Prof. Dr. ZSIGMOND GYULA ELEKTRONIKUS RENDSZEREK TÚLFESZÜLTSÉG-VÉDELMÉRİL ON OVERVOLTAGE PROTECTION OF ELECTRONIC SYSTEMS A villámvédelem az elektronikus rendszerek túlfeszültségvédelmének fontos része. Az elektronikus rendszerek károsodása ellen alapvetıen és leghatékonyabban a villámvédelmi rendszerrel lehet védekezni. Ez általában külsı és belsı villámvédelmi rendszerekbıl áll. A szerzı bemutatja a belsı villámvédelmi rendszerek néhány jellemzıjét és elvét. Kulcsszavak: villámvédelmi rendszer, belsı villámvédelmi rendszer, villámvédelmi zóna, túlfeszültség-védelmi eszköz, koordinált túlfeszültség-védelem. The lightning protection is important part of overvoltage protection of electronic systems. The main and most effective method for protection of electronic systems against damage is the lightning protection system. It usually consists of external and internal lightning protection systems. The author presents some characteristics and principles of internal lightning protection systems. Keywords: lightning protection system, internal lightning protection system, lightning protection zone, surge protective device, coordinated SPD protection. Bevezetés Az elektronika és informatika fejlıdése egyre bonyolultabb és tökéletesebb komplex villamos rendszerek (katonai alkalmazású komplex villamos rendszerek, biztonságtechnikai alkalmazású komplex villamos rendszerek ) megépítését teszi lehetıvé. Az ilyen rendszerek elektronikus berendezései (alrendszerei) azonban egyre érzékenyebbek a túlfeszültségekre. Az elektronikus berendezésekben általában vannak gyárilag beépített túlfeszültség-védelmi áramkörök, azonban ezek hatékonysága sok kívánnivalót hagy maga után. Ezért például egy biztonságtechnikai rendszer megfelelı túlfeszültség-védelmének kialakítása vagy kialakít- 373
tatása általában a rendszer tervezıjének a feladata. Ez mindig speciális szaktudást igényel. A túlfeszültség-védelem egyik fontos része a villámvédelem [1, 2]. A cikk a villámvédelem néhány kérdésével foglalkozik. A dolgozat célja felhívni a figyelmet a tématerület fontosságára és tisztázni néhány alapvetı elvet. Belsı villámvédelem A villámvédelmi rendszer [6] (szakirodalomban LPS (Lightning Protection System) alapvetıen a külsı villámvédelmi rendszerbıl és belsı villámvédelmi rendszerbıl áll. A külsı villámvédelemi rendszer célja a villámcsapás közvetlen hatásainak kiküszöbölése. Fı részei: felfogó, levezetı, földelés. A belsı villámvédelemi rendszer célja a létesítmények belsejében az elektromágneses villámimpulzus hatásainak (a villám másodlagos hatásai) következtében keletkezı károk kiküszöbölése, vagy legalábbis minimalizálása. Az elektromágneses villámimpulzus megfelelıje a szakirodalomban: LEMP (Lightning Electromagnetic Impulse). A LEMP hatásai csatolás útján terjedhetnek. A terjedési módjai szerint megkülönböztetünk vezetési, induktív és kapacitív csatolást. A vezetési csatolás úgy jön létre, hogy a földelın folyó villámáram az egyenpotenciálra hozó hálózat (EPH) fıcsomóponton keresztül potenciálemelkedést hoz létre a földelt fémtárgyakon, készülékeken, vezetékeken. Átlagos villámáramot (40-50 ka) és 1 ohm földelési ellenállást feltételezve (ez jó értéknek számít), 40-50 kv potenciálemelkedés jöhet létre. Amennyiben az a létesítmény, amelyiket villámcsapás ért például az 1. ábrán, látható módon kapcsolatban van egy másik létesítménnyel, a potenciálemelkedés oda is átterjed. A gyakorlatban a villámáramok eloszlását általában úgy veszik figyelembe, hogy a villámáram egyik fele a villámhárító földelésén a másik fele a többi vezetéken keresztül jut a földbe (lásd 2. ábra). 374
