Barion Pixel

Villanyszerelők Lapja

Szabványok

Túlfeszültség-károk megelőzése

2010/9. lapszám | Kruppa Attila |  10 273 |

Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Az augusztusi zivatarok hatására megszaporodtak a túlfeszültség-károk, rávilágítva a villamos és elektronikus berendezések sérülékenységére, a védekezés hiányosságára. Ilyenkor értelemszerűen megnövekszik azoknak az érdeklődőknek a száma is, akik tan...

Az augusztusi zivatarok hatására megszaporodtak a túlfeszültség-károk, rávilágítva a villamos és elektronikus berendezések sérülékenységére, a védekezés hiányosságára. Ilyenkor értelemszerűen megnövekszik azoknak az érdeklődőknek a száma is, akik tanácsot kérnek túlfeszültség-védelmi rendszer kialakítására. Nagyobb építmények – irodaépületek, üzemcsarnokok – esetén a tanácsadás általában helyszíni szemlével kezdődik. Az alábbiakban ezek néhány tapasztalatát tesszük közzé a földelőre és az összekötő hálózatra fókuszálva.

Meghibásodások

Az érdeklődések jelentős része olyan eset, amelyben a meghibásodás már megtörtént (tehát a védelem kiépítését nem az elővigyázatosság motiválja). A károsodás által érintett berendezések köre változatos, de leggyakoribb a számítástechnikai eszközök, és – különösen háztartásokban – a TV-készülékek tönkremenetele. A sérülés ritkán látványos, többnyire külső nyomok nélküli. A hiba okaként általában csak azért azonosítható a túlfeszültség, mert a meghibásodás a zivatar idején következik be. (Ez az egyidejűség, továbbá az, hogy a meghibásodások egymás és természetesen a villámcsapás helyének közelében lépnek fel, teszi lehetővé a biztosítók számára az egyszerűsített kárfelmérést.) Nem nehéz tehát arra a következtetésre jutni, hogy a bajt villámcsapás vagy túlfeszültség okozta. A közvetlen károk elhárítását követően természetes reakció a jövőbeli károk megelőzésére való törekvés, az ezzel kapcsolatos tájékozódás.

A védekezés elvi lehetőségei

A szabványos készülékek rendelkeznek egy minimális ellenállóképességgel (zavartűrő-képességgel, lökőfeszültség-állósággal), az elektromágneses összeférhetőség (EMC – Electromagnetic Compatibility) követelményeinek megfelelően, ez azonban elégtelen ahhoz, hogy a viszonylag közeli (1-2 kilométernél közelebbi) villámok hatása ellen megfelelő védelmet nyújtson. A villamos és elektronikus készülékek ezért kiegészítő védelemre szorulnak. Kézenfekvőnek tűnik, hogy a gyártók a berendezéseket tegyék ellenállóbbá

■ a túlfeszültség-impulzusokkal szemben (ezáltal megúszva, hogy nekünk kelljen a védelemről gondoskodnunk). A sérülékenység a berendezésekbe épített túlfeszültség-levezetőkkel elvileg ugyan csökkenthető (például számos szünetmentes tápegység rendelkezik ilyen szolgáltatással), de a gyártók a költségcsökkentés érdekében gyakran feláldozzák az ilyen extrákat. Ez az áldozat már csak azért is elfogadható, mert a berendezésbe épített védelemnek két súlyos hátránya is van. A túlfeszültség-impulzusok levezetésekor túlterhelődő túlfeszültség-védelmi eszközök tönkremennek. Ez nem gyakori, különösen szakszerűen kialakított védelmi rendszereknél, de előfordul. Ezért a védelmi eszközök általában cserélhetők. Beépített túlfeszültség-levezető esetében a cserélhetőség nem biztosított, mint ahogy annak jelzése sem, hogy a berendezés (pl. TV-készülék) azért nem működik, mert a benne lévő túlfeszültség-levezető túlterhelődött, vagy mert a készülék áramkörei sérültek. A külső szemlélő számára a végeredmény egy működésképtelen berendezés, amelyet javítani kell.

■ A túlfeszültség-levezetők készülékbe integrálását az is nehezíti, hogy annak igazodnia kell a készüléken kívüli védelmi struktúrához: a beépített levezetőnek illeszkednie kell az előtte lévő fokozat paramétereihez (pl. korlátozási feszültségéhez), máskülönben felborulhat a védelem koordinációja – ami nagy valószínűséggel a beépített levezető túlterhelődéséhez vezet. Ha pedig a készüléken kívül nincs (nagy energiák levezetésére alkalmas) védelem – az is a beépített levezető túlterhelődéséhez vezethet. A berendezések védettségét ezért alapvetően a készüléken kívüli, koordinált túlfeszültség-védelmi rendszerrel kell és lehet biztosítani.

