BEZPEČNOSŤ ELEKTRICKÝCH ZARIADENÍ, OCHRANA PROTI PREPÄTIAM

Transcript

1 Výchova a vzdelávanie elektrotechnikov BEZPEČNOSŤ ELEKTRICKÝCH ZARIADENÍ, OCHRANA PROTI PREPÄTIAM Ing. Pavol POLÁK Úvod Základné pojmy Elektromagnetické prostredie prostredie je tvorené prírodnými zdrojmi elektromagnetického poľa (slnko, kozmický priestor, atmosférické javy v prírode) a umelými zdrojmi elektromagnetického poľa (výroba, prenos a spotreba energie, elektrické stroje, elektronické zariadenia, trakčné systémy, rôzne spínacie zariadenia atď.). Elektromagnetická kompatibilita (EMC) (elektromagnetická zlučiteľnosť, znášanlivosť)- odbor ktorý sa zaoberá zabezpečením bezporuchovej činnosti elektrických zariadení v elektromagnetickom prostredí, tak aby dané zariadenie nerušilo neprípustným spôsobom iné zariadenia a naopak, aby prevádzka okolitých zariadení nerušila prevádzku daného zariadenia. Problematiku EMC možno rozdeliť na dve základné oblasti: EMI (elektromagnetic interference, elektromagnetické rušenie) rozumieme ním vyžarovanie z daného zariadenia do okolia. EMS (elktromagnetic susceptibiliti, elektromagnetická citlivosť) rozumieme ním odolnosť daného zariadenia voči pôsobeniu rušivej elektromagnetickej energii. Ochrana elektrických zariadení proti prepätiam je súčasťou EMS. Problematiku EMC možno schematicky vyjadriť nasledovne: šírenie rušenia po vedení EMI vyžarovanie šírenie rušenia elektromagnetickým poľom EMC proti pôsobeniu rušeniu vo vedení EMS odolnosť proti rušeniu pôsobeniu rušivých elektromagnetických polí Obr.1 Rozdelenie oblastí EMC Ing. Pavol POLÁK, Akadémia ozbrojených síl, Katedra elektroniky Liptovský Mikuláš. polak@aoslm.sk

2 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach 2008 Prepätie akékoľvek napätie, vyššie ako prevádzkové napätie v elektrickom obvode. Charakterizuje sa buď maximálnou vrcholovou hodnotou alebo ako pomerné zvýšenie. Prepätia majú najčastejšie charakter prechodových javov. Prenosové cesty elektromagnetického rušenia - galvanická väzba (spoločné vodiče, napájacie a uzemňovacie vodiče); - kapacitná väzba (kapacita medzi blízkymi súbežnými galvanicky oddelenými vodičmi); - indukčná väzba (vyskytuje sa u vodičov s premenným indukčným tokom, rozptylové polia transformátorov, nepriame účinky bleskových prúdov a pod.); - väzba elektromagnetickým poľom elektrických zariadení, ktoré sú navzájom vzdialené (elektromagnetické vlny šíriace sa voľným priestorom zariadenia pôsobia ako vysielacie a prijímacie antény, vyžarovanie). Rozdelenie prepätí podľa pôvodu - atmosférické prepätie (LEMP-lighting elektromagnetic pulse) - spínané priemyslové prepätie (SEMP- switching elektromagnetic pulse) - prepätie spôsobene elektrostatickými výbojmi (ESD-elektrostatic discharge) - prepätie nukleárnych reakcii (NEMP-nuklear elektromagnetic pulse) Najnebezpečnejším prepätím sú atmosférické prepätia. Ochrana proti nim spravidla zaisťuje aj ochranu proti spínacím prepätiam. Podľa dĺžky trvania môžeme prepätia rozdeliť nasledovne: - slabo tlmené prepätia sú to dlho trvajúce prepätia (až niekoľko sekúnd), napr. prepätia v dôsledku skratov, ferorezonančných javov, nelineárnych efektov alebo oscilačných javov; - silno tlmené prepätia trvajú veľmi krátky čas, radovo niekoľko mikrosekúnd (atmosférické prepätie, spínane prepätie). 1. Ochrana pred bleskom Blesk je atmosférický výboj, ktorý ma charakter rázového prúdu, ktorým sa vyrovnávajú náboje rôznej polarity (medzi mrakmi a zemou). Blesk je charakterizovaný výbojom s veľkým prúdovým impulzom (jednotky až stovky ka). Trvanie blesku je stovky milisekúnd. Náboj zvedený bleskom do zeme môže byť až stovky As a vrcholová hodnota bleskového prúdu až 200 ka. Požiadavky na ochranu pred bleskom Podľa všeobecne záväznej Vyhlášky č.532/2002 Z. z. sa ochrana pred bleskom zriaďuje na stavbe a zariadení tam, kde by blesk mohol spôsobiť: a) ohrozenie života alebo zdravia ľudí; b) poruchu s rozsiahlymi dôsledkami; c) výbuch; d) škodu na kultúrnej prípadne inej hodnote; e) prenesenie požiaru zo stavby na stavbu; f) ohrozenie stavby, pri ktorej je zvýšené nebezpečenstvo v dôsledku jej umiestnenia (ak je nad okolím). 112

