Skydd mot blixtnedslag

Transkript

1 Skydd mo blixnedslag Blixnedslag genererar höga sörande spänningar i indusrianläggningar och högspänningssällverk. Transienernas karakär, spänningens ampliuder och anal varierar från näverk ill näverk. För säker och pålilig drif av elekroniska sysem krävs försåelse av fenomenen och deras påverkan i prakiska indusriillämpningar. H öga sörande spänningar genereras i indusrier och högspänningssällverk då blixen slår ned. I indusrier orsakas de flesa överspänningarna vid e nedslag av de indukiva eller kapaciiva kopplingar ill blixurladdningar och ine av själva blixnedslage. Den ypiska överspänningen orsakad av e blixnedslag är av 1,/50 ms-form och har en ampliud på åskilliga kv 1. Sigiden på 1, ms mosvarar en högsa frekvens på approximaiv 0,1 ill 1 MHz. Från den 1 januari 1996 måse näsan alla elekriska och elekroniska komponener och apparaer liksom sysem och insallaioner svara upp mo Europeiska nionens EMC-direkiv. Direkive säger a produkerna måse vara byggda på sådan sä a de varken orsakar ökande sörningar eller blir oillåe påverkade av elekromagneiska sörningar. Obligaorisk märkning Den obligaoriska CE märkningen visar överenssämmelse med alla relevana direkiv. Dessa minimala krav beyder emellerid ine a de insallaioner som usäs för de amosfäriska sörningar i form av blixnedslag är sörningsfria. Överspänningar som uppräder i insallaioner orsakade av amosfäriska fenomen måse beräknas och verifieras före usäande för a försäkra sig om a Dr. Sen Benda ABB EMC Cerificaion illräcklig hög nivå av elekromagneisk kompaibilie uppnås [1]. Produk-, produkfamilje- eller generiska sandarder baserade på bassandardserierna EN X används för a verifiera uppfyllande av EMC-krav bland elekriska och elekroniska produker. Beroende på brisen av produkoch produkfamiljesandarder används vanligen generiska sandarder EN X (emission) och 5008-X (immunie) för a verifiera eferlevnaden. Dessa generiska sandarder är relaerade ill speciella miljöer ( ex indusrin, där X = ). De är ine baserade på veenskaplig definierade förhållanden som grundsandarderna är, och de är därför också mycke förenklade. I prakiken är EMC- villkoren för apparaer och sysem aldrig beroende av läge (indusrin) eller av den sluliga produken. I sälle beror de av sörningskällorna och insallaionens villkor, som användning av skärmade och oskärmade kablar, förläggning av kablar, användande av insallaionsrör, underryckning av indukiva laser, jordnings- och skärmningssysem, skärmnings- och filreringsfilosofi m m. De generiska sandarderna saknar hel immunieskrav mo amosfärsika fenomen som blixnedslag och är därför dåliga poliiska kompromisser. De skulle ine vara ärlig om ine de fakum sröks under a Sverige under de senase 5 åren haf sandarder för prov av sörningsimmunie mo blixnedslag uförd som impulsprov. Denna sandard har vari absolu realisisk och har givi klara besked ill såväl användare som producener, vilke ine är falle med de generiska sandarderna. Blixens rikning Observaion av en blixurladdning mellan e moln och jorden visar a förloppe sarar med förurladdningar som segvis forsäer mo jorden. Från e ladda moln (vanligen med negaiv laddning i de lägsa delarna) börjar urladdningen med en hasighe av ca 15 % av ljuses hasighe och når ca 50 meer i si försa seg. Efer dea blir de e uppehåll i förurladdningen under ca 50 mikrosekunder före näsa seg. Förloppe repeeras sedan ill förurladdningen når jorden. nder passagen mo jorden delas förurladdningen vanligen upp i delar. När laddningen sluligen har några få seg kvar ill jorden, kommer en mosa förurladdning från jorden och förurladdningarna mös. När den nedågående förurladdningen når jorden, eller när laddningen från molne möer förurladdningen från jorden, uppsår huvudurladdningen. Den laddningen färdas från jorden ill molne med en hasighe av ca 10 % av ljuse. Huvudurladdningen kan skapa srömmar så höga som ka. Om en sröm som förflyas från molne ill jorden definieras som posiiv, är huvudparen av blixsrömmarna negaiva. Varakigheen av huvudurladdningen kan vara mellan några mikrosekunder ill 48 ABB Tidning 4/1998

