Túlfeszültségvédelmi eszközök

Túlfeszültség a villamos berendezésekben (elosztóhálózatokban, kapcsolóberendezésekben és villamos szerkezetekben) fellépő, a legnagyobb megengedett üzemi feszültség csúcsértékét (háromfázisú rendszerben az üzemi fázisfeszültség csúcsértékét) meghaladó feszültség, amely nagyságától, a jel alakjától, frekvenciájától és fennállásának időtartamától függően veszi igénybe a berendezés szigetelését.

A túlfeszültségvédelmi eszközök feladata a hálózaton belüli túlfeszültségek korlátozása. A túlfeszültségvédelmi készülékeknek az üzemidő nagy részében „működniük”, vagyis az üzem fenntartásához hozzájárulniuk nem kell, sőt nem is szabad. Működésüket közvetlenül, szándékoltan nem lehet előidézni. Rendeltetésszerűen és automatikusan kell viszont működniük, ha a hálózaton vagy a berendezésben túlfeszültség lép fel. Keletkezési módjuk és fennállásuk időtartama szerint a túlfeszültségek három csoportra oszthatók: belső, légköri eredetű és elektrosztatikus feltöltődésből eredő túlfeszültségek.

• A belső eredetű túlfeszültségek az energiaelosztó hálózaton belüli különböző célú kapcsolási folyamatok során keletkeznek, vagy azokat a villamos hálózatokban bekövetkező hibák okozzák. A belső eredetű túlfeszültségek két csoportra oszthatók: A rövid időtartamú kapcsolási túlfeszültségek (ún. tranziens túlfeszültségek) erősen csillapodó, periodikus vagy aperiodikus lefolyású, néhány ms-nál kisebb időtartamú feszültségek. A hosszú időtartamú és általában hálózati frekvenciájú túlfeszültségek a kisfeszültségű hálózatban elsősorban aszimmetrikus földzárlatok vagy rezonancia jelenségek során keletkezhetnek.

• A légköri eredetű túlfeszültségek a hálózattól független körülmények között, nukleáris robbanások és villámcsapások következtében jönnek létre, és időtartamuk néhány μs. A villámcsapás hatására túlfeszültségek a következő esetekben jöhetnek létre:
  1. Közvetlen villámcsapás éri a szabadvezeték fázisvezetőjét.
  2. A villámvédelmi árnyékolás céljából kialakított és leföldelt szerkezeteket (villámvédelmi felfogó rudak, védővezetők) éri villámcsapás, és a levezetett villámáram hatására a földelési ellenálláson fellépő feszültségemelkedés a fázisvezető átütéséhez vezet (visszacsapás).
  3. A szabadvezeték közelében becsapó villám illetve a levezetett villámáram hatására a hálózatok vezetékeiben (az épületek belső hálózatának vezetékeiben is) veszélyes mértékű túlfeszültség keletkezik vezetési, induktív vagy kapacitív csatolás révén. Ilyen módon elsősorban kisfeszültségű berendezések kerülnek veszélybe. Ez a villám ún. másodlagos hatása.
  4. Az elektrosztatikus feltöltődés vezető- és szigetelőanyagok érintkezése, egymáson való elmozdulása, majd szétválása során alakul ki. Ez a töltés szigetelt vezető testekben felhalmozódva olyan kisülést hozhat létre, ami egyrészt tüzet és robbanást okozhat, másrészt a villamos berendezésekben átütést, sérülést és hibás működést eredményezhet. Az elektrosztatikus kisülések nagy csúcsértékű és meredekségű áramimpulzusok kíséretében zajlanak le.

Csak a leggyakrabban alkalmazott túlfeszültségvédelmi eszközök felépítését és működését fogjuk ismertetni. Az eszközökből kialakított védelmi rendszerek részletes ismertetésével azonban már nem foglalkozhatunk. Először a nagy- és középfeszültségen alkalmazott túlfeszültségvédelmi eszközöket tárgyaljuk.

