T ÚLFESZÜLTSÉG VÉDELMI KÉSZÜLÉKEK ÉS ESZKÖZÖK [4]

A villamos kapcsolókészülékek nagy többségét alkotó szűkebb értelemben vett kapcsoló eszközök mellett megkülönböztetjük a túlfeszültség védelmi vagy túlfeszültség-korlátozó készülékeket. Ezek a túlfeszültség védelemi berendezések elsősorban feladatukban térnek el a többi készülékektől. Feladatuk, hogy rendellenesen nagy feszültségek, túlfeszültségek felléptekor alkalmasan kialakított szerkezetükkel működésbe lépjenek, és a túlfeszültségeket a berendezés többi része a szigetelésének védelme érdekében korlátozzák. A hálózaton fellépő feszültség igénybevételek és a hálózat, illetve egyes elemeinek szigetelés kiválasztása, méretezése és vizsgálata a szigeteléskoordinálás elvein nyugszanak. A szigeteléskoordinálás nyújt alapot ahhoz, hogy a készülékek számára a névleges feszültségből kiindulóan a hálózatban betöltött szerepüknek és beépítési helyüknek megfelelően előírjuk a szükséges próbafeszültségeket (ipari frekvenciájú próbafeszültség, lökő próbafeszültség, kapcsolási hullámú próbafeszültség).

1.7.1 Szikraköz

A szikraköz a legegyszerűbb túlfeszültség védelmi eszköz. A hálózat és a föld közé kapcsolva légközét úgy állítják be, hogy csak a hálózat névleges feszültségét jóval meghaladó túlfeszültség hatására üssön át. A szikraköz átütésével megszűnik a túlfeszültség (a föld felé levezetődik a túlfeszültséget létrehozó energia), de ezt követően a szikraközön földzárlati áram folyik tovább, amelyet a hálózat feszültségforrása táplál.

Ívoltó szerkezet hiányában ez az áram csak akkor szűnik meg magától, ha nagysága legfeljebb néhány A értékű (pl. kompenzált hálózat egyfázisú földzárlati árama). Ilyen kicsi értékű áram előfordulási valószínűsége erősen korlátozott, mivel a középfeszültségű hálózatokban (ahol a földzárlati áramot kompenzálással csökkentik) általában több fázisban egyidejűleg lép fel túlfeszültség, és ütnek át a védelmül szolgáló szikraközök. A szikraköz ugyan hatásosan megszünteti a túlfeszültséget, de az átütésnél fellépő nagy meredekségű feszültségváltozás veszélyezteti a tekercselések (transzformátor, fojtótekercs, mérőváltók) szigetelését, mivel egyenlőtlen feszültségeloszlást okoz rajtuk, ezenkívül a kialakuló zárlati áram termikus és dinamikus hatása sem kívánatos. A megszólalási feszültség nagy szórása miatt közép- és nagyfeszültségen tartalék védelemként vagy mint koordináló szikraközként alkalmazzák (1.6 ábra).

1.6 ábra: Nyomásvezérelt, zárt kúszószikraköz Forrás: http://www.muszeroldal.hu/MMK/nr65/feher.html

1.7 ábra: Radiálisan és axiálisan öblített villamos ívtér Forrás: http://www.muszeroldal.hu/MMK/nr65/feher.html

