Túlfeszültség-védelmi eszközök alkalmazása
2010/3. lapszám | Kruppa Attila | 26 222 |
Figylem! Ez a cikk 14 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Cikkünkben az 1. típusú erősáramú túlfeszültség-védelmi eszközök alkalmazásának néhány szempontját tekintjük át. Ezek az eszközök kétségkívül csak kis részét alkotják egy-egy épület túlfeszültség-védelmi rendszerének, de működési elvükből és beépítésük helyéből fakadóan alapvetően befolyásolják a létesítmények üzembiztonságát.
SPD, avagy túlfeszültség-levezető
Mielőtt az alkalmazás kérdéseire rátérnénk, röviden említsük meg a túlfeszültség-védelmi eszközök használatos elnevezéseit. A magyar szaknyelvbe eredetileg túlfeszültség-levezetőként kerültek be ezek az eszközök, a német szakirodalomban korábban alkalmazott kifejezés (Überspannungsableiter) tükörfordításaként. Ez a kifejezés szemléletes, szakmailag azonban (német és magyar nyelven egyaránt) pontatlan, mert az elektrotechnikában a feszültség „levezetéséről” nem beszélhetünk. Ennek ellenére használata elfogadható, annál is inkább, mert az MSZ EN 61643-11 szabvány 2002-ben magyar nyelven megjelent kiadása (sőt az azóta megjelent szabványok egy része) is így említi ezeket az eszközöket. Újabban viszont az angol és német szakirodalom egyaránt túlfeszültség-védelmi eszközökről beszél (surge protective device, illetve Überspannungsschutzgerät). A kifejezés pontos, de hosszúsága miatt írásban és szóban nehezen kezelhető, ezért a cikkben az angol elnevezés rövidítésével,„SPD”-ként említjük. A szabványok változásával változott az SPD-k osztályozása is. Eszerint a korábbi „B”, „C” és „D” fokozatok helyett 1., 2. és 3. típusú SPD-ket különböztethetünk meg.
Az SPD-k alkalmazásának szabványi háttere
Az SPD-ket elsősorban villám eredetű túlfeszültség-impulzusok hatása elleni védekezésre alkalmazzuk, korlátozott hatásfokkal azonban képesek a kapcsolási tranziensek és a tartós túlfeszültségek (ún. TOV-k) elleni védelemre is. Ez tükröződik a szabványi háttérben, amely az SPD-k alkalmazásának szükségességét alapvetően a zivatartevékenység gyakorisága alapján ítéli meg. A gyakorlat szempontjából két alapesetet (1. ábra) kell különválasztani.
-Az SPD-k beépítése a létesítmény villámvédelmi biztonságával összefüggésben szükséges. Ebben az esetben a beépítés követelménye a villámvédelem létesítésére vonatkozó előírásokból (az OTSZ-ből, vagy az MSZ EN 62305-ből) ered.
-Az SPD-k beépítése a létesítmény villámvédelmi biztonságával összefüggésben nem szükséges (értve ez alatt azt, hogy az OTSZ-ből vagy az MSZ EN 62305-ből nem következik a beépítés szükségessége). Erre a szituációra is vonatkozik azonban az MSZ HD 60364 szabvány, amely esetenként akkor is megköveteli SPD-k alkalmazását, ha az nem következik a villámvédelem létesítésére vonatkozó előírásokból.
A két alapesetben eltérő méretezési módszert kell alkalmaznunk.
Beépítés az OTSZ, illetve az MSZ EN 62305 alapján
A beépítés a hatályos jogszabály, vagyis az OTSZ értelmében a villámvédelmi besorolás következménye, amely meghatározza, hogy a másodlagos hatások elleni védekezésnél melyik villámvédelmi szintnek (LPL) kell megfelelni. A védelmi szinteket a mára visszavont MSZ IEC 1312-1 tartalmazta, amelynek aktuális megfelelője az MSZ EN 62305-4. Az érvényes szabvány, vagyis az MSZ EN 62305 értelmében az SPD-k beépítését a villámvédelmi kockázatelemzés határozza meg. Ha a kockázatelemzés tartalmazza a túlfeszültség-védelmi rendszer kialakításának szükségességét (tehát a lépcsőzött túlfeszültség-védelem LPMS I, II, III vagy IV fokozattal a csatlakozó hálózatok jellemzőjeként van figyelembe véve), akkor a védelmet a fokozatnak megfelelő LPL villámvédelmi szint villámáram-paramétereire kell méretezni.