Nagy- és középfeszültségű túlfeszültségvédelmi eszközök

Ide sorolható a szikraköz, az oltócső és a klasszikusnak számító, de már kihaló félben lévő túlfeszültséglevezető, valamint az ezt kiváltó fémoxid túlfeszültségkorlátozó.

Szikraköz

A szikraköz a legegyszerűbb túlfeszültségvédelmi eszköz, amely a túlfeszültség hatására átüt, és a föld felé levezetődik az energia és megszűnik a túlfeszültség. Ezt követően azonban a hálózati feszültség földzárlati áramot hajt át, amit egy megszakítónak kell megszakítania. Ezen hátránya, továbbá megszólalási feszültségének nagy szórása miatt a szikraközt csak tartalékvédelmi eszközként, vagy koordináló szikraközként, illetve – a szigetelő megóvása érdekében – ívterelő szikraközként alkalmazzák.

Szikraköz

Oltócső

Az oltócső szerkezete alapvetően két sorba kapcsolt szikraközből áll. Az előszikraköz normális üzemviszonyok között a hálózatról leválasztja a készüléket. Ebben az esetben tehát az üzemi feszültség nem roncsolja feleslegesen a gázfejlesztő anyagból készült oltókamrát és a főszikraköz elektródáit. Az oltócső megszólalási feszültségét döntően az elő- és a főszikraköz hossza szabja meg. A két szikraköz nagyságának megválasztásánál arra kell törekedni, hogy eredőben a legkisebb megszólalási feszültség adódjon. Az előszikraköz nagyságának megállapításánál tekintettel kell lenni arra, hogy az előszikraköznek biztosítani kell az oltócső hatásos leválasztását a hálózatról, a főszikraköz nagyságának megállapításánál pedig az ívoltás követelményeit kell figyelembe venni. A fő- és előszikraköz hosszának aránya általában: 2,5:1. A főszikraköz megszólalási feszültségének polaritásfüggését fémszórással csökkentik. Az oltókamrában gáz fejlődik az utánfolyó áram ívének hatására. A gázfejlődés következtében nő a nyomás és a gáz nagy sebességgel az alsó cső alakú elektródán kiáramolva az oltókamrából megszakítja a szikraközben kialakult villamos ívet, és deionizálva a szikraközt, megakadályozza annak újragyújtását. Az oltócső önoltó típusú megszakítónak tekinthető, tehát a megszakítandó árammal arányosan nő az oltóhatás, és az ívidő egy alsó és felső határáram között az áram nagyságától függetlenül állandónak tekinthető. Az oltócsövet elsősorban a középfeszültségű szabadvezetéki hálózatban használják. Egyik felszerelési módja a 7.146. ábrán látható. Mindig ügyelni kell arra, hogy az oltócső alatt szabad „kifúvótér” álljon rendelkezésre.

Oltócső

Oltócsó felszerelése

Túlfeszültséglevezető

A túlfeszültséglevezető lényegében sorba kapcsolt szikraközöket és feszültségfüggő ellenállásokat tartalmaz. A helyettesítő kapcsolás szerint a szikraközökkel potenciálvezérlő ellenállások is vannak párhuzamosan kapcsolva, és ezekkel vannak sorba kötve a nemlineáris levezető ellenállások, amelyek kis feszültség esetén nagy, nagy feszültség esetén kis ellenállást képviselnek az ábrán szintén látható karakterisztika szerint, amelynek matematikai közelítése:

7-17 összefüggés

ahol az ún. nemlinearitási tényező: α=4…5 értékű. A karakterisztika a J áramsűrűség és E villamos térerősség fajlagos értékeivel is közelíthető:

7-18 és 7-19 összefüggés

Túlfeszültséglevezető helyettesítő kapcsolása és a levezető ellenállás kararakterisztikája.

Időfüggvények a túlfeszültséglevezető működésekor.

