MUNKABIZTONSÁG 2.5 Villám- és túlfeszültség-védelem a feldolgozóiparban Tárgyszavak: villámcsapás; villámvédelem; villámhárító; túlfeszültség-védelem; robbanásveszély; ipari berendezés. A robbanásveszélyes berendezések villám és túlfeszültség elleni védelméről a nemzetközi IEC 61312-1 (VDE 0185, 103. rész) szabvány értelmében a villámvédő övezetek koncepciójának alkalmazásával kell gondoskodni. Eszerint az épületeket, üzemegységeket, szerelvényeket, készülékeket a robbanásvédelemhez hasonlóan különböző, veszélyeztetettségüknek megfelelő zónákra (övezetekre) kell felosztani. Így műszakilag és gazdaságilag optimált elektromágneses elviselhetőségi védelem (elektromagnetischer Verträglichkeitsschutz, EMV-Schutz) alakul ki, amely ártalmatlanná teszi a mind galván, mind induktív/kapacitív úton behatoló villám- és túlfeszültséget (1. ábra). befogás LPZ O A LPZ 1 épületárnyékolás, pl. acélfegyverzet LPZ 2 szellőzés LPZ 1 LPZ O B elegendő falvastagságú fémtartály vezeték távoli feszültséghez túlfeszültség-elvezető villámhárító huzalozott feszültségkiegyenlítés 1. ábra Létesítmény felosztása villámvédelmi övezetekre
A villámvédelmi övezetek (lightning protection zone, LPZ) jelölése: LPZ O A : szerelvény, készülék épületek védelem nélküli külső részén, LPZ O B : szerelvény, készülék épületek közvetlen villámcsapás ellen védett külső részén, LPZ 1: szerelvény, készülék hagyományos üzemi helyiségben, LPZ 2: szerelvény, készülék fokozott biztonságot igénylő helyiségben (szerver- vagy vezérlőterem), LPZ 3: érzékeny végkészülékek. Figyelembe kell venni minden, valamely LPZ-t túllépő, elektromosan vezető részt, elemeket. A fémcsöveket, csatornákat, vezetékárnyékoló ernyőket közvetlenül a védőzónák érintkezésénél össze kell kapcsolni a feszültségkiegyenlítővel. Aktív vezetékeket, így a villamosenergia-ellátó külső vezetéket vagy jeladó ereket túlfeszültség ellen védő eszközzel (villámhárítóval) kell öszszekapcsolni. Földelés és árnyékolás A villámcsapás alkalmával behatoló áramokat minél több párhuzamos pályán kell vezetni, ez helyiség- és épületárnyékolással, valamint a feszültségkiegyenlítő vezetékek és földelők összekötésével érhető el. Célszerű már az épületek tervezésekor érintkezést létesíteni a betonelemek fegyverzete, valamint a fémhomlokzatok és a külső villámhárító elvezetése között. A vezérlőpultnál kötelező feszültségkiegyenlítő sínek vagy földelő gyűrűs vezetékek beépítése. A védelmi rendszer fontos részét képezi a kábelárnyékolás: minden árnyékoló ernyőt kétoldalúan, mind a vezérlőegység, mind a végkészülék, ill. mérésiadat-felvevő felől földelni kell közvetlenül vagy elvezetőn át. Villámvédelmi övezethatár átlépésénél az ernyőket a helyi feszültségkiegyenlítőhöz kell csatolni. A szabályozás alkalmazása külső tartályokra A közvetlen villámcsapást robbanásveszélyes atmoszférában feltétlenül el kell kerülni, ezért ilyen területek nem rendelhetők az LPZ A övezethez. Különösen veszélyeztetettek a szabadban álló üzemanyagtartályok, a szennyvíziszap-rothasztó tornyok és a petrolkémiai lepárlók. Ezeknél a villámcsapás okozta robbanást többféleképpen lehet elkerülni: A fémtartály villámhárítóként használható, ha falvastagsága legalább 5 mm. Ilyenkor nem kell tartani a beltartalom villámcsapás általi felmelegedésétől, mivel nincs a robbanókeverék létrejöttéhez szükséges oxigénbevitel. Ha a tartály fala nem elég vastag vagy nem vezető anyagból készült, akkor rudakból, huzalokból álló villámhárítót kell elhelyezni. Ugyanez vonatkozik úszótetős (2. ábra) és olyan tartályokra, amelyeknek szerkezete kapcsolatban van a tartálybelsővel.
