Túlfeszültség-védelem lépésről lépésre
2004/10. lapszám | netadmin | 7524 |
Figylem! Ez a cikk 20 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Túlfeszültség-védelem lépésről lépésre Előző két cikkünkben családiházak túlfeszültség-védelmének kialakításával foglalkoztunk. Nézzük ezek után, hogy a nagyobb létesítmények védelmi rendszere mennyiben különbözik ezektől. Eltérések és hasonlós...
Előző két cikkünkben családiházak túlfeszültség-védelmének kialakításával foglalkoztunk. Nézzük ezek után, hogy a nagyobb létesítmények védelmi rendszere mennyiben különbözik ezektől.
Eltérések és hasonlóságok
A családiházak túlfeszültség-védelmével kapcsolatban három alapvető kérdésre kerestük a választ:
- Hogyan lehet megbecsülni, hogy az épület túlfeszültség-védelmét mekkora impulzus levezetésére célszerű méretezni?
- Milyen védelmet igényelnek a különböző elektromos berendezések?
- Melyek a védelem működésének legfontosabb feltételei?
Ez az eltérés egyrészt abból fakad, hogy családiházak esetén a túlfeszültség-védelem létesítése (csakúgy mint a külső villámvédelemé) szabadon választható, ezzel szemben nagy létesítményeknél a jogi-műszaki környezet a rendeltetéstől függően akár kötelezővé is teheti. Másrészt a folyamatos üzemelés biztosításához szorosabb érdekek fűződnek üzleti, vagy más megfontolásból. Főleg ezeknek az érdekeknek a hatására nagy létesítményeknél a túlfeszültség-védelem mára a villamos installáció szerves részévé vált.
Műszaki szempontból közelítve a témát elmondhatjuk, hogy a túlfeszültség-védelem eszközei a nagy létesítményeknél gyakorlatilag ugyanazok, mint családiházaknál. Ez érthető, ha belegondolunk, hogy a villámok fizikai paraméterei (statisztikailag) nem függenek attól, hogy a villám egy családiház vagy egy ipartelep kéményébe csap. Az eltérések az alkalmazási környezetből fakadnak: a létesítmény geometriai méretei, a nagyobb üzemi áramok, az alkalmazott túlfeszültség-védelmi eszközök nagyobb mennyisége és más hasonló tényezők okán.
Ennek megfelelően sorra vesszük az alkalmazási környezet azon jellemzőit, amelyeket figyelembe kell vennünk a védelem szakszerű kialakításának feltételeként.
Az alkalmazási környezet térbeli viszonyai
A védelem kialakításának szempontjából meghatározó szerepe van a térbeli kiterjedésnek. Itt csak utalunk arra, hogy a túlfeszültség-védelem elméleti alapjául szolgáló zónakoncepció (MSZ IEC 1312-1) értelmét veszti, ha ezt figyelmen kívül hagyjuk. A térbeli-geometriai viszonyokat több szempontból is szem előtt kell tartani:
- A védendő létesítmény kiterjedése és elhelyezkedése (összhangban a külső villámvédelem szempontrendszerével, ld. MSZ 274) jelentős mértékben meghatározza a tranziens túlfeszültségek előfordulásának valószínűségét. Példaként utaljunk egy magas gyárkémény jelenlétére, amely nagyobb valószínűséggel kap közvetlen villámcsapást, mint a közelében levő alacsonyabb épületek. (Kép: Honvéd_kórház013.jpg, a kép alsó részét levágva) Azonban a létesítmény felszíni kiterjedése önmagában is figyelembe veendő: egy 100 x 100 m alapterületű létesítményt közel 100-szor nagyobb valószínűséggel ér közvetlen villámcsapás, mint egy 10 x 10 méterest!
- A nagy térbeli kiterjedés a villámáramok egyenlőtlen eloszlásához vezet. Itt (eltérően az előbbi ponttól) a villám-impulzusnak, mint tranziens jelenségnek a terjedési sajátosságaira kell gondolnunk. Ha egy nagy kiterjedésű gyártócsarnokot közvetlen villámcsapás ér, a villámáram eloszlásról bizonyossággal csak annyit állíthatunk, hogy az a csarnok különböző részeiben eltrérő lesz.
- A nagy vezetékhosszúságok öninduktivitásuk miatt csillapítják az impulzusokat, ugyanakkor az elektromágneses térből mintegy antennaként zavarokat is szedhetnek össze. Itt kell megemlíteni a vezetékhurkok kialakulásának veszélyét is, amely a méretek növekedésével szintén növekszik.
