ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ από ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ

1. Ορισμός, αίτια και μετάδοση κρουστικών υπερτάσεων

1.1. Τι είναι οι κρουστικές υπερτάσεις
Με τον όρο κρουστικές υπερτάσεις, εννοούμε τις απότομες αυξήσεις της απόλυτης τιμής του δυναμικού, η διάρκεια των οποίων κυμαίνεται από εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου (10-6s) μέχρι κάποια χιλιοστά του δευτερολέπτου (10-3s). Η αύξηση της απόλυτης τιμής του δυναμικού κυμαίνεται από μερικά Volts, μέχρι χιλιάδες Volts.

1.2. Δημιουργία κρουστικών υπερτάσεων
Τα αίτια δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων είναι είτε φυσικά, είτε τεχνητά. Φυσικές πηγές είναι οι κεραυνοί (lightning electromagnetic pulses ή LEMP), τόσο μεταξύ νέφους και γης, όσο και μεταξύ νεφών, και οι διάφορες ηλεκτροστατικές εκφορτίσεις (electrostatic discharges ή ESD). Τεχνητές πηγές είναι τα ηλεκτρικά δίκτυα που αναπτύσσουν κρουστικές υπερτάσεις, είτε από χειρισμούς διακοπτών, είτε από βραχυκυκλώματα (switching electromagnetic pulses ή SEMP).

Τα κρουστικά κύματα δημιουργούν ρεύματα με πολύ μεγάλη ένταση, ικανά να καταστρέψουν κάθε μορφής ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων και να βλάψουν την ανθρώπινη ζωή. Τα ρεύματα αυτά περνάνε μέσα στις συσκευές και στις εγκαταστάσεις διαμέσου των καλωδίων ισχύος, των τηλεφωνικών καλωδίων, των κεραιών, των γειώσεων, των δικτύων ύδρευσης, θέρμανσης, ψύξης, αερισμού κλπ. Ακόμα και αν ο κεραυνός πέσει εκατοντάδες μέτρα μακριά από μια κατασκευή, η σχετικά υψηλή ιδιοσυχνότητα του παραγόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του επιτρέπει να ταξιδεύσει σε μεγάλη απόσταση και πιθανότατα να προσβάλλει τη συγκεκριμένη κατασκευή μέσω κάποιων από τους παραπάνω «δρόμους». Ένας κεραυνός λοιπόν μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργία στα ηλεκτρικά μέρη μιας κατασκευής ακόμα και αν πέσει ένα χιλιόμετρο μακριά. Η απόσταση που μπορεί να πλήξει μία κατασκευή, είναι συνάρτηση της έντασής του.

Ο τρόπος που ένας κεραυνός επιδρά μπορεί να είναι είτε επαγωγικός, είτε ωμικός, είτε χωρητικός, είτε κάποιος συνδυασμός αυτών, όπως εξηγείται παρακάτω. Υπάρχει, φυσικά, και η ακραία περίπτωση να πέσει απευθείας πάνω σε κάποια καλώδια ή σωλήνες που καταλήγουν στο συγκεκριμένο κτίριο.

Δύο διαφορετικές περιπτώσεις επαγωγικών επιδράσεων έχουν παρατηρηθεί. Όταν ένας κεραυνός πέσει σε ένα κτίριο που έχει αντικεραυνική προστασία, το ρεύμα του θα διοχετευθεί μέσω του αγωγού καθόδου στη γη. Το ισχυρό μαγνητικό πεδίο όμως που θα δημιουργηθεί γύρω από τον αγωγό, μπορεί να μεταφέρει επαγωγικά φορτία στις διάφορες καλωδιώσεις του κτιρίου ή ακόμα και σε γειτονικά κτίσματα. Στη δεύτερη περίπτωση, αποφορτίσεις κεραυνών στην ύπαιθρο φορτίζουν επαγωγικά, καλώδια ηλεκτρικής παροχής, μεταφοράς δεδομένων ή τηλεφωνικά και μέσω αυτών εισχωρούν μέσα σε κατασκευές προκαλώντας φθορές στα ηλεκτρικά τους μέρη.

Οι ωμικές επιδράσεις είναι ένας άλλος τρόπος μετάδοσης κρουστικών ρευμάτων και πλήττουν, τόσο υπόγειες, όσο και υπέργειες ή εναέριες γραμμές και σωληνώσεις. Συναντάται και ως γαλβανικό φαινόμενο. Όταν ένας κεραυνός πλήξει ακόμα και το έδαφος σε κοντινή κατασκευή, το κεραυνικό ρεύμα που διαχέεται ψάχνει διόδους εκτόνωσης μέσα στη γη. Επειδή ακολουθείται πάντα η ευκολότερη δίοδος, δηλαδή με την μικρότερη ωμική αντίσταση, ένα ποσοστό του ρεύματος θα περάσει μέσα στα κοντινά κτίσματα, είτε διαμέσου των ηλεκτροδίων της γείωσης των κατασκευών, είτε διαμέσου διαφόρων μεταλλικών σωληνώσεων (ύδρευση, αποχέτευση κλπ.). Η μόνωση των καλωδίων έχει μεγαλύτερη αντίσταση από ότι το έδαφος, αλλά λόγω μεγάλης διαφοράς δυναμικού μεταξύ γης και μονωμένων μερών, η μόνωση αυτή διασπάται και η υπέρταση διοχετεύεται στους αγωγούς καταστρέφοντας ηλεκτρονικές συσκευές συνδεδεμένες στο δίκτυο. Ακόμα περισσότερο, όταν αυτό το κτίριο συνδέεται ηλεκτρικά με άλλα κτίρια, λόγω της διαφοράς δυναμικού που δημιουργείται στην άκρες των γραμμών, το ρεύμα θα συνεχίσει την πορεία του καταστρέφοντας και συσκευές γειτονικών κτιρίων.