Vezetéket úgy kell fektetni, LPZ OB hogy ne érhesse közvetlen villámcsapás. Különösen kedvező a fektetés minden oldalról zárt, fémbetétes betonaknába vagy fémcsőbe. A tartály és a vezérlőpult közé helyezett földelőegység huzalozása csökkenti a tartályszerkezet (ill. építmény) részei közötti feszültségkülönbségeket, és ezáltal a vezetéssel közvetített villám-részáramokat. Az ilyen módon legyengített vezetéses zavarok nem károsítják legalább a szereléstechnikát. Elvezetés alkalmazása valamennyi, 0 vagy 20 jelű védelmi övezetbe irányuló vezeték mellé megakadályozza ezekbe a zónákba veszélyes túlfeszültség bejutását. Itt fontos a túlfe- szült- villámhárító vezetékek tartály betonkádja villámhárító rudak 2. ábra Tartály villámhárítással ség-elvezetőnek (villámhárítónak) az 1 vagy 21 besorolású védelmi övezethez rendelhető elhelyezése, hogy a zavaró impulzus elvezetése megtörténjék még mielőtt a 0 vagy 20 zónában szikraképződés veszélye fenyegetne. Az elvezető berendezést árnyékolt fémházba kell beépíteni és legalább 4 mm 2 Cu-nak megfelelően földelni. Vezetékek elektromágneses elfogadhatósági (EMV) követelményei a technológiai folyamatokban Mind az energiatechnikai, mind az információtechnikai vezetékek védelmet igényelnek vezetéses zavaró impulzusok ellen. Ennek követelményeit a folyamatvezérlés-technika számára az ilyen technikát alkalmazó vállalatokat tömörítő nemzetközi NAMUR szövetség dolgozta ki 1998. évi 21. javaslatában (NAMUR Empfehlung, NE21). A javaslat tartalmazza többek közt az MSRvezetékek (mérés-, vezérlés- és szabályozástechnikai) minimális EMV-zavartűrési követelményeit, azaz
a vezeték két ere közti, 1,2/50 µs-os hullámformában 0,5 kv-os, a vezeték és a föld közötti 1,0 kv-os feszültséglökésekkel szembeni ellenállását. A szabadban, ahol nagy valószínűséggel lépnek fel villámlás okozta zavarok, a készülékek bemenetelénél további villámhárítókat kell felszerelni. A készülékek hatékony védelme megkívánja, hogy a védelem által áteresztett maradék impulzus ne haladja meg a végkészülék zavarellenállását (-tűrését). Ekkor érvényes az ún. energetikai koordinálás. Energetikai koordinálás az információtechnikai hálózatban Annak eldöntésére, hogy a védendő készülék kibírja-e a túlfeszültségelvezető által áteresztett maradék impulzust, össze kell hasonlítani az elvezető (a villámhárító) áteresztési adatait a készülékcsatlakozásra meghatározott zavartűrés impulzus paramétereivel (3. ábra). A készülékek különféle elektromos zavartényezőkkel szembeni ellenállásának ellenőrzésére a DIN EN 61000-4-X, ezen belül a kapcsoláskor és villámcsapáskor fellépő nagy energiájú átmeneti túlfeszültségek eseteire a DIN EN 61000-4-5 szabványsorozat szolgál. bementi zavarás maradék zavarás zavartűrés 10/350 8/20 túlfeszültség elleni védőberendezés - amplitúdó - töltés - energia végkészülék 3. ábra A túlfeszültség elleni védelem elvi működése Az információtechnikában a túlfeszültségvédő berendezés méretezése szempontjából fontos a védendő végkészüléken elvégzett vizsgálat fajtája. Adott feszültséglökéssel szembeni ellenállás esetén a túlfeszültség-elvezető kiindulási szintjének a végkészülékek feszültséglökés-tűrése alatt kell lennie, hogy kellő védelmet nyújtson. A koordinációs mutatók
