Villamos szakmai rendszerszemlélet V.

Belső túlfeszültség-védelmi rendszer II.

A túlfeszültségek elleni védekezés alapelvei
Túlfeszültség-behatások ellen védett, illetve védendő tér alatt az épületek teljes belső terét értjük, illetve szeretnénk érteni. Ez csak akkor teljesül, ha az ehhez szükséges műszaki intézkedéseket maradéktalanul megtettük, tehát kiépült a rendszerszinten tervezett, megfelelően működő műszaki védelem. A védekezés elvét a vonatkozó szabványban megfogalmazott zónahatár-koncepció alapozza meg. Erre az elvre épül a lépcsőzött kialakítású túlfeszültség elleni védelem, ami több, összehangolt működésű védelmi eszköz alkalmazásával koordinált védelmi rendszer kialakítását teszi lehetővé.

A vonatkozó szabvány előírásai szerint az elektromágneses villámimpulzus (LEMP) elleni védekezés megvalósítása érdekében az alábbiak szerint kell eljárni.
- A védendő teret védelmi zónákra (jele: LPZ ) kell osztani, ahol a védelem nélküli szabadtér (ahol a LEMP csillapítatlanul érvényesül) LPZ0 jelével kezdődően annál magasabb fokú a védelem, minél nagyobb a zóna száma (LPZ1, LPZ2…).
- Meg kell határozni a különböző LEMP-hatásoknak kitett térrészeket (folyik e át az adott téren rész-villámáram, milyen csillapításokkal lehet számolni stb.). Ennek megfelelően szükséges kiválasztani a védelmi intézkedéseket.
- A kijelölt zónák határain minden vezetőképes szerkezetre, erősáramú és jelátviteli vezetékre ki kell jelölni az összecsatolási pontokat .

 

A túlfeszültség-védelmi elv szabvány szerinti felépülése a zóna-koncepció.
Egy erősáramú vezetékhálózat koordinált túlfeszültség-védelmi rendszere a szükséges számú védelmi eszköz megfelelő helyeken történő alkalmazásával, lépcsőzött kialakításban valósítja meg a védelmet a vezetékhálózat teljes hosszán, a hálózat végpontjaira csatlakoztatott, védeni kívánt villamos készülékekkel együtt, ami a vezetékhálózatra nézve megfelel az adott villamos szerkezetek szabványban előírt lökőfeszültség-állóságának, illetve a villamos készülékek vonatkozó termékszabványokban megkövetelt túlfeszültség-állóságának is.
A koordináció a védelmi eszközök összehangolt kiválasztását jelenti úgy levezető-képesség, mint az eszközök védelmi szintjeinek szempontjából. Ennek megfelelően az erősáramú vezetékhálózaton durva-, közép- és finomvédelem alkalmazandó az ehhez szükséges 1., 2 és 3. osztályú védelmi eszközök (túlfeszültség-korlátozó készülékek) beépítésével. A beépítés során a vonatkozó szabványelőírásokat és a gyártói előírásokat egyaránt kötelező betartani.
Egy védelmi lépcső alkalmazásával teljes körű védelem a vezetékhálózatok kiterjedése miatt nem alakítható ki. Előfordulhat az, hogy egyes védelmi lépcsőket a vezetékhálózat nagyobb kiterjedése miatt többször is alkalmazni kell.
Az épületen belül szükség lehet olyan tér, vagy terek (pl. helyiség) kijelölésére, ahol fokozottabb védelem szükséges. Figyelembe kell venni, hogy a LEMP az épület belső terében is hat (amennyiben ellene jól kiépített passzív védelem nem létesült). A védett térrészek kijelölésébe utolsó védelmi zónaként fémburkolattal rendelkező készülékek (ezek belső terei) tartozhatnak.
Figyelembe kell venni, hogy a LEMP a villámcsatornától, a villám áramútjától távolabb is képes villamos hatásokat kelteni, amit másodlagos hatásoknak nevezünk és ami ugyancsak károkat idézhet elő. Földi tárgyba csapó villámok esetén az elektromágneses villámimpulzus veszélyeztetési távolsága villámáramtól és a környezet csillapításaitól függően a becsapási pont köré írható 1,5…10 kilométer sugarú kör. A nagyvárosi, vasbeton szerkezetű magas házas környezetekben kisebb veszélyeztetési távolsággal kell számolni, de ha a környezet egy pontjába (pl. toronyba) sűrűbben csaphat a villám, akkor ott helyileg nő a veszélyeztetettség.
A szabvány alapján 200 kA értékű villámárammal számolunk, és az a megközelítés, hogy a becsapási ponton a villám áramának 50%-a a rendelkezésre álló utakon közvetlenül a földbe folyik le (attól függetlenül, hogy van-e külső villámvédelmi felfogó- és levezető rendszer). A villámáram másik fele a rendelkezésre álló vezetési utakon, a vezetési utak impedanciáival fordítottan arányos értékekkel távozik el a távolabbi, földpotenciálú pontok felé. A villámáram megosztott hányadát rész-villámáramnak nevezzük.
A fém anyagú víz- és gázvezetékre, valamint a közcélú, kisfeszültségű hálózat felől érkező erősáramú csatlakozásra a villám részáramainak közel azonos hányada terhelődik. A gáz- és vízhálózat csövei azonban egyre gyakrabban műanyagból készülnek, így előfordulhat, hogy a villámáram 50% a, tehát 100 kA fog folyni a csatlakozóvezetéken, ami igen jelentős többlet!
Az épület erősáramú csatlakozása szempontjából nem mindegy, hogy egy-, vagy háromfázisú szabadvezetékes csatlakozásról beszélünk (a földkábeles csatlakozás mindig háromfázisú). Egyfázisú szigetelt szabadvezetékes csatlakozás esetében a rész-villámáramok számára csak két vezető áll rendelkezésre, ami a háromfázisú csatlakozáshoz képest pontosan kétszeres villámáram-terhelést jelent. Ugyanez az arány áll fenn a felhasználói vezetékhálózatra és az azon elhelyezett túlfeszültség-védelmi eszközökre nézve is. Ez azt jelenti, hogy egyfázisú szigetelt szabadvezetékes csatlakozás esetén masszívabb és jobb minőségű védelmi eszközök szükségesek a háromfázisú esettel azonos szintű védelem eléréséhez.
Ne feledkezzünk meg arról, hogy ha az épületből bármely céllal kábel vagy vezeték csatlakozik a belső felhasználói hálózatról az épületen kívülre (garázs, alsóépület, szökőkút, hidrofor, öntözőberendezés, kapunyitó ellátása stb.), akkor ezekre vonatkozóan is meg kell valósítani az összecsatolásokat! Ez vagy az áramkörök túlfeszültség elleni védelmének megvalósításával lehetséges, vagy oly módon, hogy amikor az áramkörök vezetői üzemen kívüli állapotban vannak, akkor automatikusan földeltek lesznek. Ennek érdekében célszerű ezeket az áramköri funkciókat olyan mágneskapcsolós vagy erősáramú relés megoldással üzemeltetni, ami biztosítja, hogy az áramkörök kikapcsolt állapotában minden vezető földeltté váljon. Ez természetesen nem valósítható meg azoknál a vezetékeknél, amelyeknek üzemszerűen feszültség alatt kell állniuk.

