Hogyan védekezzünk a villámok ellen?
II. rész
2002/11. lapszám | Kruppa Attila | 7647 |
Figylem! Ez a cikk 22 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az előző cikkben rávilágítottunk arra, hogy a villámhárító csak a villámok elsődleges (hő- és mechanikai) hatásától óv meg bennünket, a másodlagostól - amely túlfeszültség formájában jelenik meg az elektromos hálózaton - nem véd. A másodlagos villámvédelem eszközei a túlfeszültség-levezetők, amelyeket ebben a részben ismerhetünk meg közelebbről. Előtte azonban vizsgáljuk meg, hogy mit is értünk „túlfeszültség” alatt, és miért kell a túlfeszültségek ellen védekezni.
A túlfeszültségek hatása az elektromos berendezésekre
Az elektromos berendezéseket meghatározott feszültség- és áramerősség-értékekre méretezik. A biztonságos működést a névleges értéket néhány százalékkal meghaladó feszültség nem veszélyezteti, de ha tovább növeljük a feszültséget, a berendezés egyre nagyobb feszültségen egyre rövidebb ideig marad üzemképes. A névleges feszültség 5-8-szorosánál ez az idő már kevesebb, mint a másodperc ezredrésze! A villámcsapások másodlagos hatásaként létrejövő túlfeszültségek időtartama legfeljebb egy ezredmásodperc, de csúcsértéke több ezer volt lehet, ami általában a berendezés működőképességének megszűnéséhez vezet. Ennek oka az elektromos berendezések belsejében lévő szigetelések átütése. A túlfeszültség-levezető alkalmazásával az a célunk, hogy a túlfeszültségek csúcsértékét olyan mértékben csökkentsük, hogy azt berendezésünk ebben a rövid időtartományban képes legyen elviselni (a szigetelések ne üthessenek át). A szabványok ezt a legfeljebb kb. egy ezredmásodpercig megengedhető feszültséget erősáramú, 230 V-on üzemelő berendezésekre 1500 V-ban határozzák meg. Természetesen kisebb feszültségen üzemelő berendezések esetében a megengedhető túlfeszültségérték is kisebb: megközelítőleg a névleges feszültség 5-szörösével lehet számolni.
Már itt szükséges megemlíteni, hogy a túlfeszültség-védelmi eszközök csak az ilyen jellegű, azaz rendkívül rövid (az ezredmásodperc töredékéig tartó), de nagy csúcsértékű (legalább a névleges feszültség 2-3 szorosát elérő) feszültségimpulzusok ellen védenek. Ezeket - megkülönböztetendő más túlfeszültségektől - tranziens, azaz átmeneti túlfeszültségeknek nevezzük. A hálózatokon más jellegű feszültségemelkedések is előfordulnak, így például amikor valamilyen szerelési vagy üzemviteli hiba miatt a berendezés 230 V helyett 400 V vonali feszültséget kap. Ez a feszültségemelkedés kisebb, de sokkal tovább tart (akár néhány másodpercig is), mint a tranziens túlfeszültség, ezért ezeket tartós túlfeszültségeknek nevezzük. A túlfeszültség-levezetők nem alkalmasak a tartós túlfeszültségek elleni védelemre, sőt tönkre is mehetnek az ilyen feszültségemelkedés hatására! Ezért helyesen tranziens túlfeszültség elleni védelemről és tranziens túlfeszültség-levezetőről kellene beszélnünk. A "tranziens" szótól azonban még a szakma is idegenkedik, legtöbbször nem használják. Ezt a szokást követve a továbbiakban cikkünkben is csak "túlfeszültség"-ről beszélünk, de ez alatt mindig tranziens túlfeszültséget értünk majd. Azt is megemlítjük, hogy a túlfeszültség-védelmet nem szabad a túláramvédelemmel összekeverni! (Emiatt gondolják sokan, hogy az olvadóbiztosító vagy a kismegszakító túlfeszültség ellen is véd.) Ez két különböző célú intézkedés, nagyon különböző eszközökkel.
Hogyan működnek a túlfeszültség-levezetők?
Célunk, hogy a túlfeszültségek csúcsértékét annyira csökkentsük, hogy berendezésünk megtartsa üzemképességét. A túlfeszültség-levezetők közös jellemzője, hogy (jelentős) feszültségemelkedés hatására rövidzár-szerű, majd a feszültség csökkenésével ismét szakadás-szerű állapotba kerülnek, mintha egy kapcsolót gyorsan zárnánk-nyitnánk. Ennek hatására a levezetővel párhuzamosan kapcsolt védett fogyasztó bemenetét a feszültség emelkedésekor rövidre zártuk, így az nem kap majd feszültséget. A feszültség csökkenésével a levezető nyit, a rövidzár megszűnik, és a fogyasztó ismét a normális feszültséget kapja. Ne feledjük, hogy a zárás-nyitás a másodperc kevesebb, mint ezredrésze alatt lezajlik! Amint hamarosan látjuk, a valóságban ennél bonyolultabb a levezetők működése nem tekinthetők egyszerű kapcsolóknak, de a működés megértését segíti majd ez a hasonlat.
