Túlfeszültség a villamos berendezésekben (elosztóhálózatokban, kapcsolóberendezésekben és villamos szerkezetekben) fellépő, a legnagyobb megengedett üzemi feszültség csúcsértékét (háromfázisú rendszerben az üzemi fázisfeszültség csúcsértékét) meghaladó feszültség, amely nagyságától, a jel alakjától, frekvenciájától és fennállásának időtartamától függően veszi igénybe a berendezés szigetelését.

A túlfeszültségvédelmi eszközök feladata a hálózaton belüli túlfeszültségek korlátozása. A túlfeszültségvédelmi készülékeknek az üzemidő nagy részében „működniük”, vagyis az üzem fenntartásához hozzájárulniuk nem kell, sőt nem is szabad. Működésüket közvetlenül, szándékoltan nem lehet előidézni. Rendeltetésszerűen és automatikusan kell viszont működniük, ha a hálózaton vagy a berendezésben túlfeszültség lép fel. Keletkezési módjuk és fennállásuk időtartama szerint a túlfeszültségek három csoportra oszthatók: belső, légköri eredetű és elektrosztatikus feltöltődésből eredő túlfeszültségek.

• A belső eredetű túlfeszültségek az energiaelosztó hálózaton belüli különböző célú kapcsolási folyamatok során keletkeznek, vagy azokat a villamos hálózatokban bekövetkező hibák okozzák. A belső eredetű túlfeszültségek két csoportra oszthatók: A rövid időtartamú kapcsolási túlfeszültségek (ún. tranziens túlfeszültségek) erősen csillapodó, periodikus vagy aperiodikus lefolyású, néhány ms-nál kisebb időtartamú feszültségek. A hosszú időtartamú és általában hálózati frekvenciájú túlfeszültségek a kisfeszültségű hálózatban elsősorban aszimmetrikus földzárlatok vagy rezonancia jelenségek során keletkezhetnek.

• A légköri eredetű túlfeszültségek a hálózattól független körülmények között, nukleáris robbanások és villámcsapások következtében jönnek létre, és időtartamuk néhány μs. A villámcsapás hatására túlfeszültségek a következő esetekben jöhetnek létre:
  1. Közvetlen villámcsapás éri a szabadvezeték fázisvezetőjét.
  2. A villámvédelmi árnyékolás céljából kialakított és leföldelt szerkezeteket (villámvédelmi felfogó rudak, védővezetők) éri villámcsapás, és a levezetett villámáram hatására a földelési ellenálláson fellépő feszültségemelkedés a fázisvezető átütéséhez vezet (visszacsapás).
  3. A szabadvezeték közelében becsapó villám illetve a levezetett villámáram hatására a hálózatok vezetékeiben (az épületek belső hálózatának vezetékeiben is) veszélyes mértékű túlfeszültség keletkezik vezetési, induktív vagy kapacitív csatolás révén. Ilyen módon elsősorban kisfeszültségű berendezések kerülnek veszélybe. Ez a villám ún. másodlagos hatása.
  4. Az elektrosztatikus feltöltődés vezető- és szigetelőanyagok érintkezése, egymáson való elmozdulása, majd szétválása során alakul ki. Ez a töltés szigetelt vezető testekben felhalmozódva olyan kisülést hozhat létre, ami egyrészt tüzet és robbanást okozhat, másrészt a villamos berendezésekben átütést, sérülést és hibás működést eredményezhet. Az elektrosztatikus kisülések nagy csúcsértékű és meredekségű áramimpulzusok kíséretében zajlanak le.

Csak a leggyakrabban alkalmazott túlfeszültségvédelmi eszközök felépítését és működését fogjuk ismertetni. Az eszközökből kialakított védelmi rendszerek részletes ismertetésével azonban már nem foglalkozhatunk. Először a nagy- és középfeszültségen alkalmazott túlfeszültségvédelmi eszközöket tárgyaljuk.

Nagy- és középfeszültségű túlfeszültségvédelmi eszközök

Ide sorolható a szikraköz, az oltócső és a klasszikusnak számító, de már kihaló félben lévő túlfeszültséglevezető, valamint az ezt kiváltó fémoxid túlfeszültségkorlátozó.

Szikraköz

A szikraköz a legegyszerűbb túlfeszültségvédelmi eszköz, amely a túlfeszültség hatására átüt, és a föld felé levezetődik az energia és megszűnik a túlfeszültség. Ezt követően azonban a hálózati feszültség földzárlati áramot hajt át, amit egy megszakítónak kell megszakítania. Ezen hátránya, továbbá megszólalási feszültségének nagy szórása miatt a szikraközt csak tartalékvédelmi eszközként, vagy koordináló szikraközként, illetve - a szigetelő megóvása érdekében - ívterelő szikraközként alkalmazzák.

Szikraköz

Oltócső

Az oltócső szerkezete alapvetően két sorba kapcsolt szikraközből áll. Az előszikraköz normális üzemviszonyok között a hálózatról leválasztja a készüléket. Ebben az esetben tehát az üzemi feszültség nem roncsolja feleslegesen a gázfejlesztő anyagból készült oltókamrát és a főszikraköz elektródáit. Az oltócső megszólalási feszültségét döntően az elő- és a főszikraköz hossza szabja meg. A két szikraköz nagyságának megválasztásánál arra kell törekedni, hogy eredőben a legkisebb megszólalási feszültség adódjon. Az előszikraköz nagyságának megállapításánál tekintettel kell lenni arra, hogy az előszikraköznek biztosítani kell az oltócső hatásos leválasztását a hálózatról, a főszikraköz nagyságának megállapításánál pedig az ívoltás követelményeit kell figyelembe venni. A fő- és előszikraköz hosszának aránya általában: 2,5:1. A főszikraköz megszólalási feszültségének polaritásfüggését fémszórással csökkentik. Az oltókamrában gáz fejlődik az utánfolyó áram ívének hatására. A gázfejlődés következtében nő a nyomás és a gáz nagy sebességgel az alsó cső alakú elektródán kiáramolva az oltókamrából megszakítja a szikraközben kialakult villamos ívet, és deionizálva a szikraközt, megakadályozza annak újragyújtását. Az oltócső önoltó típusú megszakítónak tekinthető, tehát a megszakítandó árammal arányosan nő az oltóhatás, és az ívidő egy alsó és felső határáram között az áram nagyságától függetlenül állandónak tekinthető. Az oltócsövet elsősorban a középfeszültségű szabadvezetéki hálózatban használják. Egyik felszerelési módja a 7.146. ábrán látható. Mindig ügyelni kell arra, hogy az oltócső alatt szabad „kifúvótér” álljon rendelkezésre.

