Necessity, Design and Operation Problems
of Installing Modern Over-Voltage Protection in Communication Systems of 0.4 kV Electric Power Supply as Well as Systems
with Integrated Circuit and Microprocessor
Makra Péter
Mezőgazdasági-és Vidékfejlesztési Hivatal SAPARD Igazgatóság Dél-Alföldi Regionális Iroda, Szeged
Abstract
Analogue and digital instruments, apparatuses and software with integrated circuit microprocessor meeting up-to-date requirements are extremely vulnerable because of the transient over-voltage travelling in 0.4 kV power supply and data transmission networks. The main sources of these are direct and indirect effects of thunderbolts, but more often originating from switching operation of internal or primary and secondary power supply network. The presentation is a concentrated introduction of the significant development of the last few years in Hungary in the field of design, installation and proper application of simple and differently configured space- and cost efficient integrated protection devices in categories “B”, “C” and “D”. It also shows design, installation and operational problems;
draws attention to the available, summarizing, professional writings and design program on CD-ROM of lightning and over-voltage protection.
A korábbi évtizedekben az erősáramú technikában alkalmazott szigetelőanyagok, (porcelán, bakelit, hőre keményedő- és lágyuló egyéb műanyagok stb.) a kapcsolókészülékekben alkalmazott olaj, levegő valamint a megfelelő nagyságú villamos átütési térközök nem tették szükségessé rendszerszemléletű túlfeszültség-védelmi eszközök beépítését. A legtöbb esetben elegendő volt a primer hálózatokon és a transzformátorállomásoknál a szekunder oldalon is az IEC. 99. 1. előírásainak megfelelően az áramszolgáltatók által alkalmazott ívterelő egyszerű szikraköz, a gáz oltócsöves, vagy szilícium-karbidos pogácsás (pl. Raychem) villám-és túlfeszültség-védelmi elemek alkalmazása. („A” fokozatú védelmi elem). Az üzemi-és lakóépületekben a belső villamoshálózatokat és készülékeket a nagy energiájú villámimpulzusoktól meg lehetett védeni a szabványelőírásoknak megfelelően méretezett és szerelt külső-és belső villámvédelmekkel, potenciálvezérelt hálózatokkal.
Az elektronikus készülékek rohamos elterjedésével, és ezek minden határon túli miniatürizálásával egy korábban nem ismert, óriási károkat okozó meghibásodás-sorozat vette kezdetét, amelyre a meglévő villamos hálózatokat használók és üzemeltetők, de gyakran a korszerű ismeretek híján lévő tervezők sem készültek fel kellőképpen.
Mit nevezünk túlfeszültségnek, és hogyan jut a hálózatra?
A túlfeszültségek rövid ideig - mindössze néhány milliszekundumig- tartó, meredek homlokú feszültségcsúcsok, úgynevezett tranziensek. Ezek feszültsége több ezer voltos értékeket érhet el.
A túlfeszültségek forrásai a következők:
közvetlen villámcsapások;
közvetett villámcsapások 1,5 km sugarú körön;
kapcsolási műveletek az energetikai hálózatokon;
házon belüli kapcsolási műveletekkel kiváltott elektromágneses energiaimpulzusok;
elektrosztatikus kisülés (légvezetéket ért száraz porvihar, dörzselektromosság, műanyagok töltésmegoszlása, stb.);
bár nem jellemző, de ide tartozik a nukleáris robbantás (NEMP) és a nagy magasságban történő nukleáris robbantás is (HEMP) .
Alapjában véve kétféle lehetőség adódik a túlfeszültség elleni hatásos védelem kialakítására:
a teljes feszültségleválasztás;
és az ésszerű potenciálkiegyenlítés.
Mindkét lehetőség kizárólag akkor lehet hatásos, ha teljesen kiépítjük. Mivel ez a gyakorlatban nem lehetséges, így túlfeszültség-levezetőkre van szükségünk, hogy drága és érzékeny készülékeinket és az azokat működtető szoftver programjainkat megvédjük a romboló hatásoktól.
