Villamos- és elektronikus rendszereink hatásos túlfeszültség-védelme
2013/9. lapszám | Szücs Gábor | 9884 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A villamos energiaellátó és elosztó rendszereink biztonságos működése alapvetően befolyásolják épületeink és létesítményeink megbízható működését. Azonban nem csak az energiaellátásban, elosztásban közvetlenül résztvevő eszközök vannak kitéve egy túlfeszültség jelentette veszélynek, hanem valamennyi ezen rendszerekhez csatlakozó eszköz, rendszer jelentős károsodást szenvedhet el tranziens okozta hatások miatt.
Hogy néhány példát említsünk, informatikai készülékek, rendszerek károsodása jelentős adatvesztéshez vagy ter1.meléskieséshez vezetnek, tűzjelző vagy beléptető rendszerek hibás működése, leállása szintén komoly fennakadást, kiesést jelenthet. Érdemes megemlíteni még a napelemes rendszerek invertereit is, mivel ezen eszközök leállása, meghibásodása az amúgy is kritikus megtérülési időt növelik számottevően. Ezen veszélyekre ugyanakkor szakszerű megelőző intézkedésekkel fel is tudunk készülni, azaz a vállalt kockázatot alacsony, elfogadható szinten tudjuk tartani.
Légköri jelenségek okozta tranziensek
Jelentős károsító hatást eredményező tranziens jelenségek leggyakoribb kiváltó okai a zivatarokban tapasztalható villámcsapások. Hazánkban évente többszázezer regisztrált villámmal számolunk, melyek kb. harmada a lecsapó események száma. A tapasztalatok alapján az okozott kár sok esetben jelentős: tönkrement berendezések, készülékek, megrongált üzemi és adatfeldolgozó technológiák, rendszerleállások, kiesések. Amellett, hogy a mért villámok csupán 1 százalékánál tapasztalunk 200 kA körüli csúcsértéket, számos esetben szükséges mégis ilyen mértékű igénybevételre méretezni, biztosítva ezzel rendszereink, eszközeink megbízható működését.
Villámáram levezetése során a lökőáram a kialakított levezetési áramúton, annak ellenállásán keresztül halad a föld felé. Ennek az ellenállásnak a nagysága (adott amperitás mellett) meghatározza a létrejövő feszültség-emelkedés értékét, vagyis nagyobb földelési ellenállás esetén, nagyobb a keletkező potenciálemelkedés. Ha a kialakított védelmi rendszer földelési ellenállása 2 Ω (ami a gyakorlatban ritkán fordul elő), 200 kA-es levezetett lökőáram esetén a létrejövő feszültség 400 kV:
U = I × R = 200 kA × 2 Ω = 400 kV.
A vizsgálatok azonban azt mutatják, hogy a villámcsapások 50%-nál, az előbbi példában figyelembe vett 200 kA-es csúcsértékkel szemben, „csupán” 30 kA-es csúcsérték tapasztalható, azonban ez esetben is jelentős feszültségemelkedéssel kell számolnunk. Ha az előző példánál maradunk, a 2 Ω földelési ellenálláson így is egy 60 kV-os feszültségtranziens jelenik meg.
Kapcsolási tranziensek
Annak ellenére, hogy a kapcsolási műveletek miatt bekövetkező feszültségtranziensek gyakoribb jelenségek, mint a villámok okozta túlfeszültségek, az általuk okozott károk kevésbé szembetűnőek, látványosak. Fontos azonban kiemelni, hogy egy berendezésben okozott kár mértéke sok esetben nem befolyásolja a teljes kár nagyságát, mivel egy kis mértékben károsodott vagy csökkent teljesítményű berendezés is képes a tejes rendszer hatékonyságát, rendelkezésre állását jelentősen rontani. Ilyen károkat sokszor a leghétköznapibb végberendezések – világítási áramkörök, irodai eszközök (pl. nyomtatók) vagy villamos motorok – kapcsolásai is okozhatják. Az üzemszerű kapcsolások mellett érdemes megemlíteni, hogy feszültségtranzienseket tapasztalhatunk védelmi készülékek megszólalásakor is – akár biztosítós, akár megszakító alapú védelem esetén.
Kapcsolási események műszeres vizsgálatakor tapasztalhatunk nem várt jelenségeket is: annak ellenére, hogy egy kapcsolásban csak a fázisvezetők vesznek részt, jelentős pillanatnyi potenciálkülönbség léphet fel a nulla- és a védővezető között, mely akár 4 kV-os csúcsértéket is jelenthet. Eközben a fázisvezetőn 6 kV-os, sőt akár nagyobb feszültség-csúcsok is keletkezhetnek. Ezen mérések alátámasztják, hogy a berendezéseket nemcsak a fázisvezetőkön fellépő feszültség-tranziensek terhelik, hanem a kapcsolási folyamatok során a nullavezetőn és a védővezetőn fellépő túlfeszültségekkel is számolnunk kell. A 230 V-os névleges feszültségű berendezéseknek az adott túlfeszültség-kategóriának megfelelően, 1kV és 2,5 kV közötti feszültség-csúcsokat károsodás nélkül kell elviselniük. Végberendezések (pl. világítási áramkörök, számítógépek és nyomtatók) egyidejű kapcsolása esetén azonban a keletkező feszültség-csúcsok összeadódhatnak, és akár a 2,5 kV-os érték többszöröse is megjelenhet eszközeink kapcsain, mely már komoly kockázatot jelenthet berendezésink érzékeny elektronikai egységeire nézve.
