Bliksem en overspanningbeveiliging

Bliksem en overspanningbeveiliging
Binnen de meeste bedrijven neemt automatisatie en informatisatie een steeds belangrijkere
rol in. Aangezien de gebruikte apparatuur steeds gevoeliger wordt, is het belangrijk het
probleem van overspanningen te onderkennen. Niet alleen in de industrie worden de
gebruikte apparaten gevoeliger maar ook in onze huizen is dit probleem meer en meer aan
de orde.
Omdat elke stroomkring werkt met een specifieke spanning, is een overschrijding van de
toleranties van het nominale spanningsbereik, een overspanning.
In veel gevallen veroorzaakt deze overspanning schade aan de stroomkring en de
bijbehorende componenten (spanningsbron, verbruikers enz.).
Vermits de stroombeveiligingen te traag zijn om de kring tijdig af te schakelen, moet er
gebruik gemaakt worden van speciale elementen nl. overspanningbeveiligingen. Deze
reageren veel sneller.
1. Voorbeelden van ongevallen
Bij wijze van inleiding geven we enkele voorbeelden van schadegevallen om de
consequenties van de problematiek van bliksem en overspanningen duidelijk te maken. Al
deze schadegevallen waren te voorkomen indien men zich op een adequate manier
beveiligd had.
In deze schadegevallen moeten we een onderscheid maken tussen:
-
directe schade aan gebouwen en bouwwerken door de bliksem;
-
indirecte schade aan gebouwen door de bliksemstroom in de elektrische installatie;
-
schade aan elektrische toestellen door overspanningen.
Voorbeelden:
1. Directe schade
Voorbeeld 1 (Bron: VEI)
Bij een hevig onweer werd een plat dak van een garagebedrijf getroffen door een bliksem.
Het water dat op het dak lag verdampte explosief. Dit had tot gevolg dat het dak bezweek.
De kracht van de explosie was zo groot dat enkele wagens uit de showroom naar buiten
werden gedrukt.
2. Indirecte schade
Voorbeeld 2 (Bron: VEI)
Op deze foto ziet u een voorbeeld van schade aan een huis door een blikseminslag op de
elektrische installatie.
3. Schade door overspanningen
Voorbeeld 3 (Bron: VEI)
Kenmerkend bij een schade door overspanning is dat condensatoren vaak exploderen en dat
bij IC’s veelal de behuizing wordt opgeblazen
In dit artikel zullen we ons toespitsen op de beveiligingsmaatregelen tegen de ongewenste
effecten op de elektrische installatie door overspanning, voornamelijk ten gevolge van
blikseminslag.
2. Stoorbronnen
Binnen de transiënte of overspanningbeveiligingstechnologie kunnen een
kenmerkende stoorbronnen of groepen van stoorbronnen onderkend worden. Het
van de stoorbron is van belang, omdat deze de karakteristieke eigenschappen
stoorimpuls bepaalt. Hierin zijn vooral de topwaarde van de stroom en de grootte
stroomsteilheid een belangrijke factor.
aantal
kennen
van de
van de
We onderscheiden volgende mogelijke stoorbronnen:
•
de atmosferische ontlading (bliksemontlading);
•
schakelverschijnselen;
•
de elektrostatische ontlading.
Storingen kunnen van verschillende aard zijn. Daarom vindt u in onderstaande figuur de
verschillende types van stoorvormen waarmee we te maken kunnen krijgen.
U
3
1
4
Un
2
t
[ms]
Soorten storingen (Bron: VEI)
Hierin is:
1. Een overspanning van langdurige aard. Deze vorm van overspanning komt zelden voor.
We gaan er ons dus ook niet specifiek tegen beveiligen.
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 al lang UPS
(Uninterruptible Power Supply) systemen.
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.
3. Koppelingswegen
We onderscheiden de storingen op basis van de manier waarop ze in een installatie
binnendringen. De belangrijkste manieren van binnendringen zijn:
•
Via geleiding (galvanische verbinding). Het stoorsignaal kan via geleiders getransporteerd
worden. Voor deze geleiding komen in aanmerking:
-
gezamenlijk voedingsnet;
-
verbindingskabels, zowel aders als afschermingmantels;
-
equipotentiaalverbindingen;
-
aardingssystemen.