2 % a r 30 % max. Karakerisiska kurvor över åsköverspänningar 1 Jordningssysem med åskskydd a Spänningsampliud r Sigid 50 Varakighe vid 50% 10 Varakighe vid 10% 1 Jordningssysem Venilavledare 3 Högspännings- eller mellanspänningsransformaor 4 Nedgräv krafmaningssysem 5 Byggnadens maskade jordningssysem åskilliga hundra. Efer huvudurladdningen kan en mindre sröm flya i urladdningskanalen under en relaiv lång id (mellan 10 0 millisekunder). Efer dea uppräder en ny förurladdning som ine rör sig segvis. Den rör sig mo jorden med konsan hasighe som är ca 3 % av ljuses. När denna sluligen når jorden uppsår en ny huvudurladdning. En blixurladdning besår vanligen av många sådana huvudurladdningar. Anale mulipelurladdningar översiger vanligen ine re. Effeken av en blixurladdning kan jämföras med en srömgeneraor. Kablar inom saionsområde (sällverk) En saion har e jordningssysem som besår av e maska näverk (runä), uppbygg av kopparledare [3]. Syrkablarna i saionen är placerade i dea runä. Ovanför de maskade jordningssyseme är e blixnedslagsskydd uppbygg av opplinor inspända i saionens solpar som är förbundna med runäe i marken. Transformaorsaioner är skyddade mo amosfäriska spänningar med venilavledare, som också jordas i runäe. nder e blixnedslag ill ledningar ansluna ill saionen kommer vandringsvågor a forplana sig mo saionen. Om den överspänning som uppsår är sor nog, bildas e överslag i venilavledaren, och srömmen maas in i de maskade jordningssyseme. Vid e direk blixnedslag ill saionens åskskydd avleds blixsrömmen genom solparna i runäe. I försa falle visar mäningar a siffervärde på srömmen som fördelas u på de maskade näe sällan översiger 5 10 ka. nder e direk blixnedslag i saionen kan spänningssöen nå mycke höga värden. Beräkningen av dessa översrömmar (spänningsvågor) som uppsår i syrkablarna vid blixnedslage, aningen i en krafledning eller ill åskskydde för saionen, är mycke komplicerade och ine alldeles enkla a hanera, så ingen fungerande regel kan ges. Erfarenheen visar a med de uförandeformer som hiills används i saioner är fel orsakade av blixnedslag mycke sällsyna. Fakum a risken är lien kan visas i följande exempel. En kabellängd översiger sällan 00 m. De beyder a den kabeln, med hänsyn ill risken för blixnedslag, kan ur elekrisk synvinkel berakas som kor, dvs vågbildningen på kabeln är försumbar. Spänningen som uppsår mellan ledaren och maneln kan approximeras lika med produken av den blixsröm som leds i maneln och dess resisans. Anag a en blix skulle slå ner i saionens åskskyddssysem. Blixsrömmen fördelar sig enlig Kirchoffs lag. En del av srömmen leds via solparna ned ill de maskade jordlinenäe och ill syrkabelns manelskärm. Den andra delen leds via de ansluna krafledningars opplinor på solparna. Följande fördelning kan anas: Hälfen av blixens sröm flyer ill saionens marklinenä, medan den andra delen flyer upp ill opplinorna. Anag också a hela blixsrömmen som leds ill de maskade jordlinenäe passerar genom en solpe och a från denna leder en syrkabel och vå marklinor. Srömmen i maneln (skärmen) blir då 1 / 1 /3 ABB Tidning 4/

