Överspänningsskydd

Modularitet, loop-frånkopplingsfunktion samt felövervakning för signalledningar upp till SIL 3 enligt IEC/EN 61508 – alla dessa funktioner kombineras i det nya överspänningsskyddet M-LB-4000 från Pepperl+Fuchs.

M-LB-4000 består dels av ett tvådelat överspänningsskydd, dels ett tvådelat system för övervakning av felstatus. Skyddsmodulen innehåller alla skyddskomponenter. Den kan ersättas utan verktyg samtidigt som basmodulen fortfarande är i drift. Enheten har en statusindikator på frontpanelen. Även om du drar i skyddsmodulen förblir den relevanta signalkretsen fortsatt inkopplad via basmodulen, monterad på en DIN-monteringsskena. Frånkopplingsprocessen orsakar inga signalstörningar, vilket innebär att skyddsmodulen kan bytas ut utan att påverka driften i en anläggning.

M-LB-4000 är enkel att driftsätta och underhålla genom en loop-frånkopplingsfunktion och byte av skyddsmodul kan ske under pågående drift utan avbrott.

Om skyddsmodulen vrids 180 grader och ansluts, kommer signalkretsen att brytas genom den integrerade isoleringsfunktionen. Detta förenklar servicearbeten och loop-kontroller och gör det möjligt att utföra isoleringstester vid driftsättning eller upprepad testning.

De två komponenterna i felstatusmodulen övervakar status för flera överspänningsskyddsbarriärer. Kitet består av två delar; den optiska sändaren/mottagaren och den optiska avvikelseenheten. Om ett fel uppstår i någon av barriärerna som ska övervakas avbryts den optiska signalen och felet identifieras. Felstatusmodulen är utrustad med en LED-statusindikator för visuell inspektion av överspänningsskyddet vilket möter de normativa kraven för regelbunden testning. Dessutom finns en utgång för statusmeddelanden tillgänglig, för att blocket där felet uppstod ska kunna identifieras. En felstatusmodul kan övervaka upp till 50 moduler.

Med sina 6 mm sparar modulernas lilla bredd plats i kopplingsskåpet. Vid eftermontering kan vanliga befintliga frånkopplingsplintar bytas ut, oavsett utrymmesbehov.

Inre ljusbågsfel uppstår sällan, men om det inträffar kan det få förödande konsekvenser för driften, men framför allt för människan. Fredrik Regnell på energihanteringsföretaget Eaton, ger tre tips på skyddsåtgärder som företag kan vidta för att minimera risken för personskador och kostsamma driftsstopp. 

Inre ljusbågar kan uppstå på grund av miljöförhållanden, till exempel vätskeläckage, djur, damm, korrosion och andra föroreningar på ledytor eller statisk elektricitet. Även mekaniska fel såsom sliten eller trasig isolering, lösa ledningsanslutningar eller slitna, trasiga eller lösa delar kan orsaka dem. Allra vanligast är dock mänskliga fel, vilka uppskattas ligga bakom ungefär 70 procent av alla interna ljusbågsfel. 

Klar och säker sikt med nya ljusbågsvisiret DEHNcare APS T AS

När inre ljusbågsfel uppstår i elektriska ställverk frigörs enorma mängder energi i form av kraft och värme som orsakar stora faror. Den största faran vid ett inre ljusbågsfel är risken för människoliv - den extrema värmen och kraften kan orsaka allvarliga skador och till och med dödsfall för servicepersonal eller personer i närheten även om de bär skyddskläder. Dessutom kan inre ljusbågar skapa en snabb tryckökning - med andra ord en explosion - som kan förstöra eller allvarligt skada komponenterna och ledningarna i panelen.  Sådana explosioner leder alltid till långa och kostsamma driftsstopp för verksamheten. 

Sex ljusbågsrisker och hur du skyddar dig mot dem

Fredrik Regnell ger här tre tips på skyddsåtgärder som företag kan vidta för att minska risken för skador från inre ljusbågsfel. 

1. Använd aktivt ljusbågsskydd

Den bästa metoden för att förhindra en ljusbåge och öka säkerheten i anläggningen är att installera ett skydd som avbryter ljusbågen och förhindrar förödande konsekvenser. Ett aktivt inre ljusbågsskyddssystem, som exempelvis Eatons ARCON® Arc Fault Protection System, upptäcker händelser som indikerar att en ljusbåge uppstår i systemet, exempelvis en snabb strömökning eller en stark ljusblixt i ställverksskåpet. Sådana system reagerar inom några millisekunder och utlöser en ljusbågsläckningsanordning som skapar en kortslutning parallellt med felstället. Kortslutningen minskar spänningen till nästan noll som krävs för ljusbågfelet, vilket släcker den. Systemet avbryter sedan strömförsörjningen till lågspänningssystemet genom att utlösa rotbrytaren längs den inkommande vägen. 

