Hogyan védekezzünk a villámok ellen?
III. rész
2002/12. lapszám | Kruppa Attila | 10 409 |
Figylem! Ez a cikk 22 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Varisztorok A félvezető anyagokból (pl. cink-oxid) készülő varisztorok működésének bemutatására a szikraközöknél ismertetett kapcsoló-hasonlat kevésbé alkalmas. Ennek egyik oka, hogy a varisztoroknál a "nyitott kapcsoló" és "zárt kapcsoló" állapot k...
Varisztorok
A félvezető anyagokból (pl. cink-oxid) készülő varisztorok működésének bemutatására a szikraközöknél ismertetett kapcsoló-hasonlat kevésbé alkalmas. Ennek egyik oka, hogy a varisztoroknál a "nyitott kapcsoló" és "zárt kapcsoló" állapot között folyamatos az átmenet, így inkább szelephez vagy változtatható ellenálláshoz hasonlítanak. (Erre utal e levezetőfajták "varisztor" elnevezése is, és hogy néhány gyártó termékének fantázianevében az angol "valve", vagyis "szelep" szó is szerepel.) A varisztor ellenállását - csakúgy, mint a szikraközöknél - kapcsainak feszültsége határozza meg. Üzemi feszültségen a varisztorok ellenállása nagyon nagy, de nem olyan nagy, mint a szikraközöké. Ezért, - mintha egy szelepet nem lehetne teljesen elzárni - a varisztorokon akkor is folyik úgynevezett szivárgóáram, ha nincs túlfeszültség a hálózaton. A feszültség növekedésének hatására a szivárgóáram eleinte alig növekszik, mígnem a feszültség elér egy olyan értéket (a könnyebbség kedvéért nevezzük ezt is megszólalási feszültségnek), ahol a szivárgóáram meredeken megnő, azaz a varisztor ellenállása hirtelen és nagymértékben kezd lecsökkenni. További feszültségemelkedésre már alig csökken az ellenállás. A varisztorok ellenállása ebben az állapotban nem lesz annyira alacsony, mint a szikraközöké: így a szikraközöktől nem csupán abban különböznek, hogy a két végállapot ("nyitott" , illetve "zárt" kapcsoló) között folyamatos az átmenet, hanem mindkét végállapotukban is.
Ez a szikraköztől eltérő viselkedés számos előnnyel – és néhány hátránnyal – ruházza föl a varisztorokat. Az egyik legfontosabb előny abból ered, hogy ellenállásuk soha nem lesz olyan kicsi, mint szikraközöknél az ív begyújtásakor. Emiatt nem lép fel zárlati áram, aminek megszakítása problémát okozhatna. Megszólalási feszültségük azonos üzemi feszültség mellett lényegesen kisebb, mint a szikraközöké: a 230 V-on alkalmazott varisztorok jellemzően 400-500 V között szólalnak meg!
További előnyük, hogy a levezetést nem kíséri robbanásszerű ívkifúvás (nincs gond a beszereléssel), valamint hogy gyorsabbak, mint a szikraközök: megszólalási idejük kb. 25 nanoszekundum. Hátrányuk, hogy normál üzemi feszültség mellet is szivárgóáram folyik rajtuk keresztül, és emiatt nem mindenütt építhetők be. Félvezető anyaguk miatt idővel "öregszenek", és ez végső soron a tönkremenetelükhöz vezet. Az is hátrány, hogy nem képesek akkora energiát levezetni, mint a szikraközök.
A túlfeszültség-levezetők további fajtái
Erősáramú hálózatok túlfeszültség-védelmének kialakításához a gyakorlatban szinte kizárólag szikraközöket és varisztorokat alkalmaznak. Gyengeáramú rendszereknél (számítógép- és telefonhálózatok, kábel TV stb.) azonban más túlfeszültség-levezetőkkel is találkozhatunk.
A szikraközök és varisztorok gyakorlati alkalmazása
Amikor egy-egy konkrét túlfeszültség-védelmi feladatot akarunk megoldani, csaknem mindig kiderül, hogy a védelem ellátására önmagában sem egyik, sem másik típus nem használható. Az esetek többségében a nagy levezetőképességet gyors működési sebességgel és kis megszólalási feszültséggel kell párosítani, és ez általában csak a szikraköz és varisztor együttes alkalmazásával érhető el. Ennek az együttes (kombinált) alkalmazásnak azonban feltételei vannak, melyeket be kell tartanunk ahhoz, hogy a működés összehangolt, szakkifejezéssel élve koordinált legyen.
