Bescherming tegen blikseminslag: Beschermingsstrategieën 2/3

BESCHERMING TEGEN INDIRECTE BLIKSEMINSLAG

We hebben het hier over overspanningen, gekoppeld aan bliksem, die apparatuur bereiken via overspanningsgeleiders of door inductie.

Inductie, gekoppeld aan bliksem, veroorzaakt overspanningen op open circuits, die leiden tot ontstekingen, meestal in common mode (ten opzichte van aarde), en stroomstromen op gesloten circuits, die destructief zijn door het thermische effect.

Indirecte impact en isolatie

Een ideaal voorbeeld van deze strategie is apparatuur die autonoom wordt aangedreven door batterijen of zonnepanelen en alleen via radio, GSM of satelliet met de buitenwereld communiceert. De sensoren of actuatoren zouden uitsluitend lokaal zijn, zonder verwijzing, zelfs niet indirect, naar de aarde. Alle materialen die de elektronica bevatten zouden isolerend zijn en de elektrische geleiders zouden geen lus vormen. Alleen differentiële overspanningen zouden dit systeem kunnen verstoren. Er zou geen aarde of aarding zijn om aan te sluiten. Maar in werkelijkheid zijn dergelijke gevallen uiterst zeldzaam.

De bescherming van personen vereist vaak de aanwezigheid van een aardingssysteem, aangezien er metalen massa's bestaan en er dus potentiaalverschillen optreden op installaties. Het bestaan van aardingssystemen sluit echter niet de mogelijkheid uit om gebruik te maken van de voordelen die de isolatiestrategie biedt.

Isolatie op voedingen

Door gevoelige apparatuur autonoom te voeden, met behulp van batterijen of zonnepanelen, vermijdt men de komst van aanzienlijke bliksemschokken via het energiedistributienetwerk, dat een van de belangrijkste vectoren is voor bliksem. Als het elektriciteitsnet toch gebruikt moet worden, kan de isolatiestrategie nog steeds toegepast worden:

-Tijdelijke isolatie ,

-Permanente isolatie .

Tijdelijke isolatie :

Veldmolen: We hebben de praktische nadelen van deze systemen al gezien (zwaarte, kosten, enz.). Eén groot nadeel sluit het over het algemeen uit als oplossing:

Veldmolens aanpassen is lastig:

- Als ze te laag zijn ingesteld, activeren ze ongewenste alarmen,

- Als ze te hoog zijn ingesteld, zijn ze niet effectief.

Permanente isolatie :

de scheidingstransformator : Uit kostenoverwegingen worden de middelen die gebruikt worden om te isoleren meestal gereserveerd voor installaties met een laag verbruik.

Dit zijn :

-Isolatietransformatoren

-Netwerkconditioners, die een scheidingstransformator en een spanningsregelaar combineren.

Golfabsorbers, bestaande uit een bliksemafleider, een spoel en een scheidingstransformator.

De scheidingstransformator wordt alleen of in combinatie met andere componenten gebruikt en is de belangrijkste component in isolatiebeveiligingsprocessen.

Zodra de te beschermen frequenties hoger zijn dan 100 kHz, is galvanische scheiding niet langer voldoende (dit is het geval voor bliksem) en moet een scheidingstransformator met een scherm worden gebruikt. In dit geval wordt de afscherming verbonden met de aarde van de transformator door zo kort mogelijke verbindingen.

Er kunnen goede resultaten worden verkregen zonder afscherming, maar dit vereist zeer lage capaciteiten tussen primair en secundair. Om het personeel te beschermen, moeten bij gebruik van een scheidingstransformator de vereisten van de norm NFC 15-100 voor gescheiden circuits worden toegepast.

Isolatie op het telefoonnetwerk

Telefoonlijnen worden galvanisch gescheiden met behulp van specifieke producten zoals Mimosa, Isolitel of andere vertalers. Deze apparatuur is over het algemeen duur en de eerste twee kunnen alleen worden gebruikt op analoge lijnen. Breedbandvertalers kunnen ook worden gebruikt op digitale lijnen.

Signaalisolatie en -overdracht

De overdracht van informatie tussen apparaten via draden houdt een aanzienlijk risico in op vernietiging door bliksem .

Om galvanische scheiding te introduceren gebruiken we à lucht of licht als transmissiemedium.

 Luchtscheiding: relais, transformator en radio

-Omleiden van transmissielijnen: de efficiëntie hangt af van de isolatie van de relaiscontacten, meestal lager dan 2000 V, en van parasitaire capaciteiten.

