Villamos szakmai rendszerszemlélet IV.

Belső túlfeszültség-védelmi rendszer I.

A Villamos szakmai rendszerszemléletet címmel indított cikksorozat bevezető részében felsorolt rendszerelemek közül a külső villámvédelmi rendszer után következőként most a belső túlfeszültség-védelmi rendszert tárgyaljuk.

Belső túlfeszültség-védelem alatt az erősáramú villamos gyakorlat szempontjából az épületek és hasonló létesítmények erősáramú vezetékhálózatai és az arról ellátott villamos készülékek túlfeszültségek elleni védelmét értjük. Rendszerről azért kell beszélnünk, mert a védelem teljes műszaki értékkel történő megvalósításához több műszaki intézkedés tervszerű, összehangolt alkalmazása szükséges. Más célú – az épület erősáramú hálózatával kapcsolatba nem kerülő –, épületen kívüli vezetékes rendszerek, valamint az arra csatlakozó készülékek védelme is szükséges lehet, például robbanásveszélyes környezetben. Ezeket a kérdéseket terjedelmi okokból nem tárgyaljuk.

A túlfeszültségek elleni védelem a következőkben felsorolt jogszabályra és szabványokra épül.

- 9/2008. (II. 22.) ÖTM rendelet az Országos Tűzvédelmi Szabályzat kiadásáról (korábban 2/2002 (I. 23.) BM rendelet)
- IEC 1024-1:1990 Protection of Structures against Lightning - Part 1: General Principles /Építmények villámvédelme 1. rész: Általános alapelvek/
- MSZ IEC 1312-1:1997 Az elektromágneses villámimpulzus elleni védelem. 1. rész: Általános alapelvek
- MSZ HD 60364-4-443:2007 (Angol nyelvű!) Épületek villamos berendezéseinek létesítése. 4-44. rész: Biztonság. Feszültségzavarok és elektromágneses zavarok elleni védelem. 443. fejezet: Légköri vagy kapcsolási eredetű túlfeszültségek elleni védelem (korábban: MSZ 2364-443:2002)
- MSZ EN 62305-1:2006 (Angol nyelvű!) Villámvédelem. 1. rész: Általános alapelvek (IEC 62305-1:2006)
- MSZ EN 62305-2:2006 (Angol nyelvű!) Villámvédelem. 2. rész: Kockázatelemzés (IEC 62305-2:2006)
- MSZ EN 62305-3:2006 (Angol nyelvű!) Villámvédelem. 3. rész: A létesítmények fizikai károsodása és életveszély (IEC 62305-3:2006, módosítva)
- MSZ EN 62305-4:2006 (Angol nyelvű!) Villámvédelem. 4. rész: Villamos és elektronikus rendszerek létesítményekben (IEC 62305-4:2006)
- MSZ EN 61000 (szabványsorozat!) Elektromágneses összeférhetőség (EMC)

A túlfeszültségek keletkezésének, hatásmechanizmusának és az ellene való védekezés témakörének teljes mélységű ismerete jórészt speciális mérnöki ismereteket feltételez. A túlfeszültségek elleni védelem szakterülete sok más kérdéssel (pl. EMC -vel, impulzustechnikával) szervesen kapcsolódik. Ezt semmiképp ne vegyük elijesztésnek, de tudatában kell lenni annak, hogy munkánk során ne tévedjünk olyan területre, amihez nincs megfelelő ismeretünk, mivel meg nem engedhető módon beleavatkozva a villám részáramainak útjába bizonyosan több kárt csinálunk, mint hasznot és a védelem meglétének hamis látszatán túl még veszélyhelyzeteket is teremthetünk. A számos előírásba foglalt, összetett ismeretrendszer miatt a kifogástalanul működő védelmi rendszerek megtervezéséhez sok esetben komplex EMC-ismeretekkel rendelkező villámvédelmi szakértő bevonása szükséges. Lényeges, hogy minden szakember csak addig a szakmai határig vállaljon feladatokat és hozzon szakmai döntéseket, ameddig tényleges ismeretei kiterjednek.

