TÚLFESZÜLTSÉGEK KELETKEZÉSE ÉS VÉDEKEZÉS KÁROSÍTÓ HATÁSUK ELLEN

Átírás

1 TÚLFESZÜLTSÉGEK KELETKEZÉSE ÉS VÉDEKEZÉS KÁROSÍTÓ HATÁSUK ELLEN a szemléltető táblákhoz, és a bemutató kísérletekhez Készítette a Prot-El Kft. Szerző: Fehér Antal Okl. vill. mérnök, EMC szakértő december 1

2 1. Mit nevezünk túlfeszültségnek, és miben nyilvánul meg hatása? A túlfeszültség, a villamos, és elektronikus hálózatokban, illetve azok berendezéseiben a megengedett legnagyobb feszültség csúcsértékét meghaladó feszültség. A túlfeszültség, nagyságától függően kétféle hibát okozhat. Ha a túlfeszültség nagysága a megengedett legnagyobb üzemi feszültség értékét meghaladja, de nem lépi át a szigetelések szilárdsági határértékét, akkor a berendezések üzemmenetében, illetve az elektronikus berendezések programjaiban okoz hibát. Ebben az esetben a berendezések hibásan működnek, de a túlfeszültség megszűnése után a berendezés üzeme helyreállítható (Szoftver hibák.) Ha a túlfeszültség nagysága meghaladja a szigetelések szilárdsági határékét, akkor a szigetelések leggyengébb pontján átütés, azaz rövidzárlat keletkezik, ami a hálózatot, illetve berendezést üzemképtelenné teszi. (Hardver hiba.) 2. Honnan erednek a túlfeszültségek? A túlfeszültségek lehetnek külső eredetűek, amelyek a villamos és elektronikus rendszeren kívül keletkeznek, és csatolás útján hatnak a rendszer működésére. Lehetnek belső eredetűek, amikor a túlfeszültségek a villamos, vagy elektronikus rendszer működése során jönnek létre. A külső eredetű túlfeszültséget a légköri kisülések (villámok), vagy a különböző szigetelőanyagok, (műanyagok) elektrosztatikus feltöltődésének kisülése (ESD) okozza. A belső eredetű túlfeszültségek (tranziens jelenségek) a zárlatok, védelmek működése, olvadó biztosítók kioldása, nagy fogyasztók ki/be kapcsolása, hirtelen terhelésváltozás következtében jönnek létre. 3. Külső eredetű túlfeszültségek 3.1 A villámokról A napsugárzás a föld-közeli, nedves légrétegeket felmelegíti, azok könnyebbé válva gyorsan felemelkedve, kialakul a zivatar cella. A gyorsan emelkedő légtömegek lehűlnek, páratartalmuk kicsapódik és felhők képződnek. Mivel a vízcseppek kiválása halmazállapot változással jár, a vízpára rejtett hője is melegíti a levegőt és ez, a felfelé áramlást tovább gyorsítja. A felfelé emelkedő levegő hőmérséklete 0 C alá 2

3 csökkenve a vízcseppekből hó, és jégkristályok képződnek, és a halmazállapot újabb változása további rejtett hő felszabadulást eredményez. Ez tovább gyorsítja a levegő felfelé áramlását. Az igen gyors felfelé áramló légtömegek belső súrlódása a semleges víz, és jég-részecskékről elektronokat szakít le, aminek következtében a felhőben pozitív és negatív töltésű ionok jönnek létre. A pozitív töltések általában a zivatarcella felső részén, a jégkristályokon tömörülnek, míg a negatív töltések a zivatarcella alsó részén, az esőcseppeken sűrűsödnek össze. A cella alsó részének negatív töltése a töltésmegosztás révén földfelszín közelében pozitív töltéseket hoz létre. Ezek töltések a kiemelkedő tereppontokon, fákon, templomtornyokon összesűrűsödve előbb un. korona-kisülést majd ívkisülést, azaz felhő-föld villámkisülést eredményeznek. A villámkisülés nemcsak felhő-föld között, hanem felhő-felhő között is létrejöhet. A villámkutatásban a felhő-föld villámokat a kisülés iránya szerint (lecsapó, vagy felcsapó) a kiinduló töltésgóc töltése szerint pedig pozitív, vagy negatív villámoknak csoportosítják. A zivatarcella a légkörben km magasra nyúlik fel, és a felhőzet alsó szintje 1,5-2 km magasan van a talaj felett. Minden cella általában 30 percig aktív, és ez alatt percenként két-három villám keletkezik. Magyarországon a villámok általában a nyári zivatarok során keletkeznek. Az évente előforduló zivataros napon, 2-4 felhő-föld villámcsapás/km² alakul ki. A zivataros napok, és a villámcsapások területi eloszlását az 1. ábra szemlélteti. 1. ábra A zivataros napok száma, és a villámok előfordulási gyakorisága Magyarországon 3

4 A megfigyelések szerint a villám 98%-ának áramerőssége kisebb, mint 200 ka. A villámcsatorna átmérője néhány cm, hossza néhány métertől többször tíz kilométer lehet. Hőmérséklete C, sebessége kb. 300 km/sec. Az 1. ábra alapján a villamos és elektronikus berendezésekre a 2 km-es sugarú körön belüli villámcsapás jelent közvetlen veszélyt. Így azt lehet mondani, hogy Magyarországon évente legalább tizenkét olyan alkalom van, amikor villamos és elektronikus berendezések közvetlen villám veszélynek vannak kitéve. 3.2 A kapcsolási túlfeszültségekről A nagyfeszültségű berendezésekben kapcsolási műveletek keltette túlfeszültségek különösen kapacitív csatolás révén hatnak a kisfeszültségű és szekunder berendezésekre, és ott egyes esetekben a 15 kv-os túlfeszültség tüskéket is okozhatnak. A nagyfeszültség oldalon végrehajtott kapcsolási műveletek az alábbi esetekben válthatnak ki túlfeszültségeket. Terheletlen nagyfeszültségű vezeték, (vagy kondenzátor) lekapcsolásakor a vezeték kapacitása a hálózat pillanatnyi feszültségére van feltöltve. A kapcsoló érintkezőinek ms-os időtartományban lejátszódó bontásakor a lekapcsolt vezeték és a hálózat között olyan nagy feszültségkülönbség jön létre, hogy az, az érintkezők közötti csekély távolságot átüti, azaz a távolodó érintkezők között akár többször is visszagyújtás jön létre. A vezeték feszültsége így ingadozni fog a hálózati feszültség pillanatnyi értéke és a két kapcsoló-érintkező közötti ív kioltása között. Ez a folyamat többször megismétlődhet, ami a mindenkori hálózati feszültségre szuperponálódó csillapodó kapcsolási túlfeszültséget okoz, mely a hálózati feszültség értékét többszörösen meghaladhatja, frekvenciája jellemzően 100 khz-es nagyságrendű. Terheletlen transzformátorok lekapcsolásakor a transzformátor mágneses energiája összeomlik, és feltölti a tekercsek saját kapacitását. A transzformátor induktivitásából és kapacitásából képződő rezgőkörben létrejövő lengéseket annak ohmos ellenállása csillapítja. Az így keletkező csillapodó kapcsolási túlfeszültség amplitúdója elérheti a hálózati feszültség többszörösét. 4