Az elektromos és elektronikus berendezések nagy energiájú túlfeszültség elleni védelme a következőkre terjed ki:
villámáram-levezetők alkalmazása;
túlfeszültség-levezetők alkalmazása;
elsődlegesen és másodlagosan létrejövő zavaró feszültségek elleni szűrők (filterek) alkalmazása;
potenciál-kiegyenlítés (egyenlő potenciálra hozás);
árnyékolás;
földelés.
Ma már a távközlési, - automatizálási, mérés-és vezérléstechnikai, orvosi és laboratóriumi berendezések, a személyi számítógépek, és ezzel irányított rendszerek, a szórakoztató-és háztartási elektronikai készülékek mind tartalmaznak nyomtatott áramköröket és mikroprocesszoros integrált áramkörök (IC-k) sokaságát. A mai néhány milliméter vastagságú nyomtatott áramkörökben pl. már teljesen hétköznapi a 8-16 rétegű, de újabban akár 256 rétegű, számítógépes programokkal tervezett , szitanyomással felvitt rézfóliás vezető hálózatú gyártmány. Könnyen belátható, hogy az előbbieknél, de különösen az IC-kben az átütési távolságok a milliméter parányi töredékére (néhány századára) csökkentek le. Az 5-12- vagy 15 V-os DC rendszereket, de különösen az 5 V-os IC-ket már nemcsak a közvetlen és a hálózati elemeken átindukált közvetett villámeredetű túlfeszültségek veszélyeztetik. A normális üzemmenetben naponta több száz esetben keletkező, és a villamoshálózatokon és annak elemein átterjedő viszonylag kisebb energiaszintű, de ugyanakkor nagy homlokmeredekségű kapcsolási túlfeszültségek is gyakori meghibásodásokat okoznak nemcsak a programokban, de a készülékekben is. (Az egyik leggyakoribbak a megszakítók zárlati- és földzárlati gyors-visszakapcsolásából, mint üzemszerű működésből adódó
okozatok.). A tranziens túlfeszültségek nagyon kis, néhány s-os felfutási idővel rendelkeznek, és igen lassan, több 10 s-tól több száz s idő alatt csökkennek le.
Egy nemzetközileg elfogadott gyakorlat szerint egy magas pontba becsapó nagy energiájú villám a földbe történő levezetése a becsapási pont 1-1,5 km-es sugarú környezetében nagy valószínűség szerint tönkre teszi a kellően nem védett (csak D/1 osztályú, beépített túlfesz.
védelemmel rendelkező) elektronikus berendezéseket. Ilyenkor a tranziens túlfeszültség nemcsak az erősáramú és jelátviteli hálózatokon (közvetlenül, vagy induktív-kapacitív csatolással), de a villamoshálózatok földpotenciálján (egyenpotenciál) is bejut az épületek belső hálózatába, ahol igen romboló hatást fejt ki.
A biztosító társaságok legtöbbje nem, vagy nem szívesen, esetleg jelentős extraprofittal bíró biztosítási tarifákért biztosítja a túlfeszültségek által veszélyeztetett elektronikus eszközöket és PC-ket (hardverelemeket). Szinte nem létezik olyan biztosító társaság amelyik egyáltalán vállalja a szintén óriási meghibásodási kockázatú, a különféle programokban (szoftverekben) keletkezet károk megtérítését. Ez utóbbiak a kiesésekkel együtt akár sokszorosa is lehet a keletkezett hardverkároknak. Egy kiterjedt, több milliós vagy akár több tízmilliós kár akár jól működő cégeket is tönkre tehet.
Az IC-k 5 V DC áramköreiben a becsatolt tranziens túlfeszültségek legkisebbje is a néveges több tucatszorosát de akár százszorosát is elérheti, ami kiegészítő védelem nélkül teljes bizonyossággal meghibásodáshoz vezet (egy IC ellenálló képessége több tízes nagyságrendekkel kisebb, mint pl. egy reléé). Az elektronikus készülékekbe gyárilag beépített
„D” fokozatú finomvédelmek gyakorlati tapasztalatok szerint kedvezőtlen körülmények között (pl. rövid földkábel hálózat, vagy kedvezőtlen mágneses rezgőkör, ívoltó Petersen-tekercs, stb.) az esetek többségében meghibásodáshoz vezet.