Koordinált túlfeszültség- védelmi rendszer kialakítása

A koordinált túlfeszültség-védelmi rendszer, amelyet lépcsőzött túlfeszültség-védelemként is emlegetünk, nevének megfelelően egymással összehangolt működésű túlfeszültség-levezetők alkalmazását jelenti, meghatározott szabályoknak megfelelően. A koordináció egyrészt azt hivatott biztosítani, hogy minél közelebb kerülünk a védeni kívánt berendezéshez, a lehetséges túlfeszültség-impulzusok egyre kisebbek legyenek, a berendezésnél pedig veszélytelen nagyságúra csökkenjenek. Az energiák csökkentése általában két vagy három fokozatban történik, túlfeszültség-levezetők (szakszerűbben: túlfeszültség-védelmi eszközök, ún. SPD-k) segítségével. Másrészt az egyes fokozatokat megvalósító túlfeszültség-levezetők a védeni kívánt berendezés felé haladva egyre kisebb energiájú impulzusok levezetésére alkalmasak (1. ábra). A túlfeszültség-védelmi rendszer fokozataiként alkalmazott eszközök (szikraközök, különböző karakterisztikájú varisztorok) működése egymástól többé-kevésbé eltérő, ezért a fokozatokat olyan szabályok – pl. a levezetők közötti minimális és maximális távolságok – szerint kell egymáshoz illeszteni, amelyeket a túlfeszültség-levezetők gyártója határoz meg. A koordinált túlfeszültség-védelem létesítésének szabályai azonban nem merülnek ki az SPD-k, vagyis a túlfeszültség-védelmi eszközök beépítési távolságában, és ez az, ami különösen kellemetlenné teszi a megbízható túlfeszültség-védelmi rendszer kialakítását.

1. ábra: Koordinált túlfeszültség-védelem kialakításának elve. Az energiák csökkentése általában két vagy három fokozatban történik, túlfeszültség-levezetők (szakszerűbben: túlfeszültség-védelmi eszközök, ún. SPD-k) segítségével. Másrészt az egyes fokozatokat megvalósító túlfeszültség-levezetők a védeni kívánt berendezés felé haladva egyre kisebb energiájú impulzusok levezetésére alkalmasak.

A túlfeszültség-védelem egyéb intézkedései

A szakszerű túlfeszültség-védelmi rendszer létesítésének módját az MSZ EN 62305-4 szabvány ismerteti, amely 2006-ben lépett érvénybe, és hároméves átmeneti időszakot követően 2009-ben váltotta fel az MSZ IEC 1312-1-et. Mindkét szabvány az ún. villámvédelmi zónakoncepció elvén nyugszik, és a túlfeszültség-védelmi rendszert (szakszerűbben: elektromágneses villámimpulzus elleni védelem, LPMS – Lightning Pulse Measuring System) az alábbi intézkedések összességeként értelmezi.

■ Földelés

■ Összekötő hálózatok kialakítása (a potenciálkiegyenlítés részeként)

■ SPD-k alkalmazása (szintén a potenciálkiegyenlítés részeként)

■ Nyomvonal-kialakítás

■ Elektromágneses árnyékolás

A felsorolt intézkedések nem egyforma súllyal jelennek meg a túlfeszültség-védelem gyakorlati eszköztárában. Ennek nem csupán az az oka, hogy a túlfeszültség-védelmi eszközöket gyártó cégek az SPD-k forgalmazásában érdekeltek, következésképp minél több levezető megvásárlására szeretnék rábírni ügyfeleiket, hanem az is, hogy az ügyfelek is hajlanak a kevésbé „ma-cerás” megoldásokra. Márpedig a felsorolt intézkedések közül tagadhatatlanul az SPD-k beépítése a legegyszerűbb! És ezzel – kissé hosszadalmas bevezető után – közelítünk témánkhoz.

A nyári zivatarok elsősorban azok figyelmét irányítják a túlfeszültség-védelem felé, akik már elszenvedtek valamilyen villámkárt, és akik szeretnék a jövőbeni hasonló helyzeteket elkerülni. Mélyebb ismeretek hiányában sokan feltételezik, hogy a túlfeszültség-védelem egyet jelent a túlfeszültség-levezetők megvásárlásával és egyszerű beépítésével. Kevesen tudják, hogy a védelem kiépítésének és működésének szigorú feltételei vannak, ugyanakkor egyszerű intézkedésekkel nagymértékben lehet javítani a védelem hatékonyságát. Ilyen intézkedés például a kábelnyomvonalak átgondolt elhelyezése, kialakítása.