5 Földeletlen hálózatok földzárlata esetén eltolódnak a vezetékrendszer és a föld közötti feszültségek. Amikor a földzárlat megszűnik, hasonló jelenségek játszódnak le, mint a terheletlen vezeték, illetve kondenzátor lekapcsoláskor. A nagyfeszültségű oldalon jelentkező, a kisfeszültségű hálózatra főleg kapacitív úton csatolódó kapcsolási túlfeszültségek mellett a nagyfeszültségű hálózatok gyors áramváltozásai induktív csatolás útján is okozhatnak túlfeszültséget a kisfeszültségű berendezésekben, a következő esetekben: nagy terhelések be-, és kikapcsolásakor, rövidzárlat keletkezésekor, és megszűnésekor. A kisfeszültségű hálózaton kapcsolási túlfeszültségeket és hálózati visszahatásokat okozó műveletek az alábbiak lehetnek: induktivitások, fojtótekercsek, motorvédő kapcsolók és relék tekercseinek kikapcsolása, áramkörök szándékos, vagy véletlen megszakítása, biztosítók, vagy védőkapcsolók lekapcsolása, vezeték szakadás, fázishasításos üzemmódú vezérlés, csúszógyűrűk kefetüze, forgógépek és transzformátorok terhelésének hirtelen elmaradása. A különböző kisfeszültségű hálózatokon végzett mérések azt mutatják, hogy a legjelentősebb túlfeszültségeket a kapcsoló készülékek működésekor a villamos ív zavarkisugárzása okozza. A villamos berendezések kapcsolási műveletei elektromágneses úton gyakrabban okoznak hibát, mint a villámcsapás. A vezetett úton tovaterjedő kapcsolási túlfeszültségek áramértéke elérheti a 5-15 ka-es (8/20 µs hullámalak) értéket. A kisebb energiájú, sugárzás útján tovaterjedő túlfeszültség tüskék csatoló kapacitásokon keresztül jutnak az energiaellátó és híradástechnikai vezetékekbe. 3.3 Az elektrosztatikus kisülésekről (ESD electrostatic discharge) Ismeretes, hogy a műanyag padlón, vagy a műanyag ruhaneműben való mozgás sztatikus feltöltődéshez vezet, és ha ilyen állapotban földelt berendezéshez közelítünk, villamos szikrán keresztül egyenlítődik ki a töltéskülönbség. Az ilyen kiegyenlítődés főleg az elektronikus áramköröket veszélyezteti, mivel a feszültség értéke elérheti a 7-35 kv-ot, áramértéke pedig a A-t. Ezek az értékek messze meghaladják az integrált, elektronikus elemek szigetelési szilárdságát, és védelmi 5

6 intézkedések nélkül tönkre teszi azokat. A védelmi intézkedéseket itt főleg az antisztatikus padlóburkolatok és antisztatikus szerszámok alkalmazása, valamint a munkavégző személyek földelt karpereccel való ellátása jelenti. 4. A védekezés két oldaláról 4.1 Készülék (berendezés) oldali feltételek A villamos és elektronikus készülék szigetelésének minőségét, a készülékek elektromágneses zavar-kibocsátó és zavartűrő képességét, a gyártók a szabványok által megkövetelt minőségűre készítik. Arról, hogy a készülék a minőségi elvárásoknak eleget tesz, és kereskedelmi forgalomba hozható, a gyártó tanúsítványt ad ki, azaz tanúsítja az elektromágneses kompatibilitás előírásainak teljesítését. (CE tanúsítvány). A tanúsítvány megadja, hogy a készülék mekkora vezetett túlfeszültséget tud meghibásodás nélkül elviselni a villamos energiaellátási, és a jelvezetéki csatlakozásokon keresztül, továbbá mekkora sugárzott zavart képes elviselni, illetve a környezetébe általa kisugárzott elektromágneses zavarás mértéke kisebb a megengedettnél. (A fenti elektromágneses minősítés hasonlatos a villamos berendezések általánosan ismert szilárd anyag (por) és a víz behatolása elleni védettségi besorolásához, ahol az IP besorolással megadják, hogy a készülék milyen méretű szilárd szemcsék behatolása ellen, és milyen jellegű víz-behatolás ellen védett.) 4.2 Környezeti adottságok, védekezési lehetőségek A környezetben, ahol az adott villamos, és elektronikus készülék üzemel, gyakran keletkeznek a villámok, a kapcsolási tranziensek, következtében nagyobb elektromágneses hatások, mint amit az adott készülék EMC tulajdonsága megenged. Ha nem gondoskodunk a készülék működését veszélyeztető hatások kivédéséről, a készülék meghibásodik. Sokan azt gondolják, hogy az elektromágneses árnyékolás alkalmazásával a környezeti ártalmak elkerülhetők. A készüléket, vagy a készülékeket fém burkolatba zárják, (Faraday kalicka) amely fémárnyékolás a külső elektromágneses zavaró hatásokat kizárja. Ez a megoldás nagy berendezések esetében egyrészről drága, másrészről pedig a kívülről bevezetett kábeleken és fém vezetékeken keresztül a távoli potenciálok bejutnak az árnyékolt tér belsejébe, így a Faraday-lyukon keresztül behatolhat a károsító túlfeszültség is. Tehát önmagában a fémárnyékolás csak akkor lehet megoldás, ha nincs rajta elektromágneses lyuk. 6

7 A túlfeszültség behatolását a 2. ábra. szemlélteti. 2. ábra Tételezzük fel, hogy egy földelt fém konténerben vannak az elektromos berendezéseink, amelyeket egy távoli transzformátorról táplálunk meg. A transzformátor állomás csillagpontja ugyancsak le van földelve. Ha a konténerünket villámcsapás éri, a konténer 10 ohmos földelési ellenállásán keresztül a 100 ka-es villámáram hatására a konténer potenciálja a távoli földponthoz viszonyítva, (esetünkben a transzformátor csillagponti földeléséhez viszonyítva) 1000 kv-ra emelkedik meg. A bevezetett tápkábel szigetelése ezt a feszültséget nem képes elviselni és átüt. Az átütés által megindított zárlatot a transzformátor utánfolyó zárlati árama égetéssel, rombolással kiteljesíti, és a fémárnyékolás ellenére a konténer belsejében villám okozta károk keletkeznek. Hasonló bajt okozhat például egy fém csővezeték is, ha az a konténer belépési pontjánál szigetelten lép be. Ott is fellép a csővezeték és a konténer fémteste közötti 1000 kv-os potenciálkülönbség, ami helyi átütést okoz, annak károsító hatásával együtt. Az ilyen veszélyeztetések elhárítására dolgozták ki a villámvédelmi zónakoncepciót, melyet ma már világszerte alkalmaznak, mint szabványos megoldást. Eszerint a teret villámvédelmi zónákra osztják fel és a zónák megjelöléséhez az angol megnevezés 7

8 betű-rövidítését az LPZ (Lightning Protection Zone) megjelölését használják, figyelembe véve a zónahatárok elektromágneses csillapító hatását. LPZ 0/A zóna a tér azon része, ahol a villámcsapási talppont kialakulhat és a villámáram elektromágneses hatása csillapítás nélkül érvényesül. LPZ 0/B zóna a tér azon része, ahol villámcsapási talppont már nem alakulhat ki, de a villámáram elektromágneses hatása csillapítás nélkül érvényesül. Ez a térrész egy szabadban álló kiemelkedő tereptárgy, fém oszlop stb. védett tere lehet, ahová a villám nem tud lecsapni. LPZ 1 zóna a tér azon része, ahol villámcsapási talppont már nem alakulhat ki és a villámáram elektromágneses hatása is csak csillapítással érvényesül. Ez a térrész lehet egy épület belső tere, ahol a falak elektromágneses csillapítása miatt, az elektromágneses (induktív, kapacitív) hatás csökken. LPZ 2 és magasabb számú zónák a tér azon részei, ahol villámcsapási talppont már nem alakulhat ki és a villámáram elektromágneses hatása is az újabb zónahatár további csillapításával csökkentve érvényesül. Ez a térrész lehet például egy épület belső terében lévő villamos elosztó szekrény, amelyben a fém burkolat további csillapítással csökkenti a villám elektromágneses hatását. A hatásos védekezés módja tehát az, hogy az egyes zónahatárokon átlépő minden fém vezetéket egymással, és a földeléssel össze kötünk, vagy összecsatolunk. Az összekötések keresztmetszetének és az összecsatolások módjának olyannak kell lenni, hogy az előforduló legnagyobb áramot (lökőáramot) üzemszerűen képes legyen levezetni. Abban az esetben, ha nem villamos célú vezetékek lépnek át zónahatáron, a megfelelő keresztmetszetű összekötések egyszerűen megvalósíthatók. Abban az esetben azonban, amikor villamos, vagy elektronikus célú vezeték lépi át a zónahatárt, ott két ellentétes feltételnek kell eleget tenni. Az alapfeladathoz, a vezetékek ereit egymáshoz, és a földhöz képest megfelelő szigeteléssel kell ellátni. Ha bármilyen okból, az adott helyen, a vezetékek között, és/vagy a vezetékek és a föld között az üzemi feszültséget meghaladó túlfeszültség lép fel, akkor gondoskodni kell a túlfeszültségek levezetéséről, a normál üzemmenetet a lehető legkisebb zavarása mellett. Más-szóval, a vezetékek közé, és a vezetékek és a föld közé olyan méretezett szigetelési szilárdságú elemeket (túlfeszültség-levezetőket) kell beépíteni, amelyek előbb lépnek működésbe, mint ahogy a vezetékek szigetelése átütne. 8