A különféle számítógépek kiesésének okai nemzetközi adatok szerint megközelítően az alábbiak:
5 %-ban hardver és szoftver hiba,
15 %-ban kezelői hiba, és
80 %-ban erősáramú hálózati hiba. (Tranziens túlfeszültség főleg az erősáramú, de gyakran a digitális jelvezetéki oldalon.)
A következmények:
35,2 % adatvesztés;
24,6 % vezérlési hiba; (lefagy)
22,1 % hardverkárok;
18,1 % egyéb.
Mivel az IC-k és a többrétegű nyomtatott áramkörök az esetek szinte 100 %-ában javíthatatlanok, a készülékek általában csak teljes alaplap cserével javíthatók. Ez azonban gyakran az új érték 85-90 %-át teszi ki, és az időközi korszerűsítés miatt a javítás nem gazdaságos. Így az esetek döntő többségében teljes készülékcserét kell végrehajtani.
Annak megakadályozására, hogy az említett túlfeszültségek az érzékeny elektronikus berendezéseket károsítsák, azokat a vezetőket, amelyeken ilyen mértékű tranziens feszültségek jelenhetnek meg, nagyon rövid időre össze kell kötnünk a földpotenciállal az EMC (elektromágneses kompatibilitás, vagyis összeférhetőség), illetve a LEMP (villámvédelmi zónahatárok) szabványelőírásainak figyelembevételével. Egy levezetési folyamatban több ezer amper nagyságú áramok léphetnek fel, ugyanakkor elvárható, hogy egy
védelmi eszköz a nagy levezetési áram ellenére a kimeneti feszültséget egy lehetőleg alacsony szintre korlátozza. Ezért egyszerű szikraközt, gáztöltésű egyszerű-, és elektronikusan vezérelt gyújtáspontú villám- és túlfeszültség-levezetőt, varisztort, Zehner- és szupresszor diódát alkalmazunk egyenként, vagy egymással kombinált kapcsolásban. A levezetőben egy, vagy akár három alkatrész alkothatja ezek közül a védőkapcsolást. Hatásos védelem megvalósításához a készülék, vagy berendezés összes csatlakozóját védelemmel kell ellátni.
Minden csatlakozási pont elé egy megfelelően odaillő, helyesen kiválasztott koordinált túlfeszültség-levezetőt kell beiktatni.
Ez azért szükséges, mert minden egyes alkatrésznek meghatározott tulajdonsága van, amelyek az alábbiak:
levezető képesség;
megszólalási idő;
ívoltó képesség;
és a feszültségkorlátozás.
Az áramszolgáltatók által alkalmazott „A” osztályún kívül a 230/400 V-os villamos hálózaton az E DIN VDE 0675 6. rész + A 1 szerint a fogyasztónak a saját védelmére az alábbi fokozatú védelmi eszközöket kell az élet- és vagyonvédelem miatt alkalmaznia:
„B” osztályú villámáram levezető, amely a tranziens csúcsot levágva a méretezési lökőfeszültséget 6 kV-re korlátozza. Ezt általában a főelosztó berendezésbe szerelik (a magyar szabvány szerint az áramszolgáltató a mérő elő plombázott kivitelű ívkifúvás-mentes készüléket enged csak beépíteni.).
A következő „C” osztályú védelem, amely általában az alelosztókba kerül, és a tranziens lökőfeszültséget 4 kV-ra korlátozza.
A következő „D” osztályú védelem közvetlenül a védendő készülékek elé kerül, általában dugaszolóaljzatba szerelve, vagy átmenő dugaszként a dugaszolóaljzat és a készülék csatlakozó villája közé beiktatva. A lökőfeszültséget 2,5 kV-ra kell korlátoznia.
Az elektronikus készülékekbe kötelezően gyárilag beépített D/1 osztályú védelmeknek 1,5 kV-ra kell korlátozniuk a készülékbe mégis bejutó maradék túlfeszültséget.
