Villanyszerelők Lapja

A túlfeszültség-védelem kialakításának új szemlélete I.

2013. február 13. | Kruppa Attila |  5087 | |

Az alábbi tartalom archív, 6 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Azt gondolhatnánk, hogy az MSZ IEC 1312-1 megjelenése óta eltelt bő tizenöt év elégséges volt ahhoz, hogy a túlfeszültség-védelem kialakításának elve és gyakorlata masszív alapokra kerüljön. A jelenlegi helyzetről ez aligha jelenthető ki, ezért két cikkben áttekintjük a védelem létesítésének problémáit, majd pedig bemutatunk egy új módszert, amely segítheti ezek megoldását.

Visszatekintés

Az 1997-ben megjelent MSZ IEC 1312-1 volt az első olyan magyar szabvány, amely ismertette a túlfeszültség-védelem kialakításának „villámvédelmi zónakoncepció” néven ismertté vált alapvető szabályrendszerét. Az MSZ IEC 1312-1-et csaknem tíz évvel később leváltó, jelenleg is érvényes MSZ EN 62305-4 tartalma – csekély változtatásoktól eltekintve – lényegében megegyezett az elődjéével (ami az MSZ EN 62305-4 2011-ben megjelent második kiadására is igaz). Ez a változatlanság jelentheti azt, hogy a szabvány annyira jó, hogy módosítása szükségtelen, de azt is, hogy tartalmát érdektelenség övezi. Bizonyos értelemben mindkét kijelentés igaz. Önmagában a zónakoncepció valóban nagyon jól leírja, hogy elméletileg milyen módon kellene a villámimpulzus elleni védelmet felépíteni. A gyakorlatban azonban kevéssé használható – amint azt rögtön bizonyítjuk majd. (Nem mintha az alkalmazás problémája ismeretlen lenne a szakemberek körében, de célszerű lenne végre tudatosítani a háttérben rejlő okokat.) Az „érdektelenség” tehát nem abból fakad, hogy túlfeszültség-védelemre nincs szükség (lásd az 1. ábrán bemutatott statisztikát), hanem abból, hogy a gyakorlatba nehezen ültethető át.

A túlfeszültség-védelmi koncepció

A védelmi rendszerek kialakításának első lépése a védelmi koncepció kidolgozása, amelyben tükröződnie kell a védelem célkitűzésének és a lehetséges veszélyforrások hatása ellen alkalmazott védelmi intézkedéseknek. Ezt az elvet követi a villámimpulzus elleni védelem is – amit az MSZ EN 62305 első kiadása az LPMS, a második pedig az SPM betűszóval jelöl – a villámvédel-mi zónakoncepció kidolgozásakor. Ebben vázolja a lehetséges veszélyforrásokat (amely lehet adott fizikai jellemzőkkel bíró közvetlen vagy közeli villámcsapás), a villámimpulzus csatolási módjait (amely lehet vezetett és/vagy „sugárzott”) és ismerteti azokat az elméleti intézkedési lehetőségeket, amelyekkel a különböző zavarérzékenységű (jellemzően: lökőfeszültség-álló- ságú) készülékek és szerkezetek megóvhatók a villámimpulzus által okozott meghibásodástól. A villámvédelmi zónakoncepció szakmai körökben jól ismert, ezért részletes taglalásától nyugodtan eltekinthetünk. Arról azonban célszerű szót ejtenünk, hogy a villámimpulzus elleni védekezés eszköztára milyen intézkedéseket tartalmaz:

  • Földelés és összekötés.
  • Mágneses árnyékolás
  • és nyomvonalvezetés.
  • Koordinált túlfeszültség-védelem.


