LEVERANDØR AF SIKKERHED TEKNOLOGIKONFLIKT? KOMBIAFLEDERE TIL LYN- OG OVERSPÆNDINGSBESKYTTELSE DEL 2 AF 2 Dipl-Ing. Jens Ehrler og Dipl-Ing. Lothar Gmelch, DEHN + SÖHNE. Salgschef Kim Hafjall, DESITEK A/S Med denne publikation ønsker DESITEK A/S at afhjælpe den begrebsforvirring, der hersker vedrørende de såkaldte kombiafledere, og gøre det klart hvilke krav, der kan stilles til en kombiafleder.
Denne publikation omhandler flg. områder: Kendetegn for en kombiafleder Afledere på gnistgab-basis Afledere på varistor-basis Afledeformåen Energetisk koordination Konklusion 2
I første del af denne artikelserie konkluderede vi, at en kombiafleder skal opfylde kravene i boksen her til højre. I denne anden del af artikelserien vil det blive gennemgået i detaljer hvad fagmanden skal være opmærksom på med hensyn til kombiafledere. Herunder behandler vi specielt forskellen mellem afledere på varistor-basis og afledere på gnistgab-basis. Krav til en kombiafleder En høj afledeformåen for at opnå lynbeskyttelses-potentialudligning for lynstrømme i kurveform 10/350 µs. Et beskyttelsesniveau på under 1,5 kv for at sikre en isolationskoordinering i den elektriske installation til de enkelte anlæg og udstyr. Energetisk koordination til efterfølgende overspændingsbeskyttelseskomponenter i installationen. Energetisk koordination til det tilsluttede anlæg og udstyr, samtidigt med at der opretholdes en afbrydelsesfri strømforsyning. Ved elektriske installationer og anlæg med stor udstrækning blev overspændingsbeskyttelses-komponenter tidligere installeret lokalt i installationen og de enkelte anlæg i henhold til lynbeskyttelseszone-konceptet: Det vil sige lynbeskyttelses-potentialudligning i hovedforsyningen ved tilgangen til bygningen, overspændingsbeskyttelse i undertavler samt evt. ekstra beskyttelse i de enkelte anlæg/apparater. (Fig. 1) Denne type beskyttelse kan udføres sikkert og komplet ved anvendelse af overspændingsbeskyttelseskomponenterne i Red-Line produktserien. (Fig. 2) Ydre lynbeskyttelse PEN Hovedtavle Undertavle Slutapparat Lynstrømsafleder Overspændingsafleder F1 HAK F2 Måler Wh F2 L1 L2 L3 N PE Den kompakte opbygning af elektriske anlæg som f.eks i et mobilsite samt den hyppigere anvendelse af følsomme elektriske apparater i hovedforsyningen betyder, at der nu indsættes kombiafledere i stedet for de rene lynstrømsafledere, der oprindeligt havde til opgave at gennemføre lynbeskyttelses-potentialudligning under hensyntagen til isolationskoordinering. Kombiaflederne udgør i disse tilfælde den komplette lyn- og overspændingsbeskyttelse af forsyningen. Figur 1: Beskyttelseskomponenter indsat i henhold til lynbeskyttelseszonekonceptet. Figur 2: Komponenter fra Red-Line serien. 3
Afledere på gnistgab-basis I årtier er der til lynbeskyttelsespotentialudligning i lavspændingsanlæg anvendt lynstrøms- og kombiafledere på basis af slukkegnistgab. Den ekstreme impulsbelastning, som et sådant slukkegnistgab besidder, den reducering af impulsen, der i fagsproget kaldes bølgebrydende funktion og den hermed forbundne koordination til andre beskyttelseselementer, gør denne type af afledere ideelle til lynbeskyttelsespotentialudligning. Et årelangt know-how i teknologien for gnistgab, samt integrationen af de nyeste materialer og forskningsresultater, har medført, at også de sidste anvendelsesbegrænsninger i gnistgabet er fjernet. Et eksempel på tysk højteknologi er den patenterede RADAX-Flow teknologi til følgestrømsbegrænsning, der anvendes i utallige lynstrøms- og kombiafledere i Red-Line produktserien. Produkter, der beskytter flere hundrede tusinde elektriske installationer og anlæg fordelt over hele verden, (fig. 3). Det er en kendsgerning, at