9 5. Csatolási módok Tekintsük át, hogy a túlfeszültségek hogyan terjednek egy villamos-, és elektronikus rendszerben. 5.1 Galvanikus (ohmos) csatolás Legyen épületünk villamos energiaellátása a 3. ábra szerint földkábelen keresztül egy 20/04 kv-os transzformátorról megtáplálva, ahol a transzformátor csillagpontja mereven földelve van. 3. ábra Galvanikus csatolás Épületünk külső villámvédelemmel ellátott, és a külső villámvédelem földelése az épület EPH főcsomópontjával össze van kötve. Ugyanezen főcsomóponthoz van földelve a zöld-sárga PE vezetőkkel a fűtőrendszer csővezetéke, a számítógépek, és egyéb villamos berendezések fém burkolata. Egyszerűség kedvéért tételezzük fel azt, hogy az épület földelési ellenállása 1 ohm. (A gyakorlatban általában a földelési ellenállás értéke ennél nagyobb.) Ha az épületet 100 ka-es villámcsapás éri, az egész épület potenciáljával együtt, a számítógép burkolata is 100 kv-ra emelkedik a transzformátor csillagponti potenciáljához képest. Tehát a számítógép dugaszoló csatlakozóján a fázis és a nulla vezető, valamint a PE pontok között is megjelenik a 100 kv, amit a szigetelések nem bírnak elviselni, és átütnek. A védekezés módja: a védendő berendezés kapcsai elé túlfeszültség-védő készülék beépítése, amivel 9

10 meggátolható, hogy a készülék kapcsaira annak szigetelési szilárdságát meghaladó túlfeszültség jusson. 5.2 Induktív csatolás Az energiaellátó és informatikai vezetékek általában eltérő nyomvonalon haladnak. Az így kialakuló hurokban a villámhárítón lefutó villámáram gyorsan változó mágneses tere feszültséget indukál, melynek nagysága egyrészről a villámáram változásának sebességétől, másrészről a vezetékhurok nagyságától és elhelyezkedésétől függ. 4. ábra Induktív csatolás A túlfeszültségek mértékét a vezetékek nyomvonalának célszerű megválasztásával (az indukciós hurok méretének csökkentésével) befolyásolni lehet, de a védekezés módja itt is a védendő berendezés kapcsai elé túlfeszültség-védő készülék beépítése, amivel meggátolható, hogy a készülék kapcsaira annak szigetelési szilárdságát meghaladó túlfeszültség jusson. 5.3 Kapacitív csatolás A felhő-felhő, vagy a felhő-föld közötti villámcsatorna árama az 5. ábrán példaként feltüntetett jelvezetékekkel kapacitív csatolásban is van. A csatoló kapacitást a 10

11 villámkisülés feltölti, és az 1. és a 2. készülék szigetelésének átütésekor néhányszor 10 A-es áramot hoz létre, amely két készüléken keresztül folyik a föld felé. 6. Ágáramok megoszlása 5. ábra Kapacitív csatolás Az előző ábrákból látható, hogy a külső villámvédelem a villámcsapás következtében létrejövő igen nagy potenciálkülönbségeket nem tudja megakadályozni, és létre jöhetnek az igen nagy villám-ágáramok. A villámok (töltésmennyisége) áramerőssége tág határok között változhat a többször tíz ka-es 10/350 µs-os hullámalakú impulzustól a több száz ka-es impulzusig. A belső villám-, és túlfeszültség-védelem védekezési módszereit és a szabványok kidolgozását a biztosító társaságok tapasztalatai indították el. A technikai fejlődés következtében a villamos és elektronikus hálózatok mérete és nélkülözhetetlensége egyre nagyobb. Mivel a nem várt katasztrófa helyzetre biztosítást kötnek, a biztosító számára nem mindegy, hogy egy katasztrófa helyzet következtében mekkora biztosítási kártérítést kell fizetni. Alapállásuk szerint a befolyó biztosítási összegeknek fedezni kell a katasztrófák következtében kifizetett kártérítések összegét. A nagy elektromos és elektronikus hálózatok kialakulásával a kockázat jelentősen nőtt, csökkentésére új műszaki megoldások kialakítása vált szükségessé. Érdemes elgondolkozni azon, hogy például egy bankban, ahol számtalan számítógép és szerver köti össze a bankot a világ minden tájával, és a pénzforgalom elektronikus úton éjjel-nappal megállás nélkül zajlik, mit jelent, ha áramkimaradás, 11

12 vagy adatátviteli hiba következtében a szolgáltatás megszakad: pár órás kimaradás a bank tönkremenetelével jár. A védekezés műszaki szempontjaira a létrehozott szabványok olyan megoldásokat és határértékeket állapítottak meg, amelyben a védelem költségei és az elhárított kár értéke egymással szoros összefüggésben áll. Mivel a legnagyobb igénybevételeket a villámok, a leggyakoribbakat pedig a kapcsolási túlfeszültségek jelentik, a védekezés határadatait a villámcsapások nagyságához igazítva határozták meg. A 100 ka-nál (10/350µs hullámalak) kisebb a villámok 80-90%-a. Ezt az értéket a családi házak, vagy ahhoz hasonló létesítmények belső villám-, és túlfeszültség-védelmének kell kivédeni. A 150 ka-nál (10/350µs hullámalak) a villámok 95%-a kisebb. Ezt az értéket az egyszerűbb ipari berendezések, vagy irodák, vagy ahhoz hasonló létesítmények belső villám-, és túlfeszültség-védelmének kell kivédeni. A 200 ka-nál (10/350µs hullámalak) a villámok 98%-a kisebb. Ezt az értéket az ipari berendezések, elektronizált irodák, vagy ahhoz hasonló létesítmények belső villám-, és túlfeszültség-védelmének kell kivédeni. A 200 ka-es a határértékeket meghaladó villámcsapások is előfordulhatnak, de számuk kevesebb, mint a villámcsapások 2%- a. Gazdasági megfontolásokból a technikai védekezés eszközeit és módszereit úgy állították össze, hogy a 200 ka-es villámnál kisebb villámok hatását a védelmi rendszer a védett berendezések, és a védőkészülékek meghibásodása nélkül tudja kivédeni. Az ezt meghaladó igénybevételek esetén a védőkészülékek, vagy a védett berendezések valamelyike meghibásodhat. Tehát abszolút biztonság nincsen, csupán tervezhető kockázat van. A nyugateurópai biztosító társaságok ipari villámkár biztosítást csak úgy kötnek, ha a szabványoknak megfelelő műszaki védelmi rendszer ki van építve. Ebben az esetben a maradék (2%, 5%, 10-20%) kockázat terheit vállalja magára a biztosító azzal, hogy a káresetek következményeit megtéríti. A villámáramok %-os megoszlását a 6. ábra szemlélteti. A villámáram 50%-a a külső villámvédelmi földelőn keresztül folyik a föld felé, a másik 50% pedig az épülethez csatlakozó valamennyi fém vezetéken fog azok impedanciájának megfelelően a távoli földpont felé folyni. Mennél több vezető, kábel csatlakozik az épülethez, annál kisebb ágáram esik egy-egy vezetékre. 12

13 A villámáramok megoszlása 100% Külső villámvédelem 50% Informatikai hálózat Villamos áramellátó hálózat Fém csővezetékek EPH 50% Földelő berendezés 2002 DEHN + SÖHNE Red/Line Blitzschutz-Potentialausgleich / S ábra A villámáramok megoszlása 6. Az utánfolyó zárlati áramról Ha azt akarjuk, hogy a védett berendezésünket a túlfeszültség ne tegye tönkre, akkor a berendezés elé túlfeszültség-védelmet (korlátozást) kell beépíteni. A túlfeszültségkorlátozás vázlatát. A 7. ábra szemlélteti. 13