Όσον αφορά τις χωρητικές επιδράσεις, αυτές δημιουργούνται όταν ένα νέφος χάσει απότομα το ηλεκτρικό του φορτίο, με συνέπεια τα δίκτυα που βρίσκονται κάτω από αυτό, να χάσουν και αυτά χωρητικά το φορτίο τους. Ως αποτέλεσμα αυτού, αναπτύσσονται οδεύοντα κύματα προς τις δύο κατευθύνσεις. Αν μάλιστα τα δίκτυα αυτά είναι μεγάλου μήκους και καλά μονωμένα χειροτερεύει η κατάσταση, καθώς το κύμα αντανακλάται και μεγαλώνει αλλά και δεν μπορεί να αποφορτιστεί. Σε περίπτωση λοιπόν, που το δυναμικό του δικτύου φτάσει σε τιμή μεγαλύτερη της αντοχής των ηλεκτρικών μονώσεων των συσκευών που υπάρχουν στα άκρα του, αυτές θα καταστραφούν.

Τέλος, υπερτάσεις δημιουργούνται και από χειρισμούς διακοπτών ισχύος, μαγνητική ζεύξη μετασχηματιστών ισχύος, βραχυκυκλώματα και ζεύξη-απόζευξη συστοιχιών πυκνωτών, κυρίως διότι τα ρεύματα που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια των φαινομένων αυτών αποκτούν κρουστική μορφή με δραματικές συνέπειες στη μονωτική ικανότητα των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συσκευών. Όπως είναι γνωστό, το ρεύμα που διαρρέει έναν αγωγό δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο οποίο αποθηκεύεται ενέργεια. Αν αυτό το ρεύμα διακοπεί ξαφνικά, η ενέργεια του μαγνητικού πεδίου απελευθερώνεται. Στην προσπάθειά της να αναλωθεί, παίρνει τη μορφή ενός κρουστικού κύματος. Όσο περισσότερη, φυσικά, είναι η αποθηκευμένη ενέργεια, τόσο μεγαλύτερο και το κύμα. Μεγάλα ρεύματα και μεγάλα μήκη αγωγών δυσχεραίνουν την κατάσταση. Αυτός είναι και ο λόγος που επαγωγικά φορτία όπως κινητήρες ή μετασχηματιστές, αποτελούν συχνά αιτίες δημιουργίας κρουστικών υπερτάσεων.

2. Προβλήματα λόγω κρουστικών υπερτάσεων και τρόποι προστασίας–Απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων

2.1. Προβλήματα
Πολλά είναι τα προβλήματα που μπορεί να δημιουργήσει η είσοδος ενός κρουστικού κύματος στα δίκτυα μιας κατασκευής, από απλά μέχρι ανεπανόρθωτα.

Απώλειες μνήμης: αν και δεν έχουμε μόνιμη ζημία, παρατηρούνται συχνά απώλειες μνήμης, «πάγωμα» οθονών, αδικαιολόγητη επανεκκίνηση ηλεκτρονικών συσκευών, κλπ. χωρίς μόνιμες ή ανεπανόρθωτες βλάβες. Συνήθης αιτία απώλειας εργατοωρών, και κίνδυνος δυσάρεστων καταστάσεων σε περιπτώσεις ευαίσθητου και σημαντικού λογισμικού (π.χ. τράπεζες).

Βαθμιαία φθορά: μακροπρόθεσμη έκθεση σε κρουστικά κύματα μικρής έντασης, οδηγεί σε μερική φθορά ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, μικραίνοντας τη διάρκεια ζωής και αυξάνοντας την πιθανότητα αστοχίας υλικού ή καταστροφής.

Ολική καταστροφή: κρουστικά κύματα μπορούν να καταστρέψουν συσκευές, ηλεκτρονικά κυκλώματα, οθόνες ακόμα και σε σημείο που να είναι αδύνατη η επισκευή τους. Αυτό συμβαίνει όταν διασπαστεί το μονωτικό μέσο της συσκευής. Σπινθήρες, τόξα ή εκρήξεις μπορεί να αποτελέσουν εστίες φωτιάς και απαρχή επικίνδυνων καταστάσεων όπως ηλεκτρικά σοκ κλπ. Ο κίνδυνος είναι ακόμα μεγαλύτερος σε περιπτώσεις που σε μια κατασκευή περιέχονται εύφλεκτα ή εκρηκτικά υλικά ή υπάρχει μεγάλη πυκνότητα ανθρώπων.