Ezeket a szempontokat a gyakorlatban nem lehet egzakt módon figyelembe venni. Szerencsére a túlfeszültség-levezetők beépítésének általános gyakorlata ("B-fokozat a betáp elosztóba, C-fokozatok a szinti elosztókba, D-fokozatok közvetlenül a fogyasztók elé") olyan védelmi rendszert eredményez, amely erre a problémára kevéssé érzékeny, mert a levezetők a létesítmény területén (sőt térfogatában) elszórtan helyezkednek el. A gondok akkor kezdődnek, amikor költségtakarékossági okokból a védelem lépcsőit a betáplálás irányába "tolják", és az egész létesítmény védelmét a betáp elosztóba épített B-C-D lépcsővel akarják megoldani. Ez a megoldás kiváló egy fémkonténerbe telepített berendezés esetén, de joggal kifogásolható egy 4 szintes irodaháznál.
Belső zavarforrások
A tranziens túlfeszültség-impulzusok forrásaként családiházak esetén csak külső hatásokkal számolunk. Nem szabad azonban elfelejteni, hogy főleg ipari környezetben zavarforrások épületen belül is megjelenhetnek, nagy teljesítményű fogyasztók normál üzemi kapcsolásakor, vagy üzemzavar esetén a hálózati védelem működésekor. Hasonlóan belső zavarforrásként kell értékelni a létesítmény belterében (pl. pillérben) futó villámvédelmi levezetőt. A külső villámvédelem ilyen kialakítása általánosan elterjedt nagy alapterületű csarnokoknál. A villámvédelmi zónakoncepció (MSZ IEC 1312-1) ezeket a belső zavarforrásokat gyakorlatilag figyelmen kívül hagyja. A túlfeszültség-levezetők beépítésének imént említett általános gyakorlata azonban jelentős részben erre a problémára is megoldást nyújt.
Zárlati áramok
A független zárlati áramra történő méretezés nagyon fontos szempont, mert a védett létesítmény üzembiztonságát alapvetően befolyásolja ott, ahol szikraköz alapú levezetők kerülnek beépítésre! (Kép: Túlfesz_alk_0201.jpg) Családiházak esetén 5-6 kA fölötti zárlati árammal ritkán kell számolni, nagy létesítményeknél azonban nem ritka a 25 kA fölötti érték sem. Ezt a paramétert különösen a főelosztóba épített B-fokozatú (1. típusú) szikraközöknél kell szem előtt tartani, amelyeknek zárlati áram megszakítóképessége típustól függően korlátozott. A túlfeszültség-levezetők ezen paraméterét előtét-biztosítókkal szokás javítani, amelyet a beépítés körülményeinek és a gyártó előírásainak megfelelően kell méretezni. Ez a méretezés sokszor elmarad, vagy hibásan értelmezett módon valósul meg. Figyelembe kell venni, hogy a túlfeszültség-levezetők elé a gyártók olvadóbetétet javasolnak, melynek névleges értéke a független zárlati áram nagyságának függvénye. A gyártók katalógusadatként csak egy értéket szoktak megadni, feltüntetve az ezzel biztosítható zárlati szilárdságot is (pl. 500 A gL/gG-vel 17,6 kAeff). Ha a feltüntetett zárlati szilárdságot a beépítés helyén növelni szükséges, ez az előtét-biztosító névleges értékének csökkentésével oldható meg, gyártói útmutatás alapján.
A csökkentésnek határt szab, hogy az előtét-biztosítótól megköveteljük, hogy a villámáramok átvezetésére kiolvadás, sérülés nélkül képesek legyenek. Szakirodalmi adatok alapján 250 A gL/gG olvadóbetét-érték alatt az MSZ IEC 1312-1 szerinti I. védelmi osztálynak megfelelő villámáramot a betétek már nem képesek levezetni kiolvadás, illetve sérülés nélkül, ezért a kisebb betétek alkalmazása már korlátozhatja a túlfeszültség-védelem hatásfokát. Ilyenkor, ha az előtét-biztosító szerepét is a főbiztosító tölti be, akkor a kis értékű betét nemcsak a túlfeszültség-védelem hatásfokát, hanem az üzembiztonságot is ronthatja. Az előtét-biztosítók méretezésével kapcsolatos problémák egyik oka, hogy a betétek kA-ben megadott zárlati áram megszakítóképességét sokan azonosítják a villámáram átvezetőképességgel, pedig az utóbbi jóval kisebb. E tárgyban a másik dilemmát a megszakítók alkalmazása jelenti, olvadóbetét helyett. Erre vonatkozóan szűkösek mind a gyártói, mind pedig a szakirodalmi információk, ezért egyelőre célszerűbbnek tűnik az olvadóbetétek alkalmazása.
