Bliksem- en Overspanningsbeveiliging

Transcriptie

1 Bliksem- en Overspanningsbeveiliging Overspanningen kunnen schade aan elektronische apparatuur veroorzaken. Vermits wij in onze samenleving steeds afhankelijker worden van alsmaar gevoeligere elektronica, is het belangrijk het probleem van overspanningen te onderkennen. De grootte van de veroorzaakte schade hangt sterk af van de spanningsvastheid van de componenten. 1. Soorten storingen Storingen kunnen van verschillende aard zijn. Daarom vindt u in onderstaande figuur de verschillende types van stoorvormen waarmee we te maken kunnen krijgen. U Un 2 t [ms] Hierin is: 1. Een overspanning van langdurige aard. Deze vorm van overspanning komt zelden voor. We gaan er ons dus ook niet specifiek tegen beschermen. 2. Een onderspanning of een sag. Bij deze spanningsveranderingen kunnen er storingen optreden doch geen beschadiging. Ook hier ligt het toepassingsgebied van de overspanningbeveiligingstoestellen niet. Voor deze problemen bestaan reeds lang UPS (uniterupted power supply) systemen.

2 3. Een overspanning die kortstondig optreedt. Het zijn deze overspanningen die door overspanningbeveiligingstoestellen naar de aarde worden afgeleid. 4. Een burst, dit is een spanning die zeer snel verandert, van zeer hoog naar zeer laag. Ook deze vorm komt zelden voor. Beveiligingselementen werken ook hier te beperkt. In het vakgebied van de overspanningbeveiligingen houden we ons dus vooral bezig met de storing van punt 3. Binnen de transiënte of overspanningbeveiligingstechnologie kunnen een aantal kenmerkende stoorbronnen of groepen van stoorbronnen onderkend worden. Het kennen van de stoorbron is van belang, omdat deze de karakteristieke eigenschappen van de stoorimpuls bepaalt. Hierin zijn vooral de topwaarde van de stroom en de grootte van de stroomsteilheid een belangrijke factor. We onderscheiden volgende mogelijke stoorbronnen: de atmosferische ontlading (bliksemontlading), schakelverschijnselen, de elektrostatische ontlading. Soorten blikseminslagen (Bron: Dehn) 1.1 Atmosferische ontlading: De atmosferische ontlading is beter gekend als de bliksemontlading. De bliksemontlading is de meest beschadigende vorm van overspanning waartegen we ons moeten beveiligen. Er bestaan twee soorten bliksemontladingen, nl. directe en indirecte inslagen: - Directe blikseminslagen: Deze ontlading gaat gepaard met een goed zichtbare lichtflits en een plaatselijke luchtdruk van 100 maal de normale luchtdruk. De temperatuur van de plasmakern kan hierbij oplopen tot C. Gedurende deze tijd vloeit een zeer hoge stootstroom die een maximale waarde kan bereiken van A. Bliksem- of atmosferische ontladingen ontstaan dus tussen elektrisch geladen delen. Bijvoorbeeld tussen een wolk en de Ontladingsverschijnsel (Bron: VEI)

3 aarde maar ook tussen twee wolken onderling. De ontladingen vinden plaats gedurende een zeer korte tijd. Ze duren meestal niet langer dan 100 µs. De bliksem die we zien bestaat uit verschillende deelontladingen (zie figuur). - Indirecte blikseminslagen: Een verwijderde inslag komt veel vaker voor. Deze slaat niet in op een gebouw, maar in de omgeving van een gebouw. Ook deze vorm van inslag kan schade aanrichten aan installaties en apparatuur van het gebouw. De verbinding met het gebouw wordt dan gemaakt door middel van één van de koppelmechanismen: Via geleiding (galvanische verbinding). Het stoorsignaal kan via geleiders getransporteerd worden. Voor deze geleiding komen in aanmerking: gezamenlijke voedingsnet; verbindingskabels, zowel aders als afschermingmantels, equipotentiaalverbindingen, aardingssystemen. Soorten blikseminslagen (Bron: Dehn) Via inductieve koppeling. Dit treedt op als lussen in de bedrading gekoppeld worden. De koppeling neemt eveneens toe met de frequentie. Het effect verloopt via magnetische velden en is stroomafhankelijk. Via capacitieve koppeling. De storing kan bijvoorbeeld ontstaan door parallel lopende draden. Deze koppeling neemt toe met de frequentie. Het effect verloopt via elektrische velden en is spanningsafhankelijk. Via straling. Dit effect is terug te vinden in het hoog frequent domein (MHz tot GHZ en meer) en ontstaat via antennes. Elke draad en elke lus kan als antenne werken en straling oppikken of uitstralen.