Oltócső

Oltócsó felszerelése

Túlfeszültséglevezető

A túlfeszültséglevezető lényegében sorba kapcsolt szikraközöket és feszültségfüggő ellenállásokat tartalmaz. A helyettesítő kapcsolás szerint a szikraközökkel potenciálvezérlő ellenállások is vannak párhuzamosan kapcsolva, és ezekkel vannak sorba kötve a nemlineáris levezető ellenállások, amelyek kis feszültség esetén nagy, nagy feszültség esetén kis ellenállást képviselnek az ábrán szintén látható karakterisztika szerint, amelynek matematikai közelítése:

ahol az ún. nemlinearitási tényező: α=4...5 értékű. A karakterisztika a J áramsűrűség és E villamos térerősség fajlagos értékeivel is közelíthető:

Túlfeszültséglevezető helyettesítő kapcsolása és a levezető ellenállás kararakterisztikája

Időfüggvények a túlfeszültséglevezető működésekor

A túlfeszültséglevezető akkor kezd működni, amikor a feszültség a túlfeszültség-levezető kapcsain eléri a szikraközök megszólalási feszültségét. Ekkor a szikraközök átütnek, és a túlfeszültséget okozó töltés nagy része egy nagy levezetési áramimpulzus formájában a kis értékű nemlineáris ellenálláson keresztül lefolyik a földbe. Ez az Imax csúcsértékű áramhullám a nemlineáris ellenálláson feszültségesést, úgynevezett maradékfeszültséget (Um) hoz létre, amely nyilván nem lehet nagyobb a szikraközök megszólalási feszültségénél (ez korlátozza Imax értékét). Ezt követően a hálózati feszültség hajtja át az átütött szikraközökön égő íven és a nagy értékűre növekedett nemlináris ellenálláson keresztül az igen kis (néhány száz A) csúcsértékre (Iu) korlátozott földzárlati áramot, amely áram a nullaátmenethez közeledve meredeken csökken, és még az első nullaátmenetben megszűnik. Ezzel együtt kialszik a szikraközökben égő ív is.

A szikraközre vonatkozó egyik fontos követelmény, hogy megszólalási feszültsége a túlfeszültség meredekségével ne változzon, azaz ne növekedjen, tehát a megszólalási feszültség-idő jelleggörbéje közel vízszintes legyen. Ennek érdekében - az átütés helyén a homogén villamos tér kialakítására törekedve - síkelektródákat használnak és előionizációt alkalmaznak. A szikraközökre vonatkozó másik lényeges követelmény az utánfolyó áram megszakítása, tehát az ív újragyulladásának megakadályozása az első nullaátmenetben. Statikus szikraközben a rövid ív jelentős anód- és katódesése valamint a fémfelületek hűtő, deionozáló hatására alszik ki az ív. A dinamikus szikraközben az ív permanens mágnesekkel létrehozott térben forogva alszik ki.

A levezetésre szolgáló nemlineáris ellenállások elemeit oxidréteggel burkolt sziliciumkarbid szemcsékből, sajtolják össze hengeres geometriai formára. A nemlineáris vezetési tulajdonság főként az oxidrétegben kialakuló különböző fizikai hatások (pl. alagúthatás) eredőjeként jön létre. Az elemek nedvességállóságát a palástfelület festésével, a csatlakozások átmeneti ellenállásának csökkentését, a homlokfelületek fémszórásával javítják.

A vezérlő ellenállások használatával érhető el a sorba kapcsolt szikraközök egyenletesebb feszültségeloszlása. A feszültségeloszlás ugyanis egyenlőtlen lenne, ha azt a szórt kapacitások és nem a szikraközökkel párhuzamosan kapcsolt vezérlő ellenállások határoznák meg. Ezek is sziliciumkarbidból készült nemlineáris ellenállások, de a levezető ellenállásoknál nagyságrenddel nagyobb értékűek. A vezérlő ellenállásokon üzemi feszültség hatására csak mA nagyságrendű vezérlő áram folyik át. Túlfeszültség felléptekor azonban ez az áram jelentősen megnő, és így az egyes szikraközökre jutó feszültség és azok megszólalási értéke gyakorlatilag azonossá válik.

Túlfeszültséglevezető szerkezeti felépítése.

Az ábrán egy túlfeszültséglevezető szerkezeti felépítése látható. A levezető üzemi feszültsége és levezetési árama által megszabott sorba kapcsolt szikraközökből, valamint levezető és vezérlő ellenállásokból összeállított oszlopot porcelán szigetelő csőbe helyezik, és azt - az elemek közötti jó érintkezés biztosítása céljából - rugóval összeszorítják. A belső teret egy membrán zárja le, amely sikertelen ívoltás miatt bekövetkező túlnyomás hatására nyit, és megakadályozza a robbanást.

Fémoxid túlfeszültségkorlátozó

Láttuk, hogy a hagyományos túlfeszültséglevezető esetében a szikraközre csak azért volt szükség, mert az 50 Hz-es üzemi feszültség által áthajtott több száz A értékű maradékáramot meg kellett szakítani. Ellenkező esetben a levezető ellenállások rövid időn belül, túlmelegedés következtében, tönkrementek volna. A levezető ellenállás α nemlinearitási tényezőjének növelésével (lásd pl. a 7-17 összefüggést), a maradékáram egyre kisebb értékű lesz és a karakterisztika egyre inkább megközelíti az ideálisnak tekinthető α =; ∞ paraméterű függvénygörbét. Ily módon olyan kis maradékáram érhető el, amelyet az ellenállás tartósan termikusan elvisel.

A fémoxid (vagy cinkoxid) túlfeszültséglevezetőkben alkalmazott nemlináris ellenállás cinkoxid (ZnO) bázisanyagból áll. Ha most a „fémoxid” szót használjuk megkülönböztető jelzőként, akkor jogos lenne, hogy a előzőekben ismertetett túlfeszültséglevezető elé is kitegyük a sziliciumkarbid jelzőt. Ezt az eszközt azonban akkor hozták létre, amikor a cinkoxidnak a sziliciumkarbidnál kedvezőbb nemlineáris tulajdonságai még nem voltak ismeretesek, így más anyagoktól való megkülönböztetés nem volt szükséges. Manapság már a címbeli megnevezés terjedt el, annál inkább, mert ezek az újfajta eszközök a hagyományos túlfeszültséglevezetőket már majdnem teljes mértékben felváltották.