14 Az áramellátás biztonsága? Utánfolyó zárlati áram megszüntetése - korlátozása Ha a levezető utánfolyó zárlati áramkorlátozó képessége nem megfelelő, az olvadó biztosító kiolvad Transzformátor Biztosító Nagy I k Utánfolyó zárlati áram korlátozó nélküli közönséges szikraköz, A szikraköz begyújtása villám, vagy más vezetett túlfeszültség hatására Folgestrombegrenzung 2002 DEHN + SÖHNE / 2644_b 7. ábra A túlfeszültség korlátozása zárlati áram korlátozás nélkül Látható, hogy a túlfeszültség-védelem működése azzal jár, hogy a transzformátor a szikraköz égési feszültségét táplálja és ez nagy zárlati áramot idéz elő, és az olvadó biztosító túlterhelődik és kiolvad. Ezzel a megoldással megvédtük ugyan a túlfeszültségtől a fogyasztót, de megszakad a villamos energiaellátás, és ezzel lehet, hogy ugyancsak kárt okoztunk! Tehát a túlfeszültség-levezetőknek úgy kell működniük, hogy a túlfeszültség korlátozás mellett azok működését a villamos hálózat észre se vegye, és az energiaszolgáltatás ne szakadjon meg. Ezért a túlfeszültség-védő eszköznek olyannak kell lennie, hogy a méretezett túlfeszültség korlátozás mellett méretezett utánfolyó zárlati áram korlátozással is rendelkeznie kell. Az eddigiekben a külső eredetű (villámok) okozta túlfeszültségekről beszéltünk. Hasonló hatásúak a kapcsolási túlfeszültségek is, csak azok nagyobb gyakorisággal fordulnak elő és energiatartalmuk kisebb. A kapcsolási túlfeszültségek kezelési módja megegyezik a villámok okozta túlfeszültségével. 14

15 Az áramellátás biztonsága? Utánfolyó zárlati áram megszüntetése - korlátozása A biztosító 35 A felett nem olvad ki, az áramellátás nem esik ki! Transzformátor Biztosító Igen kicsi I k Szikraköz, zárlati utánfolyó áram korlátozással, Például: DEHNventil A szikraköz begyújtása villám, vagy másvezetett túlfeszültség hatására Folgestrombegrenzung 2002 DEHN + SÖHNE / 2644_c 8. ábra A túlfeszültség korlátozása zárlati áram korlátozással 7. A belső villám-, és túlfeszültség-védelem építőelemei A belső villám-, és túlfeszültség-védelem készülékeit ma háromféle építőelemből készítik: szikraközökből, feszültségfüggő ellenállásokból, félvezető diódákból. 7.1 Szikraközök A szikraközöknek igen sokféle konstrukciós változata létezik. Ezeket többféle szempontból lehet csoportosítani. Az elektródák elrendezése szerint lehetnek normál, és kúszó szikraközök. Az elektródákat körülvevő atmoszféra szerint lehetnek lég-szikraközök, és gáztöltésű szikraközök. Az ívkifúvás szempontjából lehetnek kifúvásos rendszerű, vagy zárt, kifúvásmentes szikraközök. 15

16 A begyújtás szempontjából lehetnek természetes gyújtású, vagy mesterséges gyújtású szikraközök. A konstrukció kialakításánál az a jellemző törekvés, hogy a névleges feszültséget a lehető legkisebb mértékben meghaladó feszültségnél már lépjen működésbe, a levezető képessége (impulzus áramterhelhetősége) a lehető legnagyobb legyen, az égési feszültsége a lehető legalacsonyabb legyen, igen rövid időn belül szólaljon meg, az utánfolyó (független) zárlati áram megszakítóképessége a lehető legnagyobb legyen, A túlfeszültség-védelem és a túláram védelem illesztése a lehető legegyszerűbb legyen. (Lehetőleg ne kelljen előtét biztosítókat alkalmazni.) 16

17 9. ábra A szikraközök és legfontosabb tulajdonságai A lég-szikraközöket általában a villamos energiaellátásban, a gáztöltésű szikraközöket pedig az informatikai hálózatokban alkalmazzák. A szikraközök jellemzője, hogy a gyújtási feszültség nagysága erősen függ a túlfeszültség impulzus meredekségétől. Lásd a gyújtási határgörbét. Például egy 90V-os névleges feszültségű gáztöltésű szikraköz gyújtási feszültsége az 1kv/µs meredekségű túlfeszültség tüske esetén kb. 900 V. Ha ugyanerre a szikraközre a rákapcsolt feszültséget lassan növeljük, azt tapasztaljuk, hogy, a szikraköz kb. 90 V-nál begyújt. A 9. ábra jobb oldalán a villamos energiaellátásban alkalmazott légszikraközök láthatók. Az elektródák elrendezésével érik el azt, hogy a névleges feszültség felett, ahhoz mennél közelebb gyújtson be a szikraköz. Az ív hatására az elektródák közötti szigetelőanyagból képződő gáz az ívet igyekszik összenyomni, (keresztmetszetét csökkenteni) és a hosszát megnövelni (az ívet elfújni) Ez a folyamat történhet úgy, 17

18 hogy a szikraköz az ívet a szabadba fújja ki, vagy történhet úgy, hogy a folyamat zárt acél kapszulába zárva zajlik le. A gyújtási feszültség itt is a feszültség-impulzus meredekségétől függ. Ha a szikraköz rendelkezik egy harmadik, un. gyújtóelektródával, amelyre a túlfeszültség impulzussal szinkronban külön gyújtófeszültséget kapcsolunk, akkor a fő szikraköz begyújtása természetes gyújtási feszültség alá csökkenthető. Ennél a konstrukciónál elérhető, hogy egy készülékben megvalósul az alacsony (kisebb, mint 1,5 kv) gyújtási feszültség, és a nagy (75 ka) levezető képesség. A szikraközök működésével kapcsolatosan lásd a mellékelt videó anyagot. 7.2 Varisztorok A varisztorok olyan nem lineáris ellenállások, amelyeknek az áram-feszültség jelleggörbéjét a 10. ábra szemlélteti. Az ábrán egy 440 V-os varisztor jelleggörbéje látható. 10.ábra Varisztorok jellemzői 18

19 A varisztorokat fémoxidokból, jellemzően cinkoxidból, préseléssel és szintereléssel (égetéssel) állítják elő. A varisztor lapkák a névleges feszültség alatt szigetelőként viselkednek, szivárgó áramuk igen kicsi. A névleges feszültség közelében a jelleggörbén van egy lépcső, ahol a feszültség-változás hatására a szivárgó áram ugrásszerűen megnő, azaz a varisztor átmegy vezető állapotba, és innen igen kis feszültség-változás is igen nagy ellenállás csökkenést okozva azt eredményezi, hogy a feszültség alig nő a kapcsain, csak az átfolyó áram nő. Ezt a tulajdonságát használják ki a túlfeszültség-védelemben. A varisztorokat túlfeszültség levezetőként, általában a közepes, vagy finom védelmi fokozatokban alkalmazzák, jellemzőit 8/20µs hullámalakra adják meg. A különböző névleges feszültségű varisztorok jelleggörbéje hasonló a 10. ábrán bemutatottakhoz, de a lépcső más feszültség értéknél van. 7.3 Szupresszor diódák A szupresszor diódákat a túlfeszültség-védelem finom fokozataiban alkalmazzák feszültség korlátozásra. Jelleggörbéjét a 12. ábra szemlélteti. Túlfeszültség levezetőkben vagy egyedül, vagy antiparalell kapcsolásban építik be. Terhelhetőségét 8/20 µs hullámalakra adják meg. A terhelhetőséget (ka) a dióda hőelvezető képessége határozza meg. 19

