Hívás most!


EMC Követelményeknek megfelelő túlfeszültség zavarok és védelmek

Az „ EMC” az Electromagnetic Compatibility (elektromágneses összeférhetőség) elnevezésből világszerte meghonosodott betűszó.

Túlfeszültség károk és sajátosságok

Káresemények Biztosítók kárstatisztikái azt mutatják, hogy a túlfeszültség okozta károk az utóbbi évtizedekben egyre jelentősebbé váltak. A Német Szövetségi Köztársaságban 1985-95 között a károk összege megnégyszereződött és évente egy milliárd DEM (mintegy 500 millió EURO) fölé került. Ez az adat azonban még nem tartalmazza az üzemkiesés- ből, a számítógép meghibásodása miatt bekövetkező adatvesztés és adatpótlási költségekből adódó közvetett károkat

Már technikatörténeti példaként szerepelnek egyes, kiemelkedő káresemények. 1983-ban Kölnben egy magas épületbe becsapó és szabályosan levezetett villám közvetett hatása a belső villámvédelem hiánya miatt sok milliós kárt okozott az ott lévő terminálokban és a több, mint 100 m-re lévő, különálló számítástechnikai központban. 1987-ben egy emelkedőben lévő műholdhordozó rakéta orrába villám csapott. A villám áramimpulzus (LEMP) hatása miatt irányító elektronikája megsérült, ezért a földi ellenőrzése lehetetlenné vált. A kár ekkor több, mint 160 millió dollár volt.

A villámcsapások által sűrűbben érintett templomtornyok orgonái elektronikájának meghibásodása az egységek közötti optikai kábeles összeköttetés és a védőáramkörök ellenére zivataros időszakban gyakori esemény. Ezek az elektronikus egységek igen közel vannak a villámlevezetőhöz, ahol még a nem látható kisülések levezetésekor is jelentős a mágneses térerősség változása.

Nagy kiterjedésű, forgalmas épületek (irodaházak, kórházak, be- vásárlóközpontok stb.) túlfeszültségek okozta veszélyeztetésének elkerülésével sok személyt érintő, katasztrofális káreseményeket kell megelőzni. A zavarok, az üzemkiesések láncreakció szerűen béníthatják meg nemcsak az energiaellátást, hanem az egyre fontosabb informatikai rendszert is.

A szerző saját megfigyeléseiből két káreseményt mutat be. Az 1980-as években villám csapott be egy kisváros sportpályájának fém- oszlopába. A környéken lévő, mintegy 100 lakásban az éppen akkor üzemelő műholdvevők és TV-készülékek meghibásodtak. A károkat (akkor még) az általános biztosítás alapján a biztosító megtérítette. Ma már a biztosítási feltételek függvényében esetleg külön kell biztosítani túlfeszültség érzékeny berendezéseinket. A biztosítás viszont sosem terjed ki a közvetett károkra, pl. a határidő mulasztás miatti kötbérre.

Egy másik figyelemre méltó eset: PC-t használó személy lakásában néhány perces kimaradást követően tért vissza a hálózati feszültség, miközben a készülék bekapcsolt állapotban maradt. Vélhetően kapcsolási túlfeszültség következtében a feszültség visszatérése után a PC működésképtelenné vált. A több részegységet érintő hardver kárt az üzemeltetőnek kellett állnia. (Az esemény óta túlfeszültség védelemmel ellátott hálózati elosztót használ.)

Károk növekedésének okai, következményei

Az ismertetett példák is megerősítik, hogy az utóbbi időben bekövetkező, túlfeszültség miatti kárnövekedés döntő okai a fogyasztók oldalán bekövetkező változásokban találhatók meg:

  • az elektronikus alkatrészek egyre növekvő túlfeszültség érzékenységében
  • a berendezésekbe épített félvezető alkatrészek számának növekedésében,
  • az elektronikus berendezésekhez kapcsolódó hálózatok számának és kiterjedésének növekedésében

A Magyar Energia Hivatal 2002-ben olyan áramszolgáltatói üzletszabályzatot hagyott jóvá, amely szerint a fogyasztói berendezések légköri (villámcsapás okozta) túlfeszültségek elleni védelme a fogyasztó hatáskörébe tartozik, a kapcsolási tranziensekből eredő fogyasztói károkért pedig az áramszolgáltatót kártérítési felelősség nem terheli.