kendte producenter af afledere i årevis kun har tilbudt lynstrøms- og kombiafledere på basis af gnistgab. Det sker derfor alt for ofte, at køberne af disse produkter ikke længere beskæftiger sig med den anvendte teknologi. Så meget mere må man undres over, at brugeren, i tilfælde af at der er anvendt afledere på varistoreller gasudladningsteknologi, kræver, at disse skal udskiftes. Især i den senere tid har der hersket usikkerhed på afledermarkedet, også på grund af et stærkere engagement af østeuropæiske producenter af afledere. Da begreberne lynstrømsafleder og kombiafleder ikke er normmæssigt defineret i produktnormen, som beskrevet i første del af denne artikelserie, kan Figur 3 forbrugernes tillid misbruges af mange udbydere. Afledere på varistor-basis Da der ved siden af de ædelgasfyldte afledere ofte er placeret metaloxidvaristorer i den såkaldte B+C kombination, vil vi i det følgende forsøge at belyse, hvad disse umiddelbart prisgunstige alternativer reelt kan yde: Afledere med varistorteknologi er i dag næsten udelukkende opbygget af Metaloxidvaristorer (MOV), ( Fig. 4 ). MOV en er en spændingsafhængig modstand med en symmetrisk U/I karakteristik, hvor modstanden falder ved stigende spænding. Figur 4: Metaloxidvaristor (MOV) 4
Strøm-spændingsafhængigheden for MOV en beskrives ved den ulineære exponent α, der ved metaloxidvaristorer har størrelsesordenen 30 I = K*U α I = Strøm gennem varistor U= Spænding over varistor K = Keramisk konstant α = Ulineær exponent Reaktionstiden på en MOV ligger i området 10 ns. Dette forhold gør MOV en til en næsten ideel overspændingsbeskyttelses-komponent i området tæt på slutapparatet. Den for varistoren største tilladelige stødstrøm gennem den samlede driftstid afhænger af længden af impulsen samt af antallet af påvirkninger. Hvis disse største tilladelige værdier ikke overskrides, er det garanteret, at varistorspændingen og beskyttelsesvirkningen ikke ændrer sig i den samlede levetid. En for stor stødstrøm, eller en for stor belastning forårsaget af en for høj vedvarende driftsspænding, kan derimod ødelægge en metaloxidvaristor. Ved en kraftig overbelastning kan dette føre til en kortslutning eller i værste fald til en eksplosion af MOV en. Dette er en situation, der skal forhindres under hensynstagen til, at aflederen befinder sig i et effektivt lavspændingssystem. Afledeformåen Det er kun delvist korrekt, når man i datablade fra producenter af varistorer kan læse, at MOV en har en høj afledeformåen overfor energirige stødstrømme. Sammenligner man afledeformåen (energiabsorption) i MOV en med andre beskyttelseskomponenter, som f.eks dioder, er denne udtalelse sikkert rigtig. Men for lynbeskyttelses-potentialudligning skal man betragte lynstrømme i form af stødstrømme i kurveform 10/350 µs, svarende til de i første del af artikelserien nævnte normer og retningslinier. Forskellen mellem ladning og den specifikke energi kan udledes af arealet under stødstrømskurverne i figur 5. Følgende eksempel viser, hvor stor indflydelse stødstrømmens kurveform har for MOV ens afledeformåen: En Type 2 afleder, (specifikationsklasse C efter tidligere norm), der har en maksimal afledeformåen på 40 ka 8/20 µs, har en maksimal afledeformåen på 1,5 2 ka ved stødstrømme i kurveform 10/350 µs. Dette er ikke engang en tyvendedel af den angivne maksimale afledeformåen (!) Sammenligner man den nødvendige afledeformåen med disse værdier, viser det sig, at den belastning, der optræder på anvendelsesstedet, alt efter netformen og fareniveauet, kan være op til 25 gange højere end afledeformåen på den omtalte varistorafleder (!) [6]. Selv ved parallelkobling af 2 stk. MOV kan dette stærke misforhold ikke løses. Det bør bemærkes, at selv førende producenter af varistorer ikke anbefaler parallelkobling af MOV som lynstrømsafledere, eftersom en strømdeling på 1000:1 kan forventes ved anvendelse af ikke-specielt udmålte, udvalgte varistorer i det mest ugunstige tilfælde. For dette beskrevne eksempel er 1,5 ka + 1,5 ka altså ikke det samme som 3 ka (!). Kurveform µs 10/350 8/20 I max ka 100 5 Q As 50 0,1 W/R J/Ω 2,6 10 6 0,4 10 3 Norm DIN V VDE V 0185-1 DIN VDE 0432 T.2 Figur 5: Sammenligning af stødstrømme med forskellig kurveform 5
Energetisk koordination Den anden vigtige grund til, at afledere på varistorbasis ikke er egnede som kombiafledere, er deres manglende energetiske koordination til andre beskyttelseskomponenter og til de beskyttede apparater og anlæg. Også her skal man betragte en lynstødstrøm med kurveformen 10/350 µs. Det er den kontinuerlige virkemåde og den faste strøm-spændings karakteristik for MOV en, der er grunden til disse væsentlige anvendelsesbegrænsninger. Figur 6.1: Koblingsbillede for koordination af varistorafledere Koordinationen mellem varistorafledere ved impulser i kurveform 10/350 µs er svær at opnå i tilfælde af efterfølgende induktanser eller ledninger. Dette belyses af følgende eksempel (fig. 6.1 6.3 [3]): Det antages, at begge varistorafledere udviser den samme mærkespænding (Uc = 275 V) (fig. 6.1). Den i indgangen anvendte afleder, MOV1, skal have en energiafledeformåen, der er 3,5 gange større end den afleder, MOV2, der sidder i slutapparatet. Figur 6.2 viser den beregnede strømopdeling imellem aflederne ved en stødstrøm på 10/350 µs. Figur 6.2: Strømopdeling imellem aflederne MOV1 og MOV2 ved en stødstrøm på 10/350 µ s Ved betragtning af stødstrømsforløbene er det tydeligt, at det udelukkende er på toppen af stødstrømskurven, at den installerede koblingsinduktans imellem MOV1 og MOV2 har indflydelse. Andelen af stødstrømmen igennem MOV1 ligger betydeligt højere end igennem MOV2. I praksis bliver disse koblingsinduktanser realiseret enten som direkte spoler eller også som ledningslængder imellem de to overspændingsbeskyttelseskomponenters indbygningssteder. Efter at amplituden af stødstrømskurven er opnået, forringes indflydelsen af induktansen drastisk. Især ved relativt 6 Figur 6.3: Energifordeling imellem aflederne MOV1 og MOV2.
længerevarende impulser, som det er tilfældet ved de angivne 10/350 µs med en varighed på mere end 1 ms, bliver en stor del af impulsenergien overført til systemet på ryggen af stødstrømskurven. Figur 6.3 viser energifordelingen for begge varistorafledere. Det må erkendes, at grænseenergien for MOV 2 (W max MOV 2 ) er opnået allerede ved en stødstrøm på 1,5 ka i kurveform 10/350, og varistoren beskadiges. I dette tilfælde er varistor MOV 1 kun belastet med 2/3 af sin energiafledeformåen. En sikker energetisk koordination i det beskrevne tilfælde ville betyde, at der ikke opstod nogen beskadigelse af MOV 2 før belastningsgrænsen indtraf for MOV 1. Den beskrevne situation medfører i praksis, at med disse kombiafledere på varistorbasis, vil efterfølgende overspændingsbeskyttelses-komponenter eller slutapparater blive overbelastet og derved ødelagt, uden at kombiaflederen i fordelingstavlen bliver belastet for meget. Kombiafledere på varistorbasis er altså ikke ideelle for stødstrømme i kurveform 10/350 µs. Til sammenligning: Ved indsættelse af en kombiafleder på gnistgab-basis, vil spændingen over aflederen, straks når gnistgabet tændes, bryde sammen til gnistgabets såkaldte brændspænding (lysbuespænding). Herved sikres det, at efterfølgende beskyttelseselementer ikke bliver yderligere energetisk belastet, fordi hele energistrømningen nu foregår igennem gnistgabet. Konklusion Sammenfattende kan det konkluderes, at lynstrøms- og kombiafledere bygget på basis af metaloxidvaristorer (MOV), på grund af deres specifikke virkemåde, ikke kan betegnes som et teknisk alternativ til afledere på basis af gnistgab / gasudladnings-afledere. Afledningsevnen for MOV-baserede kombiafledere er sammenlignelig med type 2 afledere (tidligere afledere i specifikationsklasse C). Apparaterne kan således hurtigt vise sig at være en dyr snydepakke i stedet for det røverkøb, de umiddelbart giver indtryk af at være. Overspændingsbeskyttelses-komponenter er, som navnet også siger, komponenter der har til opgave at realisere en beskyttelse. På samme måde som også en fejlstrømsafbryder eller en airbag i en personbil har det. Hvem ville nogen sinde få den idé at dimensionere en airbag, der kun sikkert kunne beskytte personer på 1,43 m med en vægt på max. 37 kg ved oprejst siddeposition og en højest tilladelig hastighed på 50 km/ h? Det er oplagt, at dette ikke ville være en ansvarsbevidst handlemåde. Med henblik på dimensionering af lyn- og overspændingsbeskyttelse for et elektrisk anlæg, har ikke alene den rådgivende ingeniør, men også installatøren, til opgave at bevidstgøre brugerne og virksomhederne om sikkerhed i forbindelse med realiseringen af anlægget. Den borgerlige retspraksis i vores samfund beskytter derved brugeren som elektroteknisk lægmand, der fra de pågældende faghåndværk må forvente en kompetent rådgivning og udførelse. Selv om den tiltagende internationale og europæiske standardisering af produkter gør, at betegnelserne bliver mere identiske, må man ikke lade sig vildlede i sin skelnen mellem produkterne eller undlade at gøre sig fortrolig med deres virkning. 7
...LEVERANDØR AF SIKKERHED Litteratur: [1] DIN EN 61643-11 (VDE 0675 del 6-11) 2002-12 Overspændingsbeskyttelse for lavspænding Del 11: Overspændingsbeskyttelseskomponenter for anvendelse i lavspændingsanlæg - Krav og afprøvninger Berlin, VDE Verlag GmbH. [2] E DIN VDE 0675-6 1989-11 Overspændingsafleder for anvendelse i vekselstrømsnet med mærkespændinger imellem 100 V og 1000 V. Berlin, VDE Verlag GmbH [3] DIN VDE V 0185-1 (VDE 0185 del 1) 2002-11, ( IEC 62305-1 ) Lynbeskyttelse del 1: Grundlæggende bestemmelser; Berlin, VDE Verlag GmbH DIN VDE V 0185-2 (VDE 0185 del 2) 2002-11, ( IEC 62305-2 ) Lynbeskyttelse del 2: Risiko-Management; Afgrænsning af skaderisiko for bygningsanlæg; Berlin, VDE verlag GmbH. DIN VDE V 0185-3 (VDE 0185 del 3) 2002-11, ( IEC 62305-3 ) Lynbeskyttelse del 3: Beskyttelse af bygningsanlæg og personer; Berlin, VDE verlag GmbH. DIN VDE V 0185-4 (VDE 0185 del 4) 2002-11, ( IEC 62305-4 ) Lynbeskyttelse del 4: Elektriske og elektroniske systemer i bygningsanlæg; Berlin, VDE verlag GmbH [4] E DIN IEC 60364-5-53/A2 (VDE 0100 del 534) 2002-06 Opførelse/udførelse af lavspændingsanlæg - udvalg og udførelse af elektriske driftsmidler, koblings- og styreanlæg, Overspændingsbeskyttelseskomponenter. Berlin, VDE verlag GmbH. [5] Tekniske tilslutningsbestemmelser for tilslutning til lavspændingsnettet TAB 2000 Verlag og Wirthschaftgesellschaft der Elektrizitätswerke m.b.h- VWEW [6] Overspændingsbeskyttelseskomponenter i specifikationsklasse B. Retningslinier for indsættelse af overspændingsbeskyttelses-komponenter i specifikationsklasse B i hovedforsynings net. VDEW- e.v Frankfurt/M VWEW, 1998 (ISBN 3-8022-05545). [7] Lyn-og Overspændingsbeskyttelse i elektriske anlæg. Retningslinier for skadesforebyggelse VdS 2031: 1998-07 (05) VdS Schadenverhütung, Köln DESITEK A/S Sunekær 8, DK 5471 Søndersø Telefon: 63 89 32 10, Fax: 63 89 32 20 E-mail: desitek@desitek.dk, www.desitek.dk Publikation nr. 5261 / 0904 Copyright DESITEK A/S