A túlfeszültséglevezető akkor kezd működni, amikor a feszültség a túlfeszültség-levezető kapcsain eléri a szikraközök megszólalási feszültségét. Ekkor a szikraközök átütnek, és a túlfeszültséget okozó töltés nagy része egy nagy levezetési áramimpulzus formájában a kis értékű nemlineáris ellenálláson keresztül lefolyik a földbe. Ez az Imax csúcsértékű áramhullám a nemlineáris ellenálláson feszültségesést, úgynevezett maradékfeszültséget (Um) hoz létre, amely nyilván nem lehet nagyobb a szikraközök megszólalási feszültségénél (ez korlátozza Imax értékét). Ezt követően a hálózati feszültség hajtja át az átütött szikraközökön égő íven és a nagy értékűre növekedett nemlináris ellenálláson keresztül az igen kis (néhány száz A) csúcsértékre (Iu) korlátozott földzárlati áramot, amely áram a nullaátmenethez közeledve meredeken csökken, és még az első nullaátmenetben megszűnik. Ezzel együtt kialszik a szikraközökben égő ív is.

A szikraközre vonatkozó egyik fontos követelmény, hogy megszólalási feszültsége a túlfeszültség meredekségével ne változzon, azaz ne növekedjen, tehát a megszólalási feszültség-idő jelleggörbéje közel vízszintes legyen. Ennek érdekében – az átütés helyén a homogén villamos tér kialakítására törekedve – síkelektródákat használnak és előionizációt alkalmaznak. A szikraközökre vonatkozó másik lényeges követelmény az utánfolyó áram megszakítása, tehát az ív újragyulladásának megakadályozása az első nullaátmenetben. Statikus szikraközben a rövid ív jelentős anód- és katódesése valamint a fémfelületek hűtő, deionozáló hatására alszik ki az ív. A dinamikus szikraközben az ív permanens mágnesekkel létrehozott térben forogva alszik ki.

A levezetésre szolgáló nemlineáris ellenállások elemeit oxidréteggel burkolt sziliciumkarbid szemcsékből, sajtolják össze hengeres geometriai formára. A nemlineáris vezetési tulajdonság főként az oxidrétegben kialakuló különböző fizikai hatások (pl. alagúthatás) eredőjeként jön létre. Az elemek nedvességállóságát a palástfelület festésével, a csatlakozások átmeneti ellenállásának csökkentését, a homlokfelületek fémszórásával javítják.

A vezérlő ellenállások használatával érhető el a sorba kapcsolt szikraközök egyenletesebb feszültségeloszlása. A feszültségeloszlás ugyanis egyenlőtlen lenne, ha azt a szórt kapacitások és nem a szikraközökkel párhuzamosan kapcsolt vezérlő ellenállások határoznák meg. Ezek is sziliciumkarbidból készült nemlineáris ellenállások, de a levezető ellenállásoknál nagyságrenddel nagyobb értékűek. A vezérlő ellenállásokon üzemi feszültség hatására csak mA nagyságrendű vezérlő áram folyik át. Túlfeszültség felléptekor azonban ez az áram jelentősen megnő, és így az egyes szikraközökre jutó feszültség és azok megszólalási értéke gyakorlatilag azonossá válik.

Túlfeszültséglevezető szerkezeti felépítése.

Az ábrán egy túlfeszültséglevezető szerkezeti felépítése látható. A levezető üzemi feszültsége és levezetési árama által megszabott sorba kapcsolt szikraközökből, valamint levezető és vezérlő ellenállásokból összeállított oszlopot porcelán szigetelő csőbe helyezik, és azt – az elemek közötti jó érintkezés biztosítása céljából – rugóval összeszorítják. A belső teret egy membrán zárja le, amely sikertelen ívoltás miatt bekövetkező túlnyomás hatására nyit, és megakadályozza a robbanást.