3 = 0,1666, vilke beyder 16,6 % av hela blixsrömmen. I en kabel med en meallmanel (skärm) är resisansen normal 1 ohm/km, och vid en blixsröm av 60 ka uvecklas spänningen enlig följande: = 0, x 0,1666 x 60 = 1,999 kv För en saion med en uppfångningsarea på 0,1 km och med åskdaa enlig avsni i [1] uppräder dessa spänningar approximaiv endas en gång på hundra år. Efersom kablarna är konsruerade för en spänningshållfashe på åminsone 3 kv, är risken för skador i dessa kablar väldig lien. Krafförsörjning ill indusrin Krafförsörjningen ill indusrin anas ine drabbas av effekerna från e blixnedslag. Dea beror på a den primära ransformaorn är skyddad av venilavledarna på högspänningssidan. Krafen disribueras ill konsumenerna via nedgrävda kablar och med ansluningar ill e jordlinesysem. Emellerid finns de en risk för överspänningar och skadade komponener om spänningsdisribuionen inkluderar lufledningar eller om venilavledarna som skyddar ransformaorn är jordade på usidan om de jordningssysem ill vilke elekroniken är jordad. I sådana fall måse e överspänningsskydd läggas ill elekroniken och jordas i den lokala jorden. Sådana insallaioner är gjorda i många länder uanför Europa, och därför är de nödvändig a försäkra sig om a urusningen har e sörningsskydd som är bygg för en sådan insallaion. E TT-näverk som definiera i IEC 364 får aldrig användas ill krafförsörjning av indusrielekronik. De skilda jordningspunkerna på maningsransformaorn och elekroniken innebär risk för oal haveri av elekroniken under amosfäriska sörningar [3]. Åskskydd av indusrielekronik I indusrianläggningar och i krafinsallaioner finns de normal väl sammanbundna jordlinenä som insalleras med krafmaningssyseme. I dessa insallaioner som uppfyller krafmaningsförläggningsnä enlig ovan och där den använda elekroniken esades enlig klass 3 mo nedslag enlig sandard EN , är de ine nödvändig a insallera yerligare åskskydd, så länge ine lufledningar används. Sora vidsräcka insallaioner (vaenverk, reningsverk ec) kan emellerid vara urusade med oillräcklig jordningssysem, och syrkablar kan vara förlagda ovan jord. Även i dessa fall måse e kompleerande åskskydd användas. Tillläggsåskskydd är allid nödvändig då kabeln lämnar jordningssyseme, även om den disansen är kor (upp ill ca 10 m). Kablar uanför e jordningssysem fordrar allid skydd mo blixnedslag, ex kablar som leder ill givarna uanför jordningssyseme, som exempelvis vaennivåmäare i en krafsaion. Å andra sidan behöver kablar som är förlagda nära meallkonsrukioner (konsoler, järnvägsräls, kranar, rörledningar) inge exra skydd. Dea enlig likheen mellan dessa konsrukioner och e jordlinesysem. Gasurladdningsavledare: ändspänningar och ändider som funkion av fronbranheen. Konvenionella gasurladdningsrör änder relaiv saka och illåer därför relaiv höga spänningsoppar passera förbi sig. E speciell ädelgasskydd Spikeguard änder i prakiken så snabb a inga överspänningsoppar kan passera. 3 Åskskydd för en elefonledning (Vaenfall, Telia). LC-filer och Zenerdioder har lags ill ädelgasrör. Referenser har gjors i lierauren ill a addera högspänningssäkringar ill gasurladdningsskydden. En naurlig effekiv och indukansfri koppling ill jordsyseme är vikig. 4 1 Ny gasurladdningavledare, ändspänning 500 V Konvenionell gasurladdningsavledare, ändspänning 400 V 300 V kv / s 5kV/ s 1kV/ s 100 V / s 1 1 L R (10W) C s 1 50 ABB Tidning 4/1998