Szilárdtestfizikai kutatások során jutottak el ZnO kerámia kompozició alkalmazásához. A levezető ellenállás mintegy 90%-ában ZnO kerámia-alapanyagot, a többi részében adalékanyagokat (bizmut- és kobaltoxid) tartalmaz. Ezen anyagok finom, porszerű keverékéből sajtolással állítják elő a tárcsa alakú formákat, amelyek nagy hőmérsékleten való szintereléssel szilárd testté állnak össze. Ennek során a bizmutoxid megolvad és üvegfázisba megy át. A szilárd állapotú, 10...20 μm nagyságú (a kobaltoxid diffúziója folytán viszonylag jó vezetővé tett) ZnO-szemcsék között igen vékony (kb. 0,01 μm) bizmutoxid réteg képződik. Ez a diódákéhoz hasonló záróréteg felelős az ellenállás nemlineáris viselkedésért. Kis villamos térerősség esetén a bizmutoxid réteg gátolja az elektronok mozgását és csak igen kis kapacitív áram folyik át a levezetőn. A térerősség növelésével az elektronok - az alagúthatás következtében - átlépve az elektrongátat az ellenállás igen kicsiny értékűre csökken (végezetül csak a kobaltoxiddal csökkentett ZnO-szemcsék ellenállására). A levezetőn belül az áramutak cinkoxid-szemcsék általában soros kapcsolásából alakulnak ki.

A cinkoxid levezető ellenállás változásának jellege a feszültség-áram (U - I), vagy a villamos térerősség-áramsűrűség (E - J) karakterisztikájukkal mutatható be. Az utóbbi látható kétszer log-log-léptékben a 7.150. ábrán, amelyen összehasonlításképpen a szilciumkarbid jelleggörbéjét is feltüntettük. A jelleggörbék centrális tükrözéssel a változók negatív értékeire is megrajzolhatók, tehát a levezető ellenállások egyen- és váltakozó áramú körökben egyaránt használhatók. A karakterisztikák még közelítőleg sem írható le az eddig használt (7-19) szerinti hatványfüggvénnyel, ha α értékét állandónak vesszük. Pl. a karakterisztika kezdeti szakaszán α =1-15, a középső szakaszán α≌40, a felső szakaszon α≌8 értékkel számolva kapunk megfelelő értéket. Látható, hogy a karakterisztika az üzemi feszültségek, tehát a kis áramok tartományában erősen függ a hőmérséklettől, mégpedig úgy, hogy a hőmérséklet növekedésével csökken a levezető nemlineáris jellege, azaz adott feszültségnél nagyobb áram folyik át rajta, amely hőmegfutáshoz vezethet. Megfelelő méretezéssel ez a probléma megoldható. A nagy nonlinearitású ZnO ellenállás alkalmazásából azonban két fontos előny származik. Az egyik előny, hogy a kis maradékáramnak köszönhetően nincs szükség szikraközre. A másik az, hogy a maradékfeszültség is kicsi. A ZnO levezetőknek számos - itt nem részletezett - egyéb előnyös tulajdonsága van még.

Levezető ellenállások E-J karakterisztikái.

A cinkoxid túlfeszültségkorlátozók szerkezeti felépítése is rendkívül egyszerű akár a porcelánházas, akár a polimerházas (szilikongumi) levezetőt tekintjük. Az utóbbiről mutatunk be egy részletrajzot a lenti ábrán. A ZnO-tárcsákat szorosan egymáshoz szorítva helyezik el a légmentesen lezárt szilikongumi-házban, amelynek két végét a csatlakoztatásra szolgáló fémszerelvényekkel látják el.

Polimerházas ZnO túlfeszültségkorlátozó

Kisfeszültségű túlfeszültségvédelmi eszközök

Ide sorolható a fémoxid túlfeszültségkorlátozó (varisztor), a nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető és védődióda.

Fémoxid túlfeszültségkorlátozó (varisztor)

A kisfeszültségű elosztó hálózatokban, valamint szabályozási vezérlési és automatizálási áramkörökben alkalmazott cinkoxid (vagy fémoxid) túlfeszültséglevezetőket varisztoroknak nevezzük. A varisztorok olyan feszültségtől (nem lineárisan) függő VDR-ellenállások (voltage dependent resistors), amelyeknek ellenállása az U feszültségük növekedésével erőteljesen csökken. Túlfeszültség esetén igen rövid idő ( tc <;25 ns) alatt megszólalnak, és nagy lökőáramok (max. 4000 A) levezetése után a hálózati feszültség hatására a megnövekedett ellenállásukon csak igen kicsiny (<;30 μA), tartósan is megengedhető szivárgási áram folyik át.

A ZnO levezető ellenálások tulajdonságait, karakterisztikáit a fentebb már bemutattuk. A varisztor szerkezeti felépítése az lenti ábrán látható. A tárcsa alakú fejrész epoxigyantából készült burkolatán belül a két kivezetés között helyezkedik el. A fejrész (típustól függően) D =7…25 mm átmérőjű és v =3…8 mm vastagságú.Kép

Varisztor

1. Azonos méretű cinkoxid-szemcsék esetén a varisztor feszültsége tárcsa vastagságával arányosan növekszik.
2. A varisztorra megengedhető lökőáram nagysága tárcsa keresztmetszetével arányosan növekszik.
3. A tárcsa vastagsága és keresztmetszete együttesen határozza meg a varisztorban keletkező veszteségi teljesítményt és a leadott hőt.

Nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető

A nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető a gázkisülések elvén működik. Szerkezeti felépítése kivezetések nélküli kivitelében a lenti ábrán, kivezetésekkel ellátott formájukban pedig a másik ábrán (ahol a jellemző méretei is szerepelnek mm-ben) látható. Egy gyűrű alakú, üveg vagy keramikus anyagból lévő, szigetelő két végén fém elektródok zárják le légmentesen a kisülési teret, amely túlnyomó részben argonnal és neonnal van feltöltve. A Ha az elektródokra kapcsolt feszültség meghaladja a gyújtófeszültségüket (amely típustól függően 70 V...15 kV), a kisülési térben néhány μs-on belül kis feszültségű (10...25 V) ív jön létre, amely kis ellenállása (<;0,1 Ω) révén igen nagy levezetési áram (lökőhullám esetén max. 60 kA) kíséretében süti ki az áramkört. Ezután az ív elalszik, és a levezető ellenállása az alapállapotára jellemző nagy (≥10 GΩ) értékre áll vissza. Az 1 mm-nél kisebb távolságra lévő síkelektródok felületei emissziót elősegítő bevonattal vannak ellátva. Ez az aktiváló anyag az elektronok kilépési munkáját lényegesen csökkenti. A túlfeszültséglevezetőnek gyorsan kell megszólalnia, hogy a gyorsan (kb. 1 kV/μs) meredekséggel növekvő túlfeszültséget megfelelően korlátozza. Ennek érdekében a gyűrű alakú szigetelő belső felületére olyan gyújtássegítő réteget hordanak fel, amely a villamos tér eltorzításával gyorsítja meg a gázkisülés kialakulását. A gázkisülések sztohasztikusan zajlanak le, ezért a túlfeszültséglevezetőtől azt is megkövetelik, hogy adott tűrésen belül szólaljon meg egyenfeszültség lassú (kb. 100 V/s) növekedésének hatására. Ezen villamos jellemzőket széles határok között lehet változtatni és a levezetőt a legnagyobb élettartamú működésére optimalizálni a zárt kisülési térben lévő gázok összetételének és nyomásának változtatásával (a környezeti hatásoktól függetlenül), valamint az elektródok távolságával, az aktiváló és gyújtássegítő anyag bevonatával és összetételével.

Nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető kivezetések nélkül

Nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető kivezetésekkel

Védődióda

Az integrált áramköröket tartalmazó elektronikus készülékeket a be- és kimenetükön, vagy a tápegységükben megjelenő, rövid ideig tartó, de nagy amplitúdójú feszültségcsúcsok tönkretehetik. Ilyen impulzusok induktív vagy kapacitív terhelések kapcsolásakor, elektrosztatikus feltöltődés vagy villámcsapás során keletkezhetnek. Az elektronikus készülékek túlfeszültség elleni védelmére különösen alkalmasak az erre a célra kifejlesztett nagyon kicsiny (kb. 1 ns) megszólalási idejű és elegendően nagy (max. 400A) áramimpulzusok levezetésére is alkalmas Zener-védődiódák, amelyeket TransZorb-diódáknak ( Trans ient Z ener Abs orb er) is neveznek. Gyakran használt kiviteli formájuk a fémtokozású, nagy hőkapacitású ún. szupresszor-diódák.

Szupresszor-dióda

A védődiódák feszültség-áram (I-U) karakterisztikája a lenti ábrán látható. Túlfeszültségvédelmi működésük bemutatására a diódák karakterisztikájának csak a záróirányú szakaszát kell figyelembe venni. Ennek jellemző pontjaihoz tartozó értékpárok a következők:

1. UR névleges záróirányú feszültség (amelynél a dióda még nem vezet), és ahhoz tartozó igen kis értékű I R (=1 μA) szivárgási áram (a gyártók U R V-ban kifejezett értékével különböztetik meg az egyes típusokat a típuscsaládon belül),
2. Ule letörési feszültség , amely az I le =1 mA értékű letörési áramhoz tartozik és
3. Uzmax maximális záróirányú (zener) feszültség , amely a 10/1000 μs-os szabványos lökőáram Ippmeg megengedett csúcsértékéhez tartozik. Ekkor keletkezik a diódára megengedhető legnagyobb (ún. 1 ms-os) P p csúcs-impulzusteljesítmény (Pp = Uzmax ⋅ Ippmeg).

Védődióda karakterisztikája

Váltakozó feszültségű alkalmazáskor a két diódát kapcsolnak egymással szemben Ebben az ún. szimmetrikus kivitelű esetben a záróirányban igénybevett dióda megszólalása esetén a másik dióda vezeti az IF nyitóirányú áramot , amelyhez az UF nyitóirányú feszültség tartozik a dióda nyitó irányú karakterisztikájának megfelelően.

Forrás: VER villamos készülékei és berendezései
Koller László, Balázs Novák
Link: https://www.tankonyvtar.hu/en/tartalom/tamop425/0048_VIVEM177/ch07s07.html

Bevezetés

A modern elektrotechnika különböző területein az elektronikus építőelemek széleskörű alkalmazása következtében folyamatosan növekszik ezen berendezések érzékenysége a tranziens túlfeszültségekkel szemben. A piacon különböző gyártók eltérő kivitelű túlfeszültségvédelmi készülékeket kínálnak, amelyek kombinált villámáramlevezető és túlfeszültségvédelmi funkciókat látnak el. Ezeket a készülékeket 1. típusú kombi levezetőknek szokás nevezni. Az ilyen típusú készülékek vagy szikraköz vagy varisztor alapú technológiákra épülnek. Jelen kiadvány ezen technológiákat állítja egymással szembe, és értékeli a készülékek hatásosságát 1. típusú villámáramlevezetőként.

A túlfeszültségvédelmi készülékek termékszabványa, az MSZ EN 61643-11 a túlfeszültségvédelmi készülékeket (SPD = Surge Protective Device) a bennük lévő védelmi elem megszólalási tulajdonsága szerint osztályozza, így megkülönböztetünk feszültségre kapcsoló védelmi elemet – ilyen például a szikraköz vagy a gáztöltésű túlfeszültséglevezető –, és feszültségkorlátozó védelmi elemet, mint például a varisztor vagy szupresszor dióda.

Túlfeszültségvédelmi készülékek megszólalási viselkedése

Villámáramlevezetőkben, azaz az MSZ EN 61643-11 szabvány szerinti 1. típusú SPD-nek nevezett védelmi készülékben, elsősorban feszültségre kapcsoló szikraközt vagy feszültségkorlátozó varisztort használnak. Az 1. és a 2. ábra ezen két kivitel elvi feszültség-idő diagramját mutatja, az IEC 61643-12:2002 szerinti szabványos villámlökőárammal történő terhelést követően. 

 
1. ábra. Feszültség lefutása szikraközön az IEC 61643-12 alapján 

2. ábra. Feszültség lefutása varisztoron az IEC 61643-12 alapján

Ezen elvi feszültséglefutások alapján a következő következtetések vonhatók le:

•  Szikraköz esetében a feszültség nagyon rövid idő után a kialakuló villamos ív égési feszültségére esik vissza. Ez a feszültség-érték a hálózati utánfolyó áram korlátozására alkalmas szikraközök esetében tipikusan a hálózati feszültség nagyságrendjébe esik.

• Az adott feszültségszintre kapcsoló karakterisztika ún. „hullámtörő” funkciónak felel meg. A villámlökőáram hullámának útjába kis ellenállást „kapcsolunk” és ezzel lerövidítjük az eredeti feszültség lökőhullám impulzusának idejét, ami igen kis értékre csökkenti a maradó feszültség-idő területet. Ez a hullámtörő funkció tehermentesíti a szikraköz után kapcsolt következő védelmi fokozatokat: az alelosztókba telepített 2. típusú és a végberendezés előtt telepített 3. típusú levezetőket. Ezen kívül normál üzemben nem folyik szivárgó áram a védelmi készüléken keresztül, ennek következtében alkalmazása a fogyasztásmérő előtt is lehetséges.

• A varisztor a feszültséget hosszabb ideig, tartósan egy adott szintre korlátozza, aminek értéke általában lényegesen magasabb, mint a hálózat névleges feszültsége, vagy egy szikraközben kialakuló villamos ív égési feszültsége. A viszonylag magas értéken korlátozott feszültség miatt nem alakul ki lényeges nagyságú hálózati utánfolyó áram.

