Princíp činnosti - Ochrana

Nová generácia izolačných iskríšť

1. Úvod
Izolačné iskrištia  (ISG - isolating spark gaps) sú používané ako pre protikoróznu ochranu, tak pre elektrickú izoláciu uzemnení od elektrických zariadení (nepriame uzemnenie) prakticky od začiatku industrializácie. ISG musí mať schopnosť zviesť obrovskú energiu pri atmosferickom výboji. Naviac mnohé aplikácie musia byť inštalované vo výbušnom alebo vonkajšom  prostredí. Pokiaľ sa nezohľadňovali potreby ochrany osôb, používali sa iskrištia konvenčné so vzduchovou štrbinou alebo vzduchom plnené s pomerne vysokým zápalným napätím. Z výsledkov posledného vývoja dnes môžeme ponúknuť plynom plnené izolačné iskrište so zápalným napätím menším ako 100 V s mocnosťou zvodu do 100kA  pri testovacej vlne 10/350µs. TC 100 A je prvý model certifikované podľa harmonizovaného Európskeho Standardu  ATEX pre aplikácie aj vo výbušnom, alebo inak rizikovom prostredí, ktoré ponúka bezpečnostné podmienky požadované European Test Certificate No. ZELM 02ATEX 0095X dated 28 June 2002, ktoré sú nutné pre projektovanie budov a zariadení.

2. Popis
Dôvodom vývoja tohto zariadenia bolo zaplniť medzeru aplikácií v konvenčných zariadeniach a aplikáciách s požiadavkami:
• Nízke zápalné napätie Uag < 100V   (pre ochranu osôb)
• Vysoký zvodový prúd  pre aplikácie podľa EN 50 164 (10/350µs)
• Špeciálna verzia pre aplikácie v EX – zónach s ATEX certifikáciou
• Vysoká spoľahlivosť (malá tolerancia, dlhá bezúdržbová prevádzka)  s ohľadom na dosiahnutie optima cena/výkon pre funkcie a údržbu
• Kompatibilita s EMC prepäťová - zónová koncepcia
• Zanedbateľný zvodový prúd v nezapálenom (kľudovom) stave, čo značí že pracuje bez strát

3. Funkcia ISG
V prípade prepätia spôsobeného napr. bleskom, je ISG navrhnuté k prepojeniu zariadení (uzemnení), ktoré musia byť v normálnom stave odizolované jedno od druhého, a to tak efektívne, aby sa predišlo neprípustnému gradientu potenciálov a zabezpečilo sa zvedenie celého bleskového prúdového impulzu. Výsledok - ISG chráni ľudí a majetok pred prepätím spôsobeným bleskom alebo inými prepätiami. Ilustrácia obr. 1 je schematickou prezentáciu funkčnosti a princípov ISG v štyroch etapách.

 obr. III.1

Izolačný stav – ISG má veľmi vysoký odpor, ktorý nijako neovplyvňuje elektrické deje a straty počas normálnej funkcie

Výboj – Ak prepäťová vlna dosiahne ISG, ihneď dochádza k výboju a obmedzeniu napätia na projektom stanovenú, neškodnú úroveň. Prepätie musí byť nižšie, než zničujúce prepätie chráneného zariadenia. V prípade izolačných prírub v plynárenských inštaláciách to musí byť menej ako 5 kV resp. 2 kV podľa EN 1594.

Zvod – Obvod sa uzatvorí. ISG   zvedie celú energiu z prepäťovej vlny bez ohrozenia okolia. Prívody musia byť dostatočne prúdovo dimenzované, čo najkratšie a bez sľučiek.

Zhasenie – Ak sa energia z prepätia efektívne zviedla, ISG zhasne a obnoví originálny izolačný stav, pri súčasnom zaistení funkcie chránených zariadení, ako to bolo pred prechodovým dejom, zapríčineným bleskom alebo iným prepätím.

4. Fyzikálny proces výboja
Jednotlivé kroky funkčného diagramu z obr. III.1. sú vysvetliteľné fyzikálnymi vlastnosťami výboja v plynoch, ktoré sú základom všetkých špeciálnym plynom plnených iskríšť. V kľude (1) má izolačné iskrište veľkú impedanciu 1012 Ohm. Keď kritické napätie, špecifikované pre izolačné iskrište, prevýši zápalné napätie (Uag, Uas), vzniká dočasný skrat (2) -  t.j. výboj. V iskrišti je vždy k dispozícii limitované množstvo nositeľov výboja, ktoré akcelerujú v kritickom poli k elektródam. (III.2). Keď kolidujú s molekulami plynu, ióny sa oddelia od molekúl, vytvoriac lavínu iónov a ihneď začne tiecť prúd. Výsledkom je že, energia obsiahnutá v rušivom impulze je zvedená mimo a zariadenie ostáva ochránené (3). Keď napätie zanikne, vodiče prúdu sa rekombinujú do neutrálnych molekúl plynu. Iskrište sa vráti do pôvodného izolačného stavu ukončiac funkčný diagram. (4).
Špecifická charakteristika ISG je ovplyvniteľná konštrukciou a výrobnými parametrami.
Napr. jednosmerné zápalné napätie Uag je ovplyvnené faktormi ako zloženie plynu, tlak plynu, vzdialenosťou medzi elektródami, geometriou priestoru výboja, aditívami  do elektród a nakoniec - a nie bezvýznamne - materiálom elektród.
Tieto influenčné faktory sa riadia špecifickými pravidlami. Podľa Paschenových zákonitostí  pre Uag platí :

Uag = f (p*d)

Napr. hodnota jednosmerného zápalného napätia Uag závisí na tlaku (p) a vzdialenosti elektród (d). (III.2).

  obr. III.2 Lavínovitý proces výboja v plynoch


V závislosti na molekulárnej váhe zmesí plniaceho plynu funkcia ISG korešponduje s tzv. Paschenovými krivkami. V princípe čím vyššia je molekulárna váha, tým bude väčší výboj. (III.3)

  obr. III.3 Paschenove krivky

Mocnosť výboja ISG je najviac ovplyvnená práve použitým materiálom elektród, aktivačnými iónmi – agentmi, tepelnou vodivosťou  použitých materiálov, veľkosťou priestoru výboja a povrchom elektród.
Keďže výboj je najviac ovplyvnený vlastným plynom, tlakom v komore a vzdialenosťou elektród, impulzný zvodový prúd závisí najviac na vlastnej konštrukcii ISG.
Je jasné každému, že v prípade výboja blesku napr. 100kA bleskového impulzu 10/350µs, vznikne obrovský tlak kombinovaný s teplotou 1500 až 2000°C. Požiadavky na odolnosť materiálu komponentov sú teda extrémne vysoké, najmä na spoj medzi keramikou a kovovými elektródami, ktorý je veľmi namáhaný. 
Presné, jemné vyladenie medzi dilatačnými koeficientmi materiálov práve používaných, aplikácia procesov ako vysokotlaké zváranie a vákuová technológia, presné vyladenie zmesi plynu, v spojitosti s prísnym systémom kvality,  priviedlo firmu LEUTRON k výsledkom a k vedúcemu postaveniu pri riešení tejto problematike vo svete.

5. Charakteristika ISG – izolačného iskrišťa
Vodivosť plynu neprebieha podľa lineárneho Ohmového zákona. Je popísaná V/A charakteristikou (III.4).

  obr. III.4.   V/A charakteristika ISP

Špecifické vlastnosti ISG sú popísané týmto charakteristickým diagramom, ktorý  slúži aj na testovanie parametrov počas výroby a pre koncový produkt. Zapálenie výboja je v prechodnej oblasti medzi neautonómnym a autonómnym výbojom, zvod prepätia a prúdu sa nachádza v oblasti elektrického oblúka (III.4).

Charakteristické parametre izolačných iskríšť ISG sú nasledovné :
• Uag Jednosmerné zápalné napätie
Hladina napätia pri ktorom ISG zapáli pri raste aplikovaného napätia so strmosťou  menšou ako 100 V/ms
• Uas Impulzné zápalné napätie
Hladina napätia pri ktorom ISG zapáli pri raste aplikovaného napätia so strmosťou presahujúcou 100 V/ms
• Ugl Napätie pri tlejivom výboji
Napätie pri ktorom ISG je v stave tlejivého výboja
• Ubo Napätie pri oblúkovom výboji
Napätie pri ktorom ISG je v stave oblúkového výboja
• Ris Izolačný odpor
Izolačný odpor ISG meraný pri 10 V resp. pri 100V

Selektívnymi zmenami výrobných parametrov, môže byť menená charakteristika ISG pre špecifické požiadavky.

6. Ochranná úroveň
Najdôležitejší parameter je ISG je ochranná úroveň, kde musíme zobrať v úvahu nasledovné aspekty :
• Jednosmerné zápalné napätie (Uag) pri indukovanom striedavom a pri priamom  kontakte s napájacím vedením (III.5). Výboj pri pomaly rastúcom napätí so strmosťou do 100V/ms.V tomto prípade ochranná úroveň závisí priamo na Uag DC - jednosmernom zápalnom napätí iskrišťa. Tento parameter by mal byť čo najnižší, ako je to len možné.
• Impulzné zápalné napätie (Usg) pre atmosferických  a tranzientných prepätiach (III.6) Výboj pri rapídne narastajúcom napätí so strmosťou nad 100V/ms. Tu taktiež, ochranná úroveň závisí na izolačnom iskrišti, ktorého úloha je v tomto prípade obmedziť impulzné napätie tak, aby sa predišlo prierazu na vnútornej izolácii zariadenia. Uas ISG iskrišťa by nemalo byť len pod napätím, ktoré znesie izolačný materiál zariadení či káblov, ale musí byť tak nízke, ako je to len možné, aby sa predišlo zbytočnému riziku. 
• Medzi iné aspekty, ktoré sú často v praxi nedefinované alebo sa im nepripisuje patričná pozornosť, patrí reziduálne napätie ostávajúce po atmosferickom výboji (III.5). Je formované po výboji v iskrišti a pozostáva z tlejivého napätia ISG ( <30V ) a úbytku napätia medzi napájacím vedením a prepojeným vedením príruby. Po výboji v ISG, napätie so špičkovou hodnotou u=L(di/dt) sa objaví na izolačnej časti, kde L je indukčnosť a di/dt strmosť nárastu prúdu. Iskrište musí byť inštalované vždy čo najbližšie chráneného zariadenia ako je to len možné, pre dosiahnutie najnižšie možnej ochrannej úrovne. (taktiež pozri Afk doporučenie č.5, 2/86 ). Je nerealistické veriť že je dostatočné udržať ochrannú úroveň tesne pod špecifikovaným  havarijným napätím izolačných častí.  Nesmieme zabudnúť, že definované havarijné napätie je pre výrobky a ich izolácie platné len keď sú úplne nové. Izolačný odpor klesá ( neudržiavaním, špinou, prachom...) počas ich životnosti. Tento fakt musíme vziať v úvahu počas projektovania a inštalácie zariadení v súlade s dosiahnutím čo najvyššej možnej ochrannej úrovne a rozdielov napätí medzi ochrannou úrovňou a havarijným napätím. Čím nižšie je zbytkové napätie, tým lepšie a efektívnejšie je ochránené chránené zariadenie.
• Zbytkové napätie pri AC striedavých prúdoch (III.6) sa formuje po výboji v ISG a môže sa objaviť buď ako tlejivé napätie, alebo ako oblúkové napätie. Tieto dva stavy sú funkciou impulzu a mocnosti prúdu a sú charakterizované pomerom u/i obvodu izolačného iskrišťa. Tento parameter závisí od vlastností izolačného iskrišťa.

LEUTRON iskrištia majú tlejivé napätie asi 100V  a pri úrovní zvodového prúdu > 10A, a prechodom do oblúkového výboja je napätie pod 30V.
TIETO HODNOTY SÚ SIGNIFIKANTNE VYŠŠIE PRI VZDUCHOM PLNENÝCH ISKRIŠTIACH, KTORÉ LEUTRON NEPOUŽIVA  A NEDAJÚ SA DOSIAHNÚŤ ANI S POUŽITÍM VARISTOROV (TIETO MAJÚ NAVIAC VEĽKÝ KĽUDOVÝ ZVODOVÝ PRÚD Z ČOHO VYPLÝVAJÚ VEĽKÉ STRATY ). 
 

      III.5 Reziduálne napätie nasledujúce                      III.6 Reziduálne napätia
             bleskový impulzný prúd                              

7. Konštrukcia plynom plnených izolačných iskríšť ISG
Základné princípy a skúsenosti získavané dávno na začiatku vývoja plynom plnených iskríšť sú jadrom dnešného izolačného iskrišťa ISg (III.7) a jeho finálnej verzie.

  III.7 Konštrukčný princíp

Izolačné iskrištia firmy LEUTRON plnené inertnými plynmi pozostávajú z vysokokvalitných metal-keramických konštrukcií s veľmi malým rozostupom  elektród na dosiahnutie žiadaných hodnôt. Elektródy sú vyrobené z dilatačných zliatin, pokryté emisiu stimulujúcimi prvkami. Výbojová komora je vákuovaná a následne naplnená pod príslušným tlakom zmesou inertných plynov podľa konkrétnej požiadavky na zápalné napätia finálneho výrobku.

Modulárny konštrukčný koncept dovoľuje vyrobiť rozličné verzie, až po verzie do výbušného prostredia ako napr. TC 100A EEx.

Tabuľka 1

8. Konštrukcia a operačný princíp TC 100A Ex


obr. III.8 Konštrukcia TC 100A

Ak je ISG vystavené prúdovej záťaži nad špecifikované úrovne AC prúdu, môže dojsť k zvýšeniu teploty vo vnútry iskrištia. Najdôložitejšia požiadavka pre výbušné priestory je, aby sa prvok neroztrhol a aby bolo zaistené dodržanie teplotného parametra na povrchu zariadenia. (Pozri tab. 1)) V prípade TC 100A bola táto požiadavka naplnená doplnkom základnej súčiastky (III.7) s tzv. Fail-safe zariadením (skratové zariadenie) a hermetickým zapuzdreným odliatkom s čiastočným zapuzdrením z hrubého plechu.

V prípade ak teplota dosiahne vo vnútri iskrištia určitú definovanú vrcholovú hodnotu, zariadenie fail-safe zareaguje (odozva viď obr. III.9a spínacia schéma) a spôsobí permanentný skrat vo vnútri iskrišťa. Toto zredukuje rozťažnú silu, zastaví možnú explóziu a efektívne zastaví aj nárast povrchovej teploty.
Aj zapálenie, aj výboj prebieha v hermeticky uzavretom iskrišti. Takto neexistuje riziko zapálenia predmetov v okolí iskrišťa ani samotným výbojom, ani nárastom teploty. Ak sa fail-safe aktivizuje, ISG musí byť vymenené, lebo sa týmto bezpečným zásahom nenávratne zničí. Jeho skrat sa ľahko identifikuje meraním.


III.9a Typická fail-safe charakteristika                                       III.9b Spínacia schéma fail-safe

Konvenčné Ex izolačné iskrištia zvyčajne vyhovujú požiadavkám pre ochranu Ex s G4 podľa VDE 1170 a 0171. Vyhovujú dokonca klasifikácii podľa STAREJ skúpej NEMECKEJ DIN norme pre špeciálne ochranné kategórie ”s” , ale NEVYHOVUJÚ novým európskym harmonizovaným EEC nariadeniam pre zariadenia a ochranné systémy, určené pre použitie vo výbušnej atmosfére od EN 50 014 do EN 50 028.
Už niekoľko rokov nie sú založené certifikácie  na národných normách a štandardoch. Od r. 1988 zapuzdrenie ”m” podľa EN 50 028 bola nahradená tzv. Špeciálnou ochrannou kategóriou ”s”. 

Moderné izolačné iskrište Typu TC 100A disponuje zabudovanými parametrami nutnými pre bezpečnostné normy, certifikované vo všetkých európskych krajinách a je prvým izolačným iskrišťom, ktoré bolo certifikované podľa dnes platnej normy EURO–ATEX.

9. Špeciálne vlastnosti nového izolačného iskrišťa ISG
Hore popísané ISG izolačné iskrište má vlastnosti, ktoré sa nedajú dosiahnuť nikdy  otvorenými vzduchom plnenými iskrišťami.
Výhody:
• Nízka DC a AC ochranná úroveň
• Nízke dotykové napätie
• Veľmi vysoká stabilita výboja dokonca aj po impulzných a AC prúdových zaťaženiach
• Úplná nezávislosť výboja od vonkajších vplyvov, ako je tlak a vlhkosť vzduchu
• Žiadny výfuk horúcich plynov mimo hermeticky uzavretej komory
• Bezpečnú vzdialenosť osôb od inštalácií nie je potrebné viac dodržiavať
• Žiadny negatívny vplyv na charakteristiku zapríčinenú vnútornou koróziou vďaka použitiu inertných plynov a vysoko-teplotnému  
  zváraniu materiálu iskrišťa
• Fail-safe  charakteristika zaručujúca po preťažení ochranu zariadení pri nasledovných bleskoch a indikáciu poškodenia (vnútorným  
  trvalým skratom)
• Veľmi vysoká impulzná a AC prúdová odolnosť
• Dlhá životnosť a stabilná charakteristika

Základné typy novej generácie iskríšť ISG : TSF 100 a TSF 500 boli dané nezávislému inštitútu Technishe Universitet Ilmenau v Nemecku, kde boli exponované a zaťažované bleskovými prúdmi v súlade s Draft European Standards pr. EN 50 164 ( Testy s bleskovými prúdmi),  napr. prvý čiastkový bleskový úder, Impulzná prúdová vlna 10/350µs, nasledovalo dlhotrvajúce prúdové zaťaženie, s trvaním 0,5 sekundy (viď III.10). Obidva typy skúšok boli úspešne vykonané v súlade s požiadavkou 3x50kA/ 50As, a dokonca prešli aj testy 3x 75kA/75As a 1x 100kA /100As.
Tieto výsledky sú dokumentované test reportmi.


 III.10 Test impulz podľa EN 50164 resp.CLC/BTTF62-2    III. 11 Porovnanie rôznych prúdových impulzov pre testy

Bleskový prúd je charakterizovaný testovacou vlnou 10/350µs . Prvá hodnota (tu:10µs  indikuje čas nárastu prúdu (medzi 10% a 90%  amplitúdy), druhá hodnota predstavuje čas na dosiahnutie polovičnej úrovne amplitúdy v µs (III.10).

Odolnosť proti priamemu úderu blesku bola testovaná impulznými vlnami 6/20µs, 8/20µs, a 10/45µs. Ako vidíme v III.11 tieto testovacie impulzy prinášajú oveľa menšiu úroveň energie ako 10/350µs test impulz.
Porovnanie : Pre 100kA 8/20µs je zaťaženie 2As  a špecifická energia pri výboji je 0,15MJ/Ohm (DIN VDE 0845-2), pri 100kA (10/350µs ) 50As a 2.5 MJ/Ohm (podľa normy CENELEC/BTTF 62-2).
AK porovnávame rozdielne ISG izolačné iskrištia, je krajne dôležité vziať do úvahy aplikované testovacie prúdové impulzy.

10. Dostupné typy
Podľa hore popísaných výsledkov sú k dispozícii rozličné konštrukčné typy pre špecifické aplikácie navrhnuté firmou LEUTRON. Tri štandardné produkty boli vytvorené pre masovú aplikáciu :

 

TSF 100, TSF 500  pre vnútorné a kryté prostredie               SGO 70/100 QA do zeme
TA 100C, TA500C pre vonkajšie prostredie                            SGO 70/100 pre vonkajšie prostredie
TC 100A   pre výbušné prostredie


TSF 100  (500)
ISG izolačné iskrište s jednosmerným zápalným napätím 100V  (500 V)
Odolnosť voči impulznému prúdu 100kA pri testovacej vlne 10/350µs a certifikované podľa EN 50 164 Technickou univerzitou Ilumenau.

TCF 100A  (EEX m II T3)
ISG izolačné iskrište pre aplikácie do výbušného prostredia podľa EEC Typ Test certifikátu č. ZELM 02 , ATEX 0095X ( Nemecko), ASEV certifikát č. 94.101136 U (Švajčiarsko) a P/01463/101/97 na Slovensku

TAF 100C  (500)
ISG izolačné iskrište pre vonkajšie aplikácie, zapuzdrené do polyuretánu, použiteľné vo vlhkom prostredí.
Pozn. písmeno F v označení znamená, že zmes plynov neobsahuje nebezpečné iniciačné prvky (FREE)

11. Aplikačné oblasti
Jedno z najdôležitejších oblastí aplikácie ISG je protiblesková ochrana izolačných prírub plynovodov, zariadenia aktívnej protikoróznej ochrany. Údery blesku indukujú AC vysokofrekvenčný prúd a priamy kontakt s napájacími vedeniami môže zapríčiniť potenciálový rozdiel a deštrukciu izolačných prírub, napájania, usmerňovačov a elektroniky meracích a riadiacich, ako aj systémov protikoróznej ochrany, ktoré sa už niekoľko rokov na Slovensku úspešne aplikujú. Keďže izolačné príruby sú často montované do Ex nebezpečných prostredí, Ex prevedenie ISG sa veľmi často používa.

12. Ďalšie aplikácie
Lanovky a lanové dráhy, nádrže na plyn a pohonné hmoty, izolačné príruby, regulačné stanice, katodické ochrany potrubí, anténne systémy, DC železničné reléové stanice, protikorózne oddelenie (makročlánky) dvoch uzemňovacích sústav z diametrálne odlišných materiálov (napr. Cu-Zn),  atď. 


obr. III.13 Protiblesková ochrana izolačnej príruby


Článok spracoval :
Jorg Jelen - Managing director LEUTRON GmbH

Voľný preklad spracoval:
Ing. Ladislav Tomlein, AETRON s.r.o. Košice

Lektor: Ing. František Stejskal.
Výrobcovia a značky

Pre vonkajšiu ochranu pred bleskom a prepätím máme v ponuke špičkové aktívne bleskozvody značky WAT Franklinplus. Bezpečne zachytený blesk zvedieme do zeme pomocou zvodových vedení (priznaných / skrytých) pripojených k uzemňovačom. V špecifických prípadoch riešime zvedenie bleskov izolovanými zvodovými káblami typu ERITECH® ISODC firmy ERICO, konštruovaných podľa požiadaviek normy IEC 62305, resp. pomocou tieneného zvodového kábla ERITECH® ERICORE. Pre vnútornú ochranu pred bleskom a prepätím máme v ponuke špičkové zvodiče bleskových prúdov a prepäťové ochrany od firmy LEUTRON. Všetky potrebné výpočty zabezpečujeme programom KERAUN®, vyvinutým v spolupráci s firmou Astra MS Software s.r.o. Zlín, ČR.

FRANKLINPLUS WAT
LEUTRON

PRÍRUČKA
pre projektantov