1. ábra. Vezetési csatolás 2. ábra. A villámáram eloszlása 3. ábra. Induktív csatolás Induktív csatolás esetén a villámáram körül létrejövı mágneses erıtér kapcsolódik villamos vezetékek által képzett hurokkal. Abban az esetben, ha a hurok nyitott (például a hurkot szigetelés szakítja meg), a megszakítás helyén a 3. ábrán látható módon számítható feszültség jön létre (M az árampálya és a hurok közötti kölcsönös indukciós tényezı). Például egy a levezetıvel párhuzamos oldalú, attól 1m távolságra lévı 10m oldalhosszúságú négyzet alakú, egy helyen megszakított hurok esetében (a levezetı a hurok síkjában van), a megszakítás helyén 150 ka/µs villámáram meredekség mellett 720 kv feszültség jelenik meg [1]. Kapacitív csatolás esetén, mivel a felfogón az uv feszültség elérheti a MV nagyságrendet, a 4. ábra képleteinek megfelelıen CF >>CV mellett is a vezetékhez kapcsolódó készülékeknél megjelenı u fe- 375
szültség kv nagyságrendő lehet. Ez pedig elegendı az elektronikai berendezések meghibásodásához. 4. ábra. Kapacitív csatolás A csatolások nem kívánt hatásait, a túlfeszültségek védett területre való bejutásának lehetıségét a védelem zónakoncepció szerinti kialakításával csökkenthetjük, esetleg meg is szüntethetjük. A zónakoncepció lényege: a védendı rendszereket tartalmazó teret villámvédelmi zónákra kell osztani [1, 2, 3, 7]. A villámvédelmi zóna szokásos neve a szakirodalomban: LPZ (Lightning Protection Zone). Ezeket, a zónákat azok a térrészek határozzák meg, amelyekben a fellépı igénybevétel megfelel az adott zónákban lévı berendezések zavarszintjének. A megfelelı zavarszint az alkalmazott védelmi intézkedésekkel (villámvédelmi védıvezetık, mágneses árnyékolás, túlfeszültség-védelmi eszközök) biztosítható. A vonatkozó szabvány [7] az alábbi zónákat határozza meg: Külsı zónák: LPZ 0A Az a zóna ahol az igénybevételt a közvetlen villámcsapás és a teljes elektromágneses villámimpulzus okozza.. LPZ 0B Az a zóna, amely a közvetlen villámcsapás ellen védet, de az elektromágneses villámimpulzus által okozott teljes igénybevétel fellép. Belsı zónák: LPZ 1 Ebben a zónában a berendezések nincsenek közvetlen villámcsapásnak kitéve, a zónán belül az áramok korlátozva vannak a LPZ 0A és LPZ 0B zónákhoz képest, és az elektromágneses erıtér is csillapítva van. 376
LPZ 2 n Az a zóna, amelynek határán elhelyezett védelmi intézkedések az áramimpulzus hatását tovább korlátozzák. 5. ábra. A zónakoncepció elve A zónakoncepció elvét bemutató ábrán 5. ábrán [7] látható, hogy a létesítménybe belépı minden csatlakozóvezeték az LPZ 1 határán az EPH síneken keresztül össze van kötve. Ugyan ez a megoldás van az LPZ 2 határán is. A zónák kialakításánál két alapvetı megoldás alkalmazását nagy gonddal kell elvégezni, az összecsatolást és az árnyékolást. Az összecsatolás [1] célja villámcsapás esetén a potenciálkülönbségek csökkentése. Ez oly módon történik, hogy a vezetı szerkezeteket és a földelhetı vezetékeket összekötik a nem földelhetı vezetékek esetén, pedig valamilyen túlfeszültség-védelmi eszközt SPD (Surge Protective Device) alkalmaznak. A zónahatárokon kialakított összecsatolás vezetıinek illetve a megfelelıen koordinált túlfeszültség-védelmi eszközöknek a beérkezı áramhullámok által okozott igénybevételeket ki kell bírni. A különbözı típusú védelmi eszközöket forgalomba hozás 377