•
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. Beveiligingsonderdelen
De algemene naam voor de beveiligingscomponenten is overspanningafleiders. Het
kenmerkende van deze componenten is dat ze door de te hoge spanning geactiveerd
worden. De reactietijd van overspanningafleiders is erg kort, van enkele tientallen
microseconden tot nanoseconden. Overspanningafleiders die dicht bij de stoorbron staan,
bijvoorbeeld blikseminslag, moeten grote energieën kunnen doorlaten. Deze componenten
zijn duidelijk te herkennen aan hun grote afmetingen. De overspanningafleiders stoppen met
geleiden van zodra de spanning is gedaald beneden de drempelspanning. Met andere
woorden de verbinding met de aarde wordt verbroken vanaf het ogenblik dat de
overspanning is verdwenen. Bij het afschakelen mag er geen energie meer opgenomen
worden uit het net. De geleidingstijd is veelal erg kort vergeleken met de aanspreektijden van
stroombeveiligingen
zoals
automaten,
zekeringen
en
differentieelschakelaars.
Overspanningbeveiligingen zijn veel sneller dan stroombeveiligingen, zodat ze schade aan
toestellen kunnen voorkomen. De gebruikte elementen in de overspanningbeveiligingen zijn:
-
Vonkbruggen;
-
Gasgevulde overspanningafleiders;
-
Varistor of VDR (VDR = Voltage Dependent Resistor);
-
Diodes.
De gebruikte overspanningbeveiligingselementen hebben verschillende eigenschappen met
elk hun beperkingen. Om te bepalen welke elementen we moeten gebruiken, moeten we ons
de volgende vragen stellen:
- Kan het element de optredende overspanning verdragen?
- Wat is de restspanning achter het element?
- Is de aanspreektijd van het element voldoende kort?
- Hoe werkt het element samen met andere maatregelen?
Uit deze verschillende vragen blijkt dat de toepassing zeer specifiek is en dat de elementen
op elkaar moeten worden afgestemd.
Algemeen mag men zeggen dat overspanningtoestellen niets anders doen dat het teveel aan
energie naar de aarde af leiden.
4.1. De vonkbrug
De vonkbrug is het krachtigste element dat gebruikt wordt om overspanningen af te leiden
omdat het de grootste energie kan verwerken. Er zijn verschillende types van vonkbruggen in
gebruik. Men maakt een onderscheid volgens bouwvorm en volgens het gebruikte
diëlektricum.
Zo zijn er open en gesloten uitvoeringen alsook vonkbruggen met lucht of een vaste stof als
diëlektricum.
Foto en symbool open vonkbrug met lucht als diëlektricum (Bron: VEI)
Open vonkbrug die een bliksemstroom afleidt (Bron: Dehn)
4.2. De gasgevulde overspanningsafleiders
Gasgevulde overspanningafleiders bestaan uit een keramisch of glazen buisje, waarin zich
twee elektroden bevinden. De ruimte van het buisje is gevuld met edelgas (bijvoorbeeld
Argon en/of Neon). Deze edelgassen garanderen een lange levensduur met constante
elektrische eigenschappen. De afleiderstroom kan maar enkele kA bedragen. Met de
gasgevulde overspanningafleider kan dus geen directe inslag worden afgeleid.
Foto en symbool van een gasgevulde overspanningafleider (Bron: VEI)
4.3. De varistor
Varistoren zijn spanningsafhankelijke weerstanden. Een andere benaming voor een varistor
is VDR (Voltage Dependent Resistor).
Foto en symbool van een varistor (Bron: VEI)
De aanspreektijd van de varistor bedraagt enige tientallen nanoseconden.
Een groot nadeel van varistoren is het feit dat na een aantal stroomstoten of na overbelasting
de lekstroom in de normale toestand toeneemt. De varistor wordt hierdoor zeer warm en kan
verbranden (dit effect wordt derating effect genoemd). Daarom zijn er varistoren ontwikkeld
die een beveiligingselement bevatten.
Varistor met thermische beveiliging (Bron: VEI)
Een varistor biedt een optimale beveiliging aan een apparaat dat op dezelfde klemmen is
aangesloten als de varistor.
4.4. Diodes
Diodes kunnen ook gebruikt worden als overspanningbeveiligingselement. Er zijn twee types
van diodes die gebruikt worden.