A túlfeszültségek elleni védelem kialakítása
Itt egy épület erősáramú vezetékhálózatán, három védelmi lépcsővel megvalósított koordinált túlfeszültség elleni védelem helyes kialakítását vázoljuk fel.
A védelem az előzőekben már említett módon durva-, közép- és finomvédelmi készülékek (túlfeszültség-korlátozó készülékek, SPD -k) felhasználásával alakítandó ki. A legjobb műszaki eredményt (korrekt koordinációt, megfelelő megbízhatóságot és kedvező élettartam-költséget) a klasszikus elvek szerinti három lépcsős kialakítás adja.
Az 1. számú ábrán egy erősáramú ellátással rendelkező épület látható, amelynek belső villamos hálózata koordinált kialakítású túlfeszültség elleni védelemmel van ellátva. A zónakoncepciónak megfelelően ki vannak jelölve a védelmi zónák, a zónahatárokon pedig megfelelő túlfeszültség-korlátozó készülék alkalmazásával meg vannak valósítva a szükséges összecsatolások. A védelemmel nem rendelkező szabadteret nem kell kijelölni, adott.
- Az LPZ0/LPZ1 zónahatáron van elhelyezve a durvavédelmi (1. követelmény-osztályú) védelmi eszköz, ami saját védelmi szintjének megfelelő értékre (4 kV alá) korlátozza az utána következő, védett hálózaton előforduló túlfeszültségek legnagyobb értékét.
- Az LPZ1/LPZ2 zónahatáron van elhelyezve a középvédelmi (2. követelmény-osztályú) védelmi eszköz, ami saját védelmi szintjének megfelelő értékre (2,5 kV alá) korlátozza az utána következő, védett hálózaton előforduló túlfeszültségek legnagyobb értékét.
- Az LPZ2/LPZ3 zónahatáron, a védendő hálózat végpontjain, illetve a védeni kívánt villamos készülékek tápfeszültség-kapcsainál vannak elhelyezve a finomvédelmi (3-4. követelmény-osztályú) védelmi eszközök, ami saját védelmi szintjüknek megfelelő értékre (1,5 kV alá) korlátozzák az előforduló túlfeszültségek legnagyobb értékét.

