Mi is az elektromágneses zavarvédelem?

2004/5. lapszám | Dr. Fodor István | 6169 |

Figylem! Ez a cikk 21 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Sorozatunk kezdő részében már szót ejtettünk az EMÖ kérdéskörének egyik területeként az EMI -ről, melynek fogalmát a következőképpen határoztuk meg: az ipari frekvenciás rendszerek és eszközök önmagukra és a gyengeáramú rendszerekre és eszközökre gyakorolt zavaró hatása. E jelenségek gyakorlati vonatkozásairól szeretnénk itt képet adni.

Az elektromágneses zavarás, zavartartás
Az erősáramos szakemberek mindennapos gyakorlatában már régóta - lassan már itt is évszázados tapasztalatról beszélhetünk - ismeretes, hogy nagyobb fogyasztóberendezések, készülékek, gépek bekapcsolásánál a keletkező bekapcsolási áramlökés egyfelől kiválthatja a túláramvédelem működését (ami nem túl szerencsés), másfelől "meghúzza" a hálózatot, azaz a hálózati feszültséget jelentős mértékben csökkenti egy rövid időtartamra, ami persze akár néhány másodperc is lehet. Elsősorban a villamos gépek: a motorok és transzformátorok a "bűnösök", de a nagy izzólámpa hálózatok bekapcsolása is felhozható a példák között. Ha a túláramvédelmet a jelenséget figyelembe véve tervezték, a XX. század utolsó évtizedéig inkább csak némi kényelmetlenséget okozott a bekövetkező jelenség.

Feszültség minőség
Az elektronikus eszközök, készülékek terjedése itt is új helyzetet eredményezett. Míg korábban a hálózati feszültséget elsősorban egyszerűen mérhető néhány jellemzővel (feszültség effektív- ill. csúcsértéke, frekvencia) jellemezték a századforduló előtt kiderült, hogy az új helyzetben ez kevés: a fogyasztói, felhasználói készülékek "kényesebbek" lettek. Megjelent egy új fogalom: a "villamos energia ill. feszültség minőség". Az 1995-ben megjelent MSZ EN 50160 már a következő jellemzőkre ad útmutatást:

Hálózati frekvencia nagysága.
A tápfeszültség nagysága
A tápfeszültség változásai
Gyors feszültségváltozások
Tápfeszültség-letörések
A tápfeszültség rövid idejű kimaradásai
A tápfeszültség tartós kimaradásai
Átmeneti, hálózati frekvenciájú túlfeszültségek az aktív vezetők és a föld között
Tranziens túlfeszültségek az aktív vezetők és a föld között
Tápfeszültség-aszimmetria
Felharmonikus feszültség
Közbenső harmonikus feszültség
Hálózati jelfeszültség a tápfeszültségen
A riasztóan hosszú lista (egyébként a szabvány 2. fejezetének pontjai) jelzi: nem is olyan magától értetődő az, hogy a villamos energia a megfelelő módon álljon rendelkezésre a fogyasztói végponton. Nyilvánvalóan nem lehet a célunk az összes probléma tárgyalása, ezért a teljesség igénye nélkül kiragadunk két jellegzetes, gyakran előforduló jelenséget, hogy vázoljuk az okokat és az okozatokat.

Tápfeszültség letörés
A kisfeszültségű hálózatokon előfordul, hogy a szinuszosnak tekinthető feszültség amplitúdója a névleges érték 90%-a alá esik rövid időre. Ha ez az időtartam 0,01s és 1 perc közé esik, a szabvány szerinti tápfeszültség letörésről beszélünk. Felmerülhet a kérdés: az egy perc valóban hosszú idő, de a leggyakoribb másodperces, vagy rövidebb idejű letörések szinte érzékelhetetlenek számunkra, tehát nem tűnnek veszélyesnek. A látszat csal: már a relés vezérlések működésében is zavar keletkezhet, a számítástechnikai eszközök, PLC-k azonban - megfelelő szünetmentes táplálás hiányában - már leállnak, esetleg komoly zavart okozva. Előfordulhat azonban az is, hogy a berendezés belső (legtöbb esetben kapcsolóüzemű) tápegységét a visszatérő feszültség megjelenését követő tranziens tönkreteszi. Jellegzetes példa: egy adott ellátási területen megnövekszik a PC tápegységek meghibásodási gyakorisága. Valószínű, hogy a jelenség mögött a rövid idejű feszültség letörések állnak.

