A túlfeszültség-védelem kialakításának új szemlélete II.

2013/3. lapszám | Kruppa Attila |  4216 |

Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A sorozatunk első részében áttekintettük a villámvédelmi szabvány követelményeinek megfelelő túlfeszültség-védelem létesítésének nehézségeit. A második rész egy olyan új módszert körvonalaz, amely segíthet a feltárt problémák megoldásában, különösen abban az esetben, amikor a védelem létesítésének a célja a gazdasági veszteségek csökkentése.

A villámvédelmi zónakoncepció lehetséges alternatívája

Az MSZ EN 62305 villámvédelmi zónakoncepciója szinte kizárólag a villámjelenségek fizikai folyamataira és a villamos szerkezetek műszaki paramétereire koncentrál. Ennek a szemléletmódnak a helyessége elméleti oldalról elfogadható ugyan, de gyakorlati alkalmazása csak a legritkább esetben valósítható meg, amint azt az előző cikkben is bemutattuk. Különösen erősen jelennek meg ezek a problémák akkor, amikor a túlfeszültség-védelemnek a gazdasági veszteség csökkentését kellene szolgálnia. Az alkalmazás nehézségei nemcsak abban nyilvánulnak meg, hogy hiányoznak a zónakoncepció felállításához szükséges objektív elemek (pl. a szerkezetek tényleges lökőfeszültség-állósági értékei és egyéb fizikai jellemzői, a költségelemzéshez szükséges adatai stb.), hanem abban is, hogy a szabvány figyelmen kívül hagyja azt a tényt, hogy a védelem kiépítését olyan tényezők is befolyásolják, amelyek objektív adatokkal nem mindig támaszthatók alá. Ilyen tényezőnek tekinthető a meghibásodások által okozott termeléskiesés, de akár a kényelmetlenség is – mindkettőhöz csak nagyon erőszakolt módon rendelhető objektív, számszerűsíthető költség.

Márpedig ezek hiányában nem tűzhető ki a szó szoros értelmében vett „gazdaságos” védelem létesítésének célja. Nem meglepő ezek után, hogy a mindennapi gyakorlat nem követi a szabvány módszerét. Ehelyett a megrendelő számára „gazdaságos” védelem műszaki tartalma kompromisszum eredménye: a (jellemzően meglévő) építményben felmérésre kerülnek a „fontos” fogyasztókészülékek, majd ezekhez rendelten megjelennek a védelem kialakításának részköltségei is. Ezt követően a védelem azzal a műszaki tartalommal épül ki, amelynek összköltsége a megrendelő számára még elfogadható – azon részek kivitelezése, amelyeké meghaladja az elfogadható költségkeretet, egyszerűen elhagyásra kerül. Az így kialakított védelem természetesen messze áll az ideálistól, és általában csak any-nyi jelenthető ki róla, hogy jobb, mintha semmi nem lenne. Ennek a nem tudatosan, de széles körben alkalmazott módszernek, illetve az ennek alapján kivitelezett túlfeszültség-védelemnek az elfogadhatósága nagyrészt azon múlik, hogy a fogyasztókészülékek fontossági sorrendje helyesen lett-e felállítva. Ilyen fontossági sorrend felállítására vonatkozó érdemi szempontrendszert azonban nem tartalmaznak a szabványok, sőt a szakirodalom sem. Az az új módszer, amelyet „hálózati modell alapú koncepció” (röviden: „hálózati koncepció”) név alatt a továbbiakban bemutatunk, éppen ezt az űrt szeretné kitölteni.

A hálózati koncepció

A hálózati koncepció nagyrészt feladja a villámvédelmi szabványnak azt az elképzelését, hogy meghatározható, hogy a villamos és elektronikus rendszerek (mint összetett hálózatok) egyes részei milyen mértékben vannak kiszolgáltatva a villámimpulzus hatásának. Ehelyett nagyobb súlyt fektet annak figyelembevételére, hogy az egyes részek meghibásodásának milyen a („gazdasági”) hatása. Az előbb leírtak alapján ezek a hatások nem számszerűsíthetők, de a hálózati koncepció nem is várja ezt. A megbízónak a számára lényeges eszközöket (amelyek jellemzően a hálózatok végpontján elhelyezkedő végponti fogyasztóeszközök) fontossági sorrendbe kell állítania. (A „fontosság” műszaki szempontból nem tűnik jól kezelhető kategóriának. Mivel azonban a végponti csomópontok fontossági sorrendjét amúgy is a feltételezhetően laikus megbízónak kell felállítania, ráadásul a sorrendiség szubjektív elemeket is tartalmaz majd, a „fontosság” mégiscsak jól érzékelteti a lényeget.) E sorrend felállításához a villámvédelmi szakemberek adhatnak ugyan tanácsot, de a döntés joga egyértelműen a megbízóé. A szakember feladata az, hogy a végponti fogyasztók sorrendjét elfogadva, annak alapján immár tisztán objektív szempontokat követve meghatározza, hogy a hálózat egyéb, a felhasználó számára kevésbé nyilvánvalóan lényeges részeinek (pl. elosztóknak) milyen fontossági sorrendje adódik. A sorrend felállítása, illetve a hálózati koncepció egésze lényegében a következő feltételezéseken nyugszik:

• A végponti csomópontok fontossága rögzített határok (pl. 0 és 10 közötti) értékekkel jellemezhető.
• Felállítható a hálózatok topológiai modellje, amelyben a villamos és elektronikus hálózatok különböző részeit csomópontok és vonalak jelképezik. A topológiai modell lehetővé teszi a csomópontok közötti fizikai– logikai kapcsolatok elemzését.
• Az egymással közvetlenül összekötött hálózati csomópontok logikai kapcsolatban állnak egymással (pl. az egyik csomópont működtethetősége feltételezi a másik működőképességét), és ez a logikai kapcsolat matematikai szabályok formájában vehető figyelembe a fontossági sorrend megállapításakor.
• Az egymással közvetlenül összekötött hálózati csomópontok fizikai kapcsolatban állnak egymással (vagyis a csomópontokat összekötő vonalak szerepet játszanak a villámimpulzus csatolásában), melynek következtében a logikai kapcsolat alapján felállított sorrendet korrigálni szükséges. A korrekció, melynek eredményeképp előáll a végleges fontossági sorrend, szintén rögzített matematikai szabályok segítségével történhet.
• A hálózat túlfeszültség-védelméhez szükséges eszközök (SPD-k) és ezek költségei egyértelműen hozzárendelhetők egy-egy csomóponthoz.
• A hálózati koncepció alapján kialakított túlfeszültség-védelmi rendszer szakszerűnek és „gazdaságosnak” tekinthető, ha a (csökkenő) fontossági sorrendbe állított csomópontok közül az összes olyan csomópont védelme kiépítésre kerül, melyek fontossági értéke (a megbízó által) tetszőlegesen megadott határértéknél nagyobb.

Vegyük észre, hogy a módszer alkalmazásának végeredménye egy olyan fontossági érték–költség diagram, amelynek alapján a megbízó (ismét önállóan) döntést hozhat arról, hogy milyen fontossági értéknél – azaz milyen összköltségnél – húzza meg a határt.

Eközben csupán azt az egy feltételt kell elfogadnia, hogy minden olyan csomópont védelméről gondoskodik, melynek fontossági értéke nagyobb, mint az általa tetszőlegesen (de nyilván gazdasági szempontok alapján) kiválasztott határérték.

A könnyebb érthetőség érdekében a hálózati koncepció gyakorlati alkalmazását a továbbiakban egy egyszerű példán keresztül is bemutatjuk.

A hálózati koncepció alkalmazása a gyakorlatban

A hálózati koncepció alkalmazásának főbb lépéseit az 1. ábrán látható erősáramú hálózaton mutatjuk be. Az elképzelt megbízó a (közcélú kisfeszültségű) hálózatról megtáplált, A-I betűkkel jelzett fogyasztókészülékeket adta meg, mint számára fontos készülékeket, az egyes készülékek fontosságát 0 és 10 közötti skálán értékelve. E kiindulási adatok alapján a villámvédelmi szakember feladata, hogy felmérje a kapcsolódó hálózatrészeket, a megbízótól kapott tájékoztatása alapján megállapítsa a hálózatra vonatkozó logikai kapcsolatokat, és ennek megfelelően felállítsa a hálózat modelljét (2. ábra). Esetünkben a logikai kapcsolat egyszerű: minden csomópont (fogyasztókészülék) működtethetősége feltételezi a hálózaton „előtte” levő csomópontok (elosztó, főelosztó) működtethetőségét. Ezt a kapcsolatot azzal az egyszerű matematikai szabállyal képezzük le, hogy minden csomóponthoz az arról ellátott csomópontok fontosságának összegét rendeljük (3. ábra). (Megjegyezzük, hogy ez a logikai kapcsolat erősáramú hálózaton is csak akkor igaz, ha a megbízó a fogyasztókészülékek folyamatos üzemeltethetőségét tűzte ki célul. Ha csak a fogyasztókészülékek meghibásodás elleni védelme lenne a cél, a folyamatos üzem biztosíthatósága nélkül, akkor más modellt, következésképp más matematikai szabályt kellene felállítani.) E lépéseket követően meg kell határozni, hogy a hálózati csomópontok milyen mértékben vannak kitéve a túlfeszültség-impulzusok hatásának. Ezt a kitettséget a hálózat tényleges fizikai jellemzői alapján (pl. lökőfeszültség-állóság, vezetékhosszúságok, a vezetékek geometriája stb.) egzakt módon akkor sem tudnánk kiszámolni, ha minden jellemző ismeret lenne. A gyakorlatban azonban nem is állnak rendelkezésünkre ezek az adatok, így az sem segítene, ha az adatok birtokában viszonylag egyszerű képletekkel lehetne a kitettséget értékelni. E felismerés jegyében a hálózati koncepció a csomópontok kitettségének megállapítására két egyszerű szabályt alklmaz:

• Minél közelebb van a csomópont a betáplálási ponthoz, annál nagyobb mértékben van kiszolgáltatva a villámimpulzus hatásának.
• Minden csomópont ki van szolgáltatva a villámimpulzus hatásának.