• Varisztor esetében tehát a feszültségimpulzus ideje az előbbiek következtében lényegesen hosszabb, azaz a feszültség-idő terület lényegesen nagyobb, mint szikraköz esetében. Ezért a védelmi elem után kapcsolt készülékek és installációk szigetelése jelentősen nagyobb terhelést kap, mint szikraköz alkalmazásakor. Ez az alkalmazott készülékek élettartamának csökkenésében nyilvánul meg. Ezen kívül a varisztoron normál üzemben ún. szivárgó áram folyik keresztül, ezért ezen készülékek nem alkalmazhatók a fogyasztásmérő előtt.

A „Túlfeszültségvédelmi készülékek koordinációja” című szakirodalom részletesen összefoglalja és értékeli ezen kérdéseket. A villamos installációt és a végberendezéseket terhelő energia nemcsak a lökőfeszültség-impulzus amplitúdójától függ. Ebben a vonatkozásban a lökőfeszültség időbeli lefutása is meghatározó. Szikraközön alapuló 1. típusú SPD készülék esetében lényegesen jobb védőhatás érhető el a villamos installáció szempontjából, mint ahogy az egy varisztoros levezetővel lehetséges

Túlfeszültségvédelmi készülékek energetikai koordinációja

A korábban ismertetett összefüggésekkel kapcsolatosan további fontos kérdés a túlfeszültségvédelmi készülékek energetikai koordinációja, amelynek követelményei időközben a nemzeti és nemzetközi szabványokba is bekerültek. Az energetikai koordináció alatt az egymás után kapcsolt túlfeszültségvédelmi fokozatok szelektív és összehangolt működését értjük. Az ide vonatkozó követelmények az MSZ EN 62305-4 szabvány C függelékében találhatók meg. A függelék jó iránymutatást ad a többfokozatú túlfeszültségvédelmi kapcsolások kiválasztásához és alkalmazásához. A hatályos MSZ HD 60364-5-534 is megköveteli a villamos installációkban a túlfeszültségvédelmi fokozatok koordinációját. A következőkben mind a szikraközön, mind a varisztoron alapuló kétfokozatú védelmi koncepció bemutatásra kerül.

Az egyik alapkapcsolás feszültségre kapcsoló és feszültségkorlátozó SPD energetikailag koordinált kialakítását mutatja be (3. ábra). Az ennél a kapcsolásnál a villámáramimpulzus lefutásakor a védelmi elemekben disszipálódó energia alakulását mutatja a 4. ábra. Ebben az esetben a védelmi kapcsolást 10/350 μs hullámalakú Iimp abszolút értékű villámlökőárammal terheltük meg, mint ahogy azt a vizsgálati szabványok az 1. típusú SPD-k esetében megkövetelik. A lökőáram homlokideje ebben az esetben 10 μs, míg félértékideje 350 μs.

3. ábra. Feszültségre kapcsoló (SG) és feszültségkorlátozó(MOV) túlfeszültség-levezetőt tartalmazó koordinált kialakításkapcsolási rajza, az MSZ EN 62305-4 szerint.

4. ábra. Villám-lökőáram következtében a védelmi elemekben disszipálódó energia szikraköz után kapcsolt varisztor koordinált kialakítása esetén.

A koordinációs feltétel (U₂ + U_DE ≥ U_SG mielőtt még W_MOV > W_{MOV, max, megeng.} lenne) akkor teljesül, ha a szikraköz a megszólalási feszültségét, U_SG eléri és begyújt, mielőtt a varisztor túlterhelődik. A feltétel teljesülését modern szikraközöknél általában speciális, a szikraköz begyújtását segítő triggerkapcsolásokkal érik el. Ennek következtében kiegészítő kapcsolási elemre az 1-es és 2-es SPD között a koordináció biztosításához nincs szükség.

Ha az előbbi alapfeltétel teljesül, akkor a feszültségre kapcsoló karakterisztika és a szikraköz ehhez köthető hullámtörő funkciója biztosítja, hogy: 

• a szikraköz után kapcsolt varisztor terhelése a szikraköz begyújtása után gyakorlatilag nullává válik és
• a teljes energiát a szikraköz vezeti le a föld felé.

A másik kapcsolás két feszültségkorlátozó SPD energetikailag koordinált kialakítását mutatja be (5. ábra). Az ennél a kapcsolásnál a villámáramimpulzus lefutásakor a védelmi elemekben disszipálódó energia alakulását mutatja a 6. ábra, amelynél mindkét varisztorban a disszipálódó energia a lökőáram amplitúdójának növekedésével növekszik. 

5. ábra. Két feszültségkorlátozó (MOV) túlfeszültséglevezető koordinált kialakításának kapcsolási rajza az MSZ EN 62305-4 szerint.

6. ábra. Villámlökőáram következtében a védelmi elemekben disszipálódó energia két egymás után kapcsolt varisztor koordinált kialakítása esetén.

A koordinációs feltétel csak akkor teljesül, ha a lökőáram amplitúdója olyan értékre korlátozható, ami megakadályozza mindkét varisztor túlterhelését. Ebből az alábbi következtetések vonhatók le: 

• a lökőáram teljes energiája a két varisztor között fix viszonyszám alapján oszlik meg, és folyamatosan mindkét varisztorban fellép a lökőáram lefutásának teljes ideje alatt (a 6. ábra esetében a teljes energia 70%-a a MOV1 és 30%-a a MOV2 varisztorban) és

   

• a lökőáram amplitúdójának növekedésével mindig elérhető egy érték, amikor a MOV2 varisztor túlterhelődik (ez csak az alkalmazott varisztorok maximális energiafelvevő képességétől függ, amit tulajdonképpen a varisztorlapok felületének nagysága határoz meg).
  

Összefoglalásképpen elmondható, hogy hatásos energetikai koordináció a lökőáram gyártók által specifikált amplitudótartományban (0–12,5 kA 10/350 μs hullámalak) 1. típusú túlfeszültségvédelmi készülék esetében a gyakorlatban csak szikraközzel valósítható meg. A szikraköz hullámtörő funkciója és az ezzel összefüggő impulzusidő lerövidülése következtében a szikraközön áthaladó 10/350 μs hullámalakú áramimpulzus olyan kis abszolút értékre csökken, amit már az utána kapcsolt védelmi fokozatok és a végkészülékek biztonságosan le tudnak vezetni.

1. típusú, varisztor alapú villámáramlevezetők, SPD-k esetében hatásosan működő koordináció, különösen a villámáramlevezető után kapcsolt védelmi fokozatokban használt kis levezetőképességgel rendelkező varisztorlapok esetében – mint amilyen például az S20K275 – nem nagyon lehetséges.

A végberendezésben elhelyezett varisztor a szokásos méretezési feszültség esetében lényegesen nagyobb terhelésnek van kitéve, mint szikraköz alapú 1. típusú védelmi elem alkalmazása esetében.