A túlfeszültség védelem biztosításának döntő hányada a berendezéseket üzemeltető sajátos feladata. (Az elektronikus készülékekbe gyárilag beépített védelem hatékonysága többnyire igen csekély.) Vagy többfokozatú túlfeszültség védelem kiépítésével gondoskodik a kármegelőzésről, vagy intézkedése kimerülhet abban, hogy teljes körű, ez esetben a nagy kockázat miatt jelentős összegű biztosítást köt berendezéseire, illetve a várható káreseményekre. Kombinált megoldásként pedig csak a védhetetlennek tűnő, vagy csak nagyon drágán kivédhető eseményekre köt biztosítást, már jóval költségkímélőbb módon.

A biztosító társaságok az utóbbi időben a villámkár biztosítási szerződésekben már feltételül szabhatják az új követelményeknek megfelelő belső villám- és túlfeszültség védelem létesítését. Ekkor a biztosító társaságok kockázatvállalása, ezért a biztosítási díj nagyság- renddel csökkenhet.

Sajátos jellemzők

A túlfeszültség elleni védelmet, az összeférhetőség megteremtését több tényező nehezíti. A kompatibilitás ezen a téren sajátosan valósulhat meg, ami többféle módon nyilvánul meg. Mi itt 12 összetevőt gyűjtöttünk össze.

Ezek egyaránt fontosak, ezért figyelemreméltóak:

1. Az EMC alapvető követelménye, a kompatibilitási sáv biztosítása a túlfeszültség hatás forrás oldalán viszonylag ritkán befolyásolható. A védelemmel többnyire vagy a zavarcsatolásokat kell csökkenteni, vagy a veszélyeztetett berendezés, a vevő immunitását kell növelni.

2. A túlfeszültség nagysága véletlenszerű. Előfordulási gyakorisága térben és időben lehet specifikus és nem specifikus is.

3. A túlfeszültségek igen változatos formában, jelentősen eltérő energiatartalommal és széles frekvencia spektrumban jelentkeznek, ezért mindenféle csatolási mechanizmussal hatnak.

4. A túlfeszültségek különféle eredete és ehhez kapcsolódóan különféle jellemzői miatt hatékony védelem tervezéséhez hasznos tudni a túlfeszültség okát vagy okait.

5. A túlfeszültség veszélyeztetést sokszor nem lehet észrevenni. Lehetnek viszont olyan jelek, amelyek nem megfelelő védettségre utalnak. Pl. az elektronika hirtelen, megmagyarázhatatlanul tönkremegy, vagy rendszeresen fellépő zavarok keletkeznek bizonyos időpontban.

6. A viszonylag ritka túlfeszültség zavarok előfordulása sokszor csak hosszadalmas és körültekintő megfigyeléssel igazolható. Előbbi tény miatt sajátos fogyasztói gondolkodásmód tapasztalható: ha sok évig nem volt túlfeszültség kár, ezután sem várható.

7. Tartós zavarok, pl. RFI jelenlétekor a működőképesség enyhébb fokú romlása (MSZ EN 61000-6-1,2  A, B kritérium) ellen is sokszor védekeznek. Túlfeszültség veszélykor a ritka és rövid hatás miatt többnyire csak tartós meghibásodás, alkatrészek, egységek tönkremenetele elleni védelmet használnak. Megengedett a működésromlás C fokozatú kritériuma, az idő- szakos működésvesztés.

8. A túlfeszültség védelem (nem tévesztendő össze a külső villámvédelemmel) hiánya általában nem okoz élet- vagy tűzveszélyt, ezért alkalmazását sem teszik általában kötelezővé. Azt, hogy mikor szükséges belső villám és túlfeszültség védelem kiépítése, azt hazánkban a   28/2011. (IX. 6.) BM rendelet írja elő. Ennek egyes rendelkezései a 28/2011. (IX. 6.) BM rendelethatályba lépése előtt az  MSZ 274 szabványt, a  28/2011. (IX. 6.) BM rendelethatályba lépés követően a MSZ EN 62305 szabvány veszik át.