A hálózati koncepció e két szabály alapján a villámimpulzus csatolási folyamatát a betáplálási ponttól a csomópontokat összekötő vonalak mentén a hálózat „belseje” felé haladva egy alkalmas számsorozattal (esetünkben 1 – 0,4 – 0,2 – 0,2 – 0,2 – ...) képezi le (4. ábra). A hálózat csomópontjainak az 5. ábrán feltüntetett végleges, azaz korrigált fontossági értéke a 3. és a 4. ábrán látható számok alapján állítható elő. A csomópontokat az így kapott fontossági értékük szerint sorba rendezve az 1. táblázat tartalmazza, megadva az egyes csomópontok védelméhez rendelt SPD-k költségét is.

Az 1. táblázat alapján megrajzolható az 1. diagram, amely azt mutatja, hogyan növekszik a túlfeszültség-védelmi rendszer kialakításának összköltsége annak függvényében, hogy az egyre kevésbé fontos csomópontok védelméről is gondoskodunk.

Az 1. táblázat, illetve az 1. diagram ismeretében a védelem műszaki tartalmáról (nyilván a költségvonzat figyelembevételével) a megbízónak kell önállóan döntenie.

Döntésében arra vonatkozóan nincs semmilyen kényszer, hogy egy kisebb vagy nagyobb összköltségű (tehát kisebb vagy nagyobb fontossági határértékhez tartozó) védelmi rendszert alakítson ki, ahhoz a szabályhoz azonban tartania kell magát, hogy az általa tetszőlegesen meghatározott pontérték felett minden csomópont védelméről gondoskodni kell. Így például a megbízó dönthet úgy, hogy legfeljebb 160 ezer Ft-ot szán a védelemre (azaz minden olyan csomópont védelmét kiépíti, amelynek fontossági értéke nem kisebb, mint 2).

Ebben az esetben az M, J, L, B csomópontokhoz kerül majd beépítésre SPD, összesen 155 ezer Ft értékben (6. ábra).

A módszer rövid elemzése

Első pillantásra látható, hogy a módszer alkalmazásának eredménye abban az értelemben nem egyértelmű, hogy a védelem műszaki tartalma, vagyis a szükséges SPD-k darabszáma a megbízó által megadott ponthatártól (azaz lényegében a költséghatártól) függ. Ez azonban nem egyéb, mint a jelenlegi gyakorlat azon elemének tükröződése a koncepcióban, hogy a megvalósuló túlfeszültség-védelem mindig olyan kompromisszum eredménye, amelyben a költségszempontok megjelennek. A módszer alkalmazásának újdonsága abban jelenik meg, hogy a megbízó által szabadon választott költségkerethez egyértelműen és logikusan rendel műszaki tartalmat. Az előbbi egyszerű példa jól érzékelteti, hogy a modell alapján – villámvédelmi zónák kijelölése nélkül – születő „többlépcsős védelem” a hálózat különböző részein különböző mértékű kiépítettséget jelent majd. Azonban bármelyik költségkerethez tartozó műszaki tartalmat tekintjük, az nemcsak a fizikai háttérrel lesz összhangban, hanem a csomópontoknak azzal a fontossági sorrendjével is, amelynek megalapozottsága eddig megkérdőjelezhető volt. Ezen az összhangon az sem változtat, ha a védelem más költséggel, következésképp más fontossági határ meghúzásával valósul meg. Sokan érezhetik úgy, hogy jobb lenne olyan módszer, amely a (költség-, illetve fontossági) határ kijelöléséből eredő bizonytalanságot is kiküszöböli, ezáltal ténylegesen egyértelművé téve a védelem műszaki tartalmát. Tévedés azonban azt feltételezni, hogy a túlfeszültség következtében (védelemmel vagy anélkül) fellépő károk összege a kívánt (egzaktnak tekinthető) pontossággal megadható, még ha el is tekintünk a szubjektív (nem anyagi jellegű) veszteségek figyelembevételétől. Ennek hiányában pedig a védelem gazdaságosságának meghatározása a szó közgazdaságtani értelmében csupán illúzió. Arra viszont fel kell hívnunk a figyelmet, hogy a hálózati koncepció révén meghatározott (bármely költséghatárhoz tartozó) védelmi rendszer költséghatékony, tehát alkalmas annak megállapítására, hogy adott költségkeretből (a fizika háttér és a megbízói igények alapján) melyik a legjobb megvalósítható védelem. Márpedig éppen ez az, amit a gyakorlatban tudni szeretnénk!

---