Az itt közölt ismeretanyag villanyszerelő szakmai szinten igyekszik felvázolni a kérdést, de ez csupán a legegyszerűbb esetek összefüggéseit tárja fel. A hibák elkövetésének megelőzése érdekében az első pár esetben mindenképpen tanácsos szakértői segítség igénybevétele. Az összetettebb szakmai kérdések elsajátítása tanulást és hosszabb tapasztalatszerzést feltételez.
Önmagában az is nagyon lényeges, hogy megfelelő ismeretek birtokában erősáramú villamos kivitelezői tevékenységünk során figyelembe tudjuk (és természetesen figyelembe is kell) venni az EMC és a túlfeszültség elleni védelem kialakítási szempontjait. Ha így járunk el, semmi olyat nem „követünk el”, ami a védelem – esetleg későbbi – kiépítését megnehezíti, illetve lehetséges hatékonyságát rontja, esetleg veszélyhelyzet kialakulásához vezethet.

Általános szempontok
A vezetékes rendszerek túlfeszültségek elleni védelme – az Országos Tűzvédelmi Szabályzat (OTSZ) előírásai alapján – a belső villámvédelem részeként valósítandó meg, tehát élet- és vagyonvédelmi célt szolgál. E kötelező érvényű jogszabály alapján természetesen nemcsak az erősáramú vezetékhálózaton és az arról táplált villamos készülékek erősáramú bemenetein kell megvalósítani a védelmet, hanem minden, az épületben található vezetékes rendszeren.
Megjegyzendő, hogy belső villámvédelem annyival több a túlfeszültség elleni védelem fogalmánál, hogy magába foglalja mindazon intézkedéseket is, amelyek a villám másodlagos hatásai elleni védekezés céljából szükségesek. Az épületet vagy közvetlen környezetét érő villámcsapás esetén ugyanis egyes vezetőképes épületszerkezetek túl nagy értékű potenciálkülönbséget hidalhatnak át az épületen belül és/vagy túlzottan megközelíthetik az épület külső oldalán felszerelt villámhárító berendezést, ami átíveléshez vezethet, tüzet okozhat, így ezt meg kell akadályozni. Ugyancsak számolni kell azzal, hogy az elektromágneses villámimpulzus (LEMP ) a zárt, vezetőképes hurkokban túlfeszültséget, túláramot indukál, ami szintén tűzveszélyes lehet.
A túlfeszültség elleni védelem külső villámvédelemmel összefüggő alapszempontjai a következők.
- Az OTSZ III. fejezetében foglalt előírások alapján kell megállapítani, hogy egy épület, létesítmény igényel-e külső villámvédelmi berendezést, és ha igen, akkor az milyen kiépítésű kell legyen.
- A villámvédelem kialakítására vonatkozó műszaki előírásokat – úgy a külső, mint a belső villámvédelemre vonatkozóan – jogosult tervező által elkészített villámvédelmi tervnek kell tartalmaznia.
- Amennyiben az épület villámvédelmi besorolása alapján külső villámvédelmi berendezés létesítése szükséges, akkor ennek részeként kötelező a másodlagos hatások elleni (belső) védelem kiépítése is. Vegyük észre, hogy ez akkor is szempont, ha egy korábban létesült épületen van külső villámvédelmi berendezés, még nincs kiépítve azonban a belső túlfeszültség elleni védelem rendszere. Ilyenkor az épület erősáramú hálózatának rekonstrukciója esetén a jogszabály szerint szükséges kiépíteni a túlfeszültség elleni védelmet.
- A túlfeszültségekből eredő kár-kockázatok elemzése alapján a külső villámvédelem meglététől függetlenül is szükséges lehet a túlfeszültség elleni védelem kialakítása (pl. az épület használójának igénye alapján). Lényeges, hogy a túlfeszültség elleni védelem kialakítása csak a vonatkozó előírásoknak megfelelő lehet (a továbbiakban ezt részletezzük). Csak a szabványelőírásoknak megfelelő védelem alakítható ki, mivel a szabványtalan kialakítások veszélyesek lehetnek: nem megfelelő módon beleavatkoznak az épületen belüli villámáram-eloszlás útjaiba. A védelem rendszerszintű kialakítására érdemes tervet készíteni, főleg, ha az épület túlfeszültség-védelmi rendszere összetettebb, mint az alapeset.
- A villámvédelmi tervben foglaltak betartása az élet védelme és a vagyoni károk megelőzésének érdekében a villamos kivitelező számára kötelező. Egy esetben sem szabad elmulasztani a megfelelő dokumentálást!

