Csatlakozó-berendezések üzembiztonsága IV.
Mikor szükséges a túlfeszültség elleni védelem?
2007/7-8. lapszám | Ádám Zoltán | 4276 |
Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Cikksorozatunkban ideje feltenni a kérdést, hogy a fogyasztói hálózatokon mikor válik szükségessé a túlfeszültségek elleni védekezés. A védekezés szükségessége – részben a már tárgyalt szempontok alapján – a következő szempontokhoz kötődik.
Amennyiben az adott épület külső villámvédelmi rendszerrel rendelkezik, úgy az MSZ 274 3:1981+2M:2001 szabvány megjelenését követően kötelező jelleggel eleget kell tenni a belső villámvédelem követelményeinek. Az épület villámvédelmi felfogórendszerét érő villámcsapás esetén ugyanis az épületen belül káros és veszélyes potenciálkülönbségek alakulhatnak ki. A műszaki intézkedések a védett téren belül fellépő, nem kívánt potenciálkülönbségek létrejöttének megakadályozására irányulnak.
Az elektromágneses villámimpulzus által előidézett másodlagos hatások ellen elszigetelés útján érdemben nem lehet védekezni, mert túl nagy értékű túlfeszültségek megjelenésével kellene számolni. Ezért csak potenciál-kiegyenlítést lehet alkalmazni, ami a potenciálkülönbségek felléptét villamos kapcsolat létesítésével akadályozza meg.
Ennek két megoldása alkalmazott.
- A potenciáljukban azonos (villamos úton összeköthető) szerkezeteket egyenpotenciálra hozás céljából össze kell kötni egymással, valamint az épület földelőrendszerével.
Ez gyakorlatilag azonosnak, illetve egyenértékűnek tekintendő a fő egyenpotenciálú összekötések megvalósításával (MSZ 2364 410:1999+1M:2004, 413.1.2. szakasz és MSZ IEC 1312 1:1997, 3.4.1. szakasz). A korrekt kivitelű EPH-rendszer gerinc- és leágazó vezetői (a bekötések) részei a belső villámvédelemnek. Figyelembe kell venni, hogy ezeken a vezetőszakaszokon és kötéspontokon rész- villámáramok fognak folyni. Arra is figyelemmel kell lenni, hogy az olyan szerkezetek, amelyeken rész-villámáramok folyhatnak, villamos szempontból erre megfelelő anyagúak és keresztmetszetűek legyenek, valóban folytonosak legyenek, és illesztési, összekötési pontjaik vezetőképessége feleljen meg a várható igénybevételeknek. - Az eltérő potenciálú, illetve fémesen össze nem köthető szerkezetek, pontok közé a potenciálkülönbséget behatároló (túlfeszültség-korlátozó) eszközöket kell beépíteni.
Ezeknél az eszközöknél a begyújtott szikraköz (a főérintkezők között égő villamos ív) létesít vezetőképes kapcsolatot a szükséges ideig. Az épület erősáramú hálózata ki van téve a villám másodlagos hatásainak, ennek fővezetéki szakaszain az épületet vagy környezetét érő villámcsapás esetén mindig rész-villámáramok folynak vagy folyhatnak.
A belső túlfeszültség elleni védelem rendszerszintű megvalósításához szükséges eszközöket a vonatkozó előírásoknak megfelelően az épület villámvédelmi zónahatárain, a kijelölt összecsatolási pontokon kell beépíteni (MSZ IEC 1312 1:1997 3.4.1. szakasz).
A fogyasztói hálózat üzemeltetési körülményei kockázatelemzés alapján szükségessé tehetik kiegészítő intézkedések megtételét. Növeli a kockázatot, hogy ha a zivataros napok száma évente 25-nél nagyobb, ha a csatlakozás szabadvezeték-hálózatról történik, de az is, ha például olyan magaslati pont, épület van a közelben, amit gyakran ér villámcsapás (rádiótelefon-bázisállomás, templom-, illetve víztorony stb.).