4 I I V 3.3 n MΩ 50 V 3.3 n MΩ V 3000 V Schemaisk skiss över e åskskydd för en koaxialkabel 5 Probleme med blixskydd för en Ehernekommunikaion 1 Koaxialkabel 3 Risk för skada av Moagare elekroniken 4 Jordning 6 Ädelgasrör Ädelgasrör används huvudsakligen för skydd mo åsköverspänningar och är dimensionerade för a avleda den sröm som uppräder, som erfarenheer säger har sorleksordningen 5 30 ka. Energin de handlar om är hundraals wasekunder. Avdelningsförmågan på de olika yperna är vanligen mellan 5 och 30 ka under 50 mikrosekunder. Tändspänningar på mellan 100 V och upp ill 10 kv kan väljas. Emellerid kan spänningar med brana förlopp passera de långsamma skydde. 3 visar ändspänningar och ändider för olika fronbranheer. Sörningar med brana förlopp kan passera en avledare med enbar några hundra vol ändspänning, där sörningen kan gå upp ill några kv och pågå under några mikrosekunder. Dea gassurladdningsrör måse allså förses med e kompleerande skydd (Zener-diod med resisor, varisor, RC-filer ec) för a skydda mo dessa spikar, som ros all innehåller relaiv ringa energimängd. 4 visar e komple åskskydd som används av Vaenfall och Telia. Nyligen har nya gasurladdningsrör preseneras, som har mycke kor ändningsid (0, ns) och som därför kan an- vändas uan kompleerande skydd. De är så konsruerade a de också kan kopplas in direk i en koaxialkabel (Spikeguard). E normal gasurladdningsrör har små dimensioner, ca i cm i diameer och en längd av 1 5 cm. Efer a gasavladdningsröre akiveras, minskar spänningsfalle över komponenen ned ill några få vol. Denna spänning kallas för brinnspänning och varigheen är lika lång som den id srömmen är högre än släcksrömmen. Dimensioneringsregel för kaskadavledare i åskskydde Nominell ändspänning Tid 1 Primärskydd (byggnad) Sekundärskydd (elekronikskåp) 3 Teriär skydd (kopplingsskåp) De är ine illrådlig a använda konvenionella gasurladdningsrör i maningsledare, efersom några få ioals milliampere är nog för a avledaren ine åersälls auomaisk, och de är i prakiken oaccepabel a sänga en maningsledare manuell. Därför måse maningen i kresar med spänningen högre än 4 V ill exerna givare skyddas med varisorer eller med exerna givare. Åskskydd måse allid placeras direk vid kabelingången ill skåpe på kopparskenan eller på meallhölje av skåpe. Om den moneras på väggen med en jordansluning är den ofas ineffekiv och därför farlig, och den kan då endas användas som illäggsskydd (där kabeln leds in i byggnaden). Om gasurladdningsrör används, måse signalkablar ansluas med gasurladdningsrör på alla signalledare i bägge ändarna. Skulle koaxialkablar användas är de illräcklig a anslua åskskydde på skärmen (den yersa ledaren) 5. Eherne-kommunikaioner får ine förläggas på sådan sä a kabeln kan usäas för åsköverspänningar. Sändarmoagarna är spridda över hela insallaionen på många plaser, vilke ine erbjuder någon möjlighe ill insallaion av bra fungerande indukansfria åskskydd 6. ABB Tidning 4/

5 Tabell 1: Sandard IEC Krafförsörjning Process I/O 4,5 Balancerade 5 SDB,DB 1,5 Nivå LDB kresar NMV CMV 3 NMV CMV NMV CMV NMV CMV kv 0.5 kv 0.5 kv 0.5 kv 1.0 kv 0.5 kv 1.0 kv 1.0 kv 0.5 kv kv.0 kv 1.0 kv.0 kv.0 kv 4.0 kv 4.0 kv.0 kv 4.0 kv 4.0 kv 5.0 kv 4.0 kv.0 kv 4.0 kv 4.0 kv X CMV Koppling mellan en ledare och jord NMV Koppling mellan en ledare och en annan DB Daabuss LDB Långdisansbuss SDB Kordisansbuss Klass 0 4: 1./50 s (8/0 s för lågresisiva kresar) Class 5: som klass /700 s Anm. 1: Begränsa avsånd, speciell konfiguraion, speciell layou Anm. : R = Ω Anm. 3: R = 1 Ω Anm. 4: R = 4 Ω Anm. 5: Då skärmade kablar med skärmen i båda ändar används, appliceras impulsen endas ill skärmen (CMV-värde R = Ω). Då skärmad kabel jordad endas i en ända används, avsluas skärmen av en kondensaor på 100 pf/m innan impulsen appliceras (CMV-värde R = Ω). Indukansen på