9. A védelem szükségességét az IEC 1662 szerint kockázati analízissel és hasznossági értékelemzéssel lehet igazolni. Ennek alapján a túlfeszültség védelem elhagyásának rizikója vagy a védelem kiépíttetése a felhasználó, a fogyasztó felelőssége.

10. Az áramszolgáltatók kisfeszültségű elosztó hálózatán különféle okok miatt a légköri eredetű veszélyeztetettségű légvezetékek esetén esetleges, földkábelek alkalmazásakor soha nincs túlfeszültség védelem. A légvezetékek (a DIN szabvány szerint „A osztályú”) védelme jelentősen csökkentheti az áramszolgáltató saját kárát, de a fogyasztók saját védelmének szükségességét nem szünteti meg.

11. A védelem mindig többtagú, komplex rendszer. Ezeknek funkcionálisan hézagmentes, szerves egységet kell képezni. A kivi- telezés ezért azonos gyártmánycsaláddal előnyös.

12. A védelmi rendszerek automatikus felügyeletét célszerű biztosítani, mert a védelem egyes alkatrészei működésükkor tönkre mehetnek.

A túlfeszültség védelem fontosságát és bonyolultságát egyébként jól mutatja igen gazdag szakirodalma, másfelől számos ide vonatkozó szabvány. (1997-es állapotok szerinti hivatkozásban összesen 45 túlfeszültség illetve villámvédelmi kapcsolódású szabványt sorolnak fel.) Lényegileg érintik a témakört az MSZ 274-1…4, az MSZ IEC 1312-1 és az MSZ IEC 61643-1 szabványok és más előírások.

A teljes körű túlfeszültség védelemnek figyelemre méltó nagyságú, de hosszabb távon mindig megtérülő költsége van. Túlfeszültség védelmi berendezések telepítésével foglalkozók szóbeli közlése szerint, pl. számítógépes munkahelyeken egyetlen berendezés korrekt védelme hozzávetőleg egy monitor árával azonos. Másik közlés szerint a védelem egy munkahely árának mintegy 10 %-át teszi ki.

Az igen jelentős és sajátos veszélyeztetettség és a legkülönfélébb következményekkel járó, sokszor nagy értékű káresemények miatt a túlfeszültség védelem nemcsak a hagyományos zavarvédelem egyik legrészletesebben feldolgozott, önálló témaköre, hanem néhány rész- lettel és némi szemléletváltozással bővülve az EMC-nek is egyik legjelentősebb fejezete.

Több jelentős cég segíti az üzemeltetőket teljes körű túlfeszültség védelem szolgáltatásaival hazánkban is. A túlfeszültség és belső villámvédelemmel foglalkozó részletes katalógusok igen sok információval segítik a felhasználókat. Ezek részben általános, részben specifikus, eszköz és alkalmazástechnikai ismeretet nyújtanak.

Túlfeszültségek jellemzői, csoportosításuk:  

A tranziens jellegű túlfeszültség általában igen rövid (többnyire 1 ms-nál is rövidebb) ideig, vezetékek vagy vezeték és föld között fel- lépő feszültség, amely lényegesen, nagyságrendben is meghaladhatja az üzemi feszültség legnagyobb megengedett értékét. (A hálózati frekvenciás túlfeszültségek témáját a 7. fejezetben érintjük.) Egy áramkör két vezetője között fellépő feszültséglökést (amely a készülék bemenetét terheli) keresztirányú, a bemeneti kapcsok és a földelt árnyékolás illetve tokozás közötti feszültséget (amely ezek szigetelését terheli) hosszirányú túlfeszültségnek nevezik.

A túlfeszültség lökést  

  • Umax amplitúdójával,
  • növekedésének (du/dt)max legnagyobb meredekségével,
  • az impulzus ún.  félérték idejével (az az idő, amely a túlfeszültség hullám kezdetétől a csúcsérték felére csökkenéséig tart),
  • esetenként az ∫u2dt, az energia tartalommal, arányos jelző- számmal és
  • gyakoriságával (naptári időszakra, pl. évre vonatkozó statisztikai adat) jellemezzük.