Fémoxid túlfeszültségkorlátozó

Láttuk, hogy a hagyományos túlfeszültséglevezető esetében a szikraközre csak azért volt szükség, mert az 50 Hz-es üzemi feszültség által áthajtott több száz A értékű maradékáramot meg kellett szakítani. Ellenkező esetben a levezető ellenállások rövid időn belül, túlmelegedés következtében, tönkrementek volna. A levezető ellenállás α nemlinearitási tényezőjének növelésével (lásd pl. a 7-17 összefüggést), a maradékáram egyre kisebb értékű lesz és a karakterisztika egyre inkább megközelíti az ideálisnak tekinthető α =; ∞ paraméterű függvénygörbét. Ily módon olyan kis maradékáram érhető el, amelyet az ellenállás tartósan termikusan elvisel.

A fémoxid (vagy cinkoxid) túlfeszültséglevezetőkben alkalmazott nemlináris ellenállás cinkoxid (ZnO) bázisanyagból áll. Ha most a „fémoxid” szót használjuk megkülönböztető jelzőként, akkor jogos lenne, hogy a előzőekben ismertetett túlfeszültséglevezető elé is kitegyük a sziliciumkarbid jelzőt. Ezt az eszközt azonban akkor hozták létre, amikor a cinkoxidnak a sziliciumkarbidnál kedvezőbb nemlineáris tulajdonságai még nem voltak ismeretesek, így más anyagoktól való megkülönböztetés nem volt szükséges. Manapság már a címbeli megnevezés terjedt el, annál inkább, mert ezek az újfajta eszközök a hagyományos túlfeszültséglevezetőket már majdnem teljes mértékben felváltották.

Szilárdtestfizikai kutatások során jutottak el ZnO kerámia kompozició alkalmazásához. A levezető ellenállás mintegy 90%-ában ZnO kerámia-alapanyagot, a többi részében adalékanyagokat (bizmut- és kobaltoxid) tartalmaz. Ezen anyagok finom, porszerű keverékéből sajtolással állítják elő a tárcsa alakú formákat, amelyek nagy hőmérsékleten való szintereléssel szilárd testté állnak össze. Ennek során a bizmutoxid megolvad és üvegfázisba megy át. A szilárd állapotú, 10…20 μm nagyságú (a kobaltoxid diffúziója folytán viszonylag jó vezetővé tett) ZnO-szemcsék között igen vékony (kb. 0,01 μm) bizmutoxid réteg képződik. Ez a diódákéhoz hasonló záróréteg felelős az ellenállás nemlineáris viselkedésért. Kis villamos térerősség esetén a bizmutoxid réteg gátolja az elektronok mozgását és csak igen kis kapacitív áram folyik át a levezetőn. A térerősség növelésével az elektronok – az alagúthatás következtében – átlépve az elektrongátat az ellenállás igen kicsiny értékűre csökken (végezetül csak a kobaltoxiddal csökkentett ZnO-szemcsék ellenállására). A levezetőn belül az áramutak cinkoxid-szemcsék általában soros kapcsolásából alakulnak ki.

A cinkoxid levezető ellenállás változásának jellege a feszültség-áram (U – I), vagy a villamos térerősség-áramsűrűség (E – J) karakterisztikájukkal mutatható be. Az utóbbi látható kétszer log-log-léptékben a 7.150. ábrán, amelyen összehasonlításképpen a szilciumkarbid jelleggörbéjét is feltüntettük. A jelleggörbék centrális tükrözéssel a változók negatív értékeire is megrajzolhatók, tehát a levezető ellenállások egyen- és váltakozó áramú körökben egyaránt használhatók. A karakterisztikák még közelítőleg sem írható le az eddig használt (7-19) szerinti hatványfüggvénnyel, ha α értékét állandónak vesszük. Pl. a karakterisztika kezdeti szakaszán α =1-15, a középső szakaszán α≌40, a felső szakaszon α≌8 értékkel számolva kapunk megfelelő értéket. Látható, hogy a karakterisztika az üzemi feszültségek, tehát a kis áramok tartományában erősen függ a hőmérséklettől, mégpedig úgy, hogy a hőmérséklet növekedésével csökken a levezető nemlineáris jellege, azaz adott feszültségnél nagyobb áram folyik át rajta, amely hőmegfutáshoz vezethet. Megfelelő méretezéssel ez a probléma megoldható. A nagy nonlinearitású ZnO ellenállás alkalmazásából azonban két fontos előny származik. Az egyik előny, hogy a kis maradékáramnak köszönhetően nincs szükség szikraközre. A másik az, hogy a maradékfeszültség is kicsi. A ZnO levezetőknek számos – itt nem részletezett – egyéb előnyös tulajdonsága van még.