A védett térben üzemeltetni kívánt villamos készülékek vagyoni és/vagy használati értéke miatt a villamos munka megrendelője másodlagos villámvédelem és a belső túlfeszültség elleni védelem kialakításának igényével léphet fel. Ez együtt járhat a külső villámvédelem felfogó és levezető rendszerének kiépítésével is. A műszaki védelem kiépítésével kivédhető, hogy egy esetleg épületet érő villámcsapás fokozott károkat okozva vezetés útján is becsatoljon (bejusson az épület belső terébe). Tudni kell, hogy amennyiben a fogyasztói berendezések kezelője, tulajdonosa a túlfeszültség elleni védelem igényével jelentkezik, úgy az első pont alatt említett intézkedések megtétele szükséges (csak a szabványelőírásoknak megfelelő kialakítás fogadható el, más megoldások nem megfelelők).
Érdemes még szem előtt tartani, hogy a túlfeszültségek fogyasztói vezetékhálózatokon, berendezésekben való megjelenése nem köthető kizárólagosan a légköri kisülésekhez. Az ugyanakkor nem vitás, hogy túlfeszültségek szempontjából leginkább a közvetlen környezetet, illetve magát az épületet érő villámcsapások veszélyeztetnek leginkább. Így a szükséges védelmi intézkedéseket is ennek megfelelően kell meghatározni, méretezni. Az így kialakított védelem viszont az erősáramú hálózat felől érkező, vagy az épületen belül üzemeltetett berendezések által keltett belső túlfeszültségei ellen is megfelelően véd.
A védekezés ugyanakkor sajnos sosem lehet tökéletes, mivel ennek megcélzása aránytalanul nagy anyagi befektetéssel járna. Ily módon a villám károkozó hatásai elleni védekezés a befektetéssel arányos kárkockázat-csökkentés (megfelelő kialakításban az is, tehát korántsem kidobott pénz). A mai előírások legfeljebb 200 kA csúcsértékű villámáram előfordulását feltételezik. Természetesen vannak nagyobb villámok is, észleltek már 600 kA-t meghaladó csúcsáramú villámot is, de az ilyenek nagyon ritkán fordulnak elő.
Az eddigiek alapján összefoglalásképpen megállapítható, hogy különleges vagy a szokásostól eltérő igények fennállását nélkülöző esetekben (tehát általában) egyértelmű és szakmai szabályok és következetes elvek mentén jól követhető, valamint viszonylag egyszerű módon megvalósítható egy épület/létesítmény erősáramú hálózatának túlfeszültség elleni védelme. Itt ismét hangsúlyozni kell, hogy a valós műszaki értéket képviselő túlfeszültség elleni védelem megvalósítása megfelelő szakmai ismeretekhez kötött.
Ha a villamos kivitelező részéről ez a szempont nem teljesül, akkor a túlfeszültség elleni védelem megvalósítása jóval több kárt okozhat, mintha semmit nem tettünk volna. Például a durva védelmi eszközök elhelyezésével olyan helyen is megjelenhetnek rész-villámáramok, ahol egyébként nem jelentek volna meg, és ez károkozáshoz vezethet. Az ilyen védekezés hamis biztonságérzet kelt, ugyanakkor a probléma valós okára nem mindig könynyű rájönni.
A fogyasztói berendezések túlfeszültség elleni védelmének kiépítése
Az erősáramú fogyasztói hálózaton kiépítendő védelem alapesetben három lépcsőből áll.
„B” fokozat, a túlfeszültség elleni védelem durvavédelmi eszköze
A túlfeszültség elleni védelem durva fokozatú készülékének elhelyezését az LPZ0/LPZ1 villámvédelmi zónahatáron (MSZ IEC 1312 1:1997 3.4.1. szakasz) kell megvalósítani.
Ennek alapján a durvavédelem készülékeit legcélszerűbb az erősáramú méretlen betáplálásban, vagy közvetlenül ahhoz rendelten, időjárásálló műanyagszekrényben, tokozatban elhelyezni (MSZ 447:1998 +1M:2002 2.6.1. szakasz). Itt a fő szempont az, hogy a kisfeszültségű hálózatot, a környezetet vagy magát az épületet érő villámcsapás esetén a durvavédelmi készülékek azon a ponton tudják leghatékonyabban elvégezni a potenciálkiegyenlítést az erősáramú hálózat és az épület, létesítmény földelőrendszere között megakadályozva a nagy energiájú túlfeszültség behatolását a fogyasztói hálózaton keresztül a védett térbe , ahol a csatlakozóvezeték (csatlakozókábel) az épületet eléri.