20 11. ábra Szupresszor dióda felépítése A dióda jelleggörbéjének könyökpontját a dióda konstrukciójával alakítják ki. 12. ábra Szupresszor dióda áram-feszültség jelleggörbéje 8. A 3x 400/230 V 50 Hz-es hálózatok belső villám-, és túlfeszültségvédelme A 3x230/400 V 50 Hz feszültségű hálózatokon a technika mai állása szerint a túlfeszültség-védelmet több lépcső kiépítésével oldják meg. A több fokozat azért szükséges, mert villámimpulzus nagy energiatartalmat csak több fokozatban lehet levezetni úgy, hogy a maradék túlfeszültség alatta maradjon a védendő készülék szigetelési szilárdságának. 20

21 13. ábra Áramellátás többlépcsős védelme Az épület csatlakozás előtti áramszolgáltatói területre a szabványok 6 kv-ban határozzák meg a túlfeszültségtűrés szintjét. Az épületen belül, a fogyasztásmérő és az alelosztók közötti hálózati szakaszra 4 kv, az alelosztók és a fogyasztói csatlakozások közötti szakaszra 2,5 kv, az érzékeny fogyasztókra pedig 1,5 kv. Ez azt jelenti, hogy az adott szakaszon belül alkalmazott minden berendezésnek ezt a túlfeszültség-igénybevételt el kell tudni viselni. Tehát a különböző helyekre beépített védőkészülékeknek ezen határadatok alá kell korlátozni a túlfeszültség mértékét a lökőhullám energiájának üzemszerű levezetése mellett. Ennek az elvnek megfelelő többlépcsős védelmet szemléltet a 13. ábra. Látható, hogy az ábrán a D fokozat kétszer szerepel. Ez azt az esetet szemlélteti, amikor a védendő készülék minősítése szerint 1, 5 kv-os túlfeszültség-tüskét visel el, és azt a fali csatlakozótól 5 m kábeltávolságon kívül használják. Ekkor a D védelmet közvetlenül a készülék kapcsain meg kell ismételni. Ugyanis a hosszú csatlakozó vezeték csatolás révén képes annyi túlfeszültséget összeszedni, amivel a fali csatlakozónál lévő 1,5 kv-os túlfeszültség-határolás ellenére a készülék bemenete káros mértékű túlfeszültséget kaphat. 21

22 14. ábra Áramellátás többlépcsős védelme Az MSz 447:1998/1M:2002 szabvány, a kisfeszültségű hálózatokra kapcsolás feltételeivel foglalkozik. Ez a szabvány az áramszolgáltatói részre (a fogyasztásmérő elé) a villámáram levezető beépítését a fogyasztó költségén engedi meg. Az alkalmazott villámáram levezetőnek szivárgóáram-mentesnek kell lennie, hogy az áramszolgáltató méretlen hálózatán a védelem a veszteségeket ne növelje. A 14 ábrán vázolt megoldásban ennek a feltételnek kétfajta villámáram levezető tehet eleget. A DEHNventil egy olyan villámáram levezető, amelyben két levezető fokozat van egybeépítve. A levezető B fokozata egy tokozott, mesterséges gyújtású szikraköz, amely képes a 100 ka-es villám(ág)áram levezetésére, és a C fokozat, amely gáztöltésű szikraközből, varisztorból és gyújtóegységből áll, és biztosítja azt, hogy a fogyasztásmérőt már csak max. 1,5 kv-os túlfeszültség igénybevétel érje. Ez a kombi levezető ma a legmodernebb, mert egyesíti a nagy levezető-képességet és az alacsony védelmi szintet. A DEHNbloc/3 villámáram levezető tokozott szikraközökből áll, amelyek együttesen a 100 ka-es villám(ág)áram levezetésére alkalmasak, 4 kv-nál kisebb túlfeszültség határolás mellett. A fogyasztásmérő után, az alelosztó(k)ban a C osztályú DEHNguard varisztoros túlfeszültség-levezetők szolgálnak a csatolás útján behatoló 8/20 µs-os hullámalakú túlfeszültségek 2,5 kv-os érték alá való korlátozására. 22

23 A fogyasztói csatlakozásoknál a D osztályú DEHN-safe, az NSM-Protector, S- Protector, vagy a DEHNflex-M túlfeszültség-levezető szolgál a 8/20 µs-os hullámalakú túlfeszültségek 1,5 kv-os határérték alá való korlátozásra. Villámcsapás, vagy a kapcsolási műveletek keltette tranziensek esetén először mindig a legérzékenyebb D osztályú védelmi fokozat lép működésbe: összezárja a vezetékeket, és a földelést. Ekkor a védőkészülékre rákényszerített zárlati áram egyre nő, és nem szabad megengedni, hogy ez a rákényszerített áram meghaladja a védőkészülék levezető képességét. Gondoskodni kell arról, hogy mielőtt elérné a védőkészülék levezetési határértékét, a megelőző fokozat vegye át a levezetést, azaz kommutáljon át a folyamat a C osztályú fedővédelemre. Ha a túlfeszültség olyan nagy, hogy a C osztályú védőkészülék határ-igénybevételéhez közelít, tovább kell kommutálni a zárlati áramot a B osztályú fokozatra. Ezt a kommutációs folyamatot a fokozatok közötti vezetékek induktivitása vezérli. A fokozatok közötti vezetékhosszra előírás, hogy a B és C osztályú levezetők között legalább 15 m vezeték, vagy kábelhossz, a C és D osztályú védőkészülékek között pedig legalább 5 m vezeték, vagy kábelhossz legyen. A kommutáció ugyanis úgy zajlik le, hogy a túlfeszültség levezető működésekor a vezetéken átfolyó (zárlati) áram a vezeték induktivitásán, (az ohmos ellenállást elhanyagoljuk) Ldi/dt feszültséget hoz létre, ami hozzáadódik a levezető égési feszültségéhez. Ha e két feszültség összege eléri a megelőző védő-készülék gyújtási feszültségét, a fedővédelem begyújt, és a levezetés átkommutál a fedővédelemre. Ha a fokozatok közötti illesztés nem megfelelő, a kisebb levezető-képességű fokozat felrobban! (Lásd a videot!) Példaként nézzük meg, hogy egy kis épület, például egy családi ház villamos fogyasztásmérőjének és az elé kapcsolt villám-, és túlfeszültség-védelemnek milyen a felépítése, és a túlfeszültség-levezetés mellett milyen egyéb feltételeket kell még teljesítenie. Az itt ismertetett villám-, és túlfeszültség-védett fogyasztásmérő egységek az 50 A- es mérési határig kialakított, áramváltó nélküli alapváltozatok. Az egységek eleget tesznek az áramszolgáltatók által előírt feltételeknek, a kisfogyasztók számára minden beépítési módozatnak megfelelnek. Főbb jellemzői az alábbiak: pecsétzárhatók (plombálhatók), a vételezett villamos energia nagyságához illesztettek, (közvetlen mérés, 50 A-ig) 23

24 egy-, vagy háromfázisú kivitelűek, a szükséges környezetállóságnak megfelelő tokozásúak, túlfeszültség-védelmi szempontból lehetnek csak villámáram levezetővel ellátottak, (4 kv-os védelmi szint), vagy villám-, és túlfeszültség-védelemmel ellátottak (1,5 kv-os védelmi szint) 15. ábra A fogyasztásmérő egység kapcsolási rajza és föbb egységei 24