Túlfeszültség-levezetők: szikraközök és varisztorok
A túlfeszültség-levezetők működési elvüket tekintve alapvetően két csoportba sorolhatók:
• Szikraköz elvén működő típusok
• Változtatható ellenállás (varisztor) elvén működő típusok
A két csoport között műszaki paraméterekben és alkalmazási területben jelentős a különbség, ezért legfontosabb tulajdonságaikat meg kell ismernünk ahhoz, hogy alkalmazásuk esetén helyesen választhassunk.
Szikraközök
A szikraközök alaptípusának felépítése és működése egyszerű. Két elektróda között szigetelőrétegként levegő helyezkedik el. Alaphelyzetben az elektródák között a szigetelőréteg miatt nem folyhat áram, ezért ez az állapot (előbbi példánkhoz visszatérve) a kapcsoló nyitott helyzetének felel meg. Ha az elektródák közötti feszültséget emeljük, akkor elérjük azt a feszültséget, amelyen bekövetkezik az átütés, és elektromos ív alakul ki. Az ív nagyon kis ellenállású elektromos összekötésnek tekinthető, ezért ez az állapot a kapcsoló zárt helyzetének felel meg. Az átütési feszültséget az elektródák távolsága határozza meg: úgy állítják be, hogy az átütés hamarabb következzen be a szikraközben, mint a védett fogyasztóban.
A szikraköz erősáramú alkalmazásánál az egyik legnagyobb gond, hogy a begyújtott ívet (a kapcsoló zárt állapotát) már a begyújtáshoz szükségesnél jóval kisebb feszültség és áram is fenntartja, képletesen szólva kapcsolónk "beragadhat". Ez annál is inkább kellemetlen, mert ekkor a szikraközön keresztül zárlati áram folyik, melynek nagysága eléri a néhány ezer ampert (!), és nagyon gyorsan kell megszakítani ahhoz, hogy az elektromos hálózat vezetékei, kismegszakítói és olvadóbiztosítói ne sérüljenek, így az áramellátás is folyamatos maradjon. Ehhez a szikraköz feszültségét gyakorlatilag nullára kell csökkenteni, ami a 230 V-os váltóáramú hálózatokon az 50 Hz-es frekvencia miatt szerencsére másodpercenként 100-szor is bekövetkezik, és ez többnyire elegendő az ív megszakadásához. Ezzel a "beragadással", vagyis a zárlati áram kialakulásával függ össze, hogy az elektródák átütési (másképp begyújtási, vagy megszólalási) feszültségét nehéz 4000 V alá csökkenteni.
Másik hátrányos tulajdonsága a szikraközöknek, hogy az ív létrejöttét a nagy hőmérsékletre hevült levegő robbanásszerű kitágulása kíséri. Emiatt a szikraköz kis térfogatú szerelődobozba nem építhető be, és könnyen éghető anyagok sem lehetnek a közelében. Az is hátránya a szikraközöknek, hogy működésük "lassú". A feszültség növekedésére csak mintegy 100 nanomásodperc múlva reagálnak. (Csak érdekességképp, a fény ennyi idő alatt 30 m-t tesz meg! A "lassú" jelző - ha nem is hétköznapi fogalmaink szerint - mindazonáltal jogos, ha más túlfeszültséglevezető-fajták gyorsaságához hasonlítjuk.)
A szikraköz előnyeiről szólva először kell megemlíteni, hogy rendkívül nagy energiát, egy villámcsapás szinte összes energiáját képesek levezetni károsodás nélkül. További előnyük, hogy ha a feszültség nem haladja meg az üzemi feszültséget, rajtuk keresztül egyáltalán nem folyik áram, azaz mentesek az ún. szivárgóáramtól, valamint élettartamuk hosszú, elhasználódásukkal gyakorlatilag nem kell számolni. Hangsúlyoznunk kell, hogy az itt leírtak az alaptípusra vonatkoznak - ilyen egyszerű felépítésű szikraközöket a gyakorlatban már nem használnak. Az elmúlt néhány év fejlesztéseinél koncentráltak a hátrányos tulajdonságok teljes vagy részleges kiküszöbölésére, így a ma alkalmazott, elektronikával vezérelt szikraközök olyan paraméterekkel bírnak, amelyek néhány éve még elképzelhetetlenek voltak - működési elvük azonban szinte változatlan.
(folytatjuk)
Túlfeszültség-védelemVillámhárítóVillámvédelem