3 Výchova a vzdelávanie elektrotechnikov Pri priamom zásahu blesku bleskozvod zvedie do zeme iba časť prúdu (uvádza sa hodnota 50 % bleskového prúdu). Zvyšná časť sa približne rovnomerne rozdelí medzi prevádzkové systémy vstupujúce do štruktúry. Preto je dôležitá koordinácia medzi vonkajšou ochranou (bleskozvod) a vnútornou ochranou (pospájanie, tienenie, zvodiče prepätia). Ochranné zariadenia proti blesku sa zriaďujú s prioritnou požiadavkou, čo najviac znížiť účinky bleskového prúdu, do istej miery však môžu znížiť aj účinok ostatných prepätí (spínané prepätie). Podľa princípu činnosti bleskozvody delíme na pasívne a aktívne. Aktívne bleskozvody tvoria novú generáciu ochrany pred bleskovými výbojmi. Ich problematiku rieši STN Tieto zariadenia sú aktivované vysokou intenzitou elektrického poľa. Po aktivácii aktívny bleskozvod vysiela proti vyvíjajúcemu sa blesku vzostupný korónový výboj, čím sa zvýši účinnosť zachytávania blesku. Výhoda aktívnych bleskozvodov je vo zvýšení ochranného polomeru objektov až 25 násobne. Triedy ochrany objektov Z hľadiska ochrany pred bleskom súčasné normy rozdeľujú objekty do štyroch tried ochrany- podľa úrovne ohrozenia nasledovne: Tabuľka 1 Triedy ochrany objektov podľa úrovne ohrozenia Úroveň ohrozenia Trieda ochrany Príklad objektov Zanedbateľná IV Budovy stojace v chránenom priestore iného objektu, (sklady atď.). Nízka III Rodinné domy, administratívne budovy, školy a podobne. Stredná II Supermarkety, múzea, športové haly s veľkým množstvom návštevníkov a budovy s veľkým nasadením elektroniky. Vysoká I Budovy s veľmi náročnou výrobou, energetické zdroje a objekty s prostredím s nebezpečenstvom výbuchu. zosilnená trieda I Prevádzky s chemickou výrobou, nemocnice a jadrové elektrárne. Podľa príslušných noriem vonkajšia ochrana pred bleskom musí byť zriadená na objektoch triedy I a II, pri objektoch triedy III je vždy žiaduca, v niektorých oblastiach povinná. Ochranné zóny Ďalším kritériom rozdelenia priestorov pre ochranou pred bleskom je rozdelenie do ochranných zón. Sú špecifikované ochranné zóny (OZ), ktoré charakterizujú jednotlivé priestory chráneného objektu podľa veľkosti rušivých vplyvov spôsobené bleskovým výbojom (STN IEC ). OZ 0 A Vonkajší chránený priestor mimo objektu. V zóne je možný priamy úder blesku, elektromagnetické pole bleskového výboja je netlmené. OZ 0 B Priestor chránený bleskozvodom a priestor tesne pri vonkajších múroch objektu, terasy a nižšie strechy. V zóne nie je v medziach stanovenej účinnosti bleskozvodu možný priami zásah bleskom, elektromagnetické pole bleskového výboja je čiastočne tlmené. OZ 0 1 Vnútorný priestor za vonkajšími múrmi (obvodovými) múrmi a pod strechou objektu. Sem patrí kancelárske a podobne miestnosti v nadzemných podlažiach, výťahové šachty, stúpacie šachty vrátane priľahlých priestorov, schodiská, rozvodne nn, strojovne atď. V zóne nie je možný priamy úder blesku, elektromagnetické pole bleskového výboja je 113