Jóllehet az LPMS ezek szerint többféle intézkedést tartalmazhat, a gyakorlatban leginkább mégis pusztán a koordinált túlfeszültség-védelem alkalmazására szűkül, már csak ezért sem véletlen,
hogy „villámimpulzus elleni védelem” helyett az egyszerűbb „túlfeszültség-védelem” megnevezést használjuk. Ez jelzi, hogy a villámimpulzus elleni védelem megvalósítása lényegében kimerül a túlfeszültség-védelmi eszközök (SPD-k) beépítésében. Hozzá tartozik ehhez, hogy a földelő és az összekötő hálózat nélkülözhetetlen részét képezi ugyan a védelemnek, de kivitelezésükben még új építmények esetén is ritkán érvényesíthetők a villámimpulzus elleni védelem szempontjai, nem is beszélve a meglévő építményekről. Éppen ezért a villámimpulzus elleni védelem kialakítása a hétköznapok szintjén olyan jellegű kérdésekben nyilvánul meg, hogy „milyen túlfeszültség-levezetőt építsek be, és hova?” Ez a gyakorlat – amely helytelen, de amelynek változtatása nem életszerű – részben magyarázza a bevezetőben említett érdektelenséget.

 

Hogyan illeszkedik a túlfeszültség-védelem a villámvédelem rendszerébe?

A villámvédelmi zónakoncepcióval (lényegében az egész MSZ EN 62305-4-gyel) szembeni érdektelenség kialakulásában talán az előbbinél is komolyabb szerepet játszik az, hogy a villámimpulzus elleni védelem egésze, és így a túlfeszültség-védelem is nagyon rosszul illeszkedik a villámvédelem rendszerébe. Ennek a rossz illeszkedésnek két eleme van:

  • Szabvány, illetve jogszabály alapján az esetek többségében nem támasztható alá az LPMS létesítésének kötelezettsége.
  • A LPMS kialakításának műszaki követelményei hiányosak és ellentmondásosak.

A statisztikai adatok jól mutatják, hogy a túlfeszültség-károk egyre jelentősebb részét teszik ki a káreseményeknek, számosságukat és összértéküket tekintve is.

Az első elemen nem szabad csodálkoznunk. A jogszabá- lyok és a szabványok is alapvető társadalmi érdekek – emberi élet, közműszolgáltatások,
kulturális értékek védelme – mentén határozzák meg a védelmi intézkedések szükségességét. Ezeket a védelmi célokat az MSZ EN 62305 tisztán fogalmazza meg, de az Országos Tűzvédelmi Szabályzatban (mint a villámvédelemre vonatkozó legfontosabb rendeletben) is ezek érhetők tetten. A legtöbb létesítménytípus esetében azonban csak anyagi veszteséget okozhat a villámimpulzus elleni védelem hiánya, ennek megfelelően nem várható, hogy szabvány vagy jogszabály alapján levezethető legyen az LPMS létesítésének szükségessége. (Ennél a kijelentésünknél tekintsünk el az OTSZ 11. mellékletének táblázatától, amely olyan jellegű építményekre vonatkozó előírást tartalmaz, amelyeknél a bekövetkezhető anyagi károk csökkentése társadalmi szempontból kívánatos.) Igaz, az MSZ EN 62305-2 szabványban leírt villámvédelmi kockázatelemzés tartalmaz olyan szempontrendszert is, melynek alapján – legalábbis elvileg – megállapítható a túlfeszültség-védelem gazdaságossága, és ebből fakadóan kiépítésének célszerűsége. Azonban a villámvédelmi kockázatelemzésnek ez a része elvi síkon és a gyakorlati alkalmazhatóság szempontjából egyaránt vitatható, használata már csak ezért sem életszerű.

A „rossz illeszkedés” másik eleme az, hogy – ha valamilyen módon mégiscsak felmerül az LPMS létesítésének feladata – a villámvédelmi szabvány alapján gyakorlatilag nem lehet megállapítani, hogy adott védelmi fokozatú LPMS-nek egy-egy konkrét építmény esetében milyen a minimális műszaki tartalma. A nyomvonal-kialakításra, árnyékolásra, potenciálkiegyenlítésre a szabvány nem tartalmaz az LPMS fokozatától függő, számszerűsíthető vagy akárcsak „kézzelfogható” követelményeket, sőt lényegében a földelésre vonatkozóan sem. Az egyetlen dolog, ami az MSZ EN 62305-4 szabvány alapján egyértelműsíthető, az a csatlakozóvezetékek betáplálási pontján beépített SPD-k szükséges áramimpulzus-levezető képessége. A koordinált túlfeszültség-védelem kialakításának további részletei azonban megint csak homályba vesznek: az SPD-k beépítési helyét a zónakoncepció alapján, a zónahatárok ismeretében lehetne kijelölni, ami azonban enyhén szólva is bizonytalan lábakon áll.