Nem szabad azonban azt a következtetést levonni, hogy a berendezések valamennyi kapcsolása komoly zavart okoz, hiszen ahogy azt hosszúidejű mérések is mutatják, számos más tényező is befolyásolja egy tényleges károsodás kialakulásának kockázatát.
A feszültségtranziensek mérése
A berendezéseinkben fellépő feszültségtranziensek oszcilloszkóppal és hálózatelemző készülékekkel regisztrálhatók és jeleníthetők meg. Méréseket végezhetünk impulzusszámlálással is, mely esetben speciális mérőátalakítót, számlálót felhasználva, határértékhez rendelt impulzusszámlálással kaphatunk képet hálózatunk állapotáról.
Annak ellenére, hogy akár pontos impulzus darabszámokat is kapunk ilyen mérések és vizsgálatok eredményeképpen, csak körültekintő elemzést követően tehetünk pontosabb megállapításokat, mivel az impulzusok időtartama, csúcsértéke, energiatartalma is döntő lehet. Kedvezőtlen esetben elegendő egyetlen nagy energiájú tranziens ahhoz, hogy végzetes károsodást szenvedjen az annak kitett berendezésünk, azonban más esetben csekély romboló hatású tranziensek sora sem okoz működési zavart eszközeinkben.
Egy hatékony túlfeszültség-védelmi rendszer kialakításának azonban csak az első lépése a hálózat műszeres vizsgálata. A kockázatot jelentő tranziensek felismerését követően a védelmi rendszer tervezése, kivitelezése következik, azonban nem szabad megfeledkezni a későbbi üzemeltetői feladatokról sem. A védelem kifogástalan működésének feltétele, annak rendelkezésre állásának ciklikus vizsgálata és a szükséges karbantartási műveletek végrehajtása.
A túlfeszültségek felismerése
A túlfeszültség legkézenfekvőbb bizonyítéka maga a tönkrement berendezés. A meghibásodott berendezések vizsgálatakor a túlfeszültség által okozott károsodás egyértelműen felismerhető, hiszen az ilyen jellegű meghibásodások jelentős eltérést mutatnak a tartós túlterhelés vagy a tartós magas feszültség okozta meghibásodás jeleivel szemben. Túlfeszültség okozta kár esetén, az elektronikus alkatrészeken „hideg” robbanás jeleit lehet felismerni, míg a tartós magas feszültség vagy tartós túlterhelés „forró” égési nyomokat hagy maga után. Felületes vizsgálat esetén a különböző események okozta jelenségek alig észrevehetőek, azonban egy körültekintő és alapos vizsgálat segítségével könnyen felismerhető és azonosítható a meghibásodás valódi oka.
Túlfeszültség okozta jelenségek
- Az áramköri lapok vezető sávjain vagy a csatlakozókon átütések nyomai mutatkoznak, de az áramköri lap felhólyagosodása nem tapasztalható.
- Felrobbant elektronikus alkatrészek – ellenállások, félvezetők (egy vagy több alkatrészt tartalmazó elemek).
- A tönkrement alkatrészek, csatlakozó lábai meghajlottak.
- Felrobbant kapcsolókészülékek – biztosítók és kismegszakítók, hibaáram kapcsolók.
- Kábelszigetelés helyi átütése.
- A berendezés károsodása ellenére, a védelem (pl. biztosítóbetét) nem működött vagy olvadt ki.
Ezen jelenségekkel szemben a tartós túlterhelés okozta jelenségek a következők:
- Látható égésnyomok és a nyomtatott áramköri lap hőfejlődés okozta felhólyagosodása.
- A vezetékek szigetelése helyenként megolvadt.
- Hosszabb hőbehatás a készülékház részein deformálódást, elszíneződést okozott.
- Megégett alkatrészek, pl. ellenállások és kondenzátorok.
- A beépített védelmi készülék működött, kiolvadt.
Megbízható túlfeszültség-védelem
Hatékony túlfeszültség-védelmi rendszer kialakításáról csak abban az esetben beszélhetünk, ha az adott épület vagy létesítmény által érintett valamennyi alkalmazási terület védelméről gondoskodunk. Alkalmazási területek szerint megkülönböztetünk tápoldali, mérés-, vezérlés- és szabályzástechnikai, információtechnikai, valamint adó- és vevőberendezésekhez kialakított védelmi eszközcsoportokat. A négy terület sok szempontból egymástól eltérő tulajdonságú eszközt, rendszermegoldást igényel, tehát nincsenek univerzális készülékek, melyek valamennyi technológiához tökéletesen illeszkednének.
Általában kijelenthető, hogy bármely felhasználási területet is vizsgáljuk, három egyidejűleg teljesülő feltételnek kell megfelelni:
- Helyes készülék-kiválasztás,
- megfelelő beépítési hely meghatározása,
- készülék szakszerű beépítése.
Bármely feltétel nem-teljesülése esetén a védelmi rendszerünk megfelelő működése kérdésessé válik. Azonban ha a felsorolt területek mindegyikében (vagy az érintett területek mindegyikében) mindhárom feltétel teljesül, akkor mindent megtettünk védelmi rendszerünk megfelelő kialakításáért.
