Hajlamosak vagyunk úgy tekinteni a kábeltartó-szerkezetekre, mint a villamos és elektronikus rendszerek lényegtelen elemeire. Ez összefügg azzal, hogy még a villamos szakemberek jelentős része sem gondolja át, hogy a kábeltartó szerkezeteknek számos olyan funkciója van, amely talán kevéssé látványos, de ettől még fontos védelmi-biztonsági szerepet játszik.
A kábeltartó-szerkezet jelentősége
Első ránézésre nehéz elhinni, hogy a kábeltartó-szerkezeteknek azon túl, hogy „tartják” a kábeleket, bármilyen egyéb, pláne lényeges szerepük lehetne. Még a kábelekre is úgy tekintünk, mint a villamos és elektronikus rendszerek passzív részére, ami azon kívül, hogy lehetőséget biztosít feszültség, illetve áram továbbítására, tulajdonképp „nem csinál semmit”. A szakemberek jelentős része ennek megfelelően kezeli a témát, vagyis csak annyit szem előtt tartva, hogy a kábelrendszer – a kábelek és kábeltartó-szerkezetek együttese – biztosítsa a nélkülözhetetlen vezetékes kapcsolatot a villamos és elektronikus rendszerek „lényeges” elemei, a fogyasztókészülékek, elosztók stb. között. Ez persze önmagában sem kevés, különösen akkor, ha ezt a feladatot speciális környezeti feltételek (pl. tűzvédelmi rendszerek részeként, tűz esetén) kell ellátnia. Az azonban viszonylag kevesekben tudatosul, hogy a kábelrendszer – a fizikai törvények miatt – maga is hat a villamos és elektronikus rendszerek működésére, és ez a hatás nem merül ki abban, hogy feszültségesést okoz, befolyásolja a zárlati áram nagyságát, vagy hogy csillapítja a továbbított jelet.
A kábelrendszerekben mint vezetőkben a természetes vagy mesterséges elektromágneses (EM) tér hatására különböző zavarok keletkeznek, amelyek nagysága jelentős mértékben függ attól is, hogy a kábelrendszer hogyan van kialakítva. Következésképp a kábelrendszer, vagyis a kábelek és kábeltartó-szerkezetek együttesének kialakítása visszahat arra a villamos- és elektronikus rendszerre, amelynek részét képezi. Ez a visszahatás, amely a működésbiztonságot is befolyásolhatja, nem csak a megfelelő kábelek kiválasztásán múlik. Az természetesen igaz, hogy pl. az árnyékolt kábelek alkalmazása zavarvédelem céljából, vagy a tűzálló kábelek alkalmazása tűzvédelem céljából indokolt lehet. De sem a zavarvédelmi, sem a tűzvédelmi követelmények nem elégíthetőek ki önmagában a megfelelő kábel kiválasztásával, mert azok a kábeltartó-szerkezettel és a kábelrendszer más jellemzőivel (pl. nyomvonal kialakításával) szemben is támasztanak elvárásokat. Ez pedig végeredményben azt jelenti, hogy a kábeltartó-szerkezet kialakítása nem csak a kábelek mechanikai védelmében, hanem a zavarvédelemben és a tűzvédelemben is jelentős szerepet játszik, amint azt rögtön látni fogjuk.
A kábeltartó-szerkezet szerepe az elektromágneses zavarok elleni védelemben
A villamos és elektronikus rendszerek működésük során különböző elektromágneses zavaroknak vannak kitéve, és maguk is termelnek ilyeneket. A zavaroktól a rendszereket és környezetüket is védeni kell, hogy hatásuk ne legyen olyan mértékű, ami a működésre vagy a környezetre nézve veszélyes mértékű lenne. Ez a lényege az elektromágneses összeférhetőség – az angol electromagnetic compatibility kifejezésből eredően az EMC – követelményrendszerének. Az EMC egy nagyon nagy és bonyolult szakterület és fontos szerepet tölt be abban, hogy a villamos és elektronikus rendszerek megbízhatóan és biztonságosan üzemeltethetőek legyenek. Ennek jelentőségét szükségtelen hangsúlyozni egy olyan világban, ahol egyre inkább függünk ezeknek a rendszereknek a működésétől, és ahol e rendszerek egyre nagyobb környezeti terhelést jelentenek.