Ma már a különféle gyártók (Dehn + Söhne, Obo Bettermann, Phoenix Contact, Citel, Kopp AG, Moeller, Felten & Guilleaume, Schneider Electric - Merlin Gerin, stb.) a villámáram és túlfeszültség-védelmi egységek legszélesebb választékát kínálják úgy az erősáramú, mind pedig a jelvezetéki, távközlési, automatizálási, adatátviteli, mérés- és vezérléstechnikai hálózatok számára. Ezen készülékeknél általában fontos beépítési szabályok érvényesülnek. Gyártónként a műszaki ismertetőkben megadottak a „B” és „C” osztályú készülékek utánfolyó áramát korlátozó előtét biztosító- vagy kismegszakító nagysága, valamint kioldási jelleggörbéje.
(Általában minimum 50 kA független zárlati megszakító-képességű, 63 A gL/gG vagy ennek megfelelő.) Az L1-L2-L3-N, illetve PEN vezetők közé beiktatott túlfeszültség levezető összes bekötővezeték hossza maximum 1 méter lehet, keresztmetszete minimum 16 mm2 Cu, valamint az egyes védőkészülékek egymáshoz viszonyított koordinációs szintjei rendkívül fontosak.
Gyártója válogatja, de általános előírás, hogy a „B” osztályú villámimpulzus-levezető un.
„durvavédelem”, és a „C” osztályú túlfeszültség-levezető „középvédelem” beépítési helyei között legalább 10-15 méter; míg az előbbi „C” osztályú - és a „D” osztályú un.
„finomvédelem” között legalább 5-10 méter vezetékhossznak kell lennie az induktív csatolás
miatt. Ha ezek a távolságok nem biztosíthatók, akkor az említett elemek közé mesterséges, gyári induktív csatolóelemeket kell beszerelni, mert különben hatástalan a védelmi rendszer.
Új moduláris szekrények tervezésénél ez utóbbi előírás csak olyan áron tartható be, hogy a szekrények mérete jelentősen megnő (esetenként több sor kalapsínes moduláris elem).
Meglévő, korlátozott méretű fő- és alelosztó villamos berendezéseknél ez az esetek döntő többségében nem járható út, mert a védelmi- és a csatolóelemek már utólag nem férnek bele.
Ugyanez a probléma rövid, korlátozott hálózathosszúságú rendszereknél is. Ilyenek például az automatikus, távfelügyelt rendszerű szennyvízátemelő berendezések szabadtéri villamos elosztó- és vezérlőszekrényei. Ugyancsak hasonló problémát jelent az, ha a kellően nagy hosszúságú köztes hálózathosszak ellenére a fő- és alelosztókban korszerű elektronikus beépített műszereket üzemeltetünk, vagy az ott elhelyezett dugaszoló aljzatból hordozható elektronikus diagnosztikai műszert kívánunk üzemeltetni.
Mit lehet tenni ilyen kényszerhelyzetben?
Szerencsére a nagyobb gyártók is felismerték ezeket az igényeket, és némelyik már gyárt egybeépített, kombinált „B-C” osztályú kétlépcsős villámáram- és túlfeszültség-levezetőt.
(Dehn + Söhne DEHNventil® termékcsaládja, vagy pl. a CITEL DS 100 R, 103 R és 104 R jelű védőkészülékei.) Ugyancsak több gyártó megjelent a piacon a legkorszerűbb, „B-C-D”
osztályú integrált, egy házba épített, háromfokozatú villám- és túlfeszültség védelmi készülékeivel. (Pl. a Phoenix Contact aktív energiavezérlésű, Trabtech Flashtrab FLT 35 CTRL-0,9 és 1,5; ill. FLT Plus - CTRL-0,9; 1,5 és 2,5 VAL-MS egységgel kombinált kialakításai, a CITEL DS 150 E-300 típusú védelmi egysége, stb.)
Általában nem célszerű különböző gyártók kellően nem ismert paraméterű védőkészülékeit szakmai kontroll nélkül, keverve vegyesen alkalmazni. (Kivétel a „D” osztályú, amely általában bármely gyártó azonos „C” és „B” osztályú elemeihez illeszthető probléma nélkül.) Rendkívül fontos, hogy a zónahatárokon belüli védett belső hálózatokkal egyetlen olyan, kívülről jövő, bármilyen rendeltetésű és paraméterű védetlen rendszerű hálózatot sem szabad együtt, vagy párhuzamosan vezetni, amely a zóna csatlakozási pontnál nincs saját védelemmel ellátva!