elıtt különbözı alakú, a terhelésnek megfelelı áramhullámokkal vizsgálják [1, 2, 4, 7]. 6. ábra. Koordinál túlfeszültség-védelmi eszközöket tartalmazó rendszer A 6. ábrán [7] látható villámvédelmi rendszer a mágneses térrel szemben védtelen. Az áramokra és feszültségekre azonban a következı öszszefüggések érvényesek: I2<I1<I0, U2<U1<U0. Az árnyékolás célja az elektromágneses erıtér behatolásának megakadályozása (vagy legalább a behatolás korlátozása) a védendı térbe. Az elektromágneses erıtér villamos komponensével gyakorlatilag nem kell foglalkozni, hiszen azt az építészeti elemek (tégla, beton ) gyakorlatilag kizárják. A mágneses teret azonban csak összefüggı fémszerkezetek tudják kizárni vagy legalább csillapítani. Az árnyékolás lényegében egy Faraday kalitka. Rendkívül fontos, hogy kábel bevezetéseknél vagy a védendı téren áthaladó vezetı (csı, kábelköpeny ) miatt ne jöjjön létre ún. Faraday lyuk, amely miatt az árnyékoló hatás lecsökken [1]. A 7. ábrán [7] látható villámvédelmi rendszer a mágneses térrel szembeni védelemmel is rendelkezik. Az áramokra, feszültségekre és a mágneses terekre a következı összefüggések érvényesek: I2<I1<I0, U2<U1<U0, H2<H1<H0. 378
7. ábra. Térbeli árnyékolásokat és túlfeszültség-védelmi eszközöket tartalmazó rendszer Az elektronikai rendszereknél nagy szerepe van a lépcsızete túlfeszültség-védelemnek [1, 2, 3, 7]. Például a kétlépcsıs túlfeszültségvédelem elve a 8. ábrán látható. A védelemnél elıször a finomabb (pl. varisztor) SPD 2 szólal meg, a villámcsapás után kb. 1 µs-on belül ezáltal a feszültséget, a védett oldalnak megfelelı értékre korlátozza, majd ez indítja az SPD 1 durvább fokozatot (pl. szikraköz). Nagyon fontos, hogy az SPD 1 idıben mőködésben lépjen, különben az SPD 2 a nagy terheléstıl tönkre menne és a szikraközön nem alakulna ki a szikraköz gyújtási feszültsége (Ugy). Mivel Ugy = U2 + L di/dt, belátható, hogy a csatolóelemnek nagy szerepe van a szikraköz gyújtási feszültségének kialakulásában. Az áramkör kialakításánál rendkívül fontos a koordináció szabályainak betartása [7]. 379
8. ábra. A kétlépcsıs túlfeszültség-védelem elve Befejezés A villámvédelmi rendszerek tervezése, kivitelezése bonyolult, speciális ismereteket feltételezı feladatok. Ezeket speciális szaktudás nélkül nem lehet elvégezni. Az elektronikus berendezéseket (alrendszereket) tartalmazó komplex villamos rendszerek tervezésével, kivitelezésével, üzemeltetésével foglalkozó szakembereknek azonban a tématerület fontosabb elvi összefüggéseivel tisztában kell lenni. A cikkben tájékoztató jelleggel a villámvédelem néhány alapelvének bemutatására került sor, különös tekintettel a belsı villámvédelemre. 380
Felhasznált irodalom [1] Dr. Horváth T.: Villámvédelem. MEE, 2001. [2] Dr. Zsigmond Gy.: Fejezetek az elektrotechnikából. ZMNE, 2005 [3] Hasse, P.: Kisfeszültségő berendezések túlfeszültség-védelme. PROT-EL Kft., 2003. [4] MSZ EN 62305-1: 2006. Villámvédelem. (IEC 62305-1: 2006, Protection Against Lighting. Part 1: General Principles). [5] MSZ EN 62305-2: 2006. Villámvédelem. (IEC 62305-2: 2006, Protection Against Lighting. Part 2: Risk Management ). [6] MSZ EN 62305-3: 2009. Villámvédelem. (IEC 62305-3: 2006, Modified, Protection Against Lighting. Part 3: Physical Damage to Structures and Life Hazard). [7] MSZ EN 62305-4: 2006. Villámvédelem. (IEC 62305-4: 2006, Protection Against Lighting. Part 4: Electrical and Elecronic Systems Within Structures). 381