Felharmonikus feszültség
Sajnos ma már mindennaposnak tekinthető, hogy a fogyasztói táphálózaton a feszültség hullámformája távol áll a hajdani tanulmányainkból jól ismert szinuszos alaktól. Mielőtt valaki az áramszolgáltatót venné gyanúba, le kell szögeznünk: a nemkívánatos jelenséget mi, a fogyasztók okozzuk! Hogy hogyan?
A hálózaton nagy számban jelenlévő elektronikus készülékeink (TV-k, PC-k, szabályozott fényforrások, kompakt fénycsövek stb.) ugyanis nemlineáris elemek, ami azzal jár, hogy miközben egyfelől fogyasztókként viselkednek, másfelől a felharmonikus áramok forrásaként is figyelembe kell venni őket. (A jelenség rövid, egyszerűsített magyarázata a következő: a tisztán szinuszos feszültség hatására a fenti fogyasztók áramának időfüggvénye nem szinuszos! (ld. 1.- ábra) A kialakuló áram azonban leírható, mint különböző amplitúdójú és frekvenciájú szinuszos áramok eredője, ahol a frekvencia a feszültség frekvenciájának egész számú (r) többszöröse. Az "r" az adott felharmonikus rendszáma. A harmadik harmonikus jelenléte tehát azt jelenti, hogy 150 Hz-es áram és feszültség-összetevő is jelen van az 50 Hz-es alapharmonikus mellett. Elvégezve egy bonyolult matematikai műveletet a hálózati áramnak vagy feszültségnek meghatározható az ún. Fourier spektruma, ami megadja a jelenlévő felharmonikus tartalmat. A 2. ábrán szemléltetjük a felharmonikus spektrumot: a tisztán szinuszos feszültség esetén csak az r=1 rendszámú spektrumvonal jelenik meg, míg egy reális esetben a további (elsősorban a páratlan rendszámú) felharmonikusok spektrumvonalai is megjelennek.

A felharmonikus fogalom rövid magyarázata után nézzük meg, miért tekintjük azokat "persona non grata"-nak hálózatainkon.

A felharmonikus káros következményei
Elsősorban a kapcsolóüzemű tápegységek és a nagyobb áramú szabályozó berendezések a felelősek a hálózatokon kialakult állapotért. Elsősorban a 10-nél kisebb rendszámú harmonikusok jelenléte aggasztó, ezek ugyanis jelentős amplitúdóval vannak jelen, sok esetben, pl. a 3. harmonikus áram megközelíti az alapharmonikus értékét, hatásukat tehát nem hanyagolhatjuk el. Bár a már idézett szabvány meghatároz egy - az összes harmonikust figyelembe vevő - mérőszámot, a ""teljes harmonikus torzítás = THD" -t, amely feszültségre és árama is értelmezhető (THDU, THDI), az egyes harmonikusok hatása más és más a hálózaton. (Ezért minden rendszámra létezik még elfogadható hálózati határérték)

Nézzünk a harmonikusok jelenlétének káros következményeiből egy csokorra valót.

A hálózat berendezések, készülékek és vezetékek túlmelegedése
Kondenzátorok túligénybevétele
Hálózati rezonanciák kialakulása
Védelmek téves működése
Gyengeáramú rendszerek zavarása (galvanikus és induktív csatolás)
Vezérelt félvezetők működési hibája

Érdemes megemlíteni: a szabvány a THDU határértékeként 8%-ot enged meg.