4 Ook de bliksem tussen twee wolken kan zo schade aanrichten. Niet alleen in het inslagpunt maar ook in de omgeving bestaat dus gevaar op overspanning. Men kan stellen dat alle toestellen die binnen een straal van 1,5 km van het inslagpunt geïnstalleerd zijn gevaar lopen. Gemiddeld worden in ons land 107 onweersdagen per jaar geteld. Het totale aantal blikseminslagen in deze 107 dagen bedraagt ongeveer Dit komt voor een oppervlakte van km² overeen met 1,5 à 2 inslagen / km² per jaar. In België wil dit zeggen dat men 10 tot 15 keer / jaar kans heeft op schade! 1.2 Schakelverschijnselen Ten opzichte van de bliksemontlading komen schakelverschijnselen veel meer voor. Dit is een dagelijks weerkerend fenomeen. Gelukkig hebben we hier te doen met veel minder krachtige problemen. Schakelverschijnselen kunnen op verschillende manieren ontstaan. Zo onderscheiden we: schakeloverspanningen die hun ontstaan vinden aan de hoogspanningszijde, vb. het afschakelen van een hoogspanningsleiding. overspanningen die hun ontstaan vinden in de laagspanningsinstallatie, vb. thyristorregelingen met faseaansnijding, borstelvonken bij sleepringen, ontstaan en opheffen van een kortsluiting, uitschakelen van een contactor (9 A, tot 2kV overspanning) Overspanningen kunnen zich voordoen overal waar door schakelhandelingen plotse stroomveranderingen optreden. Dit effect treedt op bij inductieve en capacitieve belastingen. Uit statistisch onderzoek blijkt dat voor schakelhandelingen: de gemiddelde overspanning in de orde van kv ligt; de stroom kleiner is dan 1 ka; de periode in de orde van microseconden ligt.

5 1.3 Elektrostatische ontlading Elektrostatische ladingen ontstaan als twee materialen die een verschillende uittredingsenergie van elektronen hebben, door wrijving worden opgeladen. Daarbij moet ten minste één van de twee een isolator zijn. Dit fenomeen is goed gekend in de vorm van een PVC-buis die wordt opgeladen door er met een doek over te wrijven. Zo kan iemand die over een isolerende vloer loopt, opgeladen worden tot een spanning van 10 kv ten opzichte van de aarde. Bij het aanraken van een geaard voorwerp treedt een ontlading op (elektrostatic discharge, ESD) in de vorm van vonkoverslag. M.a.w. Als een grote statische lading in de buurt komt van een niet geladen voorwerp, kan er een vonk overspringen, of een doorslag plaats vinden. In de dagelijkse praktijk zijn vele voorbeelden aan te halen van statische-elektrische schokken, die ontstaan door wrijving van verschillende stoffen. Kunststoffen zijn een voorbeeld waarbij statische elektriciteit kan ontstaan door wrijving. Maar ook andere materialen kunnen statisch worden opgeladen, zoals: melkpoeder, vloerbedekking, draaiende machine onderdelen, olie, Problemen kunnen hier vermeden worden door alles op een zelfde potentiaal te brengen zoals armbandjes dragen die met de aarde zijn verbonden. Men kan ook de lucht bevochtigen of andere maatregelen nemen. Overspanningbeveiligingen werken hier te beperkt om dit probleem volledig op te lossen! Dit vraagt een zeer specifieke behandeling waarop in dit artikel niet dieper wordt ingegaan. Uit statistische gegevens blijkt dat voor ESD de karakteristieke grootheden in de ordegrootte liggen van: kv voor de spanning; ma voor de stroom. en dit voor een periode van 1 tot 10 ns.

6 2. Zoneconcept Vooraleer we via overspanningafleiders de overspanning gaan afleiden, moeten we ze trachten te voorkomen. Om te vermijden dat er overspanningen het systeem binnendringen, zullen we een aantal maatregelen moeten nemen. De meest efficiënte manier van beveiligen is het werken volgens het zoneconcept, met de bedoeling om in een gebouw bepaalde zones te creëren waarin we het niveau van de elektromagnetische straling beneden een bepaald peil houden. Zij worden gerealiseerd door de aanwezigheid van gebouwafscherming of ruimteafscherming. De afschermingen kunnen door de reeds aanwezige wapening of metalen gevels worden gecreëerd of door metalen schermen te plaatsen. Op leidingen die door de beveiligingszone gevoerd worden moeten de juiste beveiligingstoestellen worden aangebracht. LEMP Opvanginrichting BBZ0 A M BBZ 0 B Afscherming BBZ 1 LEMP Bliksembol r = 20 m verluchting BBZ2 toestelafscherming Camera Lamp BBZ0 B ringpotentiaal vereffening contactdoos BBZ 0 B SEMP Energie- technisch net BBZ 1 Energietechnisch net Informatietechnisch net staalbewapening fundamentaarde Bliksembeveiligingspotentiaalvereffening Bliksem stroom -afleider lokale potentiaalvereffening Over s pannings -afleider Zoneconcept (Bron VEI)