Az EMC szempontokból fakadó követelmények nagy része termékekre – villamos vagy elektronikus fogyasztókészülékekre – vonatkozik, és részét képezi e termékek szabványossági vizsgálatának. A követelmények teljesítése, ha nem is egyszerűen, de egzakt módon, jellemzően laboratóriumi körülmények között ellenőrizhető. Azonban EMC zavarokat nemcsak a készülékek (transzformátor, mikrohullámú sütő, számítógép stb.) keltenek, hanem az ezeket összekötő vezetékrendszerek is, és ugyanez fordítva is igaz, vagyis a vezetékrendszerek zavarokat „szednek össze” a környezetből. A zavarvédelemnek ez egy sokkal homályosabb része, mert a vezetékrendszerek kivitelezése a helyszínen történik, kialakítása a helyszíni adottságoktól is függ, és sem a zavarkibocsátás, sem a zavarérzékenység megállapítására (legalábbis a hétköznapi gyakorlat szintjén) nincs lehetőség. Így az EMC követelmények teljesülése sokkal bizonytalanabb.
Bár maguk a kábeltartó-szerkezetek nem bocsátanak ki elektromágneses zavarokat, és érdemben nincsenek is kitéve ezek hatásának, fontos szerepet játszanak a zavarvédelemben. A vezetékrendszerek nyomvonal-kialakítása önmagában is jelentős tényező (pl. mekkora távolság van az „erős- » és „gyengeáramú” kábelek/vezetékek között, ld. MSZ HD 60364-4-444), és közvetett módon már ez is befolyásolhatja a kábeltartó-szerkezet kiválasztását, pl. a vezetékcsatornák, kábeltálcák minimális méretének, szerkezeti kialakításának meghatározásakor. A zavarvédelem és a kábeltartó-szerkezet kialakítása között jóval szorosabb a kapcsolat azokban az esetekben, amikor üzembiztonsági szempontok miatt felértékelődik a zavarvédelem jelentősége, pl. ipari vagy informatikai környezetben. Ekkor olyan kábeltartó-szerkezeteket célszerű alkalmazni, amelyek helyettesítik vagy kiegészítik a kábelek árnyékolását: a fémből (mindenekelőtt az acélból) készült vezetékcsatornák, kábeltálcák, kábellétrák stb. szerkezeti kialakításuk révén akár egy-két nagyságrenddel is csillapíthatják a zavarok hatását. (lásd keretes írás). Kiegészítésképp, de hangsúlyosan jegyezzük meg, hogy a megfelelően kiválasztott (jellemzően fémből készült) kábeltartó-szerkezetek e védelmi szerepüket csak akkor képesek betölteni, ha kivitelezésükkor is figyelembe veszik az ebből fakadó követelményeket.
A kábeltartó-szerkezet szerepe a villám- és túlfeszültség-védelemben
A villám- és túlfeszültség-védelem tulajdonképp az elektromágneses zavarok elleni védelemnek egy speciális területe. Kapcsolatát a kábeltartó-szerkezetek kialakításával az MSZ EN 62305-4 megemlíti, bár az e tárggyal foglalkozó 6.3. szakasz mindössze egyetlen mondat – így azt nem állíthatjuk, hogy részletesen ki is fejti. Az A. és B. mellékletben leírt néhány sor sem ad ennél több iránymutatást, de arra azért alkalmasak, hogy a kapcsolat létezését egyértelműsítsék. Kicsit igazságtalan lenne részünkről, ha ezért az elnagyoltságért a szabványalkotót túlzottan okolnánk, hiszen bármennyire lényeges is a védelem, a fizikai értelemben egzakt kapcsolat a lehetséges EM zavarok és a szükséges védelmi intézkedések között túlzottan bonyolult ahhoz, hogy a gyakorlatot ilyen összefüggésekre alapozzuk. Ugyanakkor szemére vethetnénk a szabványalkotónak, hogy ha már az A. mellékletben 13 oldalon keresztül részletezi a mágneses térerősség számítását és a betonvasalás árnyékolási jellemzőjét, akkor egy oldalt szentelhetett volna a kábeltartó-szerkezeteknek is, legalább azon a szinten, ahogy ezt az MSZ HD 60364-4-444 egészen korrekt tartalommal megteszi. Már csak azért is, mert az acéllemezből vagy acélhuzalból készült kábeltartó-szerkezetek (kábeltálcák, kábellétrák, rácsos kábeltálcák) viszonylag jó árnyékolási jellemzőket mutatnak, és az árnyékolásnak ez a módja általában rugalmasabban alkalmazható és megbízhatóbb, mint a nyílászárókkal teletűzdelt vasbetonszerkezet. A fém kábeltartó-szerkezet tehát egyértelműen részét képezheti a villámvédelmi intézkedéseknek, beltéren és kültéren kialakított nyomvonalak esetén egyaránt. A szerkezetileg folytonos fém kábeltartó-szerkezetek azonban nem csak árnyékolásként tölthetnek be lényeges szerepet a villámvédelemben (és általánosságban, az elektromágneses zavarok elleni védelemben sem), hanem a potenciálkiegyenlítés eszközeként is.