Kisfeszültségű hálózat kapcsolásából eredő túlfeszültségeit igen jelentős, néhány ezer V-os, 10 kV/µs-os és 100 mWs-os nagyságrendű legnagyobb értékek jellemzik. Előfordulási gyakoriságukra általában jellemző, hogy a nagyobb amplitúdójú értékek a ritkábbak. Hosszabb időszakra (általában évre) vonatkozó gyakoriság eloszlásuk sokszor erősen hely illetve időszak specifikus. Ezért adott esetben csak évekig tartó mérési adatgyűjtés nyomán jellemezhetőek.

A túlfeszültségek további jellemzője, hogy vagy egyedi hullám- ként jelentkeznek (SURGE = hullám), vagy tüskeszerű sorozatban (BURST = kefe). Az energiatartalma a SURGE típusúnak jelentősebb. Ez tükröződik a kapcsolódó szabványokban is.

A túlfeszültség változatos formáit, jellemzőit döntően megmagyarázza, hogy számos, igen különböző ok miatt jön létre. Kialakulását az adott villamos hálózat jellemzői, a kapcsolódó fogyasztók jellege, fázisjavító kondenzátor jelenléte is lényegesen befolyásolják. Ezek következményét is jól szemléltetik azok a különféle áramköri elrendezésre vonatkozó képletek, adatok, amelyek számos szakkönyvben megtalálhatóak. Villámcsapás konduktív vagy induktív csatolása ré- vén reális áramköri adatok mellett előfordulhat akár több 100 kV-os túlfeszültség.

A túlfeszültségek különféle szempontok szerinti csoportosításának áttekintése főként a hatékony védelem tervezése miatt fontos.
A túlfeszültségek  lehetséges eredetüket a következőkben ismételten összefoglaljuk:
Eredetük szerinti csoportosításban, a szokásos angol eredetű rövidítéseket használva a következő túlfeszültség zavarokkal találkozunk:

  • SEMP (Switching Electromagnetic Pulse) kapcsolásból eredő impulzusok,
  • LEPM (Lightning Electromagnetic Pulse) a légköri elektrosztatikus feltöltődés kisülésének (villámáram) impulzusa,
  • NEMP (Nuclear Electromagnetic Pulse) nukleáris robbantás következményes impulzusa,
  • ESD (Electrostatic Discharge) a nem légköri elektrosztatikus feltöltődések kisülési impulzusa.

A túlfeszültségek a keletkezés helye,a csatolás módja szerint is osztályozhatók:

  • a berendezésbe kívülről, vezetéken érkező zavarok (pl. távoli villám, vagy kapcsolás okozta túlfeszültség hullámok a hálózati tápvezetéken),
  • külső eredetű, induktív, kapacitív, vagy sugárzásos csatolású zavarfeszültségek (pl. közeli villám, vagy elektrosztatikus kisülés mágneses terének változása által indukált feszültségek),
  • belső eredetű, bármilyen csatolású, saját zavar (pl. a berendezésben bekövetkező zárlat okozta túlfeszültség), amikor lehetőleg a zavar keletkezési helyén kell beavatkoznunk.

Csak villám eredetű túlfeszültségek esetén megkülönböztetett esetek

  • a direkt (a közvetlen villámcsapást a védett objektum villámvédelme hárítja, levezeti) és a közeli (ameddig a szomszédságban becsapó villám erőtere révén érezteti hatását) csapás hatásai,
  • a távoli (ekkor már “csak” konduktív csatolású a zavar) csapás hatása.

tulfeszultseg-fajtak

Itt említjük meg, hogy az érzékeny elektronikai alkatrészeket tartalmazó berendezések veszélyeztetettségét kijelölő, a „közeli” villám- csapás helye köré rajzolható kör sugara a villámáram nagyságától függ, akár néhány km-es is lehet. A kockázati analízisnél ezt figyelembe kell venni.