4 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach 2008 tlmené. Tento útlm je závislý od hrúbky a materiálov múrov, od veľkosti ôk Faradajovej klietky tvorenej bleskozvodom, uzemnením, vodičmi potenciálového vyrovnania, uloženým kovovým potrubím a vedením. OZ 0 2 Vnútorný priestor objektu a chodieb pri vnútorných stenách. V zóne nie je možný priamy úder blesku, elektromagnetické pole je tlmené. Útlm je závislý od materiálu a tienenia vnútorných stien. OZ 0 3 Priestor vo vnútri kovových skríň koncových elektrických zariadení, priestor vo vnútri odtienených miestností a pod. Príklad rozdelenia ochranných zón je na obr.2. Obr.2 Príklad rozdelenia ochranných zón Hlavné časti bleskozvodu - zachytávacie zariadenie (zberač); - zvody (vodiče od zachytávacieho zariadenia po skúšobnú svorku, obvykle vedené zvislo nadol); - uzemňovacie vodiče (vodiče od skušobnej svorky po uzemňovač); - uzemnenie (uzemňovače). Zachytávacie zariadenie Vytvorenie zachytávacej sústavy je možné zachytávacími (Franklinovými) tyčami, mrežovou zachytávacou sústavou inštalovanou priamo na chránenom objekte (napr. na plochej streche budovy) alebo oddialeným bleskozvodom (umiestneným mimo chránený objekt). Počet a výška zachytavacích tyčí, hustota mrežovej zachytávacej sústavy, konštrukcia oddialeného bleskozvodu závisia od triedy ochrany objektu (príslušné normy uvádzajú spôsob určenia zachytávacej sústavy, umiestnenie tyčí ako aj veľkosť ôk mrežovej sústavy). 114