Έμμεσες συνέπειες: όλα τα παραπάνω οδηγούν σε αδυναμία εργασίας, κόστος αντικατάστασης και επισκευής, απώλεια παραγωγικού χρόνου, καθυστερήσεις και απώλειες πελατών, αναγκαιότητα υπερωριών, περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις λόγω κακής λειτουργίας ή υπολειτουργίας κλπ.

2.2. Απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων

Αναφέραμε νωρίτερα ότι οι κρουστικές υπερτάσεις μπορούν να περάσουν μέσα στα ηλεκτρικά κυκλώματα είτε μέσα από την ηλεκτρική παροχή, συμπεριλαμβανομένου και του αγωγού γειώσεως, είτε μέσα από τις τηλεφωνικές γραμμές, τις γραμμές μεταφοράς δεδομένων και τις γραμμές μεταφοράς αναλογικών σημάτων (από κεραία τηλεόρασης, κάμερα παρακολούθησης κλπ.) και γενικά μέσα από οποιοδήποτε ηλεκτρικά αγώγιμο δίκτυο. Οι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων(surge protection devices ή SPDs), που συχνά θα συναντηθούν και ως αλεξικέραυνα ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων, είναι οι συσκευές αυτές που τοποθετούνται πριν από τα μηχανήματα που θέλουμε να προστατεύσουμε ή σε συγκεκριμένα σημεία μέσα στο δίκτυο, με στόχο να μειώσουν το κρουστικό κύμα άμεσα σε μεγέθη ακίνδυνα.
Η αρχή λειτουργίας τους είναι η εξής: ο κάθε απαγωγός κρουστικών υπερτάσεων, SPD, χαρακτηρίζεται σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας του, από μία πολύ υψηλή αντίσταση μεταξύ των άκρων του. Όταν στο δίκτυο που είναι συνδεδεμένος εφαρμοστεί μία κρουστική τάση με τιμή μεγαλύτερη από την τάση διάσπασης του SPD, βραχυκυκλώνει τα άκρα του σε χρόνο της τάξης ns, μειώνοντας έτσι τις διαφορές δυναμικού μεταξύ των ηλεκτρικά μονωμένων αγωγών και μεταξύ των γειωμένων μερών, σε στάθμη που πρέπει να είναι χαμηλότερη της διηλεκτρικής αντοχής των μονωτικών της εγκατάστασης, όπως αυτή ορίζεται στο Διεθνές πρότυπο IEC 60664-1 (Πίνακας 1). Η τάση αυτή ονομάζεται τάση προστασίας (Up) και είναι το βασικότερο κριτήριο επιλογής του SPD. Θα αναφερθούμε σε αυτήν εκτενέστερα στη συνέχεια. Όταν η τάση του δικτύου επανέλθει στα φυσιολογικά επίπεδα, ο απαγωγός κρουστικών υπερτάσεων, SPD, αυτόματα επανέρχεται στην αρχική φυσιολογική του θέση, χωρίς την ανάγκη διακοπής της παροχής του ηλεκτρικού δικτύου, αντικατάσταση τηκτών, ή επαναοπλισμού αυτόματων διακοπτών.

Βέβαια, υπάρχουν κάποιες βασικές προϋποθέσεις που πρέπει να τηρηθούν για την επιτυχία της προστασίας, και οι σημαντικότερες είναι οι ακόλουθες:

Συμβατότητα με το σύστημα: να μη προκαλεί λειτουργικά προβλήματα στις συσκευές που προστατεύει, όπως π.χ. να διατηρεί τις ιδιότητές του υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας των συσκευών ώστε να μη γειώνει τους ενεργούς αγωγούς.

Σωστή επιλογή στάθμης προστασίας: η τάση προστασίας, UP, λειτουργίας του SPD, πρέπει να είναι μικρότερη της στάθμης μόνωσης της συσκευής που προστατεύει. Αν για παράδειγμα πρέπει να προστατευθεί ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα με διηλεκτρική αντοχή 800V, ο απαγωγός κρουστικής υπέρτασης θα πρέπει να χαρακτηρίζεται με UP<800V, ή ακόμη χαμηλότερη, έτσι ώστε να προστατευθεί η συσκευή επαρκώς και να υπάρχει και ένα όριο ασφαλείας.

Βιωσιμότητα: για αξιόπιστη μακράς διάρκειας λειτουργία, το SPD που θα επιλεγεί πρέπει να μπορεί να αντέξει το μεγαλύτερο κρουστικό ρεύμα Ι imp ή Ιmax που αναμένεται στο συγκεκριμένο σημείο εγκατάστασής του και υπολογίζεται με βάση την αναγκαία στάθμη προστασίας, όπως αναφέρεται στη συνέχεια.

2.3. Χαρακτηριστικοί παράμετροι επιλογής

Οι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων επιλέγονται λαμβάνοντας υπόψη τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και τις ιδιαιτερότητες του συστήματος στο οποίο τοποθετούνται.