Az új szabvány annyiban szigorúbb az OTSZ-nél, hogy a csatlakozó hálózatok épületbe történő be- vagy kilépési pontján akkor is kell SPD-ket alkalmazni, ha a csatlakozó hálózatok jellemzőjeként túlfeszültség-védelmi eszközök alkalmazása nincs figyelembe véve, de az épületen a kockázatelemzésből következően villámhárító (LPS) kivitelezése szükséges. Ez esetben nem szükséges lépcsőzött (többfokozatú) túlfeszültség-védelmi rendszer kiépítése, mert az SPD-k feladata ilyenkor csupán a másodlagos kisülések elleni védekezés, nem pedig az elektronikus rendszerek meghibásodása elleni védekezés. Ez fontos követelménybeli különbség az OTSZ és az MSZ EN 62305 között, mégis, a csatlakozási pontokon beépített SPD méretezése szempontjából – a levezetőképesség meghatározására gondolva – lényegtelen.
Beépítés az MSZ HD 60364 alapján
A beépítés szükségességét kétféle eljárásban határozhatjuk meg, melyek közül a szabvány alkalmazója szabadon választhat.
-A villámvédelmi szabvány (MSZ EN 62305) részét képező kockázatelemzés alapján.
-A kisfeszültségű hálózat jellege (szabadvezetékes vagy földkábeles), a zivatartevékenység gyakorisága és a beépített berendezések lökőfeszültség-állósága alapján.
Az első eljárás lényegében egyenértékű az MSZ EN 62305 alapján történő alkalmazással. A második eljárás alkalmazásából az következik, hogy minden olyan (I. és II. lökőfeszültség-állósági osztályú) berendezést, amely szabadvezetékes hálózatrészt tartalmazó hálózatra csatlakozik, túlfeszültség-védelemmel kell ellátni, feltéve, hogy a zivataros napok száma (az ún. „AQ” külső hatás) egy évre vetített átlagos értékként több mint 25. Figyelembe véve, hogy a végponti kisfeszültségű berendezések döntő többsége II-es, esetleg I-es lökőfeszültség-állósági osztályú, valamint hogy a zivataros napok száma Magyarország területének nagyjából felén több mint 25, ez a követelmény a fogyasztók jelentős részénél SPD-k alkalmazásának szükségességét vonja maga után. Igaz, ebből csak a 2. típusú SPD-k alkalmazása következik, amelyeket a végponti berendezés lökőfeszültség-állóságától függően célszerű 3. típusúakkal kiegészíteni. (Ilyenkor tehát nem követeli meg a szabvány az 1. típusú SPD-k beépítését.)
Az SPD méretezése
Az említettek alapján – bármely előírásból indulunk is ki – az SPD-k méretezése két módszer alapján történik.
-Ha a beépítés csupán az MSZ HD 60364 alkalmazásának következménye (a kisfeszültségű hálózat jellege, a zivatartevékenység gyakorisága és a beépített berendezések lökőfeszültség-állósága, nem pedig a kockázatelemzés alapján), akkor 1. típusú SPD alkalmazása nem szükségszerű (de nyilván megengedett, sőt célszerű).
-Ha a beépítés bármely más előírás következménye, akkor a méretezést az MSZ EN 62305 alapján kell elvégezni.
Az első esetre az MSZ HD 60364 meghatároz minimális levezetőképességet, de ez az érték értelemszerűen a 2. típusú SPD-kre vonatkozik. Ha mégis 1. (vagy 1+2. típusú) SPD kerül beépítésre, ennek a követelménynek a teljesítése nem jelent gondot olyan gyártmányok teljesítésével, melyek levezetőképessége eléri a pólusonként 7 kA (10/350) értéket. A második esetre – ellentétben az elsővel – a minimális levezetőképesség nincs az MSZ HD 60364-ben közvetlenül meghatározva. Ekkor tehát a szó szoros értelmében „méretezni” kell az SPD-ket, kiindulva a villámvédelmi szinthez tartozó villámáram-csúcsértékből. Ez az áram-csúcsérték azonban nem azonos az SPD elvárt levezetőképességével, hiszen a villámáram a villámcsapás talppontjától a (helyi és távoli) földpotenciál felé több áramúton halad, emiatt az egyes áramutakra a villámáram csúcsértékének csak kisebb része esik majd (2. ábra). A tényleges villámáram-megoszlás (amely időben is változó) számítása nagyon bonyolult lenne, ezért az MSZ EN 62305-1 egyszerűsített formában is lehetővé teszi a kalkulációt, azzal a feltételezéssel élve, hogy a csatlakozó (vezetőképes) hálózatokon a villámáram-csúcsérték fele folyik majd a távoli földpotenciál irányába, egyenletesen eloszlásban.