1.7.2 Nemesgáztöltésű túlfeszültség-levezető

A nemesgáz (pl. argon, neon) töltésű túlfeszültség levezetők, valójában szikraközök a gázkisülés elvét használják ki. A gyújtó feszültség értékének túllépésekor (ez típustól függően 70...15 000 V) a hermetikusan lezárt kisülési térben ellenőrzött ív alakul ki néhány ns-on belül, amely a folyamatot beindító túlfeszültséget rövidre zárja. A kicsi ívfeszültség kivételesen nagy levezető képességet biztosít (max. 60 kA). A kisülés után a túlfeszültség-levezető kiolt és ellenállása a zavar nélküli üzemállapotra jellemző nagy értéket (> 10 G) veszi fel. A túlfeszültség levezető illetve szikraköz elvi felépítését a 1.7 ábra mutatja. A hermetikusan zárt, nemesgázzal (argon, neon) töltött kisülési teret egy üreges henger alakú szigetelő alkotja, amelynek két végén, egymással szemben helyezkednek el az elektródok. Az 1 mm-nél kisebb távolságra elhelyezett elektród felületeket emissziót elősegítő bevonattal látják el. Ez az aktiváló anyag lényegesen csökkenti az elektronok kilépési munkáját. A gyakorlatban döntő jelentőségű kérdés, hogy a túlfeszültség-levezetővel gyorsan növekvő feszültség (kb. 1 V/ms) esetén milyen védelmi szint érhető el. A túlfeszültség hatásos korlátozása miatt gyors megszólalás az igény, ezért a hengeres szigetelő belső felületére gyújtássegítőt hordanak fel.

1.8 ábra: Túlfeszültség-levezető MOV varisztor Forrás:

http://kapcsolo-konnektor.hu/letoltesek/Elektronika-T%FAlfesz%FClts%E9gv%E9delem%20bevezet%F5.pdf

1.9 ábra: Túlfeszültség-levezető elnyomódióda Forrás:

http://kapcsolo-konnektor.hu/letoltesek/Elektronika-T%FAlfesz%FClts%E9gv%E9delem%20bevezet%F5.pdf 1.7.3 Félvezető alapú túlfeszültségvédelmi eszközök

A túlfeszültségvédelembe beépíthető varisztorok (1.8 ábra) (MOV – Metal Oxid Varistor) feszültségfüggő ellenállások, fémoxidból (cinkoxid) készül tárcsa alakban. Valamivel a

névleges feszültségük fölött az ellenállásuk oly mértékben lecsökken, hogy áteresztőkké válnak. A túlfeszültség korlátozása megtörténik, amennyiben a varisztoron keresztül áram folyik. A varisztorok levezetési képessége a közepestől a magas szintig terjed.

40 kA – 8 kA nagyságrendű. A megszólalási idő 5 ns alatt van. A maradékfeszültség

egy-értelműen alacsonyabb, mint a szikraközöknél. Az alacsonyabb védelmi szint következtében javított túlfeszültségvédelmet érhetünk el, és a táphálózatból járulékos áramkivétel nem történik. De a varisztorok sincsenek minden hátrány nélkül. Az öregedési jelenséget, azaz az ún. „hőmegfutást”, illetve védelmi karakterisztika változását és a viszonylag magas kapacitást is figyelembe kell venni ezen építőelemeknél. A varisztorok nagy kapacitása az áramkörökben nagy frekvenciákon zavaró lehet. Kb. 100 kHz-es frekvenciáknál a jelek csillapításával kell számolnunk. Ezért az adatátviteli berendezésekben történő alkalmazás nem javasolt.

Az elnyomódiódák (1.9 ábra) a zenerdiódákhoz hasonlóan működnek. Létezik egyirányú, és kétirányú kivitel. Az egyenáramú körökben gyakran „egyirányú” elnyomódiódákat alkalmaznak. Az elnyomódiódák azonban a hagyományos zenerdiódákkal szemben magas áramterhelhetőséggel rendelkeznek és jelentősen gyorsabbak. Az áramterhelhetőségük nem minden esetben olyan nagy. Ez az érték kisebb, mint 1800 W/ms. A szupresszordiódák rendkívül gyors megszólalási idővel rendelkeznek, amely a pikoszekundumos tartományban helyezkednek el. Az elnyomódiódák alacsony védelmi szintje is előnyös. Sajnos, az elnyomódiódák nem elhanyagolható saját kapacitással rendelkeznek. Emiatt a beépítésük során, a varisztorokhoz hasonlóan, magas frekvenciákon a csillapítási hatásukat figyelembe kell venni.