Πιο αναλυτικά οι παράμετροι που παίζουν ρόλο στην επιλογή τους είναι οι εξής:

Χαρακτηριστικά δικτύου: Για να εξασφαλιστεί η συμβατότητα με το δίκτυο είναι αναγκαία η γνώση των τριών επόμενων παραμέτρων. Η Ονομαστική τάση λειτουργίας (Voltage rating, UN, ή Continuous operating voltage, UC) καθορίζεται με βάση την ονομαστική τάση της ηλεκτρικής γραμμής. Η μέγιστη τάση λειτουργίας σύμφωνα με τις προδιαγραφές κυμαίνεται περίπου στο +15% της ονομαστικής τιμής. Για τα Ελληνικά δεδομένα, όπως και για ολόκληρη την Ευρώπη, σύμφωνα με οδηγία της Ευρωπαϊκής Ένωσης, η ονομαστική τάση λειτουργίας για όλα τα δίκτυα χαμηλής τάσης είναι 230/400V. Για τα ασθενή ρεύματα (π.χ. σήματα data) ονομαστική τάση είναι η θετική ή αρνητική τιμή κορυφής του σήματος (Voltage peak value, Upk). Το Ονομαστικό ρεύμα λειτουργίας, (Continuous operating current, IC), ενδιαφέρει μόνο στην περίπτωση που ο απαγωγός συνδέεται σε σειρά με το δίκτυο. Τέλος, ανάλογα με τη Συχνότητα λειτουργίας, f, του δικτύου, επιλέγεται και ο απαγωγός που λειτουργεί στην ανάλογη συχνότητα.

Τάση εκφόρτισης ή Παραμένουσα τάση (Residual voltage, Ures): είναι η τάση που αναπτύσσεται στα άκρα του απαγωγού κρουστικών υπερτάσεων κατά τη διάρκεια της διέλευσης του ονομαστικού ρεύματος εκφόρτισης, το οποίο ορίζεται παρακάτω. Η μέγιστη παραμένουσα τάση(Voltage limiting) είναι αυτή που αντιστοιχεί στο μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης που μπορεί να αντέξει ο συγκεκριμένος απαγωγός. Στην περίπτωση απαγωγού τύπου σπινθηριστή η παραμένουσα τάση ισούται με την Τάση διάσπασης(Sparkover voltage), την τάση δηλαδή στην οποία έχουμε έναρξη του σπινθήρα. Όπως γίνεται σαφές, όσο μικρότερη είναι η τάση προστασίας ενός απαγωγού τόσο το καλύτερο, και τόσο πιο ευαίσθητες συσκευές μπορεί να προστατεύσει.

Τάση προστασίας (Voltage protection level, UP):η συγκεκριμένη παράμετρος χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά του απαγωγού και πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη μέγιστη παραμένουσα τάση ή την τάση διάσπασης. Η χρησιμότητα της παραμέτρου αυτής είναι ίσως η σημαντικότερη όλων, καθώς μεγαλύτερη τάση προστασίας από αυτή που αντέχει η υπό προστασία συσκευή, θα οδηγήσει σε ανεπαρκή προστασία της και ενδεχόμενη καταστροφή της.

Μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης (Maximum discharge current, Imax ή Maximum impulse current, Iimp): είναι το μεγαλύτερο ρεύμα εκφόρτισης που διέρχεται μέσα από το αλεξικέραυνο δικτύου τουλάχιστον για μία φορά, χωρίς αυτό να καταστραφεί. Με βάση αυτή τη μεταβλητή εξασφαλίζεται η βιωσιμότητα του απαγωγού. Το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μορφή κρούσης του κύματος. Όταν λέμε μορφή κρούσης (Impulse wave shape) εννοούμε το πηλίκο του χρόνου που φτάνει το ρεύμα στη μέγιστη τιμή του, προς το χρόνο που πέφτει στο μισό της μέγιστης τιμής. Ο λόγος που χρησιμοποιείται είναι το γεγονός ότι κάθε κρουστικό κύμα έχει απρόβλεπτη μορφή κρούσης και συνεπώς τα μεγέθη δεν είναι συγκρίσιμα. Εισάγοντας αυτή την παράμετρο είμαστε πιο ακριβής στον καθορισμό του Imax της αντικεραυνικής συσκευής. Για παράδειγμα, ένας απαγωγός στο οποίο εφαρμόζεται κρούση μορφής 8/20μs έχει ικανότητα Imax=5kA. Στον ίδιο απαγωγό αν εφαρμοστεί κρούση μορφής 4/10μs για παράδειγμα, έχει ικανότητα Imax=65kA. Η μορφή κρούσης καθορίζεται από τα Διεθνή πρότυπα IEC σε 8/20μs, ενώ σε ειδικές περιπτώσεις για τη μέτρηση του Imax φτάνει και σε διάρκεια τα 10ms (IEC 61643–1). Από εδώ και στο εξής ότι τιμές έντασης και αν αναφέρονται, ως μορφή κρούσης θα εννοείται η 8/20μs.

Ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης (Nominal discharge current, In): Ετσι ονομάζεται το ρεύμα αυτό που μπορεί να αντιμετωπιστεί από τον απαγωγό για τουλάχιστον είκοσι φορές, χωρίς αυτός να παρουσιάσει δυσλειτουργία. Όταν για παράδειγμα λέμε ότι ο συγκεκριμένος απαγωγός έχει Imax=40kA και In=15kA, ρεύματος 8/20μs εννοούμε ότι μπορεί να αντεπεξέλθει χωρίς να καταστραφεί σε ρεύμα 40kA τουλάχιστον μία φορά και σε ρεύμα 15kA τουλάχιστον για είκοσι φορές, πάντα μορφής 8/20μs.

Υπέρταση μεγάλης διάρκειας του ηλεκτρικού πεδίου διανομής, UTOV: μία σημαντική παράμετρος που πρέπει να συνεκτιμάται κατά την επιλογή του απαγωγού, κυρίως στα ενεργειακά συστήματα, είναι οι υπερτάσεις του συστήματος μακράς διάρκειας UTOV, με χρονική διάρκεια 0,05<t<10s. Οι τάσεις αυτές λόγω της διάρκειάς τους δεν έχουν κρουστική μορφή και ο απαγωγός υπερτάσεων, αν λειτουργήσει για να τις μειώσει υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να καταστραφεί, καθώς καταπονείται για μεγάλη χρονική διάρκεια από το ρεύμα του συστήματος που ρέει μέσα σε αυτόν. Στατιστικά, έχει αποδειχθεί ότι σε απομονωμένα δίκτυα η καταστροφή των απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων από αυτό το αίτιο, είναι συνηθέστερη από ότι η καταστροφή τους από ένα κεραυνικό ρεύμα. Το Διεθνές πρότυπο IEC της σειράς 60364 συνιστά στις εταιρείες διανομής ηλεκτρικής ενέργειας να κατασκευάζουν δίκτυα που οι υπερτάσεις μεγάλης διάρκειας να μην υπερβαίνουν την τιμή 1,5xUN+750V για χρόνο 0,05<t<5s, και την τιμή 1,5xUNV για χρόνο 5<t<10s. Η επιλογή του κατάλληλου απαγωγού κρουστικών υπερτάσεων θα πρέπει να γίνεται με το κριτήριο να λειτουργεί σε τάσεις μεγαλύτερες της U TOV, όπως αυτή ορίζεται από το IEC 60364. Αν και αναφέρθηκε, δηλαδή, ότι όσο μικρότερη είναι η τάση προστασίας τόσο το καλύτερο, οι ελάχιστες τιμές της UP περιορίζονται από την UTOV.

Χρόνος απόκρισης(Time Response, tR): είναι ο χρόνος που απαιτείται μέχρις ότου να ενεργοποιηθεί η λειτουργία του απαγωγού. Είναι πολύ βασική παράμετρος, καθώς πρέπει να λειτουργήσει πριν περάσει το κύμα και κάνει τη ζημιά και πρέπει να είναι μικρότερος των 25 ns (25x10-9). Αυτός είναι και ο λόγος που οι σταθεροποιητές τάσης (UPS) δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αντικεραυνική προστασία, καθώς ο χρόνος απόκρισής τους είναι συγκριτικά πολύ μεγαλύτερος (της τάξης των ms, 10-3). Αντιθέτως, κινδυνεύουν και οι ίδιοι από τα κρουστικά κύματα και χρειάζονται προστασία.

Υπάρχουν και άλλες μεταβλητές που παίζουν ρόλο στην επιλογή του σωστού απαγωγού, όπως η ισχύς λειτουργίας, η θερμοκρασία λειτουργίας, το μέγιστο υψόμετρο λειτουργίας κλπ. που δεν χρήζουν ανάλυσης τη συγκεκριμένη στιγμή, καθώς ο ρόλος τους είναι σημαντικός μεν, πολύ λεπτομερειακός δε.

2.4. Είδη απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων

Ανάλογα με το τι συσκευή θέλουμε να προστατεύσουμε και από ποια σημεία εισόδου του κύματος, υπάρχουν και οι αντίστοιχοι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων. Οι απαγωγοί που συνηθέστερα συναντώνται είναι οι εξής: Οι απαγωγοί μέσης τάσης έχουν σκοπό να προστατεύσουν έναν υποσταθμό ή γενικότερα ένα δίκτυο μέσης τάσης από κρουστικά κύματα ερχόμενα από το δίκτυο της ΔΕΗ. Η ονομαστική τάση λειτουργίας τους είναι συνήθως για τη χώρα μας 21kV και τοποθετούνται παράλληλα με το δίκτυο, ένας σε κάθε φάση (συνολικά τρεις για τριφασικό ρεύμα). Αποτελούν την πρώτη βαθμίδα προστασίας, και χωρίζονται σε πορσελάνης και πολυμερίου(polymer). Οι απαγωγοί χαμηλής τάσης για συστήματα TN-S, όπως αυτό της ΔΕΗ (εκτός από το ιστορικό κέντρο της Αθήνας που έχει σύστημα ΤΤ και στο οποίο χρησιμοποιούνται πάλι οι ίδιοι απαγωγοί), τοποθετούνται στον κεντρικό πίνακα και παράλληλα στην κάθε φάση του ρεύματος αλλά και στον ουδέτερο (συνολικά τέσσερα για τριφασικό ρεύμα, δύο για μονοφασικό). Όποτε κρίνεται σκόπιμο τοποθετούνται απαγωγοί και στους υποπίνακες ως επιπλέον ζώνες προστασίας, αλλά και ακριβώς πριν από μία συσκευή. Επαναλαμβάνεται σε αυτό το σημείο ότι οι συγκεκριμένοι απαγωγοί δεν πρέπει κατά την απαγωγή των κρουστικών υπερτάσεων να διακόπτουν την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο μηδενίζοντας την τάση του δικτύου, αλλά να συνεχίζεται η ομαλή τροφοδοσία του, έστω και με μεγαλύτερη τάση, μέσα στα πλαίσια της αντοχής των μονωτικών των συσκευών που τροφοδοτούνται από το δίκτυο, όπως αυτές ορίζονται στο IEC 60664-1 (Πίνακας 1 ).