A végberendezésben lévő varisztoron, elékapcsolt 1. típusú varisztor alapú védőkészülék esetében a lökőáram hullámalakja és az impulzus ideje nem változik lényegesen. A 10/350 μs hullámalakú lökőáramimpulzus, az árameloszlás révén amplitudóban ugyan csökken, de az áramimpulzus energiatartalma a legtöbb esetben túl nagy ahhoz, hogy a varisztor túlterhelése kizárható lenne.

A szikraközt és utána kapcsolt varisztort tartalmazó koordinált védőkapcsolást és a két egymás után koordináltan kapcsolt varisztoros túlfeszültségkorlátozó kapcsolást összehasonlítva tehát megállapítható, hogy hatásos energetikai koordináció a gyártók által az 1. típusú varisztoros túlfeszültségédelmi levezetőkre specifikált lökőáram amplitúdótartományban (0–12,5 kA, 10/350 μs) a gyakorlatban csak szikraközzel valósítható meg. A szikraköz hullámtörő funkciója és az ezzel összefüggő impulzus-idő terület lerövidülése következtében a kapcsolásba érkező 10/350 μs hullám alakú áramimpulzus olyan kis abszolút értékre csökken, amelyet már az utána kapcsolt védelmi fokozatok és a végkészülékek biztonságosan le tudnak vezetni.

Mérési eredmények

 Az elméleti megközelítés helyességének ellenőrzése érdekében olyan 1. típusú szikraközön és varisztoron alapuló levezetőkkel is méréseket végeztek, amelyek a gyártók adatai szerint végberendezések védelmére is alkalmasak (7. ábra). A kísérletekben a koordináció teljesülését minden esetben egy olyan referenciavarisztorhoz (S20K275) képest vizsgálták, amit jellemzően 230 V-os tápfeszültségű hálózaton üzemeltetett végkészülékekben használnak. A koordináció teljesülésének vizsgálatakor az 1. típusú SPD által átengedett, a referenciavarisztoron megjelenő energiát hasonlították össze a referenciavarisztorra megengedett maximális energiával. A kísérletek során ezt az energiát mérték, különböző amplitúdójú 10/350 μs hullámalakú lökőáramértékektől egészen a gyártók által megadott maximális 12,5 kA értékig. Az amplitúdó értékét a kísérlet során a 0 kA értéktől kis lépésekben emelték, hogy a feszültségre kapcsoló SPD-k esetében az ún. „vakfolt” is meghatározható legyen. Ebben az esetben a lökőáram olyan amplitúdóértékéről van szó, amelynél a feszültségre kapcsoló SPD még éppen nem szólal meg, és ezzel a referenciavarisztor energetikai terhelése a legnagyobb.

7. ábra. Koordinált védőkapcsolás a referenciavarisztorra jutó energia mérésére.

8. ábra. Referenciavarisztorra átengedett energia a varisztor elé kapcsolt szikraközön alapuló 1. típusú SPD esetében.

az S20K275 varisztor a maximális megengedhető 150 J energiaterhelést egyetlen, a mérésben szereplő amplitúdójú lökőáram esetében sem lépte túl,

a túlfeszültségvédelmi készülék és a referenciavarisztor közötti 0 m távolság esetén is (közvetlen koordináció) kielégítő „energetikai tartalék”, ΔW áll rendelkezésre a referenciavarisztorra megengedhető maximális energiaterheléshez képest,

ha a túlfeszültségvédelmi készülék és a referenciavarisztor között kiegészítő vezetékhossz áll rendelkezésre (pl. 2 m), akkor az „energetikai tartalék”, ΔW jelentősen növekszik.

Ezzel a referenciavarisztor energetikai koordinációja a vizsgált 10/350 μs lökőáramtartományban (gyártói adat: Iimp = 12,5 kA) korlátok nélkül biztosított. A varisztor alapú 1. típusú SPD-k a gyártók adatai alapján általában 280 V-os maximális tartós feszültségre (Uc) alkalmasak. Ez a 230/400 V-os kisfeszültségű hálózatokban alkalmazott, szokásos méretezési eljárás. A 9. ábra diagramja mutatja a referenciavarisztorra átengedett energiát. Ebből az alábbi következtetések vonhatók le:

felismerhető, hogy a referenciavarisztor kb. 2,5 kA amplitúdónál nagyobb 10/350 μs hullámalakú lökőáram esetében a megengedett maximális energiánál nagyobb terhelést kap. Kb. 4 kA amplitúdónál nagyobb 10/350 μs lökőáram már az S20K275 varisztor károsodásához vezet, nagyobb méretezési feszültségű készülékek esetében (pl. 315 V) az energetikai túlterhelés és károsodás az 1. típusú SPD és a referenciavarisztor közötti még kedvezőtlenebb árameloszlás következtében kisebb lökőáramértékeknél következik be, az 1. típusú védelmi készülékre a gyártó által megadott maximálisan megengedhető 12,5 kA lökőáramnál már lényegesen kisebb lökőáramérték a következő védelmi fokozat, illetve a végberendezés energetikai túlterheléséhez vezet. Ez a gyakorlatban előkárosodást vagy akár ezen építőelemek teljes tönkremenetelét jelenti.

A 9. ábrán az 1. típusú túlfeszültségvédelmi készülék és a referenciavarisztor közötti kiegészítő vezetékhossz (2 m) hatását nem tüntették fel, mivel technológiai okok miatt   a bemutatott értékekhez képest alig jelentkezett eltérés.

9. ábra. Referenciavarisztorra átengedett energia a varisztor elé kapcsolt szikraközön alapuló 1. típusú SPD esetében.

Összefoglalva az eredmények világosan mutatják, hogy működő energetikai koordináció a további védelmi készülékek (2. és/vagy 3. típusú) és a végkészülékek (részletes ismeretek nélkül ezek belső felépítésével kapcsolatban) és az 1. típusú védelmi készülék között, csak szikraközön alapuló kombinált villám- és túlfeszültségvédelmi készülékekkel (1. típus) érhető el!

A szikraköz a feszültségre kapcsoló karakterisztikája következtében a kapcsolásba érkező 10/350 μs lökőáram energiáját a hullámtörő elv alapján kielégítően kis értékre csökkenti. A szikraköz gyakorlatilag a teljes villámimpulzusenergiát levezeti, aminek következtében a mögé kapcsolt védelmi fokozatok csak minimális terhelést kapnak.

Varisztor alapú 1. típusú SPD esetében azonban nem ez a helyzet. Mivel az energia ebben az esetben nem „kapcsolásra” (levezetésre), hanem csak korlátozásra kerül, ezért az energia az egyes védelmi fokozatok között fix arányszám alapján oszlik meg. Mivel egy 230 V/400 V-os kisfeszültségű hálózatban kétséges esetben mindig abból lehet kiindulni, hogy a védelmi fokozatok és a végkészülékek 275 V-os feszültségszintre vannak méretezve, így ezek energetikai terhelése lényegesen nagyobb. Ez már kis villámáramok esetében is a komponensek vagy a készülékek károsodásához, illetve tönkremeneteléhez vezethet a villamos installációban.