Szólni kell a levezetők zárlatbiztos kábelezéséről is. Nagy értékű független zárlati áram esetén az előtét-biztosítók méretezésénél figyelembe kell venni, hogy a zárlati áram hatására a levezető bekötővezetékei túlmelegedhetnek. A túlfeszültség-levezetőkbe beköthető vezetékkeresztmetszet ritkán nagyobb 35 mm2-nél. Egyes levezetőknél lehetőség van arra, hogy a keresztmetszetet és ezáltal a zárlatbiztosságot a bekötővezetékek megduplázásával növeljük. (Kép:Túlfesz_alk_0209.jpg) Ha a vezetékkeresztmetszet növelése nem lehetséges, szükségessé válhat az előtét-biztosító értékének módosítása.
Robbanásveszélyes technológiák
Olyan létesítményeknél, amelyek ebbe a körbe tartoznak, az MSZ 274 (BM 2/2002) előírja túlfeszültség-védelem kiépítésének kötelezettségét. A markáns különbséget a többi létesítménytípussal szembeállítva éppen ez a kötelezettség jelenti, hiszen a rendelet más esetekben megfontolás tárgyává teszi a túlfeszültség-védelem kiépítését. Az alkalmazott védelmi eszközök nem feltétlenül különböznek a szokásosaktól, de különösen a mérő-jelző áramkörökben speciális (gyújtószikra-mentes) kivitelek alkalmazására, vagy különleges szerelési módra (nyomásálló tokozat) szükség lehet.
Gyengeáramú hálózatok
Általánosan elterjedtek a helyi számítástechnikai és vagyonvédelmi hálózatok, de ide sorolhatjuk a különböző mérő-jelző hálózatokat is. A hálózattípusok között jelentős különbségek lehetnek feszültségszint, átviteli sebesség és struktúra tekintetében, ami nagyban befolyásolja a túlfeszültség-védelem kialakításának módját. Nem szabad elfelejteni, hogy néhány kHz fölötti frenvenciatartományban már figyelembe kell venni a félvezető alapú túlfeszültség-levezetők kapacitását. Nagyobb frekvenciákon a csatlakozók okozta csillapítás, illetve reflexió is kihat a hálózat működésére, ezért nagy átviteli sebesség esetén a megfelelő túlfeszültség-védelmi eszközök kiválasztásánál a jelátviteli paraméterek is korlátozzák a levezetők alkalmazhatóságát. Ezek miatt gyengeáramú hálózatoknál a túlfeszültség-védelem kialakításának súlypontja a megfelelő levezető kiválasztására helyeződik, egyúttal az erősáramú hálózatok védelménél felmerülő méretezési és beépítési szempontrendszer gyakorlatilag kiesik. Tévedés lenne azt hinni, hogy emiatt egyszerűbb a gyengeáramú hálózatok túlfeszültség-védelme! Persze könnyű a gyártó katalógusából a megfelelő levezetőt kiválasztani - ha ismerjük a hálózat paramétereit. Ezek az adatok sajnos nem mindig állnak rendelkezésre, és megszerzésük is körülményes lehet (például vagyonvédelmi hálózat esetén). Hasonló gondot okozhat, hogy hiába ismert a hálózat paramétere, a hozzá ajánlott levezetővel mégsem működik. Ilyenkor a levezető beiktatása által okozott jelcsillapodás vagy reflexió lehet a hiba oka.
Felügyelet és karbantartás
A túlfeszültség-levezetők jelenléte a hálózaton normál körülmények között észrevehetetlen. A jól beépített levezetők ismérve éppen az, hogy az idő túlnyomó részében olyanok, mintha ott se lennének, azaz a hálózat működésére semmilyen hatást nem gyakorolnak. Éppen ezért nagyon fontos annak ellenőrzése, hogy mikor tényleg nincsenek már ott, azaz mikor szűnt meg működőképességük - enélkül a kontroll nélkül a biztonság hamis tudatában lehetünk. Egy családiház esetében ezt az ellenőrzést praktikusan a szemrevételezés is jelentheti, azonban nagyobb létesítményeknél a távfelügyelet alkalmazása célravezetőbb.