25 A fogyasztásmérő egység háromfázisú kivitelének kapcsolási rajzát az 15. ábra szemlélteti. Az 1. jelű fogyasztásmérőt és a hozzá tartozó kismegszakítókat az áramszolgáltató szereli-, és köti be az egység, előre behuzalozott helyére. A 2. jelű 00-ás méretű 63 A-es késes olvadó biztosítók a villám igénybevételek fedővédelméül szolgálnak. Ezek a biztosítók villám-igénybevétel esetén is csak rendkívüli esetben olvadnak ki, tehát az energiaellátás folytonossága villámcsapás esetén is zömében folytonos marad. A 3. jelű túlfeszültség-védő készülék villámáram levezető (4kV-os védelmi szint), vagy kétfokozatú kombi levezető (1,5 kv-os védelmi szint) lehet. Mivel a túlfeszültség-védelem a fogyasztói csatlakozás méretlen oldalán van, áramszolgáltatói követelmény, hogy a védőkészüléknek szivárgó árama nem lehet. A 4. jelű EPH főcsomópontra csatlakozik az áramszolgáltatói méretlen vezeték PEN vezetője, valamint a helyi földelés, a külső villámvédelem földelése, továbbá a fogyasztó minden földelendő, (az EPH hálózatba bekötendő) fém vezetéke. Az 15. ábra szerinti fogyasztásmérő egység lehet háromfázisú, vagy egyfázisú kivitelű. Minden kiviteli alakban az egyik egységet a fogyasztásmérő és a hozzá tartozó kismegszakítók alkotják, a másik egységet a késes biztosítókból, túlfeszültségvédő készülékből és az EPH csomópontból összeállított egység alkotja. Ez az osztott felépítés módot ad arra, hogy ez utóbbi egységet, mint külön villámvédelmi előtétet meglévő fogyasztásmérő elé, vagy egyéb csatlakozásokhoz, védőegységként be lehessen építeni. Az egységek mechanikus és villamos minőségét szabványos típusvizsgálatokkal ellenőrzik, az egységekhez a gyártó minőségi tanúsítványt ad. Egy villámvédelmi előtét próbatermi minősítő vizsgálatait szemlélteti a 16. és a17. ábra. 25

26 16. ábra Villám-, és túlfeszültségvédő előtét vizsgálatra előkészítve 17. ábra Villámállósági lökővizsgálat elrendezése 26

27 A villám-, és túlfeszültség-védett fogyasztásmérő egység az alkalmazott tokozat környezetállósága szerinti por, pára, és víz behatás elleni védett. A komplett villám-, és túlfeszültségvédett fogyasztásmérő kiviteli alakjára példát szemléltetnek a következő ábrák. A 18. ábra egy szabadtéri kivitelű, önállóan talajba rögzíthető egységet szemléltet. 18. ábra Önállóan telepíthető szabadtéri villám-, és túfeszültség-védett fogyasztásmérő egység (Jean-Müller tokozat) 27

28 19. ábra Falra szerelhető villám-, és túlfeszültség-védett fogyasztásmérő egység (Hensel tokozat) A túlfeszültség-védelmet és a túláram-védelmet egymáshoz ugyancsak illeszteni kell. Minden villámáram-, illetve túlfeszültség-levezető adatlapja megadja, hogy az adott védőkészülék előtt mekkora maximális értékű és karakterisztikájú olvadó biztosító kell, hogy beépítve legyen. Tegyük fel, hogy egy épület főbiztosítója 250 A gl jelleggörbéjű késes olvadó biztosító. Ebben az esetben a főelosztóba beépíthető egy DEHNbloc/3 villámáram levezető külön előtét biztosítók nélkül. Ha az épületet villámcsapás éri, működik a villámáram levezető, normális esetben a hálózat talpon marad, a fogyasztók nem is veszik észre a villámáram levezető működését. Ha azonban a védőkészülék valamilyen hibája miatt nem tudja megszakítani az utánfolyó zárlati áramot, a 250 A- es főbiztosító kiolvad. Ezzel az épület áramellátása megszakad ugyan, de egyéb kár nem keletkezik. A biztosító cseréjével a szolgáltatás rövid időn belül helyreállítható. Ha az épület betáplálásánál a villámáram levezető adatlapjában megadott maximális értéknél nagyobb biztosítók vannak beépítve, akkor a túlfeszültség levezető elé a leágazásba az adatlapon megadott maximális értékű biztosítókat kell beépíteni. Ezeket a biztosítókat működésjelzéssel célszerű ellátni, a védelem hatásosságának, illetve működőképességének ellenőrzéséhez. Az illesztés, és a biztosítók működésjelzésének fontosságát szemléltesse az alábbi példa. 28

29 Egy irodaház főelosztója az áramszolgáltatói hálózatra 800 A-re beállított túláramvédelmen keresztül csatlakozik. Az áramváltós fogyasztásmérő és az 800 A értékre beállított főmegszakító közé DEHNbolc/3 villámáram levezető van beépítve. A védőkészülék katalóguslapja szerint 315 A gl biztósító értékig szabad közvetlenül a hálózatra kapcsolni. Ha ennél nagyobb a túláramvédelem értéke, akkor a levezető elé előtét biztosítók beépítése szükséges. Mivel esetünkben a túláram védelem 800 A-re van állítva, a villámáram levezető leágazásába 315 A gl késes olvadó biztosítókat kell beépíteni. Tételezzük fel, hogy közvetlen villámcsapás éri az épületet, és a DEHNbloc/3 működik, és az utánfolyó zárlati áram miatt a 315 A-es előtét biztosítók kiolvadnak. A védelem leválik a hálózatról, a 800 A-re állított védelem állva marad, az épület villamos energiaellátása zavartalan. Ekkor a belső villámvédelem a biztosítók kiolvadásával úgy sérül, hogy a kezelő személyzet arról nem szerez tudomást. Ha ilyen állapotban egy következő villámcsapás éri az épületet, a kiépített védelem ellenére ez katasztrofális következményekkel jár, mert mindenki azt hiszi, hogy van működőképes belső villám-, és túlfeszültség-védelem, holott az előtét biztosító kiolvadása miatt az működésképtelenné vált! Ha a biztosítók olyan kivitelűek, hogy távjelezhető kiolvadásjelzőjük van, akkor a működés távjelzésével elkerülhető, a belső villámvédelem rejtett működésképtelensége. 9. Az informatikai hálózatok belső villám-, és túlfeszültség-védelme Az információs hálózatoknak igen sokféle változata létezik. Vannak vezetékes, és vezeték nélküli hálózatok. A vezetékes hálózatoknak is számtalan változata van, attól függően, hogy milyen vezetőn, és milyen jelleggel történik információ átvitele. A különböző információ átviteli rendszerekben a túlfeszültség-védő készülékek négypólusok, melyeket passziv elemekből állítanak össze. Jellemzőjük, hogy vannak 10/350µs hullámalakú villámáram-, és 8/20 µs hullámalakú túlfeszültség-impulzus levezetésére alkalmas kivitelűek. A védőkapcsolások szikraközökből, (ritkábban varisztorokból), illesztő tagokból, (impedanciákból), és szupresszor diódákból vannak összeállítva. A védőkészülékek legfontosabb jellemzői a különböző információ átviteli módozatokhoz az alábbiak. Levezetési osztály, amelybe az adott túlfeszültség-levezető tartozik, az MSz : 2001 számú, A kisfeszültségű túlfeszültség-levezető eszközök című szabvány határozza meg. Egy levezető lehet Tip1-től Tip4 besorolású, attól függően, hogy a levezető milyen vizsgáló impulzussal, és hányszor képes a túlfeszültség vizsgálatot működőképesen elviselni. Tip. 1, ahol a D1 impulzus (10/350) villámáram, 2,5 ka,/ér, valamint 5 ka/ összes, és meghaladja a Tip.2 és a Tip. 3 levezetési osztály követelményeit. 29