5 Výchova a vzdelávanie elektrotechnikov Zvody Na zabránenie vzniku nebezpečných napätí medzi miestom zásahu blesku a zemou, normy požadujú zriadenie viacerých paralelných zvodov od zachytávacieho zariadenia bleskozvodu k uzemneniu bleskozvodu. Dĺžka zvodov, musí byť čo najkratšia, zvody majú byť vedené zvislo nadol. Zvody by mali byť prirodzeným pokračovaním zachytávacích zariadení. Na stanovenie počtu zvodov sa používajú výpočty v závislosti od geometrického usporiadania objektu. Uzemnenie Každý zvod bleskozvodu musí byť zakončený uzemnením na vlastný uzemňovač alebo na spoločnú uzemňovaciu sústavu. Uprednostňuje sa spoločné uzemnenie, prispôsobené všetkým účelom (ochrana pred bleskom, uzemnenie elektrických zariadení, oznamovacích zariadení a zariadení výpočtovej techniky. Uzemnenie sa zhotovuje v súlade s STN Odpor uzemnenia musí byť čo najmenší, nesmie sa meniť v priebehu roka a hodnota odporu môže byť najviac 10Ω. Pospájanie Účelom pospájania je čo najviac zmenšiť napäťové rozdiely medzi kovovými časťami systémami v priestore chráneného pred bleskom. Na ochranu pred bleskom sa zriaďujú tieto druhy pospájania: - pospájanie na hranici medzi chránenými zónami 0 A, 0 B a zónou I (príklad je na obr.2); - pospájanie na hranici ďalších zón (ak existujú); - pospájanie vnútorných vodivých častí (pospájajú sa všetky väčšie vodivé časti, napr. koľajnice výťahov, kovové podlahy, kovové potrubie atď.); - pospájanie informačných systémov (neživé časti sa musia pospájať ako sieť). Tienenie Tienenie je základným opatrením na zmenšenie rušenia spôsobeného elektromagnetickou indukciu. Používa sa vonkajšie tienenie celého chráneného priestoru, tienené káblové kanály, tienené vedenie. Tienenie sa musí vždy pripojiť k uzemneniu. 2. Ochrana vnútorných zariadení proti prepätiam Spôsoby prenikania prepätí do zariadení v budovách - napájacím vedením nn, telekomunikačným vedením, dátovým vedením atď.; - z bleskozvodu a z uzemňovacej sústavy cez galvanicky spojené obvody zariadení; - z častí zariadení umiestnených mimo budovu (napr. snímače, senzory, kamery); - elektromagnetickým poľom (vyžarovaním). Opatrenia na zaistenie vnútornej ochrany proti prepätiu Dôležitou úlohou pri ochrane proti prepätiam, popri už spomínaných opatreniach (pospájanie, ekvipotenciálne vyrovnanie, tienenie), má inštalovanie ochranných prvkov proti prepätiam. Tieto prvky sa obvykle zapájajú medzi chránenú časť (pracovné vodiče systému L1, L2, L3, N) a uzemnenú časť (hlavná uzemňovacia prípojnica v budove, ochranné vodiče). Volajú sa zvodiče bleskových prúdov. Príklad zapojenia je uvedený na obr.3. Najčastejšie používané ochranné prvky proti prepätiu sú: - ochranné iskriská - ochranné diódy - bleskoistky - filtre - varistory 115

6 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach 2008 Obr.3 Zapojenie ochranných prvkov v systéme TN-S a) Ochranné iskrisko Ochranné iskriská zaisťujú pri prepätí dočasné spojenie so zemou. V podstate existujú dva druhy iskrísk a to otvorené a zapuzdrené. Dielektrikom býva najčastejšie vzduch. Pri prekročení zapaľovacieho napätia vznikne medzi elektródami iskriska elektrický oblúk. Podstata samozhášacej schopnosti iskriska je v tom, že elektrický oblúk, ktorého dráha je pri vhodnom tvare elektród oválna (Obr.4), sa pôsobením magnetických vytláča smerom von. V dôsledku toho sa oblúk vyfúkne von z iskriska, vzniknú čiastkové oblúky a tieto sa rovnakým mechanizmom roztrhnú a zhasnú. Obr.4 Princíp zhášania oblúka v iskrisku b) Bleskoistky Bleskoistky sú špeciálne iskriská s kovovými elektródami umiestnenými v malej vzdialenosti od seba, v keramickom alebo sklenenom puzdre. Puzdro je naplnené inertným plynom pod malým tlakom. Použitý plyn stanovuje zápalné vlastnosti bleskoistiek. Obr.5 Dvojelektródová a trojelektródová bleskoistka 116