(Túlfeszültség-levezető az analóg telefonhálózatokhoz, 12/48 V túlfeszültség-levezetők az automatizált rendszerek és digitalizált telefonhálózatok számára, 6 V túlfeszültség-levezetők a számítógép adatátviteli hálózatokhoz, ISDN, illetve Ethernet vonalakhoz.)
Akár egyetlen, a védett térbe (zónába) védelem nélkül bevezetett vezető induktív csatolása leronthatja a koordinált túlfeszültség-védelem hatásosságát, és meghibásodáshoz vezethet.
Bár Magyarországon szinte minden nagyobb gyártó összes védelmi eszköze beszerezhető, mégis megállapítható, hogy a korszerű túlfeszültség-védelmi rendszerekkel ellátott létesítmények száma a szükségességhez képest sajnos még nem elégséges. Leginkább a bankok, a kormányzati hálózatok, a multinacionális cégek, a mobil telefonhálózatok átjátszó rendszerei és tornyai, a tűz- és robbanásveszélyes, valamint az újabban tervezett létesítmények védelme teljes körű. Az elmaradásnak egyik legfőbb oka e kiemelten jelentős téma nem kellő ismerete, vagy elbagatellizálása. A és robbanásveszélyes, fokozottan tűz-és robbanásveszélyes, valamint a külső villámvédelem létesíttűz-ésére kötelezett létesítményeknél a belső koordinált villám- és túlfeszültség-védelmek kiépítését a Belügyminisztérium Országos Tűzoltó-parancsnokság rendelete 1998. július 1. óta kötelezővé tette. (Egy 2002 évi rendelettel ugyancsak kötelezővé tette a módosított villámvédelmi teljes szabványsorozatot.) Az MSZ 274 „Villámvédelem” szabvány követelményrendszere módosult, és befogadta az MSZ IEC 1312-1 ”Az elektromágneses villámimpulzus elleni védelem” és az MSZ IEC 61000 „Elektromágneses összeférhetőség” (EMC szabványok) követelményrendszerét is. Az MSZ 447 :1998. (Villamos hálózatra csatlakozás) szabvány pedig lehetővé tette és befogadta a méretlen fővezeték belépési pontján a belső ívkifúvás-mentes villámáram-levezetők
pecsétzár alatti beépítését. Az áramszolgáltató és a fogyasztó közös érdeke a szabványoknak megfelelő, nemcsak a fogyasztó életét és javait, de a szolgáltató tulajdonában lévő fogyasztásmérőt is védő, biztonságot nyújtó védelem beépítése. A túlfeszültség-védelem szabványai Magyarországon már teljes körűek, bár a szabványok mint köztudott, már nem kötelezőek, csak önkéntes követésűek. Tehát elvileg azon létesítmények, amelyek nem kötelezettek külső villámvédelem létesítésére, így túlfeszültség védelmek létesítésére sem. Azonban azon cégeknek és tulajdonosoknak, akik jelentős mennyiségű és drága mikroprocesszoros elektronikus készüléket üzemeltetnek, a nagymértékű veszélyeztetettség miatt erősen javasolt az ilyen belső védelmi rendszerek mielőbbi kiépítése.