Een galvanische isolator op basis van een transformator kan worden gebruikt voor analoge signalen. Het principe bestaat uit het omzetten van het analoge ingangssignaal in een frequentie en het omgekeerde te doen na het passeren van de transformator.

-Bij radiotransmissie isoleert de lucht, het transmissiemedium, de zender van de ontvanger. Het is echter nog steeds noodzakelijk om deze instrumenten lokaal te beschermen en ervoor te zorgen dat de antennes geïsoleerd zijn van het aardnetwerk en de aarding. Anders werken ze als bliksemafleiders.

Optische scheiding: opto-coupler en optische vezel

In beide gevallen wordt een elektrisch signaal omgezet in een optisch signaal. We kunnen dan communiceren via een elektrisch geïsoleerd transparant medium.

-De optocoupler is een elektronische component die aan de ingang en/of uitgang van elektronische kaarten wordt geplaatst.

Deze oplossing heeft een aantal nadelen met betrekking tot bescherming bliksem: de afstand tussen de lichtemitter en -ontvanger is noodzakelijkerwijs klein, omdat ze in hetzelfde onderdeel zitten; verminderde isolatie (2000V); bestaan van parasitaire capaciteit; om de lichtscheiding te behouden, moeten de voedingen voor de diodes, emitter en ontvanger van hetzelfde kanaal, verschillend zijn.

Als er meerdere opto-couplers aan de ingang van een apparaat zitten, is de voeding van de emissiediodes meestal gemeenschappelijk voor alle opto-couplers. Als er een common mode fout optreedt op een van deze ingangen, koppelt de voeding met de andere ingangen. De ontvangen informatie kan daardoor vervormd raken.

-Optische vezels bieden een ongeëvenaarde isolatie dankzij de afstand tussen de zender en de ontvanger van het licht. Vezel, die wordt gebruikt om digitale informatie te verzenden, vermijdt de problemen van gemeenschappelijke voedingspunten die optreden bij opto-couplers. Afgeschermde vezels zijn beschikbaar voor mechanische bescherming. Als de afscherming van metaal is, komt de verkregen isolatie overeen met de grootste afstand tussen een van de uiteinden en de aarde van de locatie waar de vezel zich bevindt. De waarde van de vezel kan daarom in twijfel worden getrokken. Hoewel circuitisolatie een aantrekkelijke strategie is voor bliksembeveiliging vanwege de ogenschijnlijke eenvoud, dwingen de beperkingen in de toepassing ervan ons om de mogelijkheden van de stroomstrategie te overwegen.

Indirecte blikseminslag en -stroom

Als het niet mogelijk is om gevoelige apparatuur voldoende te isoleren van de plaatselijke aarde zodat ze beschermd is tegen indirecte blikseminslag , moet ze beschermd worden tegen bliksem door bliksemafleider modules of overspanningsbeveiligingen te installeren op de bekabelde verbindingen.

Wanneer er een bliksemschicht optreedt, voeren deze modules de bliksemstroom af naar aarde. Wil bescherming tegen bliksemstroom effectief zijn, dan moet bijzondere aandacht worden besteed aan de volgende drie gebieden: Kwaliteit van de bedrading van de installatie en vooral van het aardingsnetwerk, -Immuniteit van elektronische apparatuur, -Prestaties van de beveiliging vande bliksemafleider, Kwaliteit van de bedrading, aardingsnetwerk Aan de bedrading en het aardingsnetwerk moet bijzondere aandacht worden besteed om de volledige doeltreffendheid te bereiken van de producten die worden gebruikt om een installatie te beschermen tegen bliksem. Met behulp van de norm C 15-100 zullen we eerst de verschillende termen definiëren die worden gebruikt bij het bespreken van beschermingskwesties, namelijk :

- aardnetwerk, - grondnetwerk,

- vreemde elementen.

Het aardingssysteem bestaat uit een set ondergrondse geleiders die in direct contact staan met de grond en elektrisch met elkaar verbonden zijn. Voor een kleinschalige installatie wordt de term" aardingssysteem" gebruikt . De term "aardingsnetwerk" wordt meer gebruikt voor grootschalige installaties. Het aardingsnetwerk bestaat uit alle passieve, niet-geaarde geleiders die de metalen behuizingen van de apparatuur met elkaar verbinden. Het is niet noodzakelijk geaard. Het kan per ongeluk verbonden zijn met de actieve delen van het circuit als gevolg van een fout in de isolatie van de actieve geleiders.