7 Výchova a vzdelávanie elektrotechnikov Trojelektródová bleskoistka má dve iskriská vytvorené medzi strednou a dvoma krajnými elektródami. Stredná elektróda má otvor, čím sa vytvorí spoločný plynový priestor pre obe výbojové dráhy. Dosiahne sa tým prakticky súčasné zapálenie výboja v oboch iskriskách. Všeobecne sa bleskoistky používajú na ochranu telekomunikačných zariadení, vstupné obvody antén, prijímačov, zosilňovačov, prenosových systémov atď. Možný spôsob zapojenia ku chránenému objektu je znázornený na obr.6. c) Varistory Obr.6 zapojenie dvoj a trojelektródovývh bleskoistiek Varistory sú napäťovo závislé odpory. S narastajúcim napätím sa ich odpor výrazne zmenšuje. Vyrábajú sa v tvare úzkych kotúčov slinovaním (zhutňovaním práškového alebo lisovaného materiálu pri vysokých teplotách) karbidu kremičitého SiC alebo oxidu zinočnatého ZnO s pridaním rôznych kovov. Varistory sa používajú proti prepätiam a nimi vyvolaným prúdom, v zapojeniach na stabilizáciu napätia a absorbciu prepäťových rázov. d) Ochranné diódy Obr.7 Priečny a čelný rez varistora Ako ochranné diódy sa najčastejšie používajú stabilizačné (Zenerove) diódy, častejšie však špeciálne supresorové diódy. Zenerove diódy majú v závernom smere napätie na konštantné v širokom rozsahu prúdov. Používajú sa hlavne na stabilizačné účely. Supresorové diódy boli vyvinuté špeciálne na ochranu proti prepätiu. Od bežnej Zenerovej diódy sa líši homogénnejším kremíkovým materiálom, mechanickou konštrukciou a vyššou cenou. Má väčšiu prúdovú zaťažiteľnosť a veľmi rýchlu odozvu. Ak prepätie presiahne hodnotu prierazného napätia diódy, tá sa stane vodivou a zvedie prepäťový impulz na zem. e) Filtre Používajú sa pasívne (LC, RC) i aktívne (RC) filtre. Výkon filtrov sa pohybuje v širokom rozsahu, rádovo od wattov až po stovky wattov a kilowatty. Na rozdiel od predchádzajúcich ochranných prvkov sa filtre zapojujú nielen paralelne, ale aj do série s chráneným zariadením. 117

8 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach 2008 Najčastejšie aplikácie: - ochrana vstupu zariadení pred rušivými signálmi ležiacimi mimo pracovného frekvenčného pásma (dolný a horný priepust); - potlačenie rušivých signálov v pásme blízkom pracovnej frekvencii (pásmová zádrž); - potlačenie rušenia generovaného zdrojmi priemyselnej frekvencie; - ochrana citlivých elektrických zariadení pred rušením; - odstránenie parazitných väzieb medzi galavnicky spojenými zariadeniam. Ochrana zariadení napájaných z nizkonapäťovej siete Pre elektrické zariadenia napájané priamo zo siete nn sú normami stanovené kategórie prepätia, čím sa rozumie číselné vyjadrenie stupňa odolnosti elektrických zariadené voči prepätiu: Zariadenie impulznej výdržnej kategórie I zariadenie, ktoré je určené na pripojenie k sieti, pričom ochranné prostriedky proti prepätiam na určenú hladinu sú mimo zariadenia (buď v pevnej inštalácii alebo medzi pevnou inštaláciou a zariadením) Zariadenie impulznej výdržnej kategórie II zariadenie spotrebujúce energiu (spotrebič), ktoré sa má napájať z pevnej inštalácie. Patria sem spotrebiče pre domácnosť, prenosné náradie a pod. Zariadenie impulznej výdržnej kategórie III zariadenie ktoré je súčasťou pevnej inštalácie alebo iných zariadení, pri ktorých sa predpokladá vyšší stupeň použiteľnosti. Patria sem rozvádzače, ističe, elektrický rozvod v budovách, prípojnice, spínače a zásuvky atď. Zariadenie impulznej výdržnej kategórie IV zariadenie ktoré je určené na použitie na začiatku elektrickej inštalácie budov alebo v jeho blízkosti pred hlavným rozvádzačom. Príklad uvedených výdržných kategórii je znázornený na obr.8 na nasledujúcej strane. Ochranu EZ kategórie IV (obmedziť prepätie na hodnotu 6kV) je povinný zaistiť rozvodný energetický podnik. Ochranu EZ ostatných kategórii si zaisťuje odberateľ. Obr.8 Výdržné kategórie elektrických zariadení v budove a im zodpovedajúce maximálne úrovne napätí 118