A szikraközök és a varisztorok jellemzői, ahogy azt láttuk, jelentősen eltérnek egymástól, így például a működési sebesség, a megszólalási feszültség és a levezetőképesség is. Könnyű belátni, hogy ha közvetlenül egymás mellett építünk be egy szikraközt és egy varisztort, a feszültségemelkedés hatására először a gyorsabb és kisebb megszólalási feszültségű varisztor kezd működni. A már működő varisztor a feszültség további emelkedését korlátozni fogja, ezért előfordulhat, hogy az a szikraköz begyújtásához szükséges értéket nem éri majd el. Így a túlfeszültség-impulzus teljes energiáját a varisztornak kell levezetnie, mintha a szikraköz ott sem lenne. A varisztorok levezetőképessége azonban korlátozott, emiatt ilyenkor a varisztor (természetesen attól függően, hogy mekkora túlfeszültség-impulzust kell levezetnie) tönkremehet. A koordináció lényege az, hogy a kisebb energiájú túlfeszültségeket a varisztor vezeti le, nagy energiák esetén azonban a levezetés feladatát a szikraköz veszi át. Az előbbi példán láttuk, hogy ha a varisztort és a szikraközt közvetlenül egymás mellé építjük be, a varisztor megakadályozhatja a szikraköz begyújtását.
A koordinált működés biztosítására a gyakorlatban két módszert alkalmazhatunk:
- A szikraközön eső feszültséget emeljük.
- Csökkentjük a szikraköz megszólalási feszültségét.
Az első módszer különösnek tűnhet, hiszen mi éppen a feszültség növekedését akarjuk levezetőink beépítésével meggátolni. A túlfeszültség-impulzusok fizikai természete azonban alapvetően különbözik a szokásos 50 Hz-es váltakozó feszültségtől, ami a rendkívül rövid időtartamukkal és az ebből fakadó frekvenciával függ össze: ez néhány kHz-MHz tartományba esik, azaz a túlfeszültség-impulzusok esetében nagyfrekvenciás jelenségről beszélhetünk. Mi következik ebből? Szokásos feladataink során legfeljebb csak a vezetékek ohmos ellenállását kell figyelembe vennünk. Nagyfrekvenciás jelenségeknél azonban meghatározóvá válik a hálózat induktív és kapacitív ellenállása, ezért a vezetékek anyaga és keresztmetszete mellett a vezetékek alakja (nem elírás, valóban az alakja!) és térbeli elhelyezkedése is befolyásolja majd ellenállást! Anélkül, hogy mélyebbre merülnénk a fizikai leírás részleteiben, fogadjuk el az egyszerű megoldást: a kör keresztmetszetű vezetékek átmérőtől és anyagtól független öninduktivitását kihasználva a szikraköz és a varisztor között meghatározott távolságot kell biztosítani. A távolságot a levezető gyártója adja meg: általában 5 és 10 méter közötti érték, attól függően, hogy a szikraköz és a varisztor megszólalási feszültsége között mekkora a különbség. Jelentős távolságról van tehát szó, különösen ha hozzátesszük, hogy ennek a vezetékszakasznak egyenesnek kell lennie. (Előbb említettük a térbeli elhelyezkedés fontosságát.) Ahol ezt az előírt távolságot nem lehet betartani (családi házaknál, konténerbe telepített elektromos berendezéseknél stb.), ott az egyenes vezetékszakaszt kiváltó induktivitást (egy különleges tekercset) kell beépíteni.
A második módszer alkalmazására az új típusú (vezérelt gyújtású) szikraközök megjelenésével nyílott lehetőség. A hagyományos szikraközök megszólalási feszültsége 2-4 kV közötti tartományba esik, szemben a vezérelt típusok 0,9-1,5 kV közötti értékével. Mivel a varisztorok a nagyobb túlfeszültség-impulzusokat 1,5-2 kV alatti értékre korlátozzák, ez a feszültségérték már elegendő a vezérelt szikraközök megszólalásához, ezáltal a varisztorok tehermentesítéséhez is. Ilyen módon szükségtelenné vált a koordináló induktivitások alkalmazása, azaz a vezérelt gyújtású szikraközök és a varisztorok közvetlenül egymás mellé is beépíthetők (3. ábra). A gyakorlatban a szikraköz és a varisztor működésének koordinálására az itt említett módszerek valamelyikét alkalmazzuk. Azt, hogy melyiket lehet, vagy célszerű választani, mindig az adott feladat és a rendelkezésre álló levezető-típusok határozzák meg.
Az eddigi cikkekből a túlfeszültség-védelem néhány alapkérdésével ismerkedhettünk meg. A folytatásban a gyakorlathoz közelebb eső, kevésbé általános kérdésekkel foglalkozunk majd.
(folytatjuk)
Túlfeszültség-védelemVillámhárítóVillámvédelem