Szabványi követelmények

A továbbiakban jelen kiadvány a koordinált túlfeszültségvédelem szabványossági előírásainak ismertetése és az eredmények elemzését követően a túlfeszültségvédelemben eddig nem ismert, új fogalom az ún. hullámtörési tényező bevezetésére tesz javaslatot.

A varisztoros és a szikraközön alapuló 1. típusú levezetők végső összehasonlítása előtt vizsgáljuk meg, hogy a vonatkozó szabványok milyen követelményeket határoznak meg az 1. típusú levezetőkkel szemben. Az MSZ EN 62305-3 szabvány szerint a külső villámvédelemnek a szokásos részeken, azaz a felfogón, a levezetőn és a földelésen kívül része az ún. villámvédelmi potenciálkiegyenlítés és a biztonsági távolság számítása/ betartása is. A villámvédelmi potenciálkiegyenlítés keretében a veszélyes másodlagos kisülések megakadályozása érdekében minden az épületbe kívülről érkező fémes vezetéket közvetlenül vagy energetikai és elektronikus rendszerek esetében SPD-n (Surge Protecting Device - túlfeszültséglevezető) keresztül kell összekötni a fő potenciálkiegyenlítő sínnel. Az SPD beépítési helye az üzemszerűen feszültség alatt lévő kábel épületbe történő belépési pontja, típusa pedig 1. típusú ún. villámáramlevezető.

Az ilyen villámvédelmi potenciálkiegyenlítést szolgáló 1. típusú levezető kiválasztásakor alapszabályként az épületen lévő külső villámvédelem MSZ EN 62305 szerinti villámvédelmi osztályából (LPS – Lightning Protection System – villámvédelmi rendszer), illetve az ehhez kapcsolódó LPL (Lightning Protection Level – villámvédelmi szint) villámvédelmi szinthez tartozó  villámparaméterekből kell kiindulni. Az MSZ EN 62305 szerint az épület külső villámvédelmének szükséges osztályát kockázatelemzéssel kell meghatározni. Általánosságban, ha a kockázatelemzéssel meghatározott külső villámvédelem fokozata pl. LPS III/IV, akkor a villámvédelmi potenciálkiegyenlítés (1. típusú levezető) kiválasztásakor is minimum az LPL III/IV által meghatározott villámparaméterek veendők figyelembe az alábbi szabály alapján.

A vizsgált építményen kialakított külső villámvédelmi rendszerbe becsapó villámáram fele folyik el az épület villámvédelmi földelésén keresztül a földbe, a másik fele pedig az épület erősáramú betáplálási kábelén folyik ki az épületből a villámáramlevezetőn keresztül (10. ábra). Tehát az 1. típusú levezetőt erre a villámáramterhelésre kell méretezni.

10. ábra. Épületbe becsapó villám megoszlása.

Az 1. táblázat az ebből eredő követelményeket határozza meg. LPS I villámvédelmi osztály esetén 100 kA (10/350 μs lökőhullám) villámáramot, LPS II esetén 75 kA-t, míg LPS III/IV esetén 50 kA villámáramot kell levezetnie az 1. típusú levezetőnek.

1. táblázat. Erősáramú hálózatban folyó villámáram közvetlen villámcsapást követően.

Ebből következik, hogy a TN-C vagy a TN-C-S rendszer esetében pólusonként 25, illetve 18,5 és 12,5 kA-re adódik a levezetendő villámlökőáram értéke. Tehát a varisztorok korlátozott 10/350-es lökőáramterhelhetősége miatt az ilyen feszültségkorlátozó, 1. típusú levezetők, általában csak LPS III/IV villámvédelmi osztályú külső villámvédelem esetén alkalmazhatók.

A varisztoros LPS III/IV villámvédelmi osztályban használható 1. típusú levezetők alkalmazási területét tovább korlátozza az a tény, hogy ipari létesítmények esetén nagyon gyakran felborul az általános szabály, hogy LPS III/IV villámvédelmi osztályba tartozó külső villámvédelemmel ellátott létesítmények esetén az épületbe kívülről (az LPZ oA villámvédelmi zónából) érkező erős- és gyen- geáramú kábeleknél elegendő az LPS III/IV-nek megfelelő villámvédelmi potenciálkiegyenlítés (1. típusú levezető) alkalmazása.

A fentiekből az is következik, hogy az olyan túlfeszültséglevezetők, amelyek fázisonként 12,5 kA, illetve négy póluson összesen 50 kA 10/350-es lökőáramnál kisebb terhelhetőségűek, villámvédelmi potenciálkiegyenlítés céljára, 1. típusú levezetőként nem alkalmazhatók, hiszen a külső villámvédelem fokozatának minimum LPS III/IV osztálynak kell lennie.

Az MSZ EN 62305 és a 2011 okt. 6-án életbe lépő új OTSZ (28/2011. (IX.6.) BM rendelet) szerint a villámvédelmi terv részeként kötelezően elkészítendő villámvédelmi kockázatelemzés nagyon gyakran azt az eredményt hozza, hogy míg a külső villámvédelem tekintetében elegendő az LPS III/IV villámvédelmi fokozat alkalmazása, addig villámvédelmi potenciálkiegyenlítésként LPS II, LPS I osztályba tartozó vagy akár LPS I-nél 1-szer, 2-szer, 3-szor jobb 1. típusú villámáramlevezető alkalmazása szükséges. Ez utóbbi csak szikraközön alapuló, tehát feszültségre kapcsoló védelmi elemmel valósítható meg, annak érdekében, hogy az emberi élet elvesztésének vagy a közszolgáltatás kiesése elleni kockázat értékét a szabványban, ill. az OTSZ-ben meghatározott szint (10–4) alá csökkentsük. Ilyen esetekben tehát szükség van a pólusonként 18,5 kA vagy 25 kA (10/350 μs) villámáram levezetésére alkalmas 1. típusú levezetők alkalmazására is, amelyek csak szikraközös kivitelben valósíthatók meg.

Különösen igaz ez olyan létesítmények esetén, ahol az épületbe kívülről igen sok erős- és gyengeáramú kábel érkezik. Ebben az esetben a közszolgáltatás kiesésének kockázatát gyakran csak LPS I osztálynak megfelelő paraméterekkel rendelkező, teljes körű és koordinált túlfeszültségvédelmi rendszerrel lehet az új OTSZ által meghatározott kockázati szint alá csökkenteni úgy, hogy a gyengeáramú kábelhálózatokra is ki kell építeni az 1. típusú villámvédelmi potenciálkiegyenlítést és a koordi nált túlfeszültségvédelemet. A fentiek alapján a vizsgált 0–12,5 kA-es villám-lökőáram tartomány a szikraközös és varisztoros 1. típusú levezetők összehasonlítására a gyakorlati  alkalmazásoknak  csak egy részét tudja lefedni.

