Električna pražnjenja i prenaponi su čest razlog otkaza elektronskih uređaja u industrijskim postrojenjima. Kratkotrajni naponski impulsi velikih amplituda koji se indukuju i prostiru po električnim vodovima stvaraju značajne smetnje elektronskim uređajima. Izvori ovakvih smetnji mogu biti prirodni – u vidu atmosferskih električnih pražnjenja, ali i sama industrijska postrojenja mogu biti snažan izvor smetnji. Prekidači, kontaktori, zemljospoji, motori, aparati za varenje, liftovi pa čak i klima-uređaji i kopir aparati mogu, u određenim slučajevima, generisati fatalne električne smetnje.
Opasnost vreba sa neba
Električna atmosferska pražnjenja su prirodan fenomen koji nastaje kao posledica potencijalnih razlika na različitim visinama i njihovog izjednačavanja. Električno pražnjenje koje tada nastaje prostire se brzinom od oko 100.000 kilometara u sekundi. Trajanje pražnjenja je svega oko 10 µs, pri naponima do nekoliko stotina miliona volti i stujama koje mogu biti i 300 kA.
Direktni udar u objekat izaziva najveća oštećenja, zbog ogromne energije koja se pri tome oslobađa. Zaštita od direktnog udara se izvodi gromobranskim instalacijama i obično se projektuje i izvodi u skladu sa zakonima koji regulišu izgradnju objekata. Takođe postoje propisi koji se primenjuju i kod elektro-energetskih i telekomunikacionih sistema.
Verovatnoća direktnog udara je mala, ali postoje dva sekundarna efekta, podjednako opasna i mnogo češća, koje treba imati u vidu, a koji nastaju kao posledica atmosferkih pražnjenja. Prvi potiče od indukovanih električnih i magnetnih polja koja se koncentrično prostiru oko munje i tačke udara. Tada se u metalnim predmetima i strujnim vodovima indukuju snažni električni poremećaji i prenaponi. Drugi, kondukcioni efekat, podjednako opasan, je stvaranje potencijalne razlike između dve tačke na zemlji, koja je rezultat proticanja struje kroz zemlju u trenutku direktnog udara. U oba slučaja, efikasna prenaponska zaštita, je neophodna da zaštiti osetljivu elektronsku opremu i spreči otkaze.
Zaštita po standardima
Pojavu naponskih impulsa velike energije i veoma kratkog trajanja u električnim instalacijama teško je predvideti, ali kada se pojave često izazivaju prekide rada i ne retko trajna oštećenja elektronskih uređaja i sistema. Kako je elektronska era napredovala od elektronskih cevi do poluprovodnika, savremeni uređaji su postali više podložni oštećenjima nastalih od elektičnih pražnjenja i naponskih udara. Povećan broj kvarova, često skupih, važnih i složenih uređaja i sistema, stvorio je potrebu za definisanjem metoda i tehnologija za zaštitu
Mesta u industijskom postrojenju gde je potrebna zaštita
Tokom proteklih godina mnoge međunarodne organizacije, kao što su ANSI, UL, IEEE i IEC, definisale su više standarda i preporuka koje se odnose na ovu problematiku. Kako je pojava kojom su se bavili stohastičke prirode prvi problem je bio da se odrede nivoi zaštite i metodologija testiranja. Rešenje je nađeno u definisanju determinističkih električnih impulsa, koji sa svojim karakteristikama dovoljno dobro simuliraju prirodno generisane smetnje u velikom broju slučajeva. Namera je da se uređaji i sistemi testiraju sa standardnim, veštački generisanim naponskim impulsima, i da se na taj način potvrdi ostvareni nivo zaštite. Međutim, različiti pristupi u definisanju standardnih električnih impulsa i njihove prirode, su doveli do često veoma zbunjujućih razlika između standarda, posebno imajući u vidu ANSI/IEEE C62.41, IEC 61312 i IEC 61024 što onemogućava unifikaciju opreme za zaštitu.