Hol van a villámvédelmi zónák határa?

Az MSZ EN 62305-4 fogalom meghatározása szerint a villámvédelmi zóna „az a zóna, ahol a villám elektromágneses tere meghatározott”. Ez első olvasatra egy meglehetősen homályos definíció, de – rugalmasan értelmezve – jól ragadja meg az elektromágneses összeférhetőség (EMC) alapjain nyugvó villámimpulzus elleni védelem lényegét. A definíció a gyakorlat nyelvezetére nagyjából úgy fordítható, hogy a villámvédelmi zónák határát ott kell keresnünk, ahol

  • a villám hatásának kitett, ún. zavart készülékek zavarérzékenysége ugrásszerűen változik, és ehhez igazodva,
  • a villámcsapás hatására fellépő (vezetett és/vagy sugárzott) villámimpulzust jellemző fizikai mennyiségekben „ugrásszerű” változás következik be.

Ami a készülékek zavarérzékenységét (lökő- feszültség-állóságát) illeti, kétségtelen tény, hogy különböző szabványok (pl. erősáramú szerkezetekre az MSZ HD 60364-4-43) tartalmaznak határérték-követelményeket, de a hasonló zavarérzékenységű készülékek nem szükségszerűen egy-egy jól körülhatárolható térrészben (helyiségben) vannak elhelyezve, hanem az épület több pontján, elszórtan. Ezért a zavarérzékenység alapján épületen belüli zónahatárok kijelölése általában nem életszerű. Ami a villámimpulzust jellemző fizikai paraméterek ugrásszerű változását illeti, azt létrehozhatja EM árnyékolás és/vagy a vezetékeken beépített SPD-k. Ha EM árnyékolás hozza létre, az egyértelműen kijelöli az SPD-k szükséges beépítési helyét. Ez azonban ritka kivétel, mert kifejezetten ilyen rendeltetésű árnyékoló határfelületek alkalmazása általánosságban nem jellemző. Gyakoribb, hogy a zónahatárt maguk az SPD-k hozzák létre, hiszen beépítésükkel legalább a vezetett impulzusok nagyságában „ugrásszerű” csökkenés érhető el. Bár ebben az esetben magától értetődően teljesül a szabványnak az a követelménye, hogy az SPD-ket a zónahatárokon kell beépíteni, ez a módszer (a körkörös logikai hivatkozás miatt) természetesen nem ad választ arra, hogy a zónahatár hol legyen. Lényegében tehát hiábavaló a szabvány „egzakt”, a fizikai hatásmechanizmust jól leképező feltételrendszere, annak révén a gyakorlatban nem határozható meg villámvédelmi zónahatár. (Ennek ellenére lépten-nyomon megjelenik az a törekvés, hogy – egyébként teljesen érthetően, az egyértelmű információátadás céljából – villámvédelmi zónaként a tervekben, műszaki leírásokban valamilyen helyiségcsoport vagy helyiség legyen megjelölve. Ugyanakkor az így kijelölt, épületszerkezetekhez kötött zónahatárok megvalósítása többnyire olyan nagyszámú SPD beépítését igényelné, amely nem életszerű, és ennek megfelelően erre általában nem is kerül sor.) Azonban tételezzük fel, hogy valamilyen módon mégiscsak sikerül a szokásos LPZ0– LPZ1–LPZ2–LPZ3 zónákat kijelölni, és anyagi korlátok sem gátolják a védelmi rendszer kiépítését. Ne gondoljuk, hogy ezzel minden probléma elhárult a „szabványos” túlfeszültség-védelem létesítésének útjából!