A kábeltartó-szerkezet szerepe a potenciálkiegyenlítésben
A potenciálkiegyenlítés szerves részét képezi az előbb már említett elektromágneses zavarok elleni védelemnek és a villámvédelemnek, de természetesen az áramütés elleni védelemnek is. Indokolt, hogy külön is foglalkozzunk vele, mert a hatásos potenciálkiegyenlítésre vonatkozó követelmények nagyon különbözőek attól függően, hogy melyik nagy intézkedésrendszer irányából szemléljük. Ahhoz, hogy a villám ne okozzon veszélyes áramütést vagy tüzet, a feszültségkülönbségeket (tekintettel a villámimpulzus időtartamára) elég néhány kV-ra csökkenteni. Kisfeszültségű villamos berendezések áramütés elleni védelménél ez az érték megengedhetetlen, ott néhányszor 10 V fogadható el. Ahhoz pedig, hogy a fémvezetős adatátvitelt használó informatikai rendszerek megbízhatóan működjenek, néhány volt alatt kell tartani a potenciálkülönbséget. De nem a határérték az egyetlen különbség. Kisfeszültségű rendszerekben, ahol a kis frekvenciák miatt az egyenáramú rendszerek fizikája érvényesül, a potenciálkiegyenlítés „minősége” jól jellemezhető az ohmos ellenállással. Az elektromágneses zavarok elleni védelemben – és így a villámvédelemben is – azonban megjelennek a nagyfrekvenciás komponensek, és a potenciálkiegyenlítés minőségét egyre inkább az impedancia, azon belül az induktancia határozza majd meg.
Csak hogy érzékeltessük ezt: ha veszünk egy 1 m hosszú, 240 mm² keresztmetszetű, körszelvényű rézvezetőt, amelyen 100 000 A (tehát „a szokásosnál valamivel nagyobb”) egyenáramot vezetünk át, a vezeték két vége közötti feszültségkülönbség 7 V lesz, ha pedig ugyanilyen csúcsértékű villámáramot (di/dt = 10 kA/µs meredekséggel számolva), akkor nagyságrendileg 10 kV. Ez a hozzávetőlegesen 1500-szoros különbség jól mutatja, hogy a vezető „egyenáramú” és „nagyfrekvenciás” ellenállása, és így „potenciálkiegyenlítő képessége” között durva eltérés lehet. Ez az eltérés nemcsak a frekvenciától, hanem a vezető öninduktivitásától is függ – és itt bizony kezd bonyolódni a téma.