Δυναμικό μεταξύ φάσης και ουδέτερου, εξαγόμενο από τις ονομαστικές τάσεις λειτουργίας a.c. ή d.c. (Volts) Διηλεκτρική αντοχή συσκευής, Us (Volts)
Κατηγορία Συσκευής (*)
  Ι ΙΙ ΙΙΙ ΙV
50 330 500 800 1500
100 500 800 1500 2500
150 800 1500 2500 4000
300 1500 2500 4000 6000
600 2500 4000 6000 8000
1000 4000 6000 8000 12000
Πίνακας 1. Αντοχή των μονωτικών των συσκευών που τροφοδοτούνται από το δίκτυο, όπως αυτές ορίζονται στο IEC 60664-1, Table 1.

Οι κεραίες των τηλεοράσεων συλλαμβάνουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο των κεραυνών και δια μέσου του ομοαξονικού καλωδίου διοχετεύουν την υπέρταση στις συνδεδεμένες συσκευές προκαλώντας την καταστροφή τους. Οι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων κεραιών προστατεύουν τους δέκτες από αυτές τις υπερτάσεις διοχετεύοντάς τις στη γείωση. Το κύκλωμα προστασίας του απαγωγού δεν πρέπει να επηρεάζει την καλή λειτουργία των συσκευών, ούτε να προκαλεί απώλεια της ισχύος και εξασθένιση του σήματος που συλλαμβάνει η συσκευή, για αυτό και πρέπει να είναι ανάλογης ισχύος και συχνότητας. Ανάλογοι απαγωγοί υπάρχουν και για πομπούς – δέκτες χαμηλής ισχύος και συχνοτήτων από VHF ως UHF (κάμερες παρακολούθησης κλπ.).

(*) Οι παραπάνω αναφερόμενες κατηγορίες συσκευής του Πίνακα 1 ορίζονται ως εξής:
Κατηγορία ΙV : υλικά, διατάξεις ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων, όπως καλώδια, τηκτές ασφάλειες, κιλοβατοωρόμετρα.
Κατηγορία ΙΙΙ : διατάξεις μόνιμα συνδεδεμένες στην ηλεκτρική εγκατάσταση των οποίων η αξιοπιστία λειτουργίας τους διέπεται από ειδικές απαιτήσεις όπως διακόπτες, κινητήρες και γενικά συσκευές και μηχανήματα βιομηχανικών εγκαταστάσεων.
Κατηγορία ΙΙ : διατάξεις και συσκευές οικιακής χρήσης μόνιμα συνδεδεμένες στην ηλεκτρική εγκατάσταση, φορητές συσκευές και εργαλεία.
Κατηγορία Ι : σε αυτή ανήκουν οι ηλεκτρονικές συσκευές και γενικά κάθε ηλεκτρονικό κύκλωμα.

Οι απαγωγοί κρουστικών υπερτάσεων τηλεμετρίας και τηλεχειρισμών προστατεύουν ευαίσθητα ηλεκτρονικά κυκλώματα και διατάξεις από κρουστικά ρεύματα που εισέρχονται από τις γραμμές μεταφοράς δεδομένων ή σημάτων. Οι απαγωγοί αυτοί εγκαθίστανται σε σειρά με το δίκτυο και κοντά στις υπό προστασία συσκευές, επιτρέποντας τη διέλευση όλων των σημάτων και δεδομένων. Πρέπει να είναι συμβατοί με το δίκτυο και να μην προκαλούν παρεμβολές, επιδράσεις ή εξασθενίσεις στα σήματα. Σε περίπτωση καταστροφής τους βραχυκυκλώνουν με τη γείωση ώστε να γίνει αντιληπτή η απώλειά τους και να προστατεύσουν το σύστημα μέχρι την αντικατάστασή τους.
Τέλος, για να προστατεύσουμε τηλεφωνικές συσκευές ή ψηφιακά κέντρα από την είσοδο κρουστικών υπερτάσεων διαμέσου του δικτύου του ΟΤΕ, χρησιμοποιούμε ειδικούς απαγωγούς που τοποθετούνται σε σειρά με το τηλεφωνικό δίκτυο και υπάρχουν είτε ημιαγωγικού τύπου, είτε τύπου σπινθηριστή.