en jordledning kan bli mycke sörre än indukansen i resen av anläggningen, och en sröm från e blixnedslag kan lä spridas denna väg genom elekroniken ill jord. Om så skulle ske försörs urusningen hel. R c Då kablar dras mellan byggnader, måse kabeln allid grävas ned mins 80 cm under jord och förläggas i en mealledare som jordas i båda ändar. Den parallella jordledaren är obligaorisk och jordas också i båda ändarna. Hybrid impulsgeneraor för verifiering av immunieen mo amosfäriska sörningar ET rusning under provdrif C c Energiuppladdningskondensaor R m Impedansanpassningsresisor C r Impedansanpassningskondensaor R s Resisor formerande pulsvarakighe L r Impedansanpassningsindukor Högspänningskälla R c Laddningsresisor = C c R s C r ET R m L r 8 Om e kaskadskydd används som åskskydd, måse den nominella ändspänningen väljas i enlighe med 7. Verifikaion av immunie mo amosfäriska fenomen EN , den så kallade impulsesen, är nyligen anagen som inernaionell sandard som måse användas vid verifikaion av immunie mo amosfäriska fenomen. Simuleringsmeoden är baserad på användningen av en impulsgeneraor 8, som har låg ugångsresisans och auomaisk slår om ill spänningspulser 1,/50 mikrosekunder (1/50) eller ill srömpulser 8/0 mikrosekunder (6,4/16) 9. Provgeneraorns inre impedans är från ill 4 ohm och ampliuden från 0,5 kv ill 4 kv. Kopplingen ill urusningen sker med kopplingsnä. En sammansällning av sandardkrav preseneras i abell 1. Sridigheer om den sandarden har vari relaiv sora och de og id a fas- 5 ABB Tidning 4/1998

6 % 90 peak % 90 I peak peak I peak 30 I s 6.4 s ( r ) a 50 s b 16 s Vågform av spänningspuls (a) och srömpuls (b) med hybrid impulsgeneraorn 9 r Sigid sälla en sandard. Tros all finns många nackdelar kvar. Här måse beonas a enlig denna sandard CMV (Common Mode Volage) beyder koppling mellan en ledare och jord, sam a NMV-koppling beyder koppling mellan en ledare och en annan []. Sammanfaning A konsruera elekroniska sysem som ska arbea i indusriell miljö beyder främs a kunna hanera produkion av apparaer och kreskor som alla måse skyddas mo sörningar. Anagligen finns ingen illverkare som ine försäkrar sig om a den urusning han erbjuder också mosvarar de sällda kraven, åminsone om producenen vill överleva. De råder heller ingen vekan om a alla urusningar fungerar i laboraorie eller på uvecklingsavdelningen. Men de är också här frågan ska sällas om de är illräcklig för a garanera problemfri drif och nöjda kunder. Svare är skäligen enkel: Ja, om orsakerna ill sörningar som finns i indusrin agis med i beräkningarna (amosfäriska sörningar inräknade naurligvis) och om illverkaren försäkra sig om de med e sörningsprov. En illverkare måse vara absolu klar över vilken sandard som ska illämpas. Hos ABB Indusry and Drives lades den inerna föreagssandarden EMC Requiremen and Policy fas, för a klara jus dea. Denna sandard idenifierar vå miljöer oskyddad insallaion och uomhus-högspänningssällverk. Filosofin är a en sådan sandard ska följa allra minsa lagliga krav, men också a hänsyn ill de andra idenifierade kraven om sör- och sörningsfri drif, där amosfäriska krav är inräknade. Referenser [1] Benda, S.: Sörningsfri elekronik / Elekromagneisk kompaibilie. ISBN ABB ar nr 3BSE R010. [] Benda, S.: Inernaionella EMC-normer uvärdering och erfarenhe. ABB Tidning 5/95, [3] Benda, S.: Jordningssysem och poenialujämning i sora insallaioner. ABB Tidning 5/94, 9. [4] Benda, S.: Överspänningar och sörspänningar. ABB Tidning 8/96, Förfaarens adress Prof. Dr. Sen Benda ABB EMC Cerificaion AB S Väserås Fax: +46 (0) sen.benda@seisy.mail.abb.com ABB Tidning 4/