Zo zijn er:
- zenerdioden;
- suppressordioden.
4.4.1. De zenerdiode
Een zenerdiode is een halfgeleider, die in de sperrichting een hoge weerstand bezit. Bij het
overschrijden van een bepaalde spanning gaat de diode over van een sperrende in een
geleidende toestand. Door deze eigenschappen zijn zenerdioden uitstekend geschikt als
overspanningbeveiligingselement.
Zenerdiodes zijn ontworpen voor spanningsstabilisatie en kunnen, afhankelijk van het type,
een groot vermogen verwerken gedurende een relatief lange periode. Ingeval van
impulsbelasting neemt dit vermogen al snel af.
Voordelen van de zenerdiode zijn:
-
zeer snelle reactietijd (« 25 ns);
-
zeer nauwkeurige begrenzing;
-
in verschillende aanspreekspanningen verkrijgbaar 4-400 V;
-
kunnen in serie worden geplaatst, waardoor de aanspreekspanning kan worden
verhoogd.
Nadelen van de zenerdiode zijn:
-
als diode alleen in gelijkstroomketens geschikt;
-
kan maar relatief lage stootstromen verwerken.
Wanneer twee zenerdioden in serie worden gezet met de kathoden naar elkaar toe, dan
kunnen ze ook in wisselstroomketens worden toegepast, dan zijn het suppressordioden.
4.4.2. De suppressordiode
Dergelijke serieschakelingen zijn in een behuizing verkrijgbaar met afkoelplaatjes.
Foto en symbool van een suppressordiode voor een wisselstroomketen (Bron: VEI)
De suppressordiode (ook Trans Absorption Zener genoemd) is speciaal ontwikkeld voor de
10/1000 stoorimpuls. Deze diode is veel ongevoeliger voor stroomvariaties dan een gewone
zenerdiode. Ze kunnen stootstromen verdragen van 1 kA en hebben een zeer korte
aanspreektijd (<10 picoseconde). Een nadeel van de suppressordiode is de vrij hoge
capaciteit, die afhankelijk van de doorslagspanning varieert van 12 nF tot 300 pF. Voor
gelijkspanning en laagfrequente signalen is dat geen bezwaar, maar bij hoogfrequente
signalen kan dit veel demping opleveren.
Deze suppressordiode
componenten.
wordt
in
beveiligingscomponenten
gebruikt
naast
andere
5. Opbouw overspanningbeveiliging
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 voor de 400/230 V voeding met een restspanning van minder dan 4000
Volt;
-
de middenbeveiliging voor de 400/230 V voeding met een restspanning van minder dan
1600 Volt;
-
de fijnbeveiliging 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 beveiligen is meestal één beveiligingstoestel onvoldoende om het
beoogde spanningsniveau te bereiken.
Als meerdere toestellen nodig zijn worden deze parallel gemonteerd. Dit is schematisch
weergegeven in de figuur.
A
B
C
Schematische voorstelling van meerdere beveiligingen parallel
Hier is A een grofbeveiliging, B een middenbeveiliging en C een fijnbeveiliging. 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 echter staan de gevoeligste componenten die ook het meest
nauwkeurig de spanning afvlakken. Nu kan niet zomaar een varistor of suppressordiode
parallel geschakeld worden met een vonkbrug omdat een suppressordiode veel sneller
“aanspreekt” dan een vonkbrug. Zonder maatregelen zal de suppressordiode 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.
De meest efficiënte maatregelen om dit probleem op te vangen zijn:
-
het plaatsen van een spoel;
-
toepassen van afstandsvergroting.
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 15 meter moet bedragen.
3,5 kV
15 meter kabellengte. Deze lengte
wordt bepaald aan de hand van het
verschil in aanspreekspanning, hier
1,6 kV
1 kV
Minimale afstand tussen twee beveiligingselementen
Als het door constructieve beperkingen niet mogelijk is om deze minimale afstand te
verzekeren, biedt de spoel een oplossing. In de figuur wordt de afstand van 15 meter dan
vervangen door een spoel.
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. 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 beveiligen apparaat.
Heb u nog verdere vragen of opmerkingen?
Aarzel niet om ons te contacteren!
Vlaams Elektro Innovatiecentrum
Kleinhoefstraat 6
2440 Geel
tel: 014/57.96.10
[email protected]
www.vei.be