magánvélemény

Bizonyára sokan vannak, akik előadásaimat hallgatva meglepődnek azon a bevezetésképp gyakran elhangzó kijelentésemen, hogy nem szeretek előadást tartani a „szabványos” túlfeszültség-védelemről. A mellékelt cikk remélhetőleg segít megérteni, hogy melyek azok az objektív körülmények, amelyek bennem ezt a hozzáállást kialakították. Az MSZ EN 62305 villámvédelmi szabványnak nagyon sok olyan eleme van, amelyet jónak tartok: ide tartozik a villámvédelmi zónakoncepció is, mint elméleti alapmodell. Sajnos ez nem jelenti azt, hogy a gyakorlatban jól használható lenne. Ez az állapot annál is inkább zavaró, mert a túlfeszültség-védelem iránt – talán a klímaváltozás miatt, talán mert egyre összetettebb villamos és elektronikus hálózatokat építünk – egyre fokozódik az érdeklődés, nyilván összefüggésben a bemutatott statisztikai adatokkal. Az MSZ EN 62305 szabvány szempontrendszere még a cikkben leírt fenntartásokkal is jól használható olyan esetekben, amikor a biztonságosság megelőzi a gazdaságosság célkitűzését. Azonban a hétköznapi rutin során kevés ilyen feladat adódik, jellemzően a gazdaságosság áll előtérben, amelynek a szabvány alapján nehéz – vagy mondjuk ki bátran: lehetetlen – megfelelni. Ez a helyzet ösztönzött arra, hogy olyan módszert keressek, amely segíthet a vázolt problémák megoldásában. A következő lapszámban közzéteszek néhány gondolatot az általam „hálózati koncepció”-nak keresztelt, új szemléletmódot alkalmazó eljárásról, remélve, hogy az közelebb vihet bennünket az ésszerűbb, egyúttal gazdaságosabb túlfeszültség-védelem létesítéséhez.



Milyen SPD-t építsünk be a zónahatáron?

Természetesen a zónahatárnak megfelelőt! Erősáramú hálózat esetében ez gond nélkül teljesíthető, mert rendelkezésre állnak az 1-2-3. típusú (korábban: B-C-D fokozatú) SPD-k, és beépítésük nem befolyásolja az erősáramú hálózat normál üzemvitelét. Ezzel szemben gyengeáramú hálózatokon a kezdeti nehézségek már a „zónahatárnak megfelelő” SPD kiválasztásával megjelennek. Ezeket az eszközöket az MSZ EN 61643-21 vizsgálati szabvány nem arab számokkal jelzett típusokba, hanem betűk és számok kombinációjával jelzett kategóriákba sorolja (1. táblázat), ráadásul az ilyen kategóriák száma láthatólag több, mint amennyi kényelmesen megfeleltethető lenne az LPZ0–LPZ1–LPZ2–LPZ3 zónafelosztásból eredő három szükséges kategóriának.

Hogy a dilemmát tovább fokozzuk, megemlíthetjük, hogy egy-egy gyengeáramú hálózatfajtára (pl. az elterjedt Cat5-ös számítástechnikai hálózatokra) a gyártók kínálatában többnyire csak a C2 és/vagy D1 kategóriájú SPD-k szerepelnek, ami viszont kevesebb, mint a zónafelosztásnak megfelelő három fokozat. Végül – hogy feltegyük az i-re a pontot – említsük meg, hogy a gyengeáramú SPD-k beépítése az eszközök jelcsillapítása, határfrekvenciája, reflexiója és számos egyéb paramétere miatt komoly negatív hatással lehet a gyengeáramú hálózat normál üzemvitelére. Ebből eredően egy három zónahatárt átlépő gyengeáramú vezetéken akkor sem feltétlenül lehetne a koordinált túl- feszültség-védelmi eszközök három fokozatát kiépíteni, ha az rendelkezésre állna.