Melegedés és élettartam
A fenti felsorolásból két, gyakran tapasztalható következményt érdemes alaposabban megvizsgálni. Elsőként a vezetékek és kábelek melegedése során tapasztalható furcsa, talán az olvasó által is tapasztalt jelenségre hívnám fel a figyelmet. A szimmetrikus, háromfázisú rendszerben - mint tudjuk - a nullavezető árama nulla. (Erre alapozva gyártották annak idején a csökkentett keresztmetszetű nullavezetővel ellátott kábeleket.) Manapság ez az állítás megdőlni látszik: számos esetben a nullavezető melegebb a fázisvezetőknél, tehát az árama is nagyobb! Lehetséges ez? Sajnos igen: a harmadik harmonikusra ugyanis nem igaz az előző - amúgy az alapharmonikusra természetesen érvényes - tétel. Itt fordított a helyzet : mindhárom fázisvezetőben azonos fázisú a 150 Hz-es harmonikus áram s ennek megfelelően a nullavezetőben ezek összege, azaz a 3-as rendszámú harmonikus fázisáram háromszorosa folyik a várt 0 A helyett!! Ez az oka veszélyes mértékű melegedésnek, az indokolatlan nagyságúnak látszó feszültségesésnek. (Melegedési problémák egyébként nem csak a vezetékeken jelentkeznek: túlmelegedhetnek a villamos gépek is.)

Másodjára a kondenzátorokról ejtsünk szót. A hálózaton két helyen jelennek meg kondenzátorok: a fázisjavító berendezésekben és a villamos készülékek tápegységeiben. Mindkét esetben a méretezésnél a szabványnak megfelelő hálózati feszültségre méreteznek. Ha a feszültség harmonikus tartalma megnő, a kondenzátorok vesztesége (esetleg veszteségi tényezője is) megnő, s a nagyobb igénybevétel túlmelegedéshez és az élettartam rövidüléséhez vezet. (Vannak olyan professzionális számítástechnikai gyártók, akik garanciális feltételeik között megszabják a táphálózat megengedett felharmonikus tartalmát, s ha a hálózat szennyezettsége meghaladja a határértéket, garanciális kötelezettségüket megszűntnek nyilvánítják!)

Feszültségtorzítás
A harmonikus áramok jelenléte azonban más problémát is okoz: a hálózat vezetékein a harmonikus áramok harmonikus feszültségesést okoznak. Ez pedig azt jelenti, hogy visszahatnak a hálózatra, s azokon a hálózatrészeken is okozhatnak problémát, amelyek önmagukban nem termelnek felharmonikusokat. A hálózaton tehát egyaránt megjelennek az idegen fogyasztók és a saját berendezéseink által termelt felharmonikusok. Ez a magyarázata, hogy a szabvány viszonylag szűkös mozgásteret enged: a teljes harmonikus torzítás (feszültségre értelmezve) nem haladhatja meg a 8%-ot.

(Vigyázat: miközben a THD a főelosztóban mérve megfelelőnek bizonyul előfordulhat, hogy a nem megfelelő helyi adottságok miatt egy -egy hálózatrészen már ennél kisebb felharmonikus tartalom is bajt okoz: az alapharmonikusra méretezett vezetékek erősen túlmelegedhetnek, akár tüzet is okozhatnak, a fázisjavító berendezés kondenzátorai szintén túlmelegedhetnek és kellemetlen hálózati rezonanciát okozhatnak.)

Néhány példa
Az irodaház 15 éves villamos hálózatán lokális vezetéktűz keletkezett: a csökkentett keresztmetszetű nullavezető, amelyik a tervezés idején még megfelelőnek bizonyult az időközben kiépített számítógép hálózat végpontjainak felharmonikus termelésével már nem tudott megbirkózni: a harmadik harmonikus az amúgy is határterhelésen lévő vezeték hőmérsékletét az elviselhető fölé emelte. Gyártósor elektronikus célberendezései rendkívül nagy hibaszázalékkal működtek, látszólag ok nélkül. A tettest a nem megfelelően kialakított frekvenciaváltós hajtás által termelt felharmonikus áramok képében sikerült azonosítani. A kulturális intézmény hangosító rendszere rendkívüli módon "brummos"-á vált, amikor bekapcsolták a szabályozott világítást. A magyarázat: a szabályozó berendezés által "produkált" nagy mennyiségű harmonikus a hangrendszer kábeleibe részben "átindukált", részben igen tekintélyes feszültségtorzítást okozott a táphálózaton.