Azonban a túlfeszültség-károk elhárítása közepette, vagy röviddel a villamos hálózat felújítását követően mérsékelt a lelkesedés azokkal az ötletekkel szemben, amelyek egyik-másik kábelrendszer nyomvonalának áthelyezésére vonatkoznak, akkor is, ha ez a védelmi rendszer költségeinek csökkentését tenné lehetővé. Ugyanez a sorsa az elektromágneses árnyékolásnak. A kábelek fém (mindenekelőtt acél) kábeltálcában, vezeték- vagy parapetcsatornában történő elhelyezése a kábelrendszer nagyon hatásos árnyékolását képes biztosítani, de megoldásként csak felújítással egy időben jöhet szóba. Talán mondani is fölösleges, hogy a földelővel hasonló problémák vannak: nem szívesen szedjük fel a kőburkolatot a földelő javítása érdekében. Árnyékolási és nyomvonal-kialakítási intézkedések nélkül azonban kialakítható túlfeszültség-védelem, legfeljebb kisebb a hatékonysága. Ezzel szemben a megfelelő minőségű földelő és az összekötő hálózat nélkülözhetetlen eleme a megbízható túlfeszültség-védelemnek.

Földelő és összekötő hálózat

2. kép: Potenciálkiegyenlítő-hálózat. Ha nagyon sokáig kell keresni az EPH-csomópontokat, akkor az EPH-hálózat túlfeszültség-védelmi szempontból kedvezőtlen kialakítású.

A földelés és az összekötő hálózat feladata, hogy a védeni kívánt építményen vagy építményrészen belül közel egyenletes potenciáleloszlást (referenciapotenciált) biztosítson, amelyhez mérten – túlfeszültség-védelmi eszközök segítségével – korlátozható a vezetőképes hálózatok feszültségnövekedése. A földelő ellenállása (valójában impedanciája) a külső vezetőképes csatlakozásokon fellépő áramimpulzusok nagyságát befolyásolja. Az összekötő hálózat, amely az építményen belüli kiegyenlítő áramok nagyságát és elosztását befolyásolja, olyan potenciálkiegyenlítő hálózat, amelynek bármely két pontja között kicsi az impedancia. Az összekötő hálózat mindössze abban különbözik az érintésvédelmi célú potenciálkiegyenlítő (EPH) hálózattól, hogy kialakításánál az impedancia csökkentését szem előtt tartják. A földelő és az összekötő hálózat impedanciáját a geometria határozza meg. (Ezért javasolt túlfeszültség-védelmi célra földelőrudak alkalmazása helyett keret- vagy betonalap-földelő alkalmazása és az EPH-hálózat hálós kialakítása.)

A villámvédelmi, illetve üzemi földelő állapota szemrevételezéssel természe- tesen nem ellenőrizhető, és a mérések is csak áttételes információt szolgáltatnak. Ezért a helyszíni szemlék célja nem a földelő tényleges állapotának felmérése, hanem annak megállapítása, hogy a meglévő földelés milyen mértékben képes hozzájárulni az építményen belüli potenciálkiegyenlítéshez. A földelő kialakítása akkor tekinthető túlfeszültség-védelmi szempontból kedvezőnek (különösen nagyobb alapterületű épületek esetében), ha a földelő és az EPH-hálózat több ponton is össze van kötve, nem csupán a főelosztóban. Sajnos, ez a megoldás ritka. Ennél nagyobb probléma, amikor villámhárítóval rendelkező épületek villámvédelmi földelőjének és a fő földelő sínnek (a központi EPH-csomópontnak) az összekötése sem azonosítható. Bár ennek a hiánya (túlfeszültség-védelmi szempontból) elsősorban az épületet érő közvetlen villámcsapáskor mutatkozik meg, az összekötést akkor is meg kell valósítani, ha az nehezen kivitelezhető.

A földelő nagyobb szabású átalakítása (pl. új keretföldelő létesítése több kiállással, vagy az egymástól 20 m-nél távolabbi villámvédelmi földelők összekötése) általában nem valósítható meg, ezért az épület kisimpedanciás potenciálkiegyenlítésében a főszerep az összekötő hálózaté. A túlfeszültség-károk bekövetkezésének helyszínein általában megállapítható, hogy az EPH-hálózat (túlfeszültség-védelem szempontjából: összekötő hálózat) kialakítása nem felel meg a túlfeszültség-védelem követelményeinek (tegyük hozzá: gyakran az érintésvédelemének sem!). Védekezésképp ilyenkor elhangzik, hogy az EPH-hálózat megfelelő kialakítását mérési jegyzőkönyv is alátámasztja. Ez azonban legfeljebb azt igazolja, hogy az EPH létezik, és az ún. idegen vezetőképes részek (gépészeti csővezetékek, fémszerkezetek) valahol össze vannak kötve a földpotenciállal, és hogy ez az összekötés kis (ohmos) ellenállású.