Amit az EMC-ről tudni kell
Az elektromágneses összeférhetőség (elektromágneses kompatibilitás, EMC) kérdésének szabvány szintű szabályozása az MSZ EN 61000 Elektromágneses összeférhetőség című nemzetközi szabványsorozat számos szabványában, témakörönkénti tárgyalásban található.
Az EMC alapja, hogy minden villamos készülék elektromágneses kölcsönhatásban van környezetével, ezért a készülékek és berendezések zavartalan működéshez egyidejűleg két dolog szükséges:
- minden készüléknek és berendezésnek bizonyos zavartűrő képességgel kell rendelkeznie, ennek hiányában a mai villamos környezetekben használhatatlan lenne, hibásan működne vagy akár rövid időn belül meg is hibásodna;
- egy villamos készülék vagy berendezés sem bocsáthat ki a megengedett értékűnél nagyobb elektromágneses zavart, mert ez más készülékek nem kívánt zavarását okozza vagy okozhatja.
A vonatkozó szabványelőírások a zavartűrés és a zavarkeltés összeférhetőségi szintjeit szabályozzák (zavartávolság szempontjából koordinálják) úgy gyengeáramú, mint erősáramú szempontból. A szabvány hatálya minden villamos berendezésre (gyártmányokra, szerelésre, készülékekre, készülék-alkalmazásokra, tápellátásra stb.) kiterjed.

Környezetünk elektromágneses szempontból egyre „szennyezettebbé” válik. Lassan elektromágneses környezetszennyezésről kell beszélnünk, ami egyre fokozódó mértékű és nehezen elkerülhető, könnyen zavaró is lehet, ennek elkerülésére védekezés szükséges. A védekezés aktív és passzív műszaki eszközök alkalmazásával lehetséges. Aktív eszközök például a zavarszűrő egységek, a passzív eszközökre az árnyékolások alkalmazása, valamint a zavarkeltő és a zavar-érzékeny készülék kölcsönösen megfelelő elhelyezése megfelelő példa.

A túlfeszültségek felléptének és károkozásának kockázata
Egy-egy épület esetében kicsi a közvetlen villámcsapás bekövetkezési valószínűsége. A védekezés szükségességére vonatkozó döntés meghozatalához azonban nem lehet ebből kiindulni, mivel a túlfeszültség jellegű zavarok károkozó képességének mértéke és a károkozás kockázata egyre nő. Ennek több oka is van.