A védekezés lehetősége
Tekintettel a hálózati zavaró hatások sokszínűségére nem lehet általános érvényű megoldást ajánlani. Minden esetben az első lépés a jelenség pontos megismerése, ennek pedig egy útja van: el kell végezni a feszültség minőség vizsgálatot a már említett szabvány előírásai szerint. A mérési adathalmazt kiértékelve lehet azonosítani a zavar típusát, esetleg forrását és a műszakilag és gazdaságilag is elfogadható megoldást megkeresni.

A kisfrekvenciás mágneses tér
A feszültség minőség mellett a másik gyakori probléma a transzformátorok, betápláló fővezetékek és elosztó berendezésen belüli gyűjtősínek mágneses tere.

A jelenségek és okozói
A tünet leggyakrabban a katódsugárcsöves monitorok képernyőjén jelentkezik. Az erőtér jellegétől, intenzitásától függően a karakterek elfolyósodásától (kontraszt és élesség hiány) az állandó vibráláson át a kép széteséséig terjed a skála. S mindehhez néhány mT értékű mágneses indukció elegendő (mágneses térerőben fogalmazva: néhány A/m) Nehezebb tetten érni az elektronikus készülékek működésének lelassulását , (mivel ehhez már komoly méréstechnikai apparátus kell) vagy a hibás működést.

Ezeknél az eseteknél a hálózati frekvenciás vagy a felharmonikusok által keltett mágneses erőtér felelős a zavarért. Az erőteret pedig a vezetékekben, sínekben, esetleg kábelekben folyó áram, vagy valamilyen villamos gép, transzformátor, generátor vagy motor szórt mágneses tere okozza. Igen ritkán, de előfordulhat, hogy az így létrejött mágneses tér megközelíti az EU ajánlásaiban az emberre vonatkozó határértéket (100mT). Érdemes összehasonlítani a két említett számot: bizonyos technikai eszközök már az emberre vonatkozó határérték századrészénél hibásan működnek.

Sokszor lehet a laikus véleményt hallani: itt nem lehet probléma, az épület vasbeton - vagy: az elosztó szekrény sínjei a lemeztokozatban vannak, azon kívül nem lehet mágneses erőtér. Ezek - sajnos - tévhitek. A valóság kissé bonyolultabb: nem fér hozzá kétség, hogy minden szerkezeti elem rendelkezik bizonyos csillapítással (bár ez általában mindössze néhány dB), de a tényleges helyzetben méréssel kell ellenőrizni vagy számítással becsülni, hogy mekkora lenne a valójában szükséges csillapítás. Csak ennek birtokában lehet eldönteni, hogy kell-e védelem, és ha igen, milyen védelmi megoldást célszerű választani.

A védekezés lehetőségei
Sok esetben valóban az egyetlen védekezési eszköz a kisfrekvenciás, mágneses árnyékolás betervezése és kiépítése. Mielőtt azonban ehhez folyamodnánk, meg kell győződni róla, hogy más módon nem tudjuk-e csökkenteni a zavarjelenséget, akár a berendezésünk zavarérzékenységének befolyásolásával, vagy a zavarforrás telepítési körülményeinek megváltoztatásával. Ez általában célszerűbb és olcsóbb megoldása a problémának, mint az árnyékolás kiépítése.

Mi a teendő?
A rendkívül szerteágazó problémakörre általános érvénnyel nem lehet műszaki megoldást javasolni, hiszen egy felharmonikus zavarra egészen más megoldást kell adni, mint a villogás vagy a feszültségletörés esetére és a mágneses erőtér viszonylatában is számos lehetőség áll rendelkezésünkre. Közelítsük másik oldalról a kérdést: ha egy meglévő objektumban lép fel a probléma gondos megfigyeléssel, vizsgálattal és méréssel lehet eljutni a zavarforrás feltárásához és a körülményeknek megfelelő (sokszor erősen kompromisszumos ) megoldás kidolgozásához. Ha az objektum még tervezési stádiumban van a helyzet kedvezőbb: a lehetséges zavarforrás hatását előre megbecsülve már a kivitelezés során be lehet építeni a szükséges védelmi megoldásokat eszközöket.

Villanyszerelők Lapja

Mi is az elektromágneses zavarvédelem?