3. Ζώνες προστασίας

Σύμφωνα με το Διεθνές πρότυπο IEC 61312-1, η πληρέστερη προστασία ενός δικτύου από κρουστικές υπερτάσεις επιτυγχάνεται με το διαχωρισμό του σε ζώνες προστασίας. Ως πρώτη ζώνη τοποθετούμε απαγωγούς που έχουν την ικανότητα να αντεπεξέρχονται σε κρουστικά ρεύματα μεγάλης έντασης και ενέργειας. Στις υπόλοιπες ζώνες χρησιμοποιούνται μικρότεροι απαγωγοί, καθώς το κυρίως κρουστικό κύμα έχει ήδη «κοπεί» στην πρώτη ζώνη, που στόχο έχουν να μειώσουν βαθμιαία την παραμένουσα τάση στα επιθυμητά όρια. Ο διαχωρισμός του δικτύου σε αυτές τις ζώνες γίνεται με βάση τις εξής παραμέτρους: Τη διηλεκτρική αντοχή των συσκευών που θέλουμε να προστατεύσουμε. Βασιζόμενοι στον Πίνακα 1 και ανάλογα με την ευαισθησία της κάθε συσκευής, την προστατεύουμε με τις ανάλογες ζώνες προστασίας. Το συνολικό μήκος του δικτύου. Ένα κρουστικό κύμα, ανακλώμενο μέσα σε καλωδιώσεις μεγάλου μήκους έχει τη δυνατότητα να μεγαλώσει ξανά (μπορεί να διπλασιαστεί σε απόσταση δέκα μέτρων) και να προκαλέσει καταστροφές ακόμα και με την παρουσία προστασίας στην είσοδο της εγκατάστασης.

Απαιτούμενη στάθμη προστασίας Μέγιστο ρεύμα κορυφής κεραυνού Ι(kΑ)
Στάθμη Ι 200
Στάθμη ΙΙ 150
Στάθμη ΙΙΙ 100
Στάθμη IV 100
Πίνακας 2.Όσο αυστηρότερη η στάθμη προστασίας, τόσο αυξάνει και η πρόληψη έναντι μεγάλων κεραυνικών ρευμάτων(Διεθνές πρότυπο ΙΕC 61024-1-1, σελ. 19, πίνακας 2).

Τη στάθμη προστασίας της κατασκευής. Όσο πιο προβληματική είναι μια ενδεχόμενη διακοπή λειτουργίας και όσο ακριβότερο είναι το κόστος των υπό προστασία συσκευών, τόσο πιο λεπτομερειακή είναι και η προστασία. Για τον υπολογισμό της στάθμης προστασίας μπορούμε να ανατρέξουμε στο Ελληνικό πρότυπο ΕΛΟΤ 1412. Κατόπιν, και ανάλογα με τη στάθμη προστασίας, βασιζόμενοι στο Διεθνές πρότυπο ΙΕ C 61024-1-1, αποφασίζουμε πιο πρέπει να πάρουμε ως μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης στους υπολογισμούς μας για τον υπολογισμό του καταμερισμού του κεραυνικού ρεύματος (Πίνακας 2 ).

Το αναμενόμενο μέγεθος του κεραυνικού ρεύματος. Υπάρχει η δυνατότητα να υπολογιστεί η τάξη μεγέθους του κεραυνικού ρεύματος σε ένα δεδομένο σημείο του δικτύου. Με δεδομένη τη γνώση του πώς καταμερίζεται το ρεύμα του κεραυνού στις διάφορες καλωδιώσεις και σωληνώσεις του κτιρίου, το υπολογιζόμενο μέγεθος εξαρτάται από κάποιους παράγοντες όπως το αν η περιοχή έχει προϊστορία μεγάλης κεραυνικής δραστηριότητας, αλλά και το αν ένα συγκεκριμένο σημείο του δικτύου κινδυνεύει από άμεσο ή έμμεσο χτύπημα.

Σχήμα 1.Αναγκαίες αποστάσεις μεταξύ βαθμίδων προστασίας και πτώση της παραμένουσας τάσης ανά βαθμίδα προστασίας.

Στο Σχήμα 1 φαίνεται πώς μειώνεται βαθμιαία η παραμένουσα τάση ανά ζώνη προστασίας, φτάνοντας έτσι σε επίπεδα ακίνδυνα για τις υπό προστασία συσκευές. Παράλληλα, τονίζεται η αναγκαία απόσταση μεταξύ των διαφόρων ζωνών, έτσι ώστε να εξαλειφθεί η περίπτωση μια δευτερεύουσα ζώνη να λειτουργήσει πριν την προηγούμενη.

Μέγεθος και καταμερισμός κεραυνικού ρεύματος

Σχήμα 2. Καταμερισμός του κεραυνικού ρεύματος σε μία κατασκευή.