A koordinációs mutatók bevezetésével egyszerűen lehet a túlfeszültségelvezető védőberendezést a védendő készülékhez rendelni. A védőberendezések gyártója a többi műszaki adattal együtt közli a két részből felépített koordinációs mutatót, amelynek tartalmaznia kell a berendezés elvezető képességét mint bemeneti és 2 ohmos hibrid impulzusra vonatkoztatott védőhatását, mint kimeneti jellemzőt. A készülékek csatlakozásánál érvényes megengedett bemeneti terhelésnek a készülék szabványos zavartűréséből való meghatározásából megállapítható a koordinációs mutató (bemeneti jel) és összehasonlítható a védőberendezés koordinációs mutatójának kimeneti jelével. A védőberendezésnek a védendő csatlakozási helyhez való ilyen alkalmazkodásához hasonlóan lehet besorolni a túlfeszültség-elvezetőket. Az üzemi paraméterek, pl. az üzemi nyomás, az átviteli frekvencia, a névleges áram mellett ügyelni kell rá, hogy egy védő- vagy végkészülék bemenete koordinálva legyen az elékapcsolt védőberendezés kimenetéhez. Az egymás közt és a védendő készülékkel koordinált védőlánc első elvezetőjének szükséges bemenetét a teljes rendszer veszélyeztetettségi paraméterei alapján állapítják meg. Helyesen méretezett túlfeszültség-elvezetők alkalmazása a végkészülékeket biztosan megvédi feszültség- és energiacsúcsoktól. Feszültségkorlátozó TVS-diódák végkészülékekben Túlfeszültség-elvezetők a rendszerek kritikus állapotát is segítenek elkerülni. Erre jó példával szolgál a túlfeszültségvédő diódák (transient voltage suppressor, TVS-diode) alkalmazása átmeneti zavarok mérséklésére a DIN EN 61000-4-5 szabvány szerint, pl. orvosi műszerekben, az információtechnikában, fedélzeti hálózatokban, továbbá minden MOS- és IC-építőelemes kapcsolásban. A névleges adataiknál nagyobb terheléskor, így villámcsapáskor a TVSdiódák túlterhelődnek és az alábbi állapotok fordulhatnak elő: Rövidzárlat, amely akkor következik be, ha a dióda ellenállása 0,1 VDC feszültségnél tartósan kisebb, mint 1 Ohm. A zárlat jelmegszakítással figyelmeztet a hibás állapotra, de az ebből eredő zavarokat a végkészülék előtt elvezeti a védőberendezés. Erősebb túlterhelés anynyira megváltoztatja a dióda szerkezetét, hogy az előző fail safe (nem biztonságos) után bekövetkezik a fail open (megszakítás) állapot. A megszakítást (fail open) az váltja ki, hogy a diódát referenciaértékét legalább 150%-kal meghaladó feszültség terheli. A dióda visszafordíthatatlanul sérül, készülékvédő feladatát nem tudja ellátni, így a készülék egyéb részei is sérülhetnek, és a védendő rendszer kritikus állapotát idézhetik elő.
A TVS-diódákat eléjük kapcsolt berendezések, pl. gázzal töltött túlfeszültség-elvezetők védik. A cél a védőelemek elvezető képességüknek megfelelő szelektív terhelése, vagyis az egyes védelmi fokozatok energetikai koordinálása által biztosítani kell, hogy minden védelmi lépcső a zavaró energiának csak akkora hányadát vegye fel, amekkorára tervezték. Ilyen többlépcsős, energetikailag koordinált elvezetők alkalmazása végkészülékek előtt hozzájárul az előre nem látható hibaállapotok megelőzéséhez. (Dr. Boros Tiborné) Hasse, P.; Kramer, H.: Blitz- und Endgeräteschutz in der Prozesstechnik. = Technische Überwachung, 43. k. 9. sz. 2002. p. 33 38. Hasse, P.; Jühling, J.: Arbeiten unter Spannung (AuS) Bericht von der ICOLIM 2002. = ETZ Elektrotechnik und Automation, 123. k. 18. sz. 2002. szept. p. 38 45. Röviden Új biztonságtechnikával ellátott textilipari gépek A textilipari gépgyártás terén vezető német Trützschler GmbH & Co. KG, Mönchengladbach, mintegy ezres létszámával a textil nyersanyagok minden feldolgozóműveletének elvégzésére alkalmas berendezéseket, fonó-, szövőés kötőgépeket nagy választékban és mennyiségben termel. A cég, a divatos outsourcing helyett teljes vertikumában otthon tartja a technológiát és az innovációs lehetőségeket, pl. az elektronikai mikrovezérlések és frekenciaváltók is saját fejlesztésből és gyártásból származnak. Együttműködés biztonságtechnikai beszállítóval A biztonságtechnika területén a Trützschler cég nemcsak mint beszállítójával működik