Feltételezve, hogy az épület egyetlen betáplálással rendelkezik, más külső vezetőképes (villamos vagy gépészeti) hálózathoz nem csatlakozik, az egy pólusra számított minimális levezetőképességet a villámvédelmi szint függvényében az 1. táblázat mutatja. Az értékek egy- és kétfázisú betáplálások esetén a vezetékek számának csökkenésével fordított arányban növekednek, kettős betáplálás esetén feleződnek stb. Látható tehát, hogy a szabvány szerinti méretezésből nem egy fix érték adódik a megkövetelt levezetőképességre.
Az SPD kiválasztása
Az előbb leírtak alapján meghatározható, hogy szükséges-e 1. típusú (korábban B fokozatúnak nevezett) védelmi eszköz beépítése, és ha igen, milyen levezetőképességgel kell rendelkeznie. Azonban hibás az a szemlélet, amely az SPD kiválasztásakor csak a bemutatott méretezésre koncentrál. Nem szabad ugyanis megfeledkezni arról, hogy a levezetett áramnak az SPD-n kívül más villamos szerkezeteken (pl. vezetékeken, sorkapcsokon, túláramvédelmi eszközökön) is át kell folynia (3. és 4. ábra). Ebből a szempontból a túláramvédelmi eszközök sokszor szűk keresztmetszetnek bizonyulnak: hiába képes az SPD 25 kA villámáram levezetésére, ha a túláramvédelem feladatát kismegszakító látja el, amely villámáram vezetésére érdemben nem képes (mechanikailag sérül).
Hasonló probléma áll elő kis értékű olvadóbetétek alkalmazásakor is. Bár az olvadóbetét villámáram hatására bekövetkező mechanikai sérülésével (felrobbanásával) csak 63 A (gL/gG) alatti biztosító-betéteknél kell számolni, a 25 kA-es villámáram minden következmény nélküli átvezetéséhez 250 A-es betét szükséges! Az egyetlen TN-C betáplálással rendelkező épületek esetében, a villámvédelmi szint és a túláramvédelmi eszköz (főbiztosító) előbb leírtak értelmében alkalmazható minimális értékének összefüggését a 2. táblázat mutatja. Mondanunk sem kell, a közcélú kisfeszültségű hálózatra csatlakozó fogyasztók jelentős részénél az első túláramvédelmi eszköz nagysága nem éri el még a legkisebb, LPL III-IV védelmi szinthez tartozó minimális értéket sem.
Még rosszabb a helyzet az egy- és kétfázisú fogyasztók esetében, amelyeknél a méretezési módszerből következően a villámáramnak nagyobb része esik egy-egy áramútra. Ezekben az esetekben a „szabványos” túlfeszültség-védelem kialakításának nem csak az a feltétele, hogy az SPD levezetőképessége szabványos legyen, de a villamos szerkezeteket, mindenekelőtt a túláramvédelmi eszközöket is úgy kellene kiválasztani, hogy a meghatározott villámáramot képesek legyenek átvezetni. Ennek elvárása általában nem életszerű. Még új építésű épületeknél is nehéz ezt elérni, nemhogy a már meglévőknél, amelyeket utólag látnak el túlfeszültség-védelemmel! Ahol az üzembiztonság (folyamatos rendelkezésre állás) kulcsfontosságú, ott értelemszerűen a villamos szerkezeteket is úgy kell kiválasztani, hogy a méretezésből adódó villámáramot képesek legyenek vezetni. Ahol a folyamatos üzem kevésbé lényeges, viszont előtérbe kerül a gazdaságosság, ott gyakran értelmetlen a méretezésből adódó levezetőképességhez ragaszkodni.