- Munkánk, komfortunk, biztonságunk és szórakozásunk céljából egyre több villamos készüléket használunk. Egyes készülékek meghibásodása jelentős komfortcsökkenést, illetve olyan helyzeteket eredményez, amire nem vagyunk felkészülve.
- A villamos készülékek döntő hányada zavarokra és túlfeszültség-behatásra érzékeny elektronikus alkatrészeket is tartalmaz. Ezek általában integrált áramköri részegységek, amelyek vagy nem javíthatók, vagy a javítás igen költséges, esetleg nincs is rá lehetőség.
- Az utóbbi időben számottevően megnőtt az épületen kívülről érkező, épületeket behálózó, galvanikusan összefüggő és egymással túlfeszültség-védelmi szempontból összefüggő vezetékes rendszerek száma és kiterjedtsége (erősáramú hálózat, épületautomatizálási rendszer vezetékei, kábeltévé, telefon, zártláncú TV, riasztóberendezés, számítógépes hálózat stb.). E rendszerek egymással hurkokat alkothatnak, közöttük bármikor túlfeszültségek léphetnek fel.
- Az előforduló kár-következményeknek csak kis része a tényleges fizikai kár. A készülékek és berendezések funkcionális rendelkezésre állásának hiánya, a komfortcsökkenés és funkcióvesztés vagy hibás működés miatti közvetett károk, hátrányok (pl. számítógépes adatvesztés, riasztórendszer működésképtelensége, meg nem engedhető hibás működések stb.) akár sokkal súlyosabb következménnyel járhatnak.
- A védendő készülékek egyidejűleg több vezetékes rendszerre kapcsolódnak. A különböző vezetékes rendszerek között is felléphetnek meg nem engedhető túlfeszültségek, ami ellen védekezni kell.
- Hazánkban a vidéki települések villamosenergia-ellátása döntően szabadvezetékes ellátással valósul meg, ami önmagában is növeli a túlfeszültségek megjelenésének kockázatát.
- Amennyiben a klímaváltozásra vonatkozó előrejelzések valósak, úgy növekedhet a zivataros napok száma és a zivatarok erőssége, ami a villámtevékenység növekedése is egyben.

A felhasználói készülékek villamosenergia-ellátása – az elemes és akkumulátoros készülékek kivételével – az épület erősáramú vezetékhálózatairól valósul meg. E készülékek jelentős részének kikapcsolt állapota is csupán készenléti (STANDBY) üzemmód, amikor a tápegység üzemben van. A készülékek hálózatról való leválasztása csak kézi kapcsolási vagy szétcsatlakoztatási művelettel valósítható meg, ami értelemszerűen nem tehető napi gyakorlattá. Ezért az erősáramú hálózaton olyan védelem kiépítése szükséges, ami állandóan jelen van.

A felhasználói villamos készülékek többsége alapvetően épületen belül – tehát közvetlen villámcsapásnak ki nem tett helyen – üzemel, de az előbb felsorolt tényezők miatt műszaki védelem alkalmazása nélkül túl nagy lehet a kárkockázat. Mindezek alapján a felhasználói berendezések túlfeszültségek elleni védelmének egyre fokozódik a jelentősége és a szükségessége.

Növeli a villámkárok kockázatát, ha
- a zivataros napok száma évente 25 nél nagyobb,
- az épület csatlakozása szabadvezeték-hálózatról történik,
- olyan magaslati pont, épület van a közelben, amit gyakran ér villámcsapás (rádiótelefon-bázisállomás, templom, víztorony stb.).

A túlfeszültségek fogalma

A túlfeszültségek villamos zavarok, tranziens feszültség- és áramjelenségek. A túlfeszültségek következményeként fellépő hatásokat a védett térbe, a védendő vezetékhálózatba, a védendő készülékbe behatoló zavarjel teljesítménye és energiatartalma határozza meg. Ennek megfelelően a zavarjelenségek energetikai skálája a rádió hangszórójában alig hallható sercegéstől a robbanást, tüzet, életveszélyt, szerencsétlen esetben balesetet okozó közvetlen villámcsapás pusztító rombolásáig terjed.

A túlfeszültségek potenciálkülönbségekként jelennek meg (legalább két pont között). A két pont sokféleképpen értelmezhető, lehet két vezeték, két vezetékes rendszer, avagy éppen készülék test és földelt szerkezet között. Ne feledjük, hogy bármely földelt szerkezet csak addig földpotenciálú, míg rajta keresztül áram nem folyik a föld felé. A föld felé folyó áram az áramúton feszültségesést hoz létre, ami az addig földeltnek tekintett szerkezet potenciálját megemeli. A nagy értékű villámáram egy épület földelőrendszerének potenciálját a levezetés időtartamában akár több ezer volt feszültségre is megemelheti, ami életvédelmi szempontból is veszélyes. Túlfeszültségek nem csak egy okból keletkezhetnek. A gyakorlatban a túlfeszültséget keltő hatások eredője érvényesül, ez határozza meg két adott pont között a ténylegesen fellépő potenciálkülönbség értékét.