A vezetők egyenáramú (kisfrekvenciás, kvázistacionárius) ellenállása még összetett hálózatok esetén is jól számolható, és könnyen mérhető. Ez tulajdonképp a napi rutin része a tervezők és a felülvizsgálók számára. Ezzel szemben a nagyfrekvenciás ellenállás számítása és mérése a gyakorlat szintjén megoldhatatlan, legfeljebb közelítő számításokra, laboratóriumi mérésekre épülő olyan általános irányelvekre támaszkodhatunk, mint hogy „kör keresztmetszetű vezető helyett célszerű lapos, szalagszerű vezetőt alkalmazni”, vagy hogy „előnyben kell részesíteni a potenciálkiegyenlítés hálós kialakítását” stb. Azt ugyanis tudjuk, hogy a kör keresztmetszetű réz- és alumíniumvezetőknek, melyek a kábelek és vezetékek részét képezik, anyagtól és keresztmetszettől függetlenül kb. 1 µH/m a fajlagos öninduktivitása. A szalagoknak ennél kisebb, kb. 0,2-0,6 µH/m körüli. Ennek alapján érthető a szabványok azon ajánlása, hogy nagyfrekvenciás potenciálkiegyenlítésre inkább szalagokat használjunk, mert azzal töredékére csökkenthetjük a potenciálkiegyenlítő vezetőn megjelenő feszültségkülönbségeket. És ezen a ponton kerülnek képbe a fémlemezből és fémrácsból készült kábeltartó-szerkezetek: ha tudjuk, hogy fajlagos impedanciájuk kicsi, és ha már úgyis kéznél vannak (a kábelek/vezetékek „tartására”), miért ne használjuk fel a potenciálkiegyenlítés minőségének javítására is? Az természetesen igaz, hogy ennek feltétele a fém kábeltartó-szerkezetek megfelelő helyszíni kivitelezése, folytonosságának és földelésének biztosítása, de ez nem jelent akkora költségigényt, amely akadályát jelenthetné a felhasználásnak.
A kábeltartó-szerkezet helye a tűzvédelemben
Előre kell bocsátanunk, hogy a kábeltartó-szerkezetek tűzvédelmi szempontú megközelítése legalább annyira szerteágazó, mint szerepük az elektromágneses zavarok elleni védekezésben, így itt is csak egy rövid áttekintésre vállalkozhatunk. A kábelrendszer tűzeset kapcsán betöltött szerepét általában két nagy kérdéskörre bontva vizsgáljuk:
hozzájárulása a tűz keletkezéséhez, következményeinek súlyosbításához,
feladata a menekülés és a mentés feltételeinek biztosításában.
A kábelek és a kábelrendszerek (látszólag lényegtelenebb) részét képező kábeltartó-szerkezetek hasonló súlyt képviselnek mindkét témában, ezért a kábeltartó-szerkezetek létesítésének tűzvédelmi szempontjait is ebben a felbontásban vesszük sorra.
A kábeltartó-szerkezet szerepe a tűz keletkezésében, következményeinek súlyosbításában
A kábelek és vezetékek sérülésmentes állapotának biztosítása, a bennük fejlődő hő elvezetésének lehetővé tétele fontos eleme annak, hogy megelőzzük a tűz keletkezését. Ez közismert, többet nem is érdemes foglalkoznunk vele, mint ahogy azzal a nyilvánvaló ténnyel sem, hogy az éghető anyagú (műanyag) kábeltartó-szerkezetek ugyanúgy hozzájárulhatnak a lángok terjesztéséhez, mint a kábelek szigetelése, és égésükkor is ugyanúgy füst és mérgező gázok szabadulnak fel. Az már kevésbé köztudott, hogy emiatt a villamos vezetékrendszerek elhelyezésére, szerkezeti kialakítására az MSZ HD 60364-4-42 megfogalmaz korlátozásokat, melyeknek az lenne a célja, hogy az épületek egyes részein, mindenekelőtt a menekülési útvonalakon csökkentsük a hő- és füstterhelést. Ezek a korlátozások egyelőre „nem teljesen mentek át a gyakorlatba”, annak ellenére sem, hogy a vonatkozó szabályrendszer egyes elemei az OTSZ-ben és a Villamos TvMI-ben ugyanúgy megtalálhatóak, mint az MSZ HD 60364-ben. (Csak zárójelben jegyezzük meg, hogy ezzel kapcsolatban az MSZ 13207 szabvány nemrég, november 1-én megjelent kiadása is tartalmaz új ajánlásokat.) Nem célunk, hogy itt érveljünk e követelmények fontossága mellett, vagy hogy elemezzük az ezekből fakadó súlyos elméleti-gyakorlati kérdéseket. Annak megállapításáig azonban különösebb szellemi erőfeszítés nélkül is eljuthatunk, hogy – amennyiben nem süllyesztett szerelési módot alkalmazunk – a fémből készült kábeltartó-szerkezetek alkalmazása kockázatcsökkentő tényezőként értékelhető, és ezt legalábbis célszerű szem előtt tartani olyan szituációkban, ahol az átlagosnál nagyobb a biztonsági elvárás.