együtt a K. A. Schmersal GmbH-val, hanem új ötletekkel is részt vesz új termékek kifejlesztésében. Ilyen közös munka eredményeként készülnek bár csak meggyőző munka árán és vannak használatban dugaszolós biztonsági kapcsolók, M12 1 csatlakozással, amelyek megkönnyítik a szerelést és kielégítenek a textilipari gépekkel szemben támasztott minden biztonsági követelményt. Automatikus bálanyitás A gyapot-, szintetikus vagy újrahasznosított szálakból álló, 50 m hosszú sorba rakott bálákat egy mellettük haladó nyitóberendezés (blendomat) feltépi, miközben a gép útját fénysorompók és fordítótükrök biztosítják. Ezután több-
fokozatú tisztítás, idegen anyagok eltávolítása, portalanítás következik. Az így kezelt szálakat egy gép kötegekké fonja, amelyekből a csatlakozó nyújtóberendezés egyenletes minőségű és vastagságú fonalakat készít. Az egész műveletsor igen nagy sebességgel játszódik le, rendkívüli vezérlési és szabályozási követelményekkel. Biztonságos kézi hozzáférés A nagyfokú automatizálás révén a személyzet lényegében csak felügyel, kézi beavatkozásra ritkán van szükség, de a tervezőknek így is nagy gondjuk van a megfelelő gépalkatrészekhez való, lehetőleg egyszerű hozzáféréssel. Olyan gépeken, amelyekbe sohasem kell benyúlni, központilag oldották meg a védőajtók és csappantyúk reteszelését. Ahol pedig elkerülhetetlen a manuális munka (pl. a gyapotpamacsok betáplálása nemezgyártáshoz) a védőajtók egyenként vannak biztosítva. A gépgyártók igyekeznek legalább megközelíteni azt a maximális igényt, miszerint a lehető legnagyobb biztonság, a lehető legkényelmesebb kezelés mellett. Ehhez többek közt az szükséges, hogy a kezelőnek megfigyelő ablakokon át legyen betekintése a folyamatba és ha kell, veszélytelen helyen tudjon beavatkozni. Ezáltal nő a berendezések üzemképes használhatósága és a kezelő sem kap kedvet a védőberendezés manipulálására. Tapasztalatok szerint nincs mindig szükség biztonsági kapcsolókra, amennyiben a biztonság már a fejlesztőprogramba beépül. Így több tisztítási és karbantartási nyílásnál a veszélyes tartományokat le lehet fedni elválasztó védelemmel vagy a szerviz és a tisztogatás lehetőségéről ezen a tartományon kívül kell gondoskodni. Forgás, fékezés A textilipari gépek sajátos elemei a gyorsjárású hajtóművek, amelyek lekapcsolás után még sokáig, akár tíz percig is futnak. Hogy ne kelljen annyit várni, a Trützschlernél kifejlesztettek egy féket, amely a legnehezebb henger forgását is rövid idő alatt megállítja. A programhoz tartozik minden hajtásnál az utófutás hosszának és veszélyének elemzése, majd olyan felügyelőrendszer telepítése, amely a védőajtó és a karbantartási csapóajtó kinyitását csak a hajtómű megállása után engedélyezi. Mechanikus ütközés A védőajtók szerkezete és a tervezők részletmunkája meggyőzően tanúskodik róla, hogy milyen nélkülözhetetlennek ítélik a gépek biztonságát. Minden ajtó a biztonsági kapcsoló közvetlen közelében levő mechanikus ütközővel van felszerelve, amely széles tartományban állítható, szerszám nélkül.
Ezáltal elkerülhető, hogy a biztonsági berendezés az ajtó esetleges vetemedése miatt ne működjön kifogástalanul, ill. a zárólemez szolgáljon ütközőtagként. Az EU-szabályozás hatásai Az EU gépekre vonatkozó irányelvére épülő európai szabványok az 1050 sz. EN-szabvány szerinti kockázatbecslést alapul véve a Trützschler cégnél nem kívántak változtatást. Egyetlen kivételt a bálanyitásnál alkalmazott fénysorompók képeztek, ahol most különleges csiszolású fordítótükröket alkalmaznak, kielégítendő a fénysorompók működésével szembeni magasabb igényeket. (ETZ Elektrotechnik und Automation, 123. k. 18. sz. 2002. szept. p. 34 36.)