Ez a pont megfelelő szakmai körültekintés mellett azonos, vagy azonossá tehető a csatlakozó főelosztó létesítési helyével. A durvavédelem eszközei nagy áramlevezető képességű, szikraköz-elven működő készülékek. Ma már elvárás a készülékek ívkifúvás-mentessége (ez a tokozatba építhetőség egyik előfeltétele). A durvavédelmi készülékek villamos csatlakoztatását az első túláramvédelmi készülék utáni pontról kell megvalósítani (MSZ 447:1998 2.6.2. szakasz).
A készülékeket fázisonként, az egyes fázisok és az épület földelőrendszerét képviselő fő földelősín (MSZ 2364-540:1995 542.4.1.) közé kell csatlakoztatni. A bekötés során figyelembe kell venni az elhelyezésre, bekötésre és egyéb tényezőkre vonatkozó gyártói és áramszolgáltatói előírásokat is. Az első túláramvédelmi készülék utáni pontról csatlakoztatott vezetékezés hossza a földelősínre csatlakozó vezetőszakasszal együtt nem haladhatja meg az 1 méter összes vezetékhosszt (MSZ 447:1998 2.6.2. szakasz).
A méretlen betáplálásba csak olyan durvavédelmi eszköz beépítése megengedett, amelynek alkalmazásához az áramszolgáltató hozzájárult (MSZ 447:1998+1M:2002 2.6.6. szakasz). A feszültség-oldali vezetékezés legalább 10 mm2, a földelt oldali vezetékezés pedig legalább 16 mm2 keresztmetszetű, réz anyagú legyen. Az első túláramvédelmi készülék (biztosítóaljzatban elhelyezett késes olvadóbiztosító betétek) névleges áramértéke nem lehet kisebb 63 A-nél (MSZ 447:1998 2.6.4. szakasz), és csak lomha (gL/gG) kiolvadási karakterisztikájú betétek alkalmazhatók. A durvavédelmi eszközök méretlen betáplálásba történő beépítésénél az alkalmazás feltétele a középvédelmi készülék előírásszerű beépítése is.
„C” fokozat, a túlfeszültség elleni védelem középvédelmi eszköze(i)
A középvédelem készüléke fémoxid-varisztor (nemlineáris karakterisztikájú feszültségfüggő ellenállás) jellegű, viszonylag nagy áramlevezető-képességű védelmi eszköz.
Alkalmazása azért szükséges, hogy általában a fogyasztásmérő utáni első villamos elosztási ponton, de előírás szerint legalább 4 6 méter vezetéknyomvonalon mért távolságban csillapítsa az erősáramú hálózat felől érkező túlfeszültségeket a durvavédelmi készülék kis energiájú begyújtásának (tehát felesleges működésének) elkerülésére, másrészt energetikailag koordinál a durvavédelem és a finomvédelem készülékei között. Ha a mért fővezetékszakasz nagyobb kiterjedésű, illetve, ha több fogyasztói főelosztó van, akkor a középvédelmi készülék alkalmazásának ismétlése válhat szükségessé.
„D” fokozat, a túlfeszültség elleni védelem finomvédelmi eszköze(i)
A védett készülékek finomvédelem alkalmazását is igénylik. Ezek az eszközök a „C” fokozat készülékeihez hasonlóan varisztor(ok) alkalmazására épülnek, de kisebb, általában 900 V megszólalási feszültséggel, és az alkalmazási területnek megfelelő, kisebb energiaelnyelő képességgel. A finomvédelmet közvetlenül a védett készülékek erősáramú bemeneti kapcsainál kell alkalmazni (dugaszólóaljzat, asztali elosztó). Az olyan villamos készülékek esetében, amelyek két különböző vezetékes hálózathoz egyidejűleg kapcsolódnak (számítógép, kábeltévé-dekóderek, telefax-készülékek stb.), összecsatolást biztosító túlfeszültség-védelmi eszköz alkalmazása szükséges, mivel túlfeszültség jellegű potenciálkülönbségek a különböző vezetékes hálózatok között bármikor felléphetnek.