Levezető ellenállások E-J karakterisztikái.

A cinkoxid túlfeszültségkorlátozók szerkezeti felépítése is rendkívül egyszerű akár a porcelánházas, akár a polimerházas (szilikongumi) levezetőt tekintjük. Az utóbbiről mutatunk be egy részletrajzot a lenti ábrán. A ZnO-tárcsákat szorosan egymáshoz szorítva helyezik el a légmentesen lezárt szilikongumi-házban, amelynek két végét a csatlakoztatásra szolgáló fémszerelvényekkel látják el.

Polimerházas ZnO túlfeszültségkorlátozó

Kisfeszültségű túlfeszültségvédelmi eszközök

Ide sorolható a fémoxid túlfeszültségkorlátozó (varisztor), a nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető és védődióda.

Fémoxid túlfeszültségkorlátozó (varisztor)

A kisfeszültségű elosztó hálózatokban, valamint szabályozási vezérlési és automatizálási áramkörökben alkalmazott cinkoxid (vagy fémoxid) túlfeszültséglevezetőket varisztoroknak nevezzük. A varisztorok olyan feszültségtől (nem lineárisan) függő VDR-ellenállások (voltage dependent resistors), amelyeknek ellenállása az U feszültségük növekedésével erőteljesen csökken. Túlfeszültség esetén igen rövid idő ( tc <;25 ns) alatt megszólalnak, és nagy lökőáramok (max. 4000 A) levezetése után a hálózati feszültség hatására a megnövekedett ellenállásukon csak igen kicsiny (<;30 μA), tartósan is megengedhető szivárgási áram folyik át.

A ZnO levezető ellenálások tulajdonságait, karakterisztikáit a fentebb már bemutattuk. A varisztor szerkezeti felépítése az lenti ábrán látható. A tárcsa alakú fejrész epoxigyantából készült burkolatán belül a két kivezetés között helyezkedik el. A fejrész (típustól függően) D =7…25 mm átmérőjű és v =3…8 mm vastagságú.Kép