Hullámtörési tényező definíciója

A jelen vizsgálatban szereplő, varisztoros, 1. típusú villámáramlevezetőkön a koordinációs kísérleteken kívül kísérleti méréseket végeztek el az MSZ EN 61643-11 alapján, amely szabvány meghatározza ezen készülékek vizsgálati követelményeit és elveit. Az ún. kombinált, 1+2 típusú levezetők esetében, mind az 1. típusú, mind a 2. típusú levezetőkre vonatkozó vizsgálatokat külön-külön kell elvégezni. A specifikációkban legtöbbször szereplő 1. típusú levezetőkre vonatkozó (12,5 kA 10/350 μs) lökőáramot (Iimp) és a 2. típusú levezetőkre megadott (például In = 30 kA, Imax = 50 kA 8/20 μs) lökőáramot a gyártmányok le tudták vezetni. Továbbá a specifikációkban szereplő védelmi szinteket a gyártmányok nem lépték túl.

Az ismertetett koordinációs kísérletek során azonban bizonyítást nyert, hogy az IEC 61643-12 és az MSZ EN 62305-4 szabványban ismertetett energetikai koordináció  követelményeinek a varisztoros  1. típusú levezetők  a gyártmányra megadott 0 – 12,5 kA-es (10/350 μs) teljes lökőáramtartományban nem tudnak megfelelni. Már viszonylag alacsony 2–3 kA-es villámáramnál az 1. típusú levezető mögé kapcsolt referenciavarisztor a megengedett maximális energiánál nagyobb terhelést kap. Kb. 4 kA amplitúdónál nagyobb 10/350 μs lökőáram esetében pedig a tipikus S20K275 végkészülékvarisztor károsodásához vezet. A 11. ábra  az 1. típusú, varisztor alapú, míg a 12.  ábra az 1. típusú szikraköz alapú védőkészülék és a mögé kapcsolt végkészülékvarisztor áramviszonyait mutatja a lökőáramgenerátorral előidézett villámáramterhelés következtében. A két ábra összehasonlításából az alábbi következtetések vonhatók le:

Az 1. típusú, varisztor alapú levezető esetében gyakorlatilag a lökőáram lefutásának teljes időtartama alatt folyik áram a végkészülék-varisztoron keresztül. Még kis lökőáramamplitudóknál is energetikai túlterhelés, illetve tönkremenetel következik be a végkészülék varisztorban. Az 1. típusú, szikraköz alapú levezető esetében a szikraköz megszólalása után már nem folyik áram a végkészülék varisztoron keresztül. Ennek következtében a végkészülékvarisztorra jutó impulzus-idő terület lecsökken, ami ún. hullámtörő funkciónak felel meg. Még a maximális lökőáram esetében is gyakorlatilag nincs energetikai terhelés a végkészülékvarisztorban.

11. ábra. Áramviszonyok 1. típusú, varisztor alapú SPD és mögé kapcsolt varisztoros védőkészülék esetén.

12. ábra. Áramviszonyok 1. típusú, szikraköz alapú SPD és mögé kapcsolt varisztoros védőkészülék esetén.

13. ábra. Hullámtörési tényező definíciója.

Ez a hullámtörési tényező az 1. típusú levezető azon tulajdonságát mutatja, hogy energetikai szempontból mennyire tudja megvédeni az utána kapcsolt elektromos berendezéseket a villámáram károsító hatásától. Minél nagyobb ez a szám, az 1. típusú levezető annál jobban képes a mögé kapcsolt elektromos berendezéseket és a 2. valamint 3. típusú védelmi készülékeket megvédeni. A hullámtörési tényező tehát megfelel annak az energiarésznek, amelyet az 1. típusú levezető levezet.

A kísérletben vizsgált 1. típusú, szikraköz alapú védőkészülék hullámtörési tényezőjére a fentiek alapján 0 m csatolási vezetékhossznál 99,4%-ra adódott, míg az 1. típusú, varisztor alapú SPD esetében még 10 m-es csatolási vezetékhossznál is csak 31,2% (14., ill. 15. ábra)!

14. ábra. Hullámtörési tényező szikraköz alapú, 1. típusú védőkészülék esetében.

15. ábra. Hullámtörési tényező varisztor alapú, 1. típusú védőkészülék esetében.

A kétfajta védelmi berendezés közötti hullámtörési tényező számszerűsített értéke jól mutatja azok védőhatása közötti különbséget.

Összefoglalás

A bevezetett hullámtörési tényező számszerű értéke jól jellemzi a koordinált túlfeszültségvédelemben alkalmazott 1. típusú védelmi eszközök védőhatását.

A varisztoros és a szikraközös, 1. típusú védelmi berendezéseket összehasonlítva megállapítható, hogy hatásos energetikai koordináció a gyártók által az 1. típusú, varisztoros túlfeszültségvédelmi levezetőkre specifikált lökőáram amplitúdótartományban (0–12,5 kA, 10/350 μs) a gyakorlatban csak szikraközzel valósítható meg.

Az MSZ EN 62305 és az új OTSZ által is megkövetelt villámvédelmi terv és kockázatelemzés védelmi intézkedései között is szerepel a villámvédelmi potenciálkiegyenlítés LPS védelmi osztályának előírása. Ez gyakran szigorúbb, LPS I vagy LPS II védelmi szintet, sőt LPS I-nél 1-szer, 2-szer, 3-szor jobb kategóriát határoz meg az 1. típusú levezetőre a kockázatok megfelelő szintre csökkentése érdekében. Ezen követelmények csak szikraközön alapuló, 1. típusú védelmi berendezésekkel valósíthatók meg, mind az erősáramú, mind a gyengeáramú, az épületbe becsatlakozó kábelek esetében.

A kockázatelemzésben meghatározott védelmi intézkedések betartása a kivitelező számára kötelező, azaz a tervben kiválasztott védelmi készülékek csak azonos műszaki paraméterű más készülékekkel válthatók ki. Ellenkező esetben a kockázatelemzés védelmi intézkedéseit nem tartják be, így a kockázatok sem fognak megfelelni az előírt értékeknek. Az ebből eredő felelősséget (büntetőjogi értelemben is) ilyen esetben a kivitelező viseli.

Forrás: 1. típusú túlfeszültségvédelmi készülék – szikraköz vagy varisztor?
Leibig, B, Strangfeld, U, Kovács K. PhD
Link: www.dehn.hu/pdf/pdf12/sonderdruckHU.pdf