Túlfeszültség-behatás felléptekor az előzőkben leírt felépítésű védelmi rendszer „hátulról előre” működik, ami úgy értendő, hogy a védelmi szintjüknek megfelelő eszközök aktív elemei vezetőképessé válva levezetési áramukkal akadályozzák meg a meg nem engedhető értékű potenciálkülönbségek létrejöttét. Először a finomvédelmi eszközök lépnek működésbe, majd a középvédelem és végül – ha szükséges – a durvavédelem is. Az egyes eszközök levezetési áramai kiloamper nagyságrendbe eső áramimpulzusok.
Ezek az áramok részben vagy egészében az üzemáramok által is igénybe vett vezetékeken, villamos kötéspontokon és kontaktusokon folynak át. A levezetési áramok az adott áramkör jellemző zárlati áramait jelentősen meghaladhatják, a rövid ideig fellépő nagy áramsűrűség hőhatása és dinamikus hatása egyaránt nagyon igénybe veszi a villamos kötéspontokat és a kontaktusokat.
- A nagy áramsűrűség miatt a maradéktalanul nem megfelelő kontaktusok (érintkezők, vezeték-bekötési pontok) elfröccsennek, elégnek.
- A nagy impulzusáram számottevő dinamikus hatást kelt a vezetékezésekben. Mindig törekedni kell az egyszerű, feleslegesen éles iránytörésektől mentes vezetékezésre. A vezetékezéseket szükség esetén önzáró műanyagszalagok segítségével kötegelni, rögzíteni kell. A nem megfelelő vezetékezések a villám áramimpulzusa miatt fellépő, hirtelen dinamikus erőhatás miatt leszakadhatnak villamos kötéspontjaikról, vagy zárlatot okozhatnak. A rész-villámáram levezetési ideje alatt megmozduló villamos kötések szinte bizonyosan elégnek!
A kivitelezői munkák során sokféle berendezés létesül. Előnyös volna, hogy a csatlakozó főelosztóban vagy mellette, a műanyag tokozatban elhelyezendő durvavédelmi készülékek áramköri kialakítása minden villamos kivitelező részéről egységes kivitelű lenne. Az egységes kialakításhoz feltétlenül hozzá kell érteni a fő földelősín előzőkben már ismertetett kialakítását is.
Ez nem mindig egyszerű, aminek egyik oka az, hogy az épületek homlokzati részein elhelyezett csatlakozó főelosztó alatt vagy mellett nem mindig van hely a földelés kötődoboza számára, illetve az ilyen, kombinált elhelyezés műszaki megjelenése szempontjából nem kívánatos. A jelenleginél jobb helyzetet eredményezne, ha a leírt kivitelre vonatkozóan a kereskedelemben konkrét, előszerelt termék-kialakításokat lehetne késztermékként beszerezni.
Az épületek fővezetékezéseinek kialakításánál figyelembe kell venni, hogy ezeken a vezetékszakaszokon a rész-villámáramok az általuk keltett hatások, okozott igénybevételek szempontjából szakmailag nem kezelhetők, megítélhetők a „szokásos” elektrotechnikai ismeretek, megközelítések alapján. A villámáram (megosztott részét is beleértve) a föld felé haladva a lehető legrövidebb, számára legkisebb impedanciát jelentő utat igyekszik megtalálni. Ha a villámáram (i) föld felé tartó útján megnövekedett impedanciával (Z) találkozik, akkor azon áthaladva u = i*Z nagyságú feszültségesést hoz létre, ami olyan túlfeszültségként jelenik meg a fogyasztói hálózat fővezetékében, ami egyébként – helyes kialakítás esetén – nem lépett volna fel.
A kis hajlítási sugarú védőcsövezések és a bennük elhelyezett vezetékezések, a szerelés során kialakított, bekötést megkönnyítő vagy bekötési tartalékot képző vezetékhurkok, illetve azok a vezetékszakaszok, amelyeken a villám részáramának a föld felé tartó iránnyal szemben, felfelé kell folynia, rendkívül problémásak! Az ilyen vezetékszakaszok viszonylag nagy soros induktivitásként jelennek meg a vezetékezésben, amelyek rész-villámáramok levezetése során helyi túlfeszültség felléptét okozzák.
Emiatt átütés, átívelés következhet be a falhoz vagy más szerkezethez képest. Mivel az épületek fővezetéki szakaszain minden esetben számolni kell rész-villámáramok megjelenésével, ezért az előbb említett vezetékezési megoldások üzembiztonsági szempontból megengedhetetlenek, mert üzemzavarokat okozhatnak!