Ma már a témában néhány szakmai összefoglaló műhöz is hozzá lehet jutni. (Az egyik legjobb Joachim Schimanski: Überspannungsschutz. Theorie und Praxis. Hüthig Verlag Heidelberg;
sajnos csak német nyelven.) A közelmúltban, ez év májusában jelent csak meg magánkiadásban az első magyarországi, e témában összefoglaló szakkönyv, amit a hazai szakmai közvélemény már nagyon várt. (Dr. Peter Hasse: Kisfeszültségű berendezések túlfeszültség-védelme. A Protel Kft magánkiadása. Kapható a kiadó címén 1025 Budapest, Apostol u. 27. Tel/fax: 36-1/326-1072; E-mail:protel@axelero.hu; ára:7.000,- Ft.) Ezeken kívül kénytelenek vagyunk a hazai forgalmazók részben idegen, részben pedig magyar nyelvű katalógusaira és gyártmányismertetőire támaszkodni. Több szakfolyóirat és szerző is egyes cikkekben foglalkozik e témával, közülük is kiemelném Fehér Zoltán kitűnő tanulmányait, cikkeit és írásait. (Pld. a „DEHNventil. Egy új korszak kezdete a villámvédelemben” című brosúrája stb.) Egy kivételesen kedvező információról is szeretnék beszámolni. A különböző építmények külső- és belső villámvédelmi rendszerének tervezését a régi és új, EU-harmonizált szabványok által előírt követelmények igen bonyolult kölcsönhatása jellemzi. Ezt teszi egyszerűbbé a DEHNinfo CD tervezést segítő számítógépes programja. (Kapható a Magyar Elektrotechnikai Egyesületnél; cím 1055 Budapest, Kossuth Lajos tér 6-8. Tel.: 36-1/353-0117; 312-0662; 1250.- Ft-ért.) A tervező program javaslatot tesz a létesítendő villámvédelmi berendezés fokozataira, kiegészítve az eddigieket az MSZ 274-3M (B0.B4) belső villám- és túlfeszültség-védelmi fokozattal, és az MSZ IEC 1312-1 villámvédelmi szintek (I. II. III. IV.) elvárásaival és az MSZ EN 61000 EMC szabvány követelmények fokozataival. Ezek csak minimális követelmények, a szigorítás, illetve a fokozottabb védelem irányában megváltoztathatóak. Ha hibás, összeférhetetlen kombináció született akár a csoportosításban, akár a fokozatoknál, azokat az ellenőrző program automatikusan ellenőrzi és javítja. Az eredmények, a villámvédelmi rendszerrel szemben támasztott szabványkövetelmények, a kapcsolási rajzok, illetve készülékismertetők kinyomtathatóak. A program által közölt eredményt azonban mindig kritikával kell fogadni, és a hivatkozott szabványok alapján tételesen ellenőrizni kell, mert az esetleg előforduló hibákért vagy tévedésekért a felelősség nem a számítógépet vagy a program készítőjét, hanem mindig a tervezőt terheli!
Az új létesítmények teljes körű védelmi rendszereinek tervezéséhez és megvalósításához nagy lökést adott a multinacionális cégek magyarországi megtelepedésével bejött műszaki kultúra és tapasztalat, a jelentős károkkal járó meghibásodások sajtó általi széles körű megismertetése is.
Én sajnos nem ismerem a romániai ez irányú szabványosítási gyakorlatot és a rendszerek elterjedtségét, valamint azt sem, hogy az itteni szabványok ez időben milyen mértékben harmonizáltak az uniós szabványokkal, de úgy vélem, a magyarországi problémáktól az itteniek sem sokkal különböznek. Erősen bízom benne, hogy a cégek és az egyéni felhasználók mielőbb felismerik azt a tényt, hogy a teljes körű, koordinált túlfeszültség-védelem kialakítása mindenütt nagyon sürgető feladat. Itt az EMT által megrendezett ENELKO 2003 konferencián szerény előadásomat megjelenésükkel megtisztelő erdélyi és
hazai szaktársaim és kollégáim segítségét kérem abban, hogy a koordinált túlfeszültség-védelmek szükségességét környezetükben minél szélesebb körben ismertessék, azok tervezését és beépítését szorgalmazzák, ezenkívül mint az EU-csatlakozás egyik fontos feltételét, munkájukkal segítsék!
Igazságügyi műszaki szakértői gyakorlatom során otthon igen gyakran hívnak szakértőként olyan bírósági tárgyalásokra, amelyekben a fogyasztó perli az áramszolgáltatót az üzemszerű kapcsolási túlfeszültségek okozta meghibásodások kárainak megtéríttetése céljából. Sajnos minden esetben ki kell ábrándítanom őket, mert nemhogy kártérítés járna nekik, még vesztes félként, a bírósági és szakértői költségeket is nekik kell megtéríteniük.
Egy régen hallott, talán nem pontosan idézett székely mondás szerint: Az okos ember a más kárából tanul, de a buta még sajátjából sem!
Köszönöm megtisztelő figyelmüket.