Primer standardnog impulsa
Da bi se stekla predstava o fizičkim veličinama impulsa mogu se uzeti, kao primeri, strujni impuls definisan u ANSI/IEEE C62.41 za kategoriju C3 okruženja gde je maksimalna struja 10kA i vremena t1=8µs, a t2=20µs, ili ekvivalentan strujni impuls iz IEC 61312 standarda čija je maksimalna struja 200kA i vremena t1=10µs, a t2=350µs. Standardi definišu i zaštitne zone, prema stepenu izloženosti, pa se prema tome određuju i grupe zaštitnih uređaja. Posebna grupa uređaja je namenjena za zaštitu na ulazu instalacija u objekat, gde je izloženost najveća. Druga grupa je namenjena za zaštitu u distributivnim ormanima i unutrašnjim instalacijama, dok je treća grupa namenjena krajnjim udaljenim uređajima.
Zone zaštite od prenapona
Šta se nalazi unutra?
Impulsne prenaponske zaštite su zasnovane na komponentama koje se priključuju paralelno zaštićenom uređaju, koje imaju sposobnost da vrlo brzo reaguju na prenaponski impuls i da ograniče napon, a da energiju impulsa odvedu u zaštitno uzemljenje. Postojanje kvalitenog zaštitnog uzemljenja, koje karakteriše mala impedansa, je neophodno da bi prenaponska zaštita uspešno radila. Bez toga čak i najkvalitetniji zaštitni uređaj nema nikakav efekat. Pojedini tipovi zaštita imaju i serijski spojene elemente, obično topljive osigurače, PTC osigurače ili releje koji imaju zadatak da prekinu kolo prema zaštićenom uređaju u slučaju pojave impulsa dužeg trajanja.
Principijelna šema prenaponske zaštite
Komponente za prenaponsku zaštitu se razlikuju po tehnologiji izrade, brzini reagovanja, nivou zaštite koju pružaju, mogućnostima apsorbovanja impulsa velikih energija, kao i po stabilnosti karakteristika tokom dužeg perioda rada.
Varničar sa vazdušnim procepom je istorijski značajan, kao prva komponenta za prenaponsku zaštitu, ali je zbog promenljivih karakteristika i malog nivoa zaštite uglavnom zamenjen gasnim odvodnikom, koji je njegova savremenija varijanta, ali sa mnogo boljim karakteristikama.
Kao komponentu koja je u poslednje vreme postala jako “populatna” treba pomenuti i zener diodu koja se proizvodi u posebnoj varijanti za prenaponsku zaštitu. Za razliku od “običnih” zener dioda, zaštitne zener diode imaju mnogo veći odnos između nominalne i maksimalne struje, kao i konstrukciju koja omogućava efikasno odvođenje toplote koja se generiše pri apsorpciji prenaponskih impulsa. Njihova veoma važna osobina je velika brzina reagovanja, pa su zato često u upotrebi za zaštitu brzih komunikacionih kola. Varistori su elementi koji mogu da apsobuju velike količine energije, ali su zbog relativno velike parazitne kapacitivnosti i nestabilnog praga ograničeni na kola napajanja. Prenaponske zaštite se proizvode za različite namene i u različitim oblicima. Postoje zaštite za vodove napajanja jednosmernom ili naizmeničnom strujom, za signalne i telekomunikacione linije, za antenske instalacije i računarske mreže. Često se u istom kućištu koristi više različitih zaštitnih komponenata koji formiraju višestepeni sistem, koji spajanjem dobrih strana više elemenata daje mnogo bolje rezultate.
Igra na sreću
Iako je problematika izbora i primene impulsnih prenaponskih zaštita povezana sa mnogim teškim odlukama, problem projektovanja i instalacije uglavnom olakšavaju proizvođači zaštitne opreme koji kroz obimnu dokumentaciju i primere često vrše dodatno obrazovanje svojih korisnika i osposobljavaju ih da uspešno zaštite svoja postrojenja i opremu. Cene zaštitne opreme zavise od nivoa zaštite i namene i kreću se od 20 do 5000 €. Svakako je potrebno mnogo znanja i iskustva da se izabere i primeni odgovarajuća oprema koja će tokom eksploatacije opravdati svoju namenu i pružiti odgovarajući nivo zaštite. Ali na kraju će ipak nebo odlučiti da li ste srećni.
Srećno.
Goran Dragišić, dipl.inž.
Više informacija: DECODE doo, Bul. Zorana Đinđića 12E, 11070 Novi Beograd, Srbija, Tel./Fax. 011/311-00-27, 311-56-26, Email: office@decode.rs, http://www.decode.rs/