Vreemde elementen zijn elementen die een potentiaal kunnen introduceren, meestal dat van aarde, en die geen deel uitmaken van de elektrische installatie. Ze omvatten bijvoorbeeld zichtbare of onzichtbare geleidende delen van gebouwen, water-, gas- en verwarmingsleidingen, evenals niet-elektrische apparaten die op deze leidingen zijn aangesloten (radiatoren, metalen gootstenen, enz.).

 Kwaliteit van de installatiebekabeling, vooral het aardingssysteem

Aarde netwerk

De rol van het aardingssysteem is om de veiligheid van mensen te garanderen en, ten tweede, om installaties te beschermen tegen bliksem. Het laat stromen van alle bronnen in de grond stromen: 50 Hz foutstromen, TT of TN systeem of bliksemstromen. Het stelt het referentiepotentiaal van de installatie in. Bij lage frequenties of voor voorbijgaande stromen met langzame variaties kan de aarde als weerstandsvermogen worden beschouwd. De waarde is dan afhankelijk van de vorm van de elementen waaruit de aarde bestaat, de omstandigheden van de installatie en de weerstand van de grond. Dit geldt tot enkele tientallen Hz.

Vanaf een paar honderd Hz wordt de impedantie van geleiders voornamelijk inductief en varieert evenredig met de frequentie. Bij een snelle stroomvariatie kan deze aardimpedantie groter zijn dan de weerstand bij lage frequenties.

In het geval van bliksemstromen op moeten de eigenschappen van de aardingssystemen worden bepaald voor stromen die honderd kiloampère kunnen bereiken en voor frequenties die een megahertz kunnen overschrijden.

Stopcontacten

Het bestaat over het algemeen uit : -een ononderbroken kabel die het gebouw omringt waar de elektrische installatie zich bevindt. -een lange geleider begraven in een sleuf. Blank metaal in direct contact met de aarde. -De lange geleider wordt soms vervangen door een verticaal in de grond geslagen staak. De beste resultaten worden verkregen in de oppervlaktelaag van de aarde, daarom wordt de voorkeur gegeven aan een lange geleider boven een verticale staak. De kwaliteit van de verbindingen en de weerstand tegen corrosie zijn de eigenschappen van de installatie die de voorkeur verdienen. Een lage aardingsweerstand is nodig om mensen te beschermen, maar voor bescherming tegen blikseminslag is deze waarde niet cruciaal. Een zeer lage weerstand vergemakkelijkt de bescherming, maar het is veel beter om een inspanning te leveren om een equipotentiaal netwerk te verkrijgen en tevreden te zijn met aardingswaarden van minder dan 50 Ω. Metingen uitgevoerd op echte blikseminslagen en met bliksemgeneratoren hebben aangetoond dat een "ster" met twee vertakkingen een lagere impedantie heeft bij hoge frequentie dan een rechte kabel die horizontaal begraven is en dezelfde lengte heeft. Terwijl de lengte van de kabel die gebruikt wordt om een aardverbinding te maken zeer weinig invloed heeft op de impedantie, beïnvloeden de weerstand van de grond en de frequentie van de schokgolf deze impedantie proportioneel met hun vierkantswortel. Deze eigenschappen leiden tot het gebruik van de zogenaamde "kraaienpoot" vorm voor bliksemafleiders.

Equipotentialiteit van aarden en gronden

De equipotentialiteit van de verschillende aardingangen naar dezelfde installatie bepaalt de doeltreffendheid van de bliksembeveiliging. Eerst en vooral moeten we het concept "referentieaarde" of "verre aarde" definiëren, die zich ver van het ingangspunt in de grond van de bliksemstroom bevindt en waarvan het potentiaal als nul wordt gedefinieerd.

De stroom na een klap van bliksem door de grond zal een stijging van de potentiaal van lokale aardingen veroorzaken, omdat deze niet perfect zijn. Deze potentiaalstijging kan worden weergegeven door impedanties tussen het referentiemetingpunt en het aardingspunt van de installatie.  

Overweeg een installatie met twee afzonderlijke aardaansluitingen:

Eén, genaamd A, voor bliksembeveiliging wordt door de bliksemstroom Ia geleid.

-De andere, B genaamd, heeft betrekking op elektronische apparatuur en er loopt een reststroom Ib doorheen.

Als Za en Zb de impedanties zijn van de aardpunten ten opzichte van de lokale aarde, en Zc de impedantie tussen de lokale aarde en de verre aarde, kunnen we de potentiaalstijging van aarde B ten opzichte van aarde A berekenen voor een blikseminslag met een intensiteit Ia en een reststroom Ib.