzepięciowej.

Ograniczniki przepięć

Budynek biurowy z instalacją odgromową zasilany linią kablową

Budynek biurowy z instalacją odgromową zasilany linią kablową

Ograniczniki przepięć klasy II i III będące ostatnim stopniem ochrony, są zbudowane zwykle w oparciu o specjalny typ półprzewodników (warystory), które przy wzroście napięcia powyżej pewnej wartości progowej przewodzą prąd. Ograniczniki przepięć przeznaczone do montażu w instalacji elektrycznej do 1000 V w obiekcie budowlanym dzieli na podstawie normy lEC 61643-1 na 3 klasy:

  • ograniczniki klasy I (B) - ochrona przed bezpośrednim działaniem prądu piorunowego oraz wszelkiego rodzaju przepięciami;

  • ograniczniki klasy II (C) - ochrona przed przepięciami łączeniowymi oraz tłumienie przepięć przepuszczonych przez ograniczniki klasy 1;

  • ograniczniki klasy III (D) - ochrona przed przepięciami łączeniowymi powstającymi w obiekcie budowlanym.
Najwyższe wymagania energetyczne dotyczą ograniczników przepięć klasy I (B), które instaluje się rozdzielnicy głównej, muszą one bowiem odprowadzać bez uszkodzeń wysokoenergetyczny impuls piorunowy, chroniąc cała instalację elektryczną obiektu. Ograniczniki kolejnych klas II i III instaluje się w rozdzielnicach oddziałowych oraz bezpośrednio przed chronionymi urządzeniami. Mają one na celu ograniczanie amplitudy przepięć wywołanych przez wyładowanie atmosferyczne oraz ograniczanie przepięć łączeniowych powstających w samej instalacji (SEMP).

Ochrona przepięciowa elektrycznych instalacji odbiorczych

Budynek przemysłowy z instalacją odgromową zasilany linią kablową

Budynek przemysłowy z instalacją odgromową zasilany linią kablową

Instalacje elektryczne zasilające systemy teleinformatyczne powinny być tak zbudowane, aby zapewnić wysoką niezawodność pracy odbiorników. Obwody zasilające urządzenia teleinformatyczne wydziela się z instalacji elektrycznej budynku i przeznacza tylko do zasilania tych urządzeń. W celu poprawy bezpieczeństwa pracy instalację zasilającą sprzęt informatyczny dzieli się na mniejsze obwody odbiorcze, przy czym na jeden obwód powinno przypadać nie więcej niż 20 gniazd "komputerowych", które powinny być zabezpieczone ogranicznikami przepięć. Wytyczne dotyczące identyfikowania i określania miejsc w instalacjach elektrycznych, w których mogą występować przepięcia oraz zasady doboru środków ograniczających przepięcia podaje arkusz 443 normy PN-IEC 60364.

Do ochrony przed przepięciami przenoszonymi przez sieć stosuje się odgromniki włączone na początku instalacji (pierwszy stopień ochrony). Do ochrony przeciwprzepięciowej instalacji elektrycznych budynków stosowane są ochronniki przepięciowe w postaci ograniczników przepięć (iskiernikowych lub częściej warystorowych).

Pierwszy stopień ochrony powinny zapewniać ograniczniki przepięć klasy I (B) i odgromniki zainstalowane w miejscu wprowadzenia instalacji do budynku. Drugi stopień klasy II (C) stanowią ochronniki montowane w tablicach rozdzielczych (piętrowych) oraz w UPS bądź w tzw. listwach zasilających. Kolejnym etapem ochrony powinny być ograniczniki przepięć klasy III (D) instalowane bezpośrednio przed chronionymi urządzeniami. Zapewnienie poprawnego działania wielostopniowego systemu ochrony przeciwprzepięciowej wymaga skoordynowania działania poszczególnych układów ograniczników. Koordynacja taka polega na zachowaniu odpowiednich odległości pomiędzy układami ograniczników określonych klas.

Opisane środki ochrony odgromowej i przepięciowej, umieszczane na granicach stref, odnoszą się zarówno do sieci zasilających, jak i teleinformatycznych wprowadzanych linią napowietrzną do budynku. Zastosowanie tych środków pozwala na wyeliminowanie zagrożenia przepięciowego i zwiększenie dostępności infrastruktury zasilającej. W celu zapobieżenia przed płynięciem prądów udarowych przez wyłącznik ochronny różnicowoprądowy mogących powodować jego niepotrzebne zadziałanie bądź uszkodzenie, ogranicznik należy umieszczać przed wyłącznikiem.