Túlfeszültség-védelmi szempontból azonban az impedancia számít, amelyben nagy a szerepe az induktív ellenállásnak. Az EPH-hálózat induktivitásának mérése a gyakorlatban nem lehetséges, a kis induktivitást (és ezáltal a kis impedanciát) a már említett hálós kialakítás hivatott biztosítani. A „hálós” kialakítás a valóságban a „minden vezetőképes szerkezetet összekötünk, amit lehet, lehetőleg sűrűn” iránymutatásban ölt testet (2. kép). Ahol a vezetőképes szerkezetek (pl. egymás közelében vezetett vagy egymást keresztező kábeltálcák, csővezetékek) összekötéseit a helyszíni szemle során hosszasan kell keresni, ott ez az elv sérül, és okkal feltételezhető, hogy az EPH-hálózat kialakítása nem tesz eleget a túlfeszültség-védelem követelményeinek. Egyes épületekben (pl. irodaházakban) a szemrevételezést nehezíti, hogy a villamos és gépész vezetékrendszereket rejtve, pl. álmennyezet felett szerelik. Az EPH-hálózat felmérését és kijavítását azonban érdemes komolyan venni, mert ez nemcsak hogy nélkülözhetetlen feltétele a megbízható túlfeszültség- védelemnek, de a költsége is elhanyagolható.

Új építésű épületek

Bár ebben a cikkben a túlfeszültség-védelem meglévő épületekben történő kialakításának szempontjaival foglalkozunk, egy gondolat erejéig ki kell térni az új építésű épületekre is. A potenciálkiegyenlítés előnyös megoldása az, ha az épületszerkezet maga is felhasználható erre a célra: alkalmasak erre a vasbeton-szerkezetű vagy fémvázas épületek, nagyméretű lemezburkolatok és egyéb fémkonstrukciók, feltéve, hogy a fémszerkezet folytonossága biztosított, és a szerkezetek kivitelezésekor lehetővé tették az ilyen célú alkalmazást (kiállások, csatlakozási pontok kialakításával, 2., 3. kép). Egy kis előrelátással az üzemeltető számos problémától kímélheti meg magát: az épület részét képező potenciálkiegyenlítő hálózat nincs szem előtt, senkinek az esztétikai érzékét nem zavarja, ráadásul kisebb impedanciájú, mint az utólag kivitelezett. Éppen ezért nehezen érthető, hogy új építésű, vasbeton szerkezetű épületek vasalását gyakran ma sem úgy alakítják ki, hogy szerves részét alkossa a villám- és túlfeszültség-védelemnek.

3. kép: Vasbeton-szerkezet alkalmassá tétele összekötő hálózatként (kis impedanciájú EPH-hálózatként) történő felhasználásra.

Tévhitek

A korábbi években gyakran hallható volt a túlfeszültség-védelem iránt érdeklődők azon kijelentése, mely szerint „nálam a gyengeáramú hálózatra nem kell túlfeszültség-levezető, mert a villámcsapás az erősáramú hálózaton keresztül jött be”. Mostanában ezt mintha ritkábban lehetne hallani. Nem kizárt, hogy széles körben ismertté és elfogadottá vált a védelem kialakításának az a szabálya, hogy minden vezetőképes hálózatot be kell vonni a potenciálkiegyenlítésbe. Valószínűbb azonban, hogy sokan saját kárukon tapasztalták meg, hogy a féloldalas védelem nem sokat ér. Viszont továbbra is tartja magát az a tévhit (az előbbitől nem egészen függetlenül), hogy túlfeszültség-impulzusok földkábeles hálózatokon keresztül nem fenyegetnek, ezért a védelmet csak a légkábeles hálózatokra érdemes kiépíteni. Ez nem igaz, mert mindkét hálózatfajtán érkezhet túlfeszültség. Ezt a tényt érdemben az sem befolyásolja, hogy a két hálózatfajtán fellépő túlfeszültség gyakorisága és nagysága eltérő.

Összefoglalás

A túlfeszültség-védelem általában nem úszható meg túlfeszültség-védelmi eszközök beépítése nélkül. Az SPD-k kiválasztása önmagában sem mindig egyszerű, de a megbízható és költséghatékony védelem kialakítását az SPD-k beépítésének összetett szabályrendszere teszi bonyolulttá. A túlfeszültség-levezetők puszta léte nem jelent garanciát arra, hogy azok meg is védik a berendezéseket, és ez annál is inkább kellemetlen, mert a túlfeszültség-védelmi rendszer működőképességét nem lehet kipróbálni. Fontos tehát, hogy a túlfeszültség-levezetők beépítése szakszerűen történjen, kiemelt figyelmet szentelve a földelőnek és az összekötő hálózatnak.