Υπάρχει η εντύπωση ότι όσο μεγαλύτερο κεραυνικό ρεύμα μπορεί να αντέξει ένας απαγωγός κρουστικών υπερτάσεων, τόσο το καλύτερο. Αυτό είναι σωστό μόνο με την προϋπόθεση ότι, πρώτον, τα μεγέθη που ακούγονται πλησιάζουν την πραγματικότητα και δεν υφίστανται για λόγους εντυπωσιασμού και μόνο, και δεύτερον, ότι η παραμένουσα τάση που αφήνει να περάσει στις συγκεκριμένες τιμές ρεύματος, είναι μικρότερη από τη διηλεκτρική αντοχή των συσκευών που πρέπει να προστατεύσει. Επίσης, πρέπει να γίνει κατανοητό κάτι που συχνά δε λαμβάνεται υπόψη. Πρωτεύον στόχος του απαγωγού είναι να προστατεύσει τις ηλεκτρικές συσκευές και κατά δεύτερον να «αυτοπροστατευτεί». Αν ένας απαγωγός καταστραφεί από ένα κρουστικό ρεύμα και όλες οι υπόλοιπες συσκευές δεν πάθουν τίποτα, θεωρείται επιτυχία και όχι αποτυχία.

Σύμφωνα με το Διεθνές πρότυπο IEC 61312-1, σελίδα 19, λοιπόν, εάν ένας κεραυνός πέσει σε ένα κτίριο με εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, το μισό ρεύμα του θα διοχετευτεί στη γη διαμέσου της προστασίας αυτής και το άλλο μισό θα ψάξει να βρει δρόμο προς τη γη διαμέσου των διαφόρων σωληνώσεων και καλωδίων της κατασκευής, όπως η ύδρευση, ο αγωγός υγραερίου και της ηλεκτρικής παροχής (Σχήμα 2). Θεωρείται ότι το ρεύμα κατανέμεται ισομερώς μεταξύ όλων αυτών των διόδων προς τη γείωση, εκτός από το καλώδιο του τηλεφώνου από το οποίο περνά λιγότερο από το 5% του ρεύματος και, τις περισσότερες φορές, κατά συνθήκη αγνοείται χωρίς πολύ μεγάλη απόκλιση.

Ας πάρουμε για παράδειγμα την περίπτωση πτώσης ενός κεραυνού 200kA, ενός πολύ μεγάλου κεραυνικού πλήγματος, που είναι και μια πολύ σπάνια περίπτωση (από τη στιγμή που θα πέσει ένας κεραυνός η πιθανότητα να είναι τόσο μεγάλος είναι μικρότερη από 1%). Σύμφωνα με το Σχήμα 2 λοιπόν, τα 100 kA θα διοχετευτούν απευθείας στη γη δια μέσου της εξωτερικής αντικεραυνικής προστασίας, ενώ τα υπόλοιπα 100kA θα διανεμηθούν ισομερώς στο εσωτερικό δίκτυο του κτιρίου, και συγκεκριμένα στο ενεργειακό δίκτυο, στο δίκτυο νερού και στο δίκτυο υγραερίου (αν υπάρχει). Συνεπώς, το ρεύμα σε καθένα από αυτά δεν θα ξεπεράσει τα 30 kA. Κατά προέκταση, το κρουστικό ρεύμα που θα περάσει από την κάθε φάση και τον ουδέτερο, με την προϋπόθεση ότι έχουμε τριφασικό ρεύμα, δε θα ξεπεράσει τα 7,5kA (30kAx4). Μια πιο αναλυτική μέθοδος υπολογισμού του καταμερισμού του κεραυνικού ρεύματος μπορεί να βρεθεί στο Διεθνές πρότυπο 61024-1-2, παράγραφος 2.7.2, που βασίζεται στην ειδική αντίσταση εδάφους όπου γειώνεται ο κάθε αγωγός. Τοποθετώντας πολύ μεγαλύτερους απαγωγούς, χωρίς να προσέξουμε την παραμένουσα τάση που αφήνουν και το τι ακριβώς χρειαζόμαστε στη συγκεκριμένη περιοχή του δικτύου, πέρα του ότι είναι ένα ανώφελο οικονομικό κόστος, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα η προστασία μας να είναι ελλιπής.

Στην περίπτωση που οι αποστάσεις μέσα στο κτίριο είναι μεγάλες και ταυτόχρονα απαιτείται μέγιστος βαθμός προστασίας, όπως προαναφέρθηκε, συνιστάται η τοποθέτηση απαγωγών κρουστικών υπερτάσεων και στους υποπίνακες της ηλεκτρολογικής εγκατάστασης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, δημιουργώντας κάποιες ζώνες προστασίας. Έτσι, κάθε συσκευή προστατεύεται όσο ακριβώς χρειάζεται, χωρίς ελλείψεις και ανακρίβειες, αλλά και χωρίς υπερβολές.

Arresters3.jpg
Σχήμα 3. Η λογική των ζωνών προστασίας από κρουστικές υπερτάσεις σε μια κατασκευή. Κάθε συσκευή προστατεύεται με βάση τη διηλεκτρική της αντοχή, φτάνοντας μέχρι και στην τέταρτη στάθμη προστασίας.