1.7.4 Túlfeszültségvédelmi kombináció

Az egyes komponensek sorrendjéből adódik a kimenet irányában történő növekvő megszólalási érzékenység pl. az 1 kV/µs meredekségű, és 10 kV csúcs-értékű zavarfeszültséget a bemeneten egy gáztöltésű túlfeszültség-levezetővel kb. 600 – 700 V-ra lehet korlátozni. A második fokozat, amelynek az elsőtől való közvetlen csatolását egy induktivitás segítségével megszüntették, ezt az értéket kb. 100 V-ra csökkenti. Ezt a feszültségimpulzust aztán az elnyomódióda kb. 35 V-ra csökkenti (egy 24-V-os védőkombináció esetén). Az ezután következő elektronikának tehát csak egy kb. 1,5 x UB feszültség impulzust kell elviselnie (1.10 ábra).

1.10 ábra: Túlfeszültség-levezető kombináció

Forrás: http://kapcsolo-konnektor.hu/letoltesek/Elektronika-T%FAlfesz%FClts%E9gv%E9delem%20bevezet%F5.pdf

Az 1.10 ábrán látható ún. három lépcsős túlfeszültségvédelmi rendszert alkalmazzák a kisfeszültségű villamosenergia ellátásban. A rendszer elemei a betáplálás felől nézve sorrendben a következő: szikraköz, varisztor és szupresszor- vagy lavinadióda, amelyek a szabvány szerint a következőkkel jellemezhetők:

 Tip. 1 („B” fokozat, durva védelmi fokozat, villámáram-levezető) főbb műszaki adatai:

üzemi feszültség 255/440 V, védelmi szint (1,2/50 s): 3,5 … 4 kV, levezetőképesség (10/350 s): 60 … 100 kA, megszólalási idő: =100 ns.

 Tip. 2 („C” fokozat, közepes túlfeszültségvédelmi fokozat) főbb műszaki adatai: üzemi feszültség 230/400 V, védelmi szint (8/20 s, 15 kA): 1,5 … 2,5 kV, levezetőképesség (8/20 s): 15 … 20 kA, megszólalási idő: 25 ns.

 Tip. 3 („D” fokozat, finom túlfeszültségvédelmi fokozat) főbb műszaki adatai: üzemi feszültség 230/400 V, védelmi szint (8/20 s, 5 kA): 1 … 1,5 kV, levezetőképesség (8/20 s): 5 kA, megszólalási idő általában: 1 ns  tmeg  25 ns.

Megjegyzés: A leggyorsabb védelmi elemeknél akár tmeg = 10 ps = 0,01 ns is lehet.

A védelem működése:

 A fénysebességgel haladó túlfeszültség hullám a végéről – tehát visszafelé – indítja a megszólalási ideje.

 Ettől az elemtől kell átvenni a vezetést az előtte lévő védelmi elemnek. Ez akkor lehetséges, ha uvar.  uszup. + iZvez.1. Itt Zvez.1 a korábban említett 10-12 m vezetékhossz impedanciája, vagy a beépített műimpedancia a varisztor és a dióda között.

 A szikraköz begyújtása hasonlóan történik, azaz uszik.  uvar. + iZvez.2. Itt Zvez.2 a korábban említett 10-12 m vezetékhossz impedanciája, vagy a beépített műimpedancia a szikraköz és a varisztor között.

Amennyiben a működés során a nagyobb energia levezető elem nem tudja átvenni a vezetési funkciót az előző elemtől, akkor ez az elem a termikus túlterhelődés miatt leéghet, megsemmisülhet.

Megjegyzés: Az 1.10 ábrán jelölve ugyan nincs, de a túlfeszültségvédelmi fokozatok elem meghibásodásakor a hálózatba beépített zárlatvédelmi elemeknek kell működésbe lépni.

Ez a főelosztónál a betápláló megszakító vagy biztosító, a szinti elosztóknál szintén az elosztó betápláló megszakító vagy biztosító, míg a fogyasztói finom védelemnél az áramköri leágazás kismegszakítója vagy biztosítója.