A kiválasztás és alkalmazás egyéb szempontjai
SPD-k alkalmazásáról szólva még a szakemberek figyelmét is gyakran elkerüli az a tény, hogy az SPD-knek, különösen a szikraköz alapúaknak, nem elég csupán a levezetőképességét és a védelmi feszültségszintjét figyelembe venni. A túlfeszültség-impulzus hatására begyújtó szikraközökben kialakuló íven (a villámáram levezetését követően) a hálózat ún. utánfolyó zárlati áramot hajt át, melynek csúcsértéke a hálózati jellemzőktől (az SPD beépítésének helyén), a pillanatnyi feszültségtől (fázisszögtől) és a szikraköz felépítésétől függ. Az utánfolyó zárlati áramot egy határértéken belül a szikraköz önállóan is képes megszakítani, ez az ún. zárlati áram megszakítóképesség, amelynek csúcs- vagy effektív értékét kA-ben adják meg.
Ha a zárlati áram értéke nagyobb, mint a megszakítóképesség, az ívoltásról az előtét-biztosítónak (vagy ennek hiányában a főbiztosítónak) kell gondoskodnia. Mennél kisebb a szikraköz védelmi feszültségszintje (begyújtási vagy megszólalási feszültsége) annál gyakrabban kell a szikraköz begyújtására számítani, következésképp annál kritikusabb kérdés, hogy mekkora zárlati áramot képes önállóan megszakítani a szikraköz (mert ha az előtét-biztosító szakítja meg az ívet, akkor az egyúttal le is választja a túlfeszültség-védelmet a hálózatról). A védelmi feszültségszint az élettartammal kapcsolatban is felvet problémákat. A szikraközben kialakuló ív az elektródák eróziójához, így geometriájuk megváltozásához vezet. Márpedig a szikraköz működési jellemzőit (elsősorban a begyújtási feszültség nagyságát) a geometria döntően befolyásolja, ezért változása maga után vonja a szikraköz működési jellemzőinek megváltozását is. A vizsgálati szabványnak (MSZ EN 61643-11) ilyen, élettartammal kapcsolatos vizsgálatok nem képezik részét, így a gyártók még a bevizsgált termékek esetében sem feltétlenül rendelkeznek erre utaló adatokkal.
1. Táblázat: SPD-k egy pólusra számított minimális levezetőképessége | |||||||||
Háromfázisú betáplálás* | Kétfázisú betáplálás* | Egyfázisú betáplálás* | |||||||
Villámvédelmi szint | LPL I | LPL II | LPL III-IV | LPL I | LPL II | LPL III-IV | LPL I | LPL II | LPL III-IV |
Egy pólusra számított minimális levezetőképesség, kA (10/350 μs) | 25 | 17,5 | 12,5 | 33,3 | 25 | 16,6 | 50 | 37,5 | 25 |
*: TN-C, azaz PEN-vezetős betáplálás esetén |
2. Táblázat: Az egy pólusra számított villámáram levezetésére alkalmas olvadóbetétek minimális értéke | |||||||||
Háromfázisú betáplálás* | Kétfázisú betáplálás* | Egyfázisú betáplálás* | |||||||
Villámvédelmi szint | LPL I | LPL II | LPL III-IV | LPL I | LPL II | LPL III-IV | LPL I | LPL II | LPL III-IV |
Olvadóbetét minimális értéke, A (gL/gG) | 250 | 160 | 125 | 350 | 250 | 160 | 500 | 350 | 250 |
*: TN-C, azaz PEN-vezetős betáplálás esetén |
Összefoglalás
Az SPD-k szakszerű kiválasztása láthatólag összetett feladat. Az a folyamat, amelyben a környezeti adottságoktól elvonatkoztatva, csupán a beépítendő eszközök műszaki adataira koncentrálva születik döntés, kétféle eredménnyel járhat. Az egyikben a beépített SPD-k csökkentik az üzembiztonságot. A másikban – és szerencsére ez a gyakoribb – a túlfeszültség-védelmet túlméretezett, egyúttal indokolatlanul költséges SPD-k biztosítják majd.
Túlfeszültség-védelemVillámvédelem