7 BBZ 0: In de bliksembeveiligingszone 0 heersen de oorspronkelijke, ongedempte elektromagnetische storingen. Meestal ligt deze zone helemaal buiten het gebouw. Deze zone wordt nog eens onderverdeeld in: - De zone 0A waar er directe bliksemstromen kunnen optreden. Het elektromagnetisch veld wordt er niet gehinderd; - Een zone 0B waar geen directe blikseminslagen meer voorkomen. Deze zone is dus beschermd via een bliksemafleider. In deze zone is het elektromagnetisch veld nog steeds onverminderd aanwezig. BBZ 1: De zone 1 is omgeven door een afscherming zodat het elektromagnetisch veld verzwakt is. De afscherming omsluit bijvoorbeeld het gehele gebouw. De binnenkomende en buitengaande leidingen zijn op elke zoneovergang beveiligd. Deze beveiligingen zijn bliksemen overspanningbeveiligingen. Door beide maatregelen gaan we de storing in een eerste stap afbouwen. BBZ 2: In de zone 2 zijn de hier nog voorkomende bliksemdeelstromen gereduceerd. Het elektromagnetische veld wordt door afscherming 2 nog verder begrensd. Deze ruimte bevat bijvoorbeeld elektronische apparatuur. Door deze tweede trap gaan we het toelaatbaar stoorniveau nog verder afbouwen. BBZ 3 en volgende: In de zone 3 en volgende gaan we de bliksemdeelstromen en de elektromagnetische velden nog verder begrenzen. Bijvoorbeeld voor een specifiek apparaat. Bij elke nieuwe zone wordt er dus gestreefd naar een hoger beschermingsniveau (ook lager stoorniveau). Dit houdt in dat bij elke zoneovergang maatregelen genomen moeten worden. Bij het werken met het zoneconcept moet zeker ook gelet worden op leidingen die een zonegrens overschrijden. Via deze verbindingen kunnen storingen via de koppelingssystemen worden doorgegeven van de ene naar de andere. Het is bij het zoneconcept van groot belang dat een metalen scherm wordt aangebracht. Bij elke zonegrens moeten precieze eisen worden gesteld. Bijvoorbeeld de hoogte van de toelaatbare stoorspanning, de stoorvastheid van de gebruikte apparaten, en het stoorveld dat in die ruimte nog binnen de toelaatbare grenzen valt.

8 Voor het indelen van de beveiligingszones wordt uitgegaan van: de locatie van de stoorbron; de gebouwgrenzen met of zonder bliksemafleiding; de intensiteit van de stoorbron en mogelijke afbouwstappen; de grenzen van zalen, hallen, ruimten; de behuizingen van apparatuur. Door het zoneconcept te volgen ontstaat nu een getrapte afbouw van storingsspanningen. Door het integreren van verschillende maatregelen kan de kans op overspanningen verlaagd of zelfs geëlimineerd worden. Deze maatregelen zijn: bliksemafleider aardsysteem potentiaalvereffening afscherming goede bekabeling overspanningafleiders plaatsingswijze 3. Hoe beveiligen we apparaten tegen overspanning? Het beveiligen van de apparaten gebeurt stapsgewijs. Hoe gevoeliger het te beveiligen apparaat is voor overspanningen, des te meer trappen de beveiliging zal bevatten. Er dient een onderscheid gemaakt te worden tussen de voedings- en signaalzijde van een apparaat. De voedingsbeveiliging vanaf het net tot aan een apparaat kan vier stappen bevatten: de grofbeveiliging (A) voor de 400/230 V voeding met een restspanning van minder dan 4000 Volt; A B C de middelbeveiliging (B) voor de 400/230 V voeding met een restspanning van minder dan 1600 Volt; Getrapte afbouw v/d overspanning (Bron: VEI)

9 de fijnbeveiliging (C) voor de 230 V voeding met een restspanning van minder dan 1000 Volt; de fijn-fijn-beveiliging voor de voeding in data- en telecommunicatieapparatuur. Om een installatie te beschermen is één beveiligingstoestel meestal onvoldoende om het beoogde spanningsniveau te bereiken. Als meerdere toestellen nodig zijn worden deze parallel gemonteerd. Overspanningbeveiligingen zijn veel sneller dan stroombeveiligingen, zodat ze schade aan toestellen kunnen voorkomen. De gebruikte elementen, elk met hun specifieke eigenschappen, in de overspanningbeveiligingen zijn: Vonkbruggen Gasgevulde overspanningafleiders Varistor of VDR (VDR = Voltage Dependent Resistor) Supressordiodes Combinaties van de vorige. Vonkenbrug (Bron:Dehn) We kunnen enkel stapsgewijs de overspanning reduceren. Dit is zo omdat in de eerste stap het grootste vermogen moet afgevoerd worden. Daardoor zijn daar sterkere elementen noodzakelijk zoals de vonkbrug. In de laatste stap daarentegen staan de gevoeligste componenten die ook het meest nauwkeurig de spanning afvlakken. Nu kan niet zomaar een varistor of supressordiode parallel geschakeld worden met een vonkbrug omdat een suppressordiode veel sneller aanspreekt dan een vonkbrug. Zonder maatregelen zal de supressordiode doorslaan voordat de ontsteekspanning van de vonkbrug bereikt wordt. Het gevolg hiervan zou zijn dat de totale overstroom door de suppressordiode vloeit en deze is daartegen totaal niet bestand. Om deze situaties te vermijden moeten er maatregelen genomen worden.