30 Tip. 2, ahol a C2 (8/20) impulzus megemelt lökőterhelés, 2,5 ka,/ér, valamint 5 ka/ összes, és meghaladja a Tip.3 és a Tip. 4 levezetési osztály követelményeit. Tip. 3, ahol a C1 (8/20) impulzus lökőterhelés, 0,25 ka,/ér, valamint 0,5 ka/ összes, és meghaladja a Tip. 4 levezetési követelményeit. Tip 4, ahol a terhelés < mint Tip.3. A levezető védőhatása szerint a levezetőket a védendő készülék túlfeszültségszilárdsága szerint osztályozzák. Az MSz EN :1995/A1:2000 Elektromágneses összeférhetőségi (EMC) szabvány megadja, hogy adott vizsgálati elrendezésben az egyes védendő berendezéseknek milyen túlfeszültséget kell elviselniük a villamos táplálás, és a jelvezetéki oldalon. Ennek megfelelően a védelmi szinteket 1, 2, 3, illetve 4. fokozatban határozták meg. Ennek megfelelően a védőkészülékeknek P1 követelményeknél a védendő készülék 1. fokozatát, vagy szigorúbbat, P2 követelményeknél a védendő készülék 2. fokozatát, vagy szigorúbbat, P3 követelményeknél a védendő készülék 3. fokozatát, vagy szigorúbbat, P4 követelményeknél a védendő készülék 4. fokozatát kell tudni teljesíteni. Az energetikai koordináció szempontjából védőkészülék bemenő oldala lehet villámimpulzusra méretezve jele: XX, vagy túlfeszültség impulzusra méretezve, jele X. (lásd 15. ábra alsó részén a KK koordinációs jelölések első kockáját.) A védőkészülék kimenő oldalán a koordinációs szint (a koordinációs jelölések második kockája), más néven védelmi szint lehet 1, 2, 3, vagy 4, fokozatú, attól függően, hogy milyen a védendő készülék túlfeszültség-szilárdsága. A védőkészülékek felhasználás szempontjából fontos jellemzői az alábbiak: Névleges feszültség az a feszültségérték, amit a védőkészülékre szabad kapcsolni az információ átvitelhez. A névleges feszültség lehet egyenfeszültség, vagy váltakozó feszültség. Névleges áram az az áramérték, amely az információ átvitel során, a védőkészüléken áthaladhat. Határ frekvencia az a frekvencia, ami alatt a védőkészülék az információ frekvenciáját 3 db-nél kisebb mértékben csillapítja. A védőkészülékek négypólusa alul-áteresztő szűrő jelleggel működik. 30

31 Amikor az informatikai levezetők működnek, az információ átvivő vezetékeket egymással és a földdel összezárják, biztosítva a lökőhullám energiájának levezetését a föld felé. Egyidejűleg meggátolják, hogy a vezetékek egymásközötti, és a vezetékek és a föld közötti feszültségkülönbség a védelmi szintet meghaladja. Az informatikai levezetők kiviteli alakja és szerelhetősége igazodik az informatikai rendszer technológiájához. Más szerkezeti kialakítású levezetőket használnak a telefontechnikában (LSA technika jelentése: Lötfrei=forrasztásmentes, Schraubenfrei = csavarozásmentes, Abisolierfrei = a vezetékszigetelést nem kell eltávolítani), a mérés és szabályozástechnikában (Blitzductorok, sorkapocs védőkészülékek), valamint a vezeték nélküli hírközlésben ( Koaxiális kábeles védőkészülékek). Az egyes készülékfajták a szemléltető táblákon láthatók. 31

32 32

33 20. ábra Informatikai levezetők 10. A védelmeket bemutató CD-n mellékelt elektronikus anyagok 10.1 Villám-, és túlfeszültségkárok a gyakorlatból c. előadás bemutatja a villámok okozta károk jellegét és nagyságát, a fejlődés várható következményeit Villámok-, és kapcsolási túlfeszültségek keletkezése és hatása c. előadás bemutatja a villámok és kapcsolási túlfeszültségek keletkezését, csatolási módozatait, és értékét A Szikraközök a DEHN+SÖHNE cégtől c. előadás a cég által gyártott szikraközök felépítését és jellemzőit ismerteti A Video 1 bemutató, azt szemlélteti egy laboratóriumi vizsgálattal, hogy mi történik, ha egy villámáram levezető nélküli, fogyasztásmérő szekrényt 50 kaes villámigénybevétel ér. (minden szétmegy) 10.5 A Video 2 bemutató, azt szemlélteti egy laboratóriumi vizsgálattal, hogy mi történik, ha egy villámáram levezetővel ellátott, fogyasztásmérő szekrényt éri a villámigénybevétel. (minden épen marad) 10.6 A Video 3 bemutató, azt szemlélteti, hogy milyen nagy különbség van a 8/20 és a 10/350 hullámalakú lökőhullám energiatartalma között. A laboratóriumi vizsgálatból látható, hogy míg a 40 ka-es 8/20 hullámalakú túlfeszültség mechanikai rombolást nem okoz, addig a 10/350-es hullámalakú 40 ka-es igénybevétel tisztességesen rombol A Video 4 bemutató, azt szemlélteti, hogy milyen következménye van annak, ha a túlfeszültség-védelem fokozatait (itt a B, és C fokozatot) nem illesztik egymáshoz, azaz hiányzik a két fokozat közötti, az illesztési impedanciát képező 15 m-es kábelhossz A Videó 5 csoport több egységből áll. 33

34 A DEHNguard TH LI version a legújabb DEHNguard család működését szemlélteti. (A készülék C osztályú, varisztoros túlfeszültséglevezető.). A védőkészülék nemcsak hibajelzéssel, hanem előjelzéssel is rendelkezik, ami lehetőséget ad az üzemeltetőnek arra, hogy a védelem kiesése előtti modulcserével a folyamatos védelmet biztosítsa. A folyamatos védelem különösen a nagybiztonságú áramellátó berendezéseknél bír igen nagy jelentőséggel. A DEHNiso Combi videó a külső villámvédelem egy új kialakítású megoldását szemlélteti. A villámvédelmi felfogókat az épület fémszerkezetétől szigetelő rudak választják el. Ehhez, az épülttől elválasztott szigetelt rendszerhez csatlakozik a levezető és földelő. Mi az előnye ennek? A hagyományos megoldás esetén, a tetőn lévő minden fémtárgyat egymással és a villámvédelmi rendszerrel össze kell kötni. Ha például a tetőn egy számítógépterem klímaberendezésének hőcserélője van felszerelve, és ez a villámhárítóval össze van kötve, akkor villámcsapás esetén a klímaberendezés csővezetékei a villám-ágáramot közvetlenül a számítógépterembe vezetik. Ha a hőcserélő a villámhárítótól a tetőn megfelelően szigetelt, és a villámvédelemmel csak az épület betáplálásánál alul kialakított EPH csomóponton keresztül csatlakozik akkor a villám-ágáram számítógép terembe, nem jut be A DEHNpipe videó a robbanásveszélyes környezet mérés és szabályozástechnikájában alkalmazható védőkészüléket mutat be. A készülék védőkapcsolása hasonló az 5. szemléltető táblán bemutatott védőkészülékek kapcsolásához, de robbanásvédett kivitelben. A védőkészüléket a terepi távadók kapcsára lehet felszerelni. A NEUE RED Line- DEHNventil modular videók az új kivitelű, betétes DEHNventil-t mutatják be német és angol nyelven. Az új kivitelű védőkészülék előnye a korábbi kompakt kivitelű védőkészülékkel szemben, hogy feszültségmentesítés nélkül lehet a védőbetéteket cserélni. A Schutz von Ex i Kreisen videó DEHNpipe és a Blitzductor CT Ex védőkészülékek alkalmazását szemlélteti robbanásveszélyes környezetben. A Wohnhaus 3D videó egy lakóház áramellátásának háromlépcsős védelmét mutatja be. 11. Nagyfeszültségű kísérletek 34

35 A villámokról, és a kapcsolási túlfeszültségekről előzőekben ismertetett jelenségek szemléltetésére néhány kísérletet állítottunk össze, melyekhez szükség van olyan nagyfeszültségű feszültségforrásra, amellyel a jelenségeket, csatolási módokat szemléltetni lehet, a védőkészülékek működését kísérleti összeállításban be lehet mutatni, a kísérletek végrehajtása nem balesetveszélyes A kísérletekhez alkalmazott feszültség-források A van de Graaff generátor, más néven szalaggenerátornak nevezett készülék alkalmas nagy egyenfeszültség létrehozására. Felépítését, és működési elvét a 21. ábra szemlélteti. 21. ábra A van de Graaff generátor felépítése és működése 35