9 Výchova a vzdelávanie elektrotechnikov Ochrana pred prepätím šíriacim sa po vedení: Prepätie šíriace sa po napájacích sieťach nn sa v budovách obmedzuje obvykle v troch stupňoch (niekedy sa to označuje ako trojstupňová ochrana): I. stupeň ochrana proti priamemu úderu blesku do siete a proti nepriamemu úderu v jej blízkosti. Umiestňuje sa čo najbližšie k hlavnému prívodu do budovy (priamo na nn strane transformátora, pri hlavnom rozvádzači) na začiatku kategórie prepätia III. Používajú sa zvodiče prepätia triedy B so zvodovým prúdom aspoň na 100kA II. stupeň III. stupeň ochrana proti impulzovým prepätiam na menší zvodový prúd, inštalujú sa pri podružných rozvádzačoch. Sú to zvodiče prepätia triedy C a ich zvodový prúd býva od 15kA do 40kA. ochrana proti impulzovým prepätiam s ešte menším zvodovým prúdom, inštaluje sa pri podružných rozvádzačoch a rozvodniciach, alebo priamo na zásuvkách. Sú to zvodiče prepätia triedy D, ich zvodový prúd býva okolo 5kA a maximálne 10kA. Možné riešenia ochrany nn vedení v systéme TN-S, TN-C, IT a TT sú znázornené na nasledujúcich obrázkoch. Obr.9 Prepäťová ochrana v systéme TN-S Prepäťová ochrana v systéme TN-C Obr.10 Prepäťová ochrana v systéme IT Prepäťová ochrana v systéme TT 119

10 Bezpečnosť práce na elektrických zariadeniach 2008 Ochrana prenosu dát Ide o ochranu počítačových sieti a zariadení výpočtovej techniky, telekomunikačných, meracích a regulačných vedení. V počítačových sieťach bez ochrany môže dôjsť k samovoľnému resetovaniu, zamŕzaniu systému, stratám dát až po zničenie zariadenia. Pre ochranu prenosových dát musíme vykonať nasledujúce opatrenia: - voľba trasy, druh a spôsob uloženia vedenia; - ochranné opatrenia na vedeniach a zariadeniach. Najkomplexnejšou ochranou je ochrana v troch stupňoch: I. stupeň tvoria opatrenia na vstupe vedení do objektu (použitie ochranných prvkov, uzemnenie, pospájanie, ekvipotenciálne vyrovnanie) II. stupeň tvorí ochrana všetkých zariadení nevyhnutných na činnosť systému (centrálne počítače, servery, zosilňovače, modemy) III. stupeň tvoria opatrenia chrániace všetky ostatne (koncové) zariadenia Možné riešenie prepäťovej bezpečnosti pre ochranu dátovej komunikácie je znázornené na obr.11. Obr.11 Príklad riešenia prepäťovej ochrany zariadení výpočtovej techniky Záver Meniace sa klimatické podmienky na našom území a značná búrková činnosť v letnom období, môžu vplyvom prepäťových porúch spôsobiť poškodenie elektrických zariadení. Prepäťové ochrany v posledných rokoch nadobúdajú čoraz vážnejší význam pri ochrane inštalácii a elektrických zariadení. Pri projektovaní a budovaní novej inštalácie alebo už pri zbudovaných rozvodoch by sme nemali podceňovať prepäťové poruchy. Správnou analýzou by sme mali určiť koncepciu ochrany a použiť potrebné prvky prepäťových ochrán, čím sa dá predísť neskorším problémom. Na našom trhu je v predajnej sieti celá rada týchto prvkov od tuzemských alebo zahraničných výrobcov, pre jednotlivé stupne ochrán. 120