A túlfeszültségek meg nem határozható időpontban, előre meg nem állapítható polaritással és értékkel, de jellemzően rövid, többnyire ezredmásodperc nagyságrendű időtartamban jelennek meg. A védelemnek ezért állandóan üzemképesen kell rendelkezésre állnia. A túlfeszültségként fellépő zavarjeleket impulzustüskének, vagy tűimpulzusnak is nevezik (lásd az 1. sz. ábrát).

Az 1. sz. ábra bal oldali rajzán, a hálózati feszültség pozitív és negatív feszültség-félhullámán pozitív polaritással megjelenő zavartüskék láthatók. A jobb oldali rajzon ugyanezek az impulzusok láthatók akkor, amikor a hálózaton túlfeszültség-korlátozó készülék van jelen, ami a feszültségtüskék csúcsértékét megszólalásával (működése által) korlátozza, vágja. A jobb oldali diagram függőleges tengelyén feltüntetett UP feszültségérték a túlfeszültség-korlátozó készülék védelmi szintje.

A túlfeszültségek keletkezése és behatolása az épület belsejébe
Ne feledjük, hogy a villám impulzusjelenség, ezért a vele kapcsolatos jelenségeket csak impulzustechnikai alapon lehet értelmezni és kezelni, az erősáramú elektrotechnikában szokásos megközelítések erre nem alkalmasak.

A villámkisülések hatalmas pillanatnyi energia felszabadulással járnak. A kisülések energiája a környezetbe hő-, fény-, hang- és elektromágneses impulzus kisugárzása útján terjed szét. A felhőkben felgyülemlett töltések által tárolt, egyébként is a nagy energiamennyiség villámkisülés általi, pillanatszerű felszabadulása több száztól akár több ezer gigawattig terjedő, pillanatnyi teljesítményét jelenti. Ez a hatalmas, pillanatnyi teljesítmény a villámok veszélyességének és rombolóképességének fő oka. A villám, mint jelenség, a robbanások villamos megfelelőjeként is felfogható. A robbanások pusztító erejének is a rendkívül nagy pillanatnyi teljesítmény az oka.

A villám túlfeszültségeket eredményező hatásait csatolási mechanizmusoknak nevezzük. A becsatolás a következő lehet.
- Ohmos vagy vezetési csatolás
Az épületet érő villámcsapás levezetési árama a földelőrendszer (és így az egész épület) potenciálját az addigi nyugvó (föld-) potenciálról u = R x I értékre emeli meg. Ez a potenciálemelkedés akár sokszor tíz kilovolt értékű is lehet, és villám-részáramot hajt át minden olyan vezetőképes szerkezeten, aminek egyik vége az épület földelőrendszerérel, a másik vége pedig egy másik (távoli) földpotenciálra csatlakozik. Így oszlik el a villámáram az összes rendelkezésre álló vezetési utat igénybe véve. Az épületen fellépő potenciálemelkedés (potenciálugrás) túlfeszültséget jelentő potenciál-különbségként jelenik meg minden, épületen kívülről érkező vezetékes rendszerhez képest. Ezért (is) szükséges minden fémes, vezetőképes rendszert potenciálkiegyenlítés céljából az épületbe csatlakozás helyén bekötni az EPH-rendszerbe (ez az előírt összecsatolások egyik megvalósulása). A villámáram egy része az épületen belül is megjelenhet és folyhat a házi fémhálózat elemein, EPH-kapcsolatokon és –utakon, védővezetőkön.
- Csatolás mágneses erőtér útján (induktív csatolás)