A kábeltartó-szerkezet szerepe a menekülés és a mentés elősegítésében
Egyértelműbbek a kábeltartó-szerkezetek kiválasztására vonatkozó követelmények azokban az esetekben, amikor a villamos vezetékrendszer a menekülés és a mentés feltételeit hivatott biztosítani. A tűzálló kábelrendszerek témaköre bizonyára ismert, ezért szükségtelen részletesen foglalkozni vele. Arra talán mégis érdemes emlékeztetni magunkat, hogy a tűzálló kábeltartó-szerkezetek fontos szerepet kapnak a rajtuk elhelyezett tűzálló kábelek viszonylagos épségének megőrzésében, és így a kábelek energia- és adatátviteli képességének fenntartásában. Mindezt úgy, hogy a tűzálló kábelek műanyag szigetelése, amely normál körülmények között nemcsak a villamos szigetelőanyag, hanem a mechanikai védelem feladatát is hivatott ellátni, 1-2 percen belül leég a vezetékről (1. kép).
1. kép: Tűzálló kábel a tűzkitét előtt és után. A műanyag szigetelés 1-2 perc alatt elég, ezt követően – a tűzálló kábel szerkezeti felépítésétől függően – a képen is látható hamuszerű anyagnak kell biztosítania a villamos szigetelést. Ez az anyag mechanikailag nem terhelhető, ezért van nagy jelentősége a kábeltartó-szerkezet kialakításának
Mint tudjuk, ez az elvárás nagyon szigorú követelményeket támaszt a (tűzálló) kábeltartó-szerkezetekkel szemben, amelyek nem merülnek ki abban, hogy azok ne éghető anyagból készüljenek. Arról azonban gyakran megfeledkezünk, hogy a kábeltartó-szerkezeteknek van egy meglehetősen speciális feladata is, amely az „idegen tűzszakaszok” kábelezésének kialakításával van kapcsolatban. A tűzvédelem egyik nagy ellentmondása, hogy a tűzeset idején feszültség alatt álló szerkezetek veszélyt jelentenek a beavatkozó tűzoltókra, ezért a beavatkozás első lépésének a „feszültségmentesítésnek” kellene lennie, ugyanakkor a tűzvédelmi rendszerek jelentős részének (biztonsági világítás, gépi hő- és füstelvezetés stb.) működtetéséhez szükség van a villamos energiára. Az ellentmondásos követelmények teljesítésének problémája különösen élesen jelenik meg a nagyobb, több tűzszakaszból és több épületrészből álló épületeknél. Ezek esetében az épület egészének egyidejű és azonnali tűzeseti lekapcsolása („feszültségmentesítése”) nem lehetséges, ugyanakkor a mentési munkákat késedelem nélkül meg kell kezdeni. Annak érdekében, hogy a beavatkozó tűzoltókat – a leszakadt, a mentési útvonalba „belógó” és még feszültség alatt álló kábelekkel történő közvetlen érintkezés következtében, vagy az oltóvízsugáron keresztül – érő áramütés kockázatát csökkentsük, az OTSZ 135.§ (3) bekezdése védelmi intézkedéseket ír elő. Az előírtak teljesítésének műszaki lehetőségeit a Villamos TvMI (TvMI 7.4) 7. szakasza ismerteti. E megoldások hátterét részben azok a megfontolások adják, hogy a feszültség alatti részeket vagy megfelelő szerkezetek (pl. tűzvédelmi csatornák) válasszák el környezetüktől, vagy pedig földelt fém tartószerkezeteken legyenek elhelyezve, hogy ezzel is csökkentsük azt az áramot, amely az oltóvízsugár közvetítésével érheti a tűzoltót. Az „idegen tűzszakaszok” kábelezésére vonatkozó előírásban tehát az áramütés elleni védelemnek egy sajátos, kifejezetten a tűzeset idejére vonatkozó módja tükröződik, és ez a kábeltartó-szerkezet kiválasztására, szerelési módjára éppúgy kihat, mint a fentebb említett szempontok.
Mi következik mindebből?
