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 mil-ioni 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.

Barijereza prenaponsku zaštitu

Formiranje groma• Razdvajanje naelektrisanja u oblaku

- Za vreme oluje, oblaci postaju naelektrisani i na donjoj strani obla-ka nakupljaju se negativna naelektri-sanja formirajući negativni sloj, dok se na gornjoj strani oblaka formira pozitivni sloj.

• Predvodnik - Kada negativno naele-ktrisani sloj postane dovoljno jak da savlada otpor vazduha, elektroni iz njega kreću ka zemlji (približno 10 m u sekundi) putanjom najmanjeg ot-pora ostavljajući za sobom trag joni-zovanog gasa.

• Pražnjenje korone - Kada se predvod-nik približi zemlji, pozitivna naelektri-sanja se nagomilaju na površini tla i krenu ka predvodiku kroz sve pro-vodne objekte.

• Lučni kanal - Kada se predvodnik susretne sa koronom (obično na visi-

ni 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 gromovaGrom se može formirati na pet načina: oblak-oblak, oblak-vazduh, unutar oblaka (munje sevaju i raspodeljuju naelektrisan-je unutar oblaka) , oblak-tlo (najopasniji) i tlo-oblak (specifičan za visoke građevine).

Energija udara gromaSnaga: >1 MWStruja (max): do 400 kA Struja (porast): 200 kA/usNapon (porast): 12 kV/usTrajanje: 300 usDužina kanala: 5 km

Uticaj gromaGromovi nanose direktne štete koje se mere u milionima dolara godišnje. Najčešće stradaju elektronske kompo-nente i oprema, gube se podaci u infor-macionim 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

I deo

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 direk-tan, već na udaljenosti od 2-3 km i dalje postoji opasnost od prolaza napona i stru-je kroz elektro sistem.

Koncept zonaPo 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 na-pona sve do zone 3. Korišćenjem ove metodologije uticaj direktnog ili indirekt-nog 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 izd-vojenih objekata gde se kablovi na-laze nezaštićeni u spoljašnjoj sredini. Tipična vrednost struje koja je doz-voljena u ovoj zoni je 60 kA (10/350 us).

• Zona 1 (Kategorija C) takođe pokriva prostor u kome su kablovi na otvore-nom, ali se ona nalazi bliže objek-tima. 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 gromaNakon 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 impedan-se. 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 ve-liki naponi mogu izazvati stvaranje varnica i topljenje strukture, nekad čak i požar.

100% zaštita od udara groma ne postoji, međutim možemo preduzeti sledeće ko-rake kako bi maksimalno podigli stepen zaštite:

• Korak 1 (uhvatiti munju) - Postoji nekoliko rešenja za zaštitu od gro-ma: gromobran, faradejev kavez i vazdušni terminali. Vazdušni termi-nali su najnovina tehnologija koja predviđa izgradnju specijalnih kon-strukcija 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 izo-lovanih provodnika sa spoljne strane zgrade obezbeđuje odvođenje viška naelektrisanja u zemlju željenom pu-tanjom pri čemu se smanjuje intenz-itet elektromagnetnog polja i njegovi efekti.

• Korak 3 (ekvipotencijalno vezivanje) - Izjednačavanjem potencijala odvo-jenih površina, ukoliko grom udari u jednu površinu, gotovo istovremeno će se podići napon i na ostalim ekvi-potencijalnim površima eliminišući velike napone u konstrukciji.

• Korak 4 (uzemljnje) - Da bi se ener-gija groma odvela u zemlju potreb-no je da je putanja do zemlje ona i sa najmanjom impedansom (za komponente struje groma sa viso-kom učestanošću) i sa najmanjom otpornošću (zbog komponenti struje groma niske učestanosti).

Indirektna zaštita od udara gromaKako je nemoguće eliminisati elektromag-netno polje direkntom zaštitom od groma, potrebna je i dodatna indirektna zaštita.

• Galvanska sprega - Blizu mesta uda-ra groma, struja kroz tlo podiže po-tencijal 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 - In-duktivno 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 magnet-nog polja indukovaće napon u pro-vodniku, a promena električnog polja struju.

• Elektromagnetna sprega - Kod ele-ktromagnetne sprege, sprega je re-

zultat transmisije elektromagnetnih talasa kroz vazduh. Uticaj induktivne i kapacitivne sprege je mali jer su provodnici međusobno udaljeni.

Zaštita od groma u postrojenjimaU 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 ha-varija. Kako signali indukovani gromom imaju pulsni karakter, klasični prekidači i osigurači nisu dovoljna zaštita opremi. Barijere za prenaponsku zaštitu kom-panije Pepperl+Fuchs su najbolje moguće rešenje na tržištu. One štite ne samo kod udara groma, već i od drugih skokova nap-ona ili struja koji nemaju linearnu promenu intenziteta. Takve promene se mogu javiti prilikom uključivanja i isključivanja velikih induktivnih opterećenja, kao što su trans-formatori, motori ili pogoni.

Svaki električni uređaj trebalo bi da bude zaštićen SPB-om, sa tim da se SPB mon-tira na sam uređaj u polju i na odvojenu šinu u kontrolnoj sobi.

Standardne aplikacijePogon se po pravilu sastoji od opreme u polju i kontrolne sobe. Standardnu op-remu 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 dig-italne 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 signaliIlustracija 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 signaliDa 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 signalNeki uređaji u polju, kao što su fotoćelije ili termokapleri, generišu izuzetno niske na-ponske signale. Za zaštitu u tom slučaju treba koristiti SPB K-LB-1.6G sa 6V radnim na-ponom, a za zaštitu opreme u polju SPB K-LB-1.6.

Digitalni ulazni signaliBlizinski 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 signaliSolenoidni 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.

Uređaj u polju (>500V izolacija

ka zemlji)

SPB za zaštitu opreme u polju

Senzori, mehanički prekidači, ventili, LED, alarmi

K-LB-1(2).30

(SMART) transmiteri(SMART) I/P konvertori(SMART) pozicioneri

K-LB-1(2).30 F*-LB-*

Termokaplovi, fotoćelije K-LB-1(2).6

SPB za zaštitu PLC/DCS,

Zener barijere

PLC/DCS, Zener barijera

K-LB-1(2).30 Digitalni ulazDigitalni izlaz

K-LB-1(2).30 Analogni ulazAnalogni izlaz

K-LB-1(2).6 Niskonaponski ulaz

Pregled modela SPB-ova za standardne i aplikacije sa zener barijerom