A problémák hatása a gyakorlatra

Ha nem is mindig tudatosan, de a szakemberek érzékelik a felsorolt problémákat, és ez sokuknál – teljesen megalapozottan – bizonytalanságot, esetenként a túlfeszültség-védelemmel szembeni „gyanút” okoz. Nem véletlen az sem, hogy a villámvédelmi kockázatelemzéssel összefüggésben megjelent olyan értelmezés, amely szerint az övezetek azonosíthatók a villámvédelmi zónákkal. Ez a felfogás téves (amint arra nemcsak e cikk szerzőjének a Villanyszerelők Lapja 2012. júliusi számában Villámvédelmi kockázatelemzés: Övezet vagy villámvédelmi zóna? címmel megjelent cikke, hanem a MEE Villámvédelmi munkabizottságának az Elektrotechnika 2012. decemberi számában megjelent állásfoglalása is rámutat), de jól példázza azt az erős igényt, amely a villámvédelmi zónahatárok egzaktabb kijelölésére, végeredményben pedig az SPD-k beépítési helyének meghatározására irányul. A túlfeszültség-védelem körüli homályban nehéz különbséget tenni a szükséges–célszerű–haszontalan kategóriákba tartozó intézkedések között, aminek természetszerűleg nem az a következménye, hogy a biztonság irányába tévedve inkább vállalunk többletköltségeket, hanem hogy komolytalannak tekintve az egész szabályrendszert, ott sem építünk védelmet, ahol ez indokolt lenne.

1. táblázat erősáramú és gyengeáramú SPD-k vizsgálati szabványai, és a szabványossági követelményeknek megfelelő SPD-k osztályozása

Vissza a kályhához!

A problémák gyökerét alighanem az jelenti, hogy a jelenlegi követelményrendszer (jogszabályok, szabványok) a túlfeszültség-védelem kiépítésének kötelezettségét attól teszi függővé, hogy az alapvető társadalmi értékek védelmében milyen szerepük van. Ez (nem pontosan, de lényegében) azt eredményezi, hogy az MSZ EN 62305 alapján koordinált túlfeszültség-védelem létesítése csak ott szükséges, ahol a villamos és elektronikus rendszerek meghibásodásának (D3 károsodás-típus) hatására közvetlen és azonnali életveszély áll fenn. Robbanásveszélyes építményeket és gyógyászati helyiségeket nem számítva kevés ilyen építmény van. Ezen a helyzeten az OTSZ is csak keveset javít, hiszen a villámimpulzus elleni védelem kialakításának ésszerű követelményét megfogalmazza ugyan, de ezt a követelményrendszert műszaki tartalommal megtölteni nem tudja (mert nem is ez a feladata). Ugyanakkor a statisztikák azt mutatják, hogy a túlfeszültség-károk számosságukban és összegükben is jelentősek, vagyis jelentős gazdasági veszteségek forrásai. Ez aláhúzza annak fontosságát, hogy a túlfeszültség-védelmi rendszer kiépítésének szándékát és mértékét gazdaságossági szempontok alapján határozzuk meg. Ebben a felismerésben nincs újdonság, nem véletlenül jelenik meg a villámvédelmi kockázatelemzésben is ez a szándék. Az előbb leírtak alapján azonban sajnos le kell vonnunk a következtetést, a villámvédelmi szabvány több okból is alkalmatlan erre.

hogyan tovább?

Végeredményben persze mindenkit az érdekel, hogyan lehetne tiszta (legalábbis tisztább) vizet önteni a pohárba. Az itt leírtak tudatosíthatják a szakemberekben, hogy mi a gond a túlfeszültség-védelemmel, de nem nyújtanak kézzelfogható segítséget a problémák megoldásához. Jó lenne olyan módszer, amely a fizikai jelenségek oldaláról megalapozottan, de életszerűbb formában, gazdasági szempontok alapján adna iránymutatást arra, hogy a hálózatok mely pontjára célszerű SPD-ket beépíteni. Az sem lenne baj, ha a módszer alkalmazása viszonylag egyszerű lenne. Egyelőre nem tudjuk, hogy létezik-e ilyen módszer, de cikkünk folytatásában kísérletet teszünk a felkutatására.


A folytatást a 2013. márciusi lapszámunkban találja, illetve ide kattintva olvashatja honlapunkon.


Kérjük, szánjon pár pillanatot a cikk értékelésére. Visszajelzése segít a lap és a honlap javításában.

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem