Kada je Bendžamin Frenklin 1752. izmislio gromobran, kreirao je time i prvu zaštitu od najdestruktivnije prirodne sile: groma. Više od 200 godina kasnije, zaštite od groma se dizajniraju da čuvaju građevine, osetljive elektronske sisteme, pa čak i ljudske živote. U industriji, veliko prisustvo osetljivih kompjuterski kontrolisanih uređaja čini zaštitu od groma izuzetno skupom. U svetu se milioni dolara troše upravo u ove svrhe. Pepperl+Fuchs se preko 30 godina upravo bavi problematikom interne zaštite postrojenja. Hiljade pogona širom sveta oslanjaju se na Pepperl+Fuchs komponente kako bi obezbedili sigurno slanje signala po pogonu. Pepperl+Fuchs barijere za prenaponsku zaštitu (SPB) su novi proizvod u ovom segmentu.
Serijal „Barijere za prenaponsku zaštitu“
- Barijere za prenaponsku zaštitu – I deo
- Barijere za prenaponsku zaštitu – II deo
- Barijere za prenaponsku zaštitu – III deo
- Barijere za prenaponsku zaštitu – IV deo
Formiranje groma
- Razdvajanje naelektrisanja u oblaku – Za vreme oluje, oblaci postaju naelektrisani i na donjoj strani oblaka nakupljaju se negativna naelektrisanja formirajući negativni sloj, dok se na gornjoj strani oblaka formira pozitivni sloj.
- Predvodnik – Kada negativno naelektrisani sloj postane dovoljno jak da savlada otpor vazduha, elektroni iz njega kreću ka zemlji (približno 10 m u sekundi) putanjom najmanjeg otpora ostavljajući za sobom trag jonizovanog gasa.
- Pražnjenje korone – Kada se predvodnik približi zemlji, pozitivna naelektrisanja se nagomilaju na površini tla i krenu ka predvodniku kroz sve provodne objekte.
- Lučni kanal – Kada se predvodnik susretne sa koronom (obično na visini od 100 m) formira se stabilni lučni kanal od oblaka do zemlje i okida se izuzetno jak povratni udar. Taj udar, od zemlje ka oblaku prati jonizovanu putanju predvodnika i mi ga vidimo kao startni bljesak.
- Povratnik – Ako je električno polje oblaka dovoljno jako, prvi povratni udar generiše drugo pražnjenje koje se istom putanjom vraća ka zemlji. Kada povratnik udari u tlo generiše se još jedan povratni udar. Obično se u jednom gromu generiše 3 do 4 udara, mada ih može biti i do 20. Mi to vidimo kao munju koja treperi.
Tipovi gromova
Grom se može formirati na pet načina: oblak-oblak, oblak-vazduh, unutar oblaka (munje sevaju i raspodeljuju naelektrisanje unutar oblaka) , oblak-tlo (najopasniji) i tlo-oblak (specifičan za visoke građevine).
Energija udara groma
Snaga: >1 MW
Struja (max): do 400 kA
Struja (porast): 200 kA/us
Napon (porast): 12 kV/us
Trajanje: 300 us
Dužina kanala: 5 km
Uticaj groma
Gromovi nanose direktne štete koje se mere u milionima dolara godišnje. Najčešće stradaju elektronske komponente i oprema, gube se podaci u informacionim sistemima i moguć je i gubitak ljudskih života. Neplanirani troškovi i vreme potrebno za popravak dovode do kašnjenja proizvodnje i nezadovoljstva kupaca.
Naravno, oštećenja se mogu izbeći ukoliko se izvede adekvatna zaštita od direktnog i indirektnog uticaja groma na energetske i signalne kablove u postrojenju. Direktan udar groma generiše veoma brzorastuću impulsnu struju od nekoliko stotina kA u prostor. Deo te snage ući će i u pogon kroz energetske i signalne kablove, što može dovesti do zagrevanja opreme, varničenja i požara. Čak i ako udar groma nije direktan, već na udaljenosti od 2-3 km i dalje postoji opasnost od prolaza napona i struje kroz elektro sistem.
Koncept zona
Po internacionalnom standardu IEC 61312-1 definisan je model zona za zaštitu opreme od oštećenja gromom. Ovaj model definiše kontrolu pulsnih parametara u svakoj zone pre nego što se oni prenesu na sledeću zonu. Zaštitni uređaji se postavljaju u svakoj zoni kako bi postepeno smanjili puls struje i napona sve do zone 3. Korišćenjem ove metodologije uticaj direktnog ili indirektnog udara groma, kao i ostali efekti npr. elektrostatičko pražnjenje, mogu se svesti na prihvatljivu meru sa ciljem smanjenja rizika od oštećenja opreme.
- Zona 0 (Kategorije D/E) se može naći u ruralnom području ili kod izdvojenih objekata gde se kablovi nalaze nezaštićeni u spoljašnjoj sredini. Tipična vrednost struje koja je dozvoljena u ovoj zoni je 60 kA (10/350 us).
- Zona 1 (Kategorija C) takođe pokriva prostor u kome su kablovi na otvorenom, ali se ona nalazi bliže objektima. U ovoj zoni na energetskim kablovima dozvoljen je pik struje od 75 kA (10/350 us), a na signalnim od 10 kA (8/20 us).
- Zona 2 (Kategorija B) je mesto gde se nalaze elektronski sklopovi blizu ulaza u distribucioni sistem. Neki od uređaja u ovoj zoni ne mogu podneti struje iz zone 1, pa se postavljaju zaštite na prelazu iz zone 1 u zonu 2. Tipična maksimalna vrednost struje na energetskim kablovima je 15 kA (8/20 us), a na signalnim 3kA (8/20 us).
- Zona 3 (Kategorija A) je od zone 1 udaljena najmanje 20 m i ima slična strujna ograničenja kao i zona 2.
Direktna zaštita od udara groma
Nakon direktnog udara groma, polovina ukupne snage se odvodi u zemlju, a druga polovina prolazi kroz kablove i vodove (plinska mreža, vodovodna mreža,…) zgrade prateći putanju najmanje impedanse. U isto vreme snažno elektromagnetno polje se formira oko svih provodnika. Na primer, ukoliko je struja groma 45 kA/us, a provodnik ima induktivnost od 1 uH/m, pad napona po metru je 45 kV. Ovako veliki naponi mogu izazvati stvaranje varnica i topljenje strukture, nekad čak i požar.
100% zaštita od udara groma ne postoji, međutim možemo preduzeti sledeće korake kako bi maksimalno podigli stepen zaštite:
- Korak 1 (uhvatiti munju) – Postoji nekoliko rešenja za zaštitu od groma: gromobran, faradejev kavez i vazdušni terminali. Vazdušni terminali su najnovija tehnologija koja predviđa izgradnju specijalnih konstrukcija kako bi se veštački proizveo tok naelektrisanja koji će napasti munju. Svako od rešenja ima svoja ograničenja i ni jedno ne štiti opremu od indirektnih uticaja groma.
- Korak 2 (dobro izolovani provodnik) – Pravilno postavljanje dobro izolovanih provodnika sa spoljne strane zgrade obezbeđuje odvođenje viška naelektrisanja u zemlju željenom putanjom pri čemu se smanjuje intenzitet elektromagnetnog polja i njegovi efekti.
- Korak 3 (ekvipotencijalno vezivanje) – Izjednačavanjem potencijala odvojenih površina, ukoliko grom udari u jednu površinu, gotovo istovremeno će se podići napon i na ostalim ekvipotencijalnim površima eliminišući velike napone u konstrukciji.
- Korak 4 (uzemljenje) – Da bi se energija groma odvela u zemlju potrebno je da je putanja do zemlje ona i sa najmanjom impedansom (za komponente struje groma sa visokom učestanošću) i sa najmanjom otpornošću (zbog komponenti struje groma niske učestanosti).
Indirektna zaštita od udara groma
Kako je nemoguće eliminisati elektromagnetno polje direkntom zaštitom od groma, potrebna je i dodatna indirektna zaštita.
- Galvanska sprega – Blizu mesta udara groma, struja kroz tlo podiže potencijal tla koji sa rastojanjem opada eksponencijalno. Ukoliko je otpor kroz kablove manji od otpora zemlje, struja će proteći kroz njih i oštetiti opremu.
- Induktivna i kapacitivna sprega – Induktivno i kapacitivno povezivanje se može dogoditi između dva bliska ,ali odvojena provodnika. Struja koja teče kroz jedan provodnik proizvešće magnetno i električno polje koje ulazi u drugi provodnik. Promena magnetnog polja indukovaće napon u provodniku, a promena električnog polja struju.
- Elektromagnetna sprega – Kod elektromagnetne sprege, sprega je rezultat transmisije elektromagnetnih talasa kroz vazduh. Uticaj induktivne i kapacitivne sprege je mali jer su provodnici međusobno udaljeni.
Zaštita od groma u postrojenjima
U današnjem industrijalizovanom svetu procesi u fabrikama su kompijuterizovani. Mnogi energetski i signalni kablovi ulaze i izlaze iz pogona i utiču jedni na druge. To je razlog što se posebna pažnja mora povesti na zaštiti istih. Različiti zaštitni uređaji odvode neželjene struje u zemlju štiteći opremu i ljudstvo i obezbeđujući nesmetan rad pogona. Zaštita kompletne opreme u polju, bez obzira da li se ona nalazi na udaljenom ili visokorizičnom delu jedini je način sprečavanja havarija. Kako signali indukovani gromom imaju pulsni karakter, klasični prekidači i osigurači nisu dovoljna zaštita opremi. Barijere za prenaponsku zaštitu kompanije Pepperl+Fuchs su najbolje moguće rešenje na tržištu. One štite ne samo kod udara groma, već i od drugih skokova napona ili struja koji nemaju linearnu promenu intenziteta. Takve promene se mogu javiti prilikom uključivanja i isključivanja velikih induktivnih opterećenja, kao što su transformatori, motori ili pogoni.
Svaki električni uređaj trebalo bi da bude zaštićen SPB-om, sa tim da se SPB montira na sam uređaj u polju i na odvojenu šinu u kontrolnoj sobi.
Standardne aplikacije
Pogon se po pravilu sastoji od opreme u polju i kontrolne sobe. Standardnu opremu u polju čine: senzori, transmiteri, termoparovi, I/P konvertori, solenoidni ventili, …
U kontrolnoj sobi se nalaze PLC/DCS-ovi na čije I/O portove su prikačeni uređaji u polju. I/O portovi generalno obrađuju digitalne ulazne, digitalne izlazne, analogne ulazne i analogne izlazne signale.
Pepperl+Fuchs prenaponske barijere (SPB) su specijalno dizajnirane za svaki od ovih tipova signala.
Analogni ulazni signali
Ilustracija prikazuje standardni (SMART) transmiter povezan na analognu ulaznu karticu PLC/DCS sistema. U ovoj situaciji SPB štiti analognu ulaznu karticu. Najčešće se SPB montira na zasebnu šinu u kontrolnoj sobi blizu I/O karte. Pepperl+Fuchs SPB K-LB-1.30G se koristi za ovu svrhu, jer je kolo tipa 24VDC pri 4..20 mA.
Zaštita opreme u polju je moguća na dva načina.
Opcija 1: Standardni SPB K-LB-1.30 se postavlja blizu opreme na istoj šini koja mora biti uzemljena.
Opcija 2: SPB F*-LB-* se direktno zavrtnjem pričvršćuje za uređaj u polju
Analogni izlazni signali
Da bi se zaštitila analogna izlazna karta potrebno je integrisati SPB K-LB-1.30G u električno kolo. Dodatno osiguranje uređaja u polju se vrši kao i kod analognog ulaznog signala.
Niskonaponski analogni signal
Neki uređaji u polju, kao što su fotoćelije ili termokapleri, generišu izuzetno niske naponske signale. Za zaštitu u tom slučaju treba koristiti SPB K-LB-1.6G sa 6V radnim naponom, a za zaštitu opreme u polju SPB K-LB-1.6.
Digitalni ulazni signali
Blizinski senzor ilii mehanički prekidač se povezuju preko K-LB-1.30G da bi se zaštitila ulazna kartica, dok se za zaštitu uređaja u polju koristi K-LB-1.30.
Digitalni izlazni signali
Solenoidni ventili, LED-ovi, alarmi,… se aktiviraju digitalnim izlaznim signalima. Za sve te aplikacije se koristi K-LB-1.30G i K-LB-1.30 za zaštitu samog uređaja u polju.
Pregled modela SPB-ova za standardne i aplikacije sa zener barijerom
Sve ilustracije: Pepperl+Fuchs
Više informacija: Momentum d.o.o., Fruškogorska 55, 22000 Sremska Mitrovica, Serbia, Mobilni: +381 65 2622 066; Tel/Faks: +381 22 625 010 Web: www.momentum-automation.com E-mail: office@momentum-automation.com