Az elektromágneses villámimpulzus legjellemzőbb módon fellépő csatolási módja az induktív csatolás. A villámcsatornában vagy más úton folyó villámáram az áramút környezetében igen erős, gyorsan változó mágneses teret kelt, ami a mágneses indukció törvényének megfelelően minden vezetőképes szerkezetben feszültséget indukál (az egyenes vezetőkben is). Lényeges, hogy az indukciós hatás az épületek belső tereiben szinte akadálytalanul megjelenik. Fokozottan lép fel az induktív csatolás a villámhárító levezetővel párhuzamosan haladó vezetékekben az épületfal belső oldalán, illetve mindazon vezetékekben, amelyek nyomvonala rész-villámáramok által átjárt vezetékkel vagy szerkezettel párhuzamosan halad. Ezért az ilyen elrendezéseket kerülni vagy minimalizálni kell.

- Csatolás villamos erőtér útján (kapacitív csatolás)

A felhőkben felgyülemlett töltések a villámcsapással kiegyenlítődnek, ami pillanatszerűen megváltoztatja a tér addig közel nyugvó, illetve lassú változású töltéseloszlását, a villamos erőtér irányát és értékét, szakszerű kifejezéssel élve, jelentős tértöltés-változás következik be. A villamos tér hirtelen megváltozása a villamos szempontból árnyékolatlan külső térben a vezetőképes szerkezetekben jelen levő töltéshordozókat (elektronokat) hirtelen áramlásra, új elrendeződésre kényszeríti. Ez az igen gyors töltés-átrendeződés a villámcsapás pillanatában egy áramimpulzust okoz, aminek nagysága az elmozduló, átrendeződő töltések mennyiségétől függ. Itt sajátos módon még nyitott áramkörben is pillanatszerűen áram fog folyni a vezetőképes szerkezetekben! A kapacitív csatolás az épületek belső tereiben az épületszerkezetek árnyékoló hatása miatt már csak nagyon korlátozottan léphet fel, de a nyílászáróknál a falak védőhatása nem folytonos, tehát ott az épület belső terében is létrejöhet a becsatolás. A kapacitív csatolás csak a föld feletti, árnyékolatlan vezetékeken okoz túlfeszültség-impulzust (így például a kisfeszültségű szabadvezeték-hálózatokon), a létrejövő túlfeszültség vezetés útján azonban becsatolhat az épületbe.

Mint szó volt róla, a villám rendkívül nagy áramerősség-értéke és az igen nagy áramváltozási sebessége (árammeredeksége) miatt elektromágneses sugárzás útján jelentős mennyiségű energiát sugároz ki a villámcsatorna , illetve a villám becsapási pontjától a földig vezető áramút körüli térbe. A LEMP elektromágneses hatása az épületek belső tereibe szinte akadálytalanul behatol és indukció útján hat. Ezt elektromágnes sokknak is nevezik. Vezetőkből vagy vezetőképes anyagokból álló hurkok esetében az indukálódó feszültség nagyon nagy értékű (akár 100 kV is) lehet, ami átíveléseket okozhat. Ez gyakran megtörténik, és nem kell, hogy a hurkot felépítő vezetők azonos vezetékes rendszer részei legyenek. Zárt hurkokra azért veszélyes ez a hatás, mert igen nagy áramok léphetnek fel, ami elégetheti a hurkot alkotó vezetőket. A nyitott hurkok átívelés útján könnyen záródhatnak.
Alapvető, hogy a villámcsapások másodlagos hatásaként megjelenő túlfeszültségek elleni védekezés kizárólag akkor lehet eredményes, ha a védelmi rendszeren minden olyan rés „be van tömve”, ahol a túlfeszültség vagy a túlfeszültséget keltő hatás a védett térbe behatolhat (ezek a becsatolási pontok, illetve helyek). A túlfeszültség-védelmi rendszerek réseinek felfedése és megszüntetése komplex EMC-ismereteket és nagyfokú szakmai jártasságot igényel, erre itt nem tudunk kitérni.

Forrás: Ádám Zoltán, www.villanyszaklap.hu