36 A végtelenített gumiszalagot (4 és 5) a kisebb potenciálú, alsó végén elhelyezett görgőn (6) keresztül villlanymótor hajtja. Az alsó görgőnél lévő fém csúcsok (7), külső egyenáramú feszültségforráshoz, és/vagy az ellenelektródához (8) csatlakoznak. A külső feszültségforrás, és/vagy a görgő és a szalag közötti súrlódás ionokat hoz létre a szalag felületén, melyet a szalag folyamatosan szállít felső, fémgörgő (3) felé. A szalag felső vége egy fém gömb (1) belsejébe nyúlik bele, ahol a felső görgőnél lévő fém csúcsok a szalag külső felületén lévő töltéseket leszedik, és a gömbhöz vezetik. Mivel a töltések a görbült vezető felületen mindig a külső oldalon gyűlnek össze, a töltések a gömb külső felületére kerülnek és növelik a gömb potenciálját. A gömbön a töltések mennyisége addig növekszik, amíg a gömbfelület és a környezete között kisülés nem jön létre. Az ilyen módon előállított feszültség akár több millió volt is lehet. A kisülés levegőben lehet szikrakisülés, vagy un. korona kisülés. A szikrakisülés akkor jön létre, ha az ellenelektróda (8) és a fémgömb (1) közötti levegő szigetelését a feszültségkülönbség teljes hosszában átüti. Ekkor a kialakuló villamos íven keresztül a töltés-különbség kiegyenlítődik, csattanó hangjelenség kíséretében. (Ezt a szikrakisülést nevezhetjük akár mikrovillámnak is, mivel a létrehozásának módja, és maga a kisülés is szinte mindenben, a természetben előforduló villámok több ezer-millíószorsan kicsinyített másának is tekinthető. A korona kisülés mindig megelőzi a szikrakisülést. A korona kisülés magyarázata az, hogy a görbült (csúcsos) felület közvetlen közelében a villamos térerő meghaladja a környező levegő átütési szilárdságát, és zizegő hang és villódzó fényjelenség kíséretében ott a levegő vezetővé válik, de teljes átütés nem jön létre. (A levegő átütési szilárdsága kb. 21 kv/cm). Ezt a jelenséget a természetben közvetlen zivatar előtt, a templomtornyok, vagy más magas épületek villámhárítóján lehet megfigyelni. A szikrainduktor a kis egyenfeszültséget nagy váltakozó feszültséggé alakító berendezés, amelyet szikrakisülések létrehozásához lehet felhasználni. A szikrainduktor felépítését és működését a 22. ábra szemlélteti. 36

37 22. ábra A szikrainduktor felépítése és működési elve Az U egyenfeszültségű áramforrás áramát az Sz szaggató periodikusán megszakítja, és zárja. Ezáltal a Tr transzformátor kis menetszámú primer tekercsében létrejövő, gyorsan változó feszültség a nagy menetszámú szekunder tekercsben nagyfeszültséget indukál. Az egymással szemben lévő mozgatható távolságú elektródák között a nagyfeszültség szikrakisülés jön létre. A szaggatóval párhuzamosan kapcsolt C kondenzátor a szaggató megszakításkor keletkező szikrázását csillapítja (hasonlóan a gépkocsi gyújtásnál alkalmazott megoldáshoz). A szikrainduktor működése tulajdonképpen a kapcsolási túlfeszültségek létrejöttét tárgyaló fejezetben elmondott, elvek szerint működik A kísérletek során betartandó balesetvédelmi rendszabályok A Déri Miksa Szakközépiskola birtokában lévő, a kísérletekhez használt van de Graaff generátor, és szikrainduktor kb kv-os feszültség előállítására alkalmas berendezés. A van de Graaff generátor csak a szalag-súrlódása során keletkező ionokat koncentrálja, a szikrainduktor pedig egy zseblámpa elem feszültségét szaggatva állítja elő a nagyfeszültséget. Ezen feszültségforrások szikrakisüléseinek árama mikroamperes nagyságrendű, és igen gyors lefolyás impulzusokból áll. Ezért az itt elszenvedett nagyfeszültségű 37

38 áramütés egészséges emberek számára közvetlen életveszélyt nem jelent. Olyan személyek számára viszont, akik szívritmus szabályozót viselnek, vagy szívritmus zavarban szenvednek, óvakodniuk kell a fenti berendezésektől elszenvedett áramütésektől, mert számukra ez az egyébként ártalmatlan áramütés is életveszélyt jelenthet. Óvakodni kell továbbá attól, hogy bárkit is a fenti berendezésektől váratlanul érjen áramütés, mert az, olyan reflex-szerű mozgásokat válthat ki, ami maga baleset forrása lehet. A balesetek elkerüléséhez az alábbi védőintézkedések tartandók be. A kísérletek, illetve a készülékek bekapcsolása előtt, és kikapcsolása után, a feszültségforrások nagyfeszültségű oldalát földelt, szigetelt nyelű kisütő rúddal meg kell érinteni, hogy az esetlegesen felhalmozódott maradék-töltéseket kisüssük. Magához a feszültségforráshoz csak ezután szabad hozzáérni. A kísérletek szemlélői a kísérletek alatt, legalább 1 m távolságban legyenek a kísérleti összeállításoktól. A berendezések földelési pontjait a készülékek gépkönyve előírásai szerint kell a földelő (zöld-sárga) hálózattal összekötni. Minden kíséretnél betartandók az MSz 172 érintésvédelmi szabvány előírásai A kísérleti összeállítások A kísérleti összeállítások a túlfeszültségek csatolási módjait és a túlfeszültségvédelem működésének elvét szemlélteti. Tekintettel arra, hogy a nagyfeszültséget előállító feszültségforrások teljesítménye igen kicsi, a védelem működésének hatásosságát szemléltetni lehet, de a védelem hiány esetén nem lehet a védetlen berendezést szétrobbantani mint ahogy azokat a mellékelt videókon lehet látni. A mellékelt kísérleti összeállításokon túl, számtalan érdekes kísérletet lehet összeállítani, amelyhez az interneten a van de Graaff generátor, és a Szikrainduktor címre keresve igen sok hasznos kísérlet, és leírást lehet találni. Malmos Attila tanár Úr által összeállított szemléltető kísérletek egyrészről a jelenségeket, másrészről a túlfeszültség-védelem működését szemlélteti. 38

39 Kísérlet I (kapacitív csatolás) Kapacitív csatolás (szikrainduktorral létre hozott kisülés esetén) pár tízed volt feszültség mérhető. A szikrakisüléssel párhuzamosan elhelyezett földelt fém lap (kondenzátor lemez) a szikrakisüléssel csatolásba kerül, a lemez és a föld között kisüléskor feszültség mérhető. Kísérlet I. vázlata Kísérlet II. (Induktív csatolás) Induktív csatolás, (szikrainduktorral létrehozott kisülés esetén) pár tized volt mérhető. A kisülés közelében elhelyezett néhány menetű tekercsben a kisülés árama feszültséget indukál. 39

40 A kísérlet II.vázlata Kísérlet III. (ohmos csatolás) A van de Graaff generátor ellenelektródája földelési csatlakzó vezetékébe beiktatott ellenállás kapcsain az átfolyó áramlökéssel arányos feszültség mérhető. Kisülés áram-idő függvénye oszcilloszkóppal megjeleníthető. R A kísérlet III. vázlata Kísérlet IV. (túfeszültség-védelem működése) Ha a van de Graaff generátor ellenelektródája és a földelő csatlakozó közé három fénycsövet sorba kapcsolunk a IV/1 vázlat szerint, akkor a nagyfeszültségű szikrakisülések létrejöttekor a fénycsövek felvillannak, jelezvén azt, hogy a nagyfeszültség a fénycsöveken keresztül egyenlítődik ki a föld felé. 40

41 A kísérlet IV/1 vázlata A kísérlet IV/2. vázlata Ha a fénycsövek előtt a IV/2 vázlat szerint túlfeszültség levezetőt kapcsolunk az ellenelektróda és a föld közé, akkor kisüléskor a fénycsövekre csak a túlfeszültséglevezető védelmi szintjének megfelelő feszültség jut, ami nem elegendő a fénycsövek felvillantásához. A kísérlet szemlélteti a túlfeszültség-védelem működési módját. Budapest, 2006 december

42 Fehér Antal okl. vill. mérnök, EMC szakértő 11. Függelék 42

43 43

44 44

45 45

46 46

47 47

48 48

49 49

50 50

51 51

52 52

53 53

54 54

55 55

56 56

57 57

58 58