A szikraközök állapotának megbízható ellenőrzésére jelenleg nincs olyan eljárás, amely a beépítés helyszínén egyszerűen elvégezhető lenne. Egyes típusoknál a szigetelési ellenállás mérhető, de ez az érték csak áttételesen tükrözi a tényleges állapotot. Az ellenőrzési lehetőség hiánya a szikraközöknél általában nem jelent problémát: az MSZ IEC 61643-11 szabványnak megfelelő 1. típusú (korábban B-fokozatnak nevezett) levezetők jelentős mértékben túlméretezettek, villámáram általi elhasználódásukra kicsi az esély, ha beépítésük a gyártó előírásait követve szakszerűen történt. Ennek megfelelően a szikraközök állapotának távjelzésére nincs lehetőség - és nincs is rá szükség. Ez valamennyi ma ismert 1. es típusú levezetőre, pontosabban az azokban lévő, villámáram-levezetésre alkalmas szikraközre érvényes megállapítás. (Ahol a távjelzés biztonsági szempontból elengedhetetlen, ott az előtétbiztosítók állapotából áttételesen következtetve, azok távjelzését felhasználva lehe A csökkentésnek határt szab, hogy az előtét-biztosítótól megköveteljük, hogy a villámáramok átvezetésére kiolvadás, sérülés nélkül képesek legyenek. Szakirodalmi adatok alapján 250 A gL/gG olvadóbetét-érték alatt az MSZ IEC 1312-1 szerinti I. védelmi osztálynak megfelelő villámáramot a betétek már nem képesek levezetni kiolvadás, illetve sérülés nélkül, ezért a kisebb betétek alkalmazása már korlátozhatja a túlfeszültség-védelem hatásfokát. Ilyenkor, ha az előtét-biztosító szerepét is a főbiztosító tölti be, akkor a kis értékű betét nemcsak a túlfeszültség-védelem hatásfokát, hanem az üzembiztonságot is ronthatja. Az előtét-biztosítók méretezésével kapcsolatos problémák egyik oka, hogy a betétek kA-ben megadott zárlati áram megszakítóképességét sokan azonosítják a villámáram átvezetőképességgel, pedig az utóbbi jóval kisebb. E tárgyban a másik dilemmát a megszakítók alkalmazása jelenti, olvadóbetét helyett. Erre vonatkozóan szűkösek mind a gyártói, mind pedig a szakirodalmi információk, ezért egyelőre célszerűbbnek tűnik az olvadóbetétek alkalmazása.
t a szikraközök állapotát kielégítő megbízhatósággal felügyelni.)
A szikraközöktől eltérően a varisztorok átlagos körülmények között is túlterhelhetők, illetve működésük során elhasználódnak. A tönkremenetelt termikus megfutás, hőmérsékletük hirtelen növekedése jelzi, ami egyszerre következménye és oka ellenállásuk tartós csökkenésének. Ebben a folyamatban a varisztor félvezetőből vezetővé válik, és a hálózaton tényleges rövidzárrá alakul, szükségessé téve az onnan történő leválasztást. A varisztort tartalmazó levezetők ezért beépített termikus védelemmel rendelkeznek, melynek működése optikai jelzést ad, és távjelzésre is alkalmassá tehető. Így a távjelzés igénye varisztoroknál nehézség nélkül kielégíthető. (Kép:Túlfesz_alk_0205.jpg) (Emellett adott az az elméleti lehetőség is, hogy a varisztorok karakterisztikáját mérve még a tönkremenetel előtt információhoz jussunk a varisztor állapotáról. Ez a mérés viszonylag egyszerűen lebonyolítható akár a beépítés helyszínén is, ha a varisztorbetét kihúzható az aljzatából, és ha az ehhez szükséges műszert, valamint információs hátteret a túlfeszültség-levezető gyártója biztosítani tudja.) A varisztorok távjelzésének lehetőségét különösen ott célszerű megoldani, ahol magasak az üzembiztonsággal szemben támasztott követelmények, vagy a létesítménybe beépített varisztoros levezetők nagy száma ésszerűsíti a központi felügyeletet.
A túlfeszültség-levezetők karbantartást nem igényelnek. Nem árt azonban arra emlékezni, hogy az erősáramú hálózaton végzett szigetelésmérés tönkreteheti a levezetőket, illetve azok meghamisíthatják a méréseket! Ezért a túlfeszültség-levezetőket a mérés idejére le kell választani a hálózatról. Ez a járulékos munka okozhat kellemetlen meglepetést olyan helyen, ahol sok 3. típusú (D-fokozatú) levezető van beépítve. (Van olyan speciális D-fokozatú levezető is, amelyet nem kell leválasztani a hálózatról. Ennek alkalmazása komoly előnnyel bírhat, bár a plussz szolgáltatást némi felárral kell megfizetni.)
Összefoglalás
Cikksorozatunkban remélhetőleg sikerült néhány, a gyakorlatban is használható szempontot adni a túlfeszültség-védelem kialakításához, és arra rávilágitani, hogy a védelem megbízhatósága sokszor nem azon múlik, hogy milyen gyártó termékét építjük be, hanem azon, hogy a beépítés mennyire körültekintően történik. Éppen ezért a túlfeszültség-védelmi eszközök műszaki paraméterei mellett sokkal több figyelmet kell arrafordítani, hogy a levezető a beépítést követően is képességei maximumát nyújthassa, védve berendezéseinket, növelve biztonságunkat és kényelmünket.