A túlfeszültség-védelmi rendszerek mindig hátulról előre működnek. Túlfeszültség-behatás fellépte esetén először a legkisebb védelmi szintet képviselő védelmi eszközökön (finomvédelem, illetve készülékvédelem) kezd el levezetési áram folyni a föld felé. Ha a túlfeszültség behatoló energiájának nagysága miatt a legkisebb védelmi szint eszközeinek működése ellenére tovább nő a túlfeszültség értéke, akkor a megelőző védelmi szint, a középvédelem készüléke is működni kezd, és azon is levezetési áram kezd el folyni a föld felé. Amennyiben még mindig tovább nő a túlfeszültség, és értéke eléri a durvavédelem védelmi szintjét, akkor ez az eszköz is megszólal, és nagyáramú levezetéssel elvégzi a potenciálkiegyenlítést. Mindez természetesen rendkívül gyorsan és összehangoltan zajlik (kommutáció).

A 1. sz. ábra bemutatja a háromlépcsős túlfeszültség-védelmi rendszer alkalmazásával elérhető túlfeszültség-koordinációt. A kék színű görbe a túlfeszültség csillapított értékét mutatja a vezetékhálózat hosszán. A rózsaszín görbe a szabványban meghatározott védelmi szinteket ábrázolja. Látható, hogy a kék görbe az épületen belül mindenütt alatta van a rózsaszín görbének, tehát a túlfeszültség elleni védelem kialakítása megfelelő. Megjegyzendő, hogy az egyes készülékek között elfogadható minimális és maximális (vezetékhosszban értelmezett) távolságot a gyártók telepítési előírásai rögzítik.

A védelmi eszközök a következőkben leírtak szerint adják a legjobb védőhatást.
- A durvavédelmi (1. követelmény-osztályú) védelmi eszközt az LPZ0/LPZ1 zónahatáron, az épület méretlen betáplálásában célszerű elhelyezni (lásd a 2. sz. ábrát). Ez lehet a (megfelelő hellyel rendelkező) csatlakozó főelosztó műanyag tokozatból kialakítva, vagy szintén műanyag tokozatban a csatlakozó főelosztóhoz rendelt kiépítésben, de lehetőség van a méretlen fővezetékben történő elhelyezésre is. Ha az épület több szekciós, akkor szekciónként szükséges a durvavédelem elhelyezése. Ha az épület mért betáplálást kap (mert pl. a fogyasztásmérő berendezés a telekhatáron van elhelyezve), akkor a durvavédelem hatékonyan elhelyezhető egy műanyag tokozatban, a mért fővezeték végpontját fogadó műanyag tokozatban, az épület lábazati magasságában. Ügyelni kell rá, hogy a túlfeszültség-korlátozó készülék villamos rácsatlakozási pontja és a föld (fő földelősín, EPH-kapocs) között minél kisebb legyen a vezetékezési távolság, de ne haladja meg az 1 métert. Méretlen áramköri oldalon csak olyan durvavédelmi készülék építhető be, amihez a területileg illetékes elosztói engedélyes (korábban: áramszolgáltató) hozzájárult.

- Az LPZ1/LPZ2 zónahatáron kell elhelyezni a középvédelmi (2. követelmény-osztályú) védelmi eszközt, vagy eszközöket. Ez az alelosztókban, illetve lakóépület esetén az egyes mért fogyasztói főelosztóban célszerű, illetve lehetséges. Figyelembe kell venni, hogy a gyártó előírása alapján milyen vezetékhosszban mért távolságot kell tartani a durva- és a középvédelem készüléke között. Nagyobb vezetékhálózat esetén szükséges lehet a középvédelem ismételt alkalmazása, mert a védőhatás csak meghatározott vezetékhosszra terjed ki.
- Az LPZ2/LPZ3 zónahatáron, a védendő hálózat végpontjain, illetve a védeni kívánt villamos készülékek tápfeszültség-kapcsainál helyezendők el a finomvédelmi védelmi eszközök. Célszerű és műszaki szempontból kívánatos, hogy ezek az eszközök is úgy legyenek telepítve, hogy levezetési áramuk minél rövidebb úton, lehetőleg csak függőleges nyomvonalon jusson a földelőrendszerre. Az asztali elosztó típusú védelmi eszközök csak korlátozott védelmet nyújthatnak, mivel hosszú PE vezetőn keresztül kell a levezetési áramoknak elérniük a földet és ez nagy feszültségesést jelent, rontja a védőhatást.

Ha egy védendő készülékre különböző vezetékes rendszerek csatlakoznak, akkor mindig fennáll a két vezetékes rendszer közötti túlfeszültség megjelenésének veszélye. Ilyen készülékek például a kábeltunerek, beltéri egységek, a szórakoztató elektronika egyre nagyobb számú különféle készülékei, a telefaxok, az ethernet és internet-csatlakozással rendelkező számítógépek stb. E készülékeket a különböző vezetékes rendszerek között fellépő túlfeszültségek ellen összecsatolást biztosító kombinált védelmi eszközzel kell védeni (3. sz. ábra). A gyártók katalógusaiban számos ilyen eszköz található.

Az EPH keretében történő, vagy más megvalósítású összecsatolások vezetőanyagtól függő keresztmetszeteit szabvány határozza meg. Az ismerni szükséges értékeket az alábbi, 2. és 3. sz. táblázatokban közöljük.

Forrás: www.villanyszaklap.hu