Azt természetesen továbbra sem állítjuk, hogy a villamos és elektronikus rendszereknek a kábeltartó-szerkezetek képezik a leglényegesebb részét. De a leírtak rámutatnak, hogy nemcsak a kábelek elhelyezésére, alátámasztására, mechanikai védelmére szolgálnak, hanem a védelmi intézkedések nagyon összetett rendszerének is szerves részét képezik, legyen szó akár életvédelmi, akár üzemviteli-megbízhatósági célkitűzésekről. A kábeltartó-szerkezet tehát igenis fontos része a villamos berendezésnek. Egy szakembernek – függetlenül attól, hogy a villamos szakma mely területét képviseli – tisztában kell lennie ezzel, vagyis azzal, hogy a kábeltartó-szerkezetek kiválasztását és kivitelezésének módját nem csak az áramütés elleni védelem, nem csak a villámvédelem, nem csak a tűzvédelem stb. határozza meg, hanem ezek együttesen. Ehhez képest mellékes megjegyzés, hogy az említett szempontok az esetek egy jelentős részében a (szerkezeti értelemben is) folytonos fém kábeltartó-szerkezetek (kábeltálcák, kábellétrák stb.) alkalmazása mellett szólnak – amelyeket be kell vonni a potenciálkiegyenlítésbe, és a lehető legtöbb helyen, a lehető legközvetlenebbül kell, vagy legalábbis célszerű földelni.
A kábeltartó-szerkezet mint árnyékolás
Az elektromágneses (EM) zavarok elleni védelemben az árnyékolás a bármely okból keletkező elektromágneses tér csillapítására szolgál annak érdekében, hogy csökkentsük annak hatását a villamos és elektronikus rendszerekre. Két alaptípusát szoktuk megkülönböztetni, a helyiségárnyékolást és a vezetékárnyékolást. Előbbi esetén a rendszereket befogadó nagyobb térrészeket határoló építményszerkezetek, utóbbi esetén pedig a kábelek/vezetékek szerkezeti kialakítása történik a célnak megfelelően. A kábeltartó-szerkezet mint árnyékolás köztes helyet foglal el ezek között, látszólag fölöslegesen, hiszen a – hozzá jellegében közelebb álló – vezetékárnyékolással szemben jóval megbízhatatlanabbnak tűnik. Azonban figyelembe kell venni, hogy a gyakorlatban alkalmazható EM árnyékolások messze vannak a tökéletestől, használatukkor különböző „mellékhatások” lépnek föl. Vezetékárnyékolásoknál ilyen „mellékhatás” lehet a földhurok képződése a mindkét végén földelt árnyékolás miatt, vagy a vezetékárnyékoláson vezetett zavar „átszűrődése” az árnyékolt vezetőkre az árnyékolás transzferimpedanciája/transzferadmittanciája miatt. A kábeltartó-szerkezetek árnyékolási célú használatával ezek a mellékhatások csökkenthetők, például úgy, hogy a kábel részét képező vezetékárnyékolás csak egyik végén van földelve (a földhurok kialakulásának megelőzésére), de az a kábeltálca-nyomvonal, amelyen elhelyeztük, mindkét végén.
2. kép: Kábeltálca EM árnyékolóképességének és transzferimpedanciájának laboratóriumi vizsgálata. Az árnyékolóképesség függ a frekvenciától – a megadott értékek 8/20 s-os zavarimpulzusokra vonatkoznak, és a szokásos dB mértékegység helyett szorzótényezőkkel adtuk meg a csillapítási tényezőt
Bár az igaz, hogy az elektromágneses (EM) zavarok elleni védelemben mind a zavarok nagyságát, mind pedig a védelmi intézkedések hatékonyságát nehéz egzakt módon jellemezni, a kábeltartó-szerkezetek árnyékolóképességének alátámasztására rendelkezésre állnak laboratóriumi vizsgálatok (2. kép) és számítógépes modellek. Ezek egyértelműen mutatják, hogy a szokásosan alkalmazott kábeltartó-szerkezetek akár két nagyságrenddel is képesek az EM teret – és így az azok hatására fellépő zavarokat – csökkenteni. A fém kábeltartó-szerkezetek ilyen célú alkalmazásának természetes feltétele, hogy a tartószerkezet jó folytonossággal rendelkezzen (nem csak galvanikus folytonosság, hanem szerkezeti kialakítás szempontjából is), és hogy földelése a lehető legtöbb helyen megtörténjen.