Varisztor

Nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető

A nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető a gázkisülések elvén működik. Szerkezeti felépítése kivezetések nélküli kivitelében a lenti ábrán, kivezetésekkel ellátott formájukban pedig a másik ábrán (ahol a jellemző méretei is szerepelnek mm-ben) látható. Egy gyűrű alakú, üveg vagy keramikus anyagból lévő, szigetelő két végén fém elektródok zárják le légmentesen a kisülési teret, amely túlnyomó részben argonnal és neonnal van feltöltve. A Ha az elektródokra kapcsolt feszültség meghaladja a gyújtófeszültségüket (amely típustól függően 70 V…15 kV), a kisülési térben néhány μs-on belül kis feszültségű (10…25 V) ív jön létre, amely kis ellenállása (<;0,1 Ω) révén igen nagy levezetési áram (lökőhullám esetén max. 60 kA) kíséretében süti ki az áramkört. Ezután az ív elalszik, és a levezető ellenállása az alapállapotára jellemző nagy (≥10 GΩ) értékre áll vissza. Az 1 mm-nél kisebb távolságra lévő síkelektródok felületei emissziót elősegítő bevonattal vannak ellátva. Ez az aktiváló anyag az elektronok kilépési munkáját lényegesen csökkenti. A túlfeszültséglevezetőnek gyorsan kell megszólalnia, hogy a gyorsan (kb. 1 kV/μs) meredekséggel növekvő túlfeszültséget megfelelően korlátozza. Ennek érdekében a gyűrű alakú szigetelő belső felületére olyan gyújtássegítő réteget hordanak fel, amely a villamos tér eltorzításával gyorsítja meg a gázkisülés kialakulását. A gázkisülések sztohasztikusan zajlanak le, ezért a túlfeszültséglevezetőtől azt is megkövetelik, hogy adott tűrésen belül szólaljon meg egyenfeszültség lassú (kb. 100 V/s) növekedésének hatására. Ezen villamos jellemzőket széles határok között lehet változtatni és a levezetőt a legnagyobb élettartamú működésére optimalizálni a zárt kisülési térben lévő gázok összetételének és nyomásának változtatásával (a környezeti hatásoktól függetlenül), valamint az elektródok távolságával, az aktiváló és gyújtássegítő anyag bevonatával és összetételével.

Nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető kivezetések nélkül

Nemesgáztöltésű túlfeszültséglevezető kivezetésekkel

Védődióda

Az integrált áramköröket tartalmazó elektronikus készülékeket a be- és kimenetükön, vagy a tápegységükben megjelenő, rövid ideig tartó, de nagy amplitúdójú feszültségcsúcsok tönkretehetik. Ilyen impulzusok induktív vagy kapacitív terhelések kapcsolásakor, elektrosztatikus feltöltődés vagy villámcsapás során keletkezhetnek. Az elektronikus készülékek túlfeszültség elleni védelmére különösen alkalmasak az erre a célra kifejlesztett nagyon kicsiny (kb. 1 ns) megszólalási idejű és elegendően nagy (max. 400A) áramimpulzusok levezetésére is alkalmas Zener-védődiódák, amelyeket TransZorb-diódáknak ( Trans ient Z ener Abs orb er) is neveznek. Gyakran használt kiviteli formájuk a fémtokozású, nagy hőkapacitású ún. szupresszor-diódák.

Szupresszor-dióda

A védődiódák feszültség-áram (I-U) karakterisztikája a lenti ábrán látható. Túlfeszültségvédelmi működésük bemutatására a diódák karakterisztikájának csak a záróirányú szakaszát kell figyelembe venni. Ennek jellemző pontjaihoz tartozó értékpárok a következők:

1. UR névleges záróirányú feszültség (amelynél a dióda még nem vezet), és ahhoz tartozó igen kis értékű I R (=1 μA) szivárgási áram (a gyártók U R V-ban kifejezett értékével különböztetik meg az egyes típusokat a típuscsaládon belül),
2. Ule letörési feszültség , amely az I le =1 mA értékű letörési áramhoz tartozik és
3. Uzmax maximális záróirányú (zener) feszültség , amely a 10/1000 μs-os szabványos lökőáram Ippmeg megengedett csúcsértékéhez tartozik. Ekkor keletkezik a diódára megengedhető legnagyobb (ún. 1 ms-os) P p csúcs-impulzusteljesítmény (Pp = Uzmax ⋅ Ippmeg).

Védődióda karakterisztikája

Váltakozó feszültségű alkalmazáskor a két diódát kapcsolnak egymással szemben Ebben az ún. szimmetrikus kivitelű esetben a záróirányban igénybevett dióda megszólalása esetén a másik dióda vezeti az IF nyitóirányú áramot , amelyhez az UF nyitóirányú feszültség tartozik a dióda nyitó irányú karakterisztikájának megfelelően.

Forrás: VER villamos készülékei és berendezései
Koller László, Balázs Novák
Link: https://www.tankonyvtar.hu/en/tartalom/tamop425/0048_VIVEM177/ch07s07.html