10 De meest efficiënte maatregelen om dit probleem op te vangen zijn: het plaatsen van een spoel; toepassen van afstandsvergroting. Plaatsing beveiligingen (Bron: VEI) 10 m of spoel 5 m of spoel GROFBEVEILIGING MIDDENBEVEILIGING FIJNBEVEILIGING Hoofdverdeling Onderverdeling Eindapparaat De producenten delen mee hoeveel de minimale afstand moet zijn tussen twee types van beveiligingstoestellen. Een richtlijn die kan worden aangehouden is dat de minimale kabellengte tussen twee beveiligingstoestellen minstens 15 meter moet bedragen. Als het door constructieve beperkingen niet mogelijk is om deze minimale afstand te verzekeren, biedt de spoel een oplossing. De producenten van de beveiligingstoestellen hebben in hun gamma spoelen die met 100 % zekerheid voldoen. Een richtlijn die kan worden aangehouden is dat de spoel minimaal 10 µh moet bedragen. Bij het afstemmen van toestellen is het van belang dat het grootste gedeelte van de storing in de eerste component (grofbeveiliging) wordt afgeleid. Volgens het zoneconcept kan het niet dat een storing zoals de bliksemstroom doorheen de hele installatie vloeit. De component die volgt mag niet beschadigd worden door de doorgaande impuls. Deze manier van werken moet doorgetrokken worden voor elke component tot en met het te beschermen apparaat.

11 4. Overspanningsbeveiligingen en differentieelschakelaar : Plaats van de overspanningsbeveiligingen? De beste plaats om te beveiligen tegen overspanning is stroomopwaarts van de differentieel, omdat men dan ook de differentieel mee beveiligt tegen de schadelijke overspanning. Volgens het AREI echter moeten, in huishoudelijke installaties, alle toestellen die een onderdeel uitmaken van de installatie stroomafwaarts van de differentieel geplaatst worden. Dit geldt dus ook voor overspanningsbeveiligingstoestellen. In principe dient het bijplaatsen van een overspanningsbeveiliging gekeurd te worden door een erkende organisme. Hoe ongewenst uitschakelen van de differentieel voorkomen? Het komt regelmatig voor dat differentieels reageren op bliksemverschijnselen en dat de stroom wordt uitgeschakeld, zelfs in installaties zonder overspanningsbeveiliging. Dit komt doordat de hoogfrequente bliksemstroom via inductieve en capacitieve koppelingen naar de aarde vloeit zodat hij door de differentieel als verliesstroom wordt geïnterpreteerd. Deze foutstroom wordt nog groter wanneer men een overspanningsbeveiliging stroomafwaarts van de differentieel plaatst zodat deze nog grotere foutstromen detecteert. Dit probleem is echter eenvoudig te voorkomen, wanneer men differentieels monteert die stootstroomvast zijn. (Type S= selectief of type si= supergeïmmuniseerd) Vermits de elektronische printplaat van een si-type een vertraging invoert van ca. 10 ms, in plaats van 0,5 tot 1 ms voor de bestaande types AC en A, zal een bliksemstootstroom geen uitschakeling tot gevolg hebben. Deze tijdsvertraging vormt geen probleem op vlak van bescherming tegen indirekte aanraking. Ook differentieels van het type S (goedkoper dan si) kunnen een oplossing bieden. Deze zijn vergelijkbaar met de differentieels van het type A maar hebben een grotere (soms instelbare) tijdsvertraging. In omgevingen waar de bedrijfscontinuïteit van groot belang is en men zich geen ongewenste uitschakelingen kan permitteren, raadt men dus aan om S of si type differentieels te plaatsen i.p.v. het gewone type A. Op vlak van bedrijfscontinuïteit maakt het dan niet uit of de overspanningsbeveiliging stroomopwaarts of stroomafwaarts van de differentieel geplaatst wordt.

12 Heb u nog verdere vragen of opmerkingen? Aarzel niet om ons te contacteren! Vlaams Elektro Innovatiecentrum Kleinhoefstraat Geel tel: 014/ info@vei.be