• Reducera skadorna med passiv ljusbågsreducering

För att minimera effekterna i det fall en ljusbåge uppstår kan man använda sig av passiva reduceringssystem. Dessa är utformade för att begränsa effekterna av en fullskalig inre ljusbåge. Metoder för passiv reducering innefattar bland annat att ventilera ljusbågsplasman och trycket bort från utrustning och personal via ljusbågsklaffar eller skorstenar. 
 

• Isolera strömförande delar 

Genom förebyggande metoder går det att förhindra att en ljusbåge uppstår. Detta kan göras genom isolering av strömförande delar och placering av barriärer mellan dem. Tänk dock på att det i ett lågspänningsställverk kan vara svårt att uppnå fullständig isolering.

Överspänningsskydd och åskledare är bra, men ska du vara helt på den säkra sidan för att skydda dina elprodukter får du dra ur stickproppen. Om blixten slagit ned i ditt hus eller i närheten är det bra att låta ett registrerat elinstallationsföretag göra en besiktning.

När kall luft möter varm uppstår spänningar mellan mark och moln och det kan börja åska. Blixten söker sig oftast till höga punkter och turligt nog är det inte ofta som den slår ned direkt i ett bostadshus. Trots det kan elprodukter ta skada då blixtnedslag kan färdas långa sträckor via elledningar.

Förutsättningen för att en elprodukt ska skadas av ett blixtnedslag är att den har kontakt med en ledning, så att dra ur kontakten är ditt bästa skydd. Men det finns även andra skydd som kan vara bra att installera.

Bra med överspänningsskydd

- Det är god idé att ha ett överspänningsskydd. Det fungerar som så att om det blir en för hög spänning i elledningen så bryts strömmen till elprodukten. I vissa extrema fall kan det hända att överspänningsskyddet inte hinner lösa ut, om exempelvis blixten slår ned i ditt hus. Överlag är det ett bra skydd och ett bra komplement, säger Per Samuelsson, chef för produktavdelningen vid Elsäkerhetsverket.

- Åskledare är också ett bra skydd, men då vi har med starka naturkrafter att göra kan vi aldrig vara helt säkra på att energin från blixten tar den väg som vi tänkt oss. Åskledaren är tänkt att fånga upp blixten på en hög punkt och sedan leda energin ned i marken. Då blixten kan dela på sig och ta andra vägar så är detta skyddet inte hundraprocentigt, men också ett bra komplement, säger Per Samuelsson.

Har jordfelsbrytare någon betydelse vid ett blixtnedslag?

- Det är vanligt att det finns en jordfelsbrytare men i äldre hus kan det saknas då det först blev ett krav i hus byggda från 1994. En jordfelsbrytare är inte ett skydd vid själva åsktillfället, men på sikt kan det skydda. Om exempelvis en elprodukt blivit skadad kan jordfelsbrytaren förhindra att följdskador orsakar brand. Jordfelsbrytaren bryter strömmen om den känner av att elen tar fel väg, enkelt förklarat, säger Per Samuelsson.

Bryt strömmen genom att dra ur kontakten

Det bästa skyddet är att bryta strömmens väg. Att bryta strömmen innebär att stickproppen ska dras ur helt och hållet. Energin från en blixt kan hoppa och därför bör du placera stickproppen en bra bit ifrån uttaget för att vara på säkra sidan.

- Det räcker inte med att slå av strömmen på en strömbrytare som kan finnas på grenkontaktdosor och liknande. Stickproppen måste dras ur vägguttaget helt och hållet, säger Per Samuelsson.

Om blixten slagit ned

Ju närmare nedslaget är desto större risk för skador på elledningar och elprodukter. I ett värsta scenario kan elprodukten och ledningarna börja brinna, men det kan också uppstå skador som vi inte kan se, eller som dyker upp långt senare.

- Om du haft ett nedslag nära eller i ditt hus måste du vara observant på konstiga fenomen och brandlukt. Kontrollera alla utrymmen i huset och det är bra att ta dit ett registrerat elinstallationsföretag som får besikta dina elinstallationer. Det är du som husägare som är ansvarig för att elen är säker i ditt hem. När det kommer till produkter tycker jag att man alltid ska ha koll på hur de fungerar och beter sig. Efter ett blixtnedslag kan känsliga komponenter ha tagit skada som innebär att produkten snabbt föråldrats. Om det uppstår surrande eller sprakande ljud, luktar bränt eller andra konstiga fenomen tycker jag att den ska kasseras eller ses över av ett elföretag, säger Per Samuelsson.

Åskoväder innebär alltid en risk, för brand och trasiga elprodukter. Kolla gärna upp med ditt försäkringsbolag om vad som gäller vid blixtnedslag.

Det finns elprodukter som vi ogärna drar ur kontakten till, som exempelvis kyl och frys, eller robotgräsklippare. Om du ska vara hemifrån en längre period kanske du har en granne som kan se över så att inte jordfelsbrytaren löst ut så att frysen stängts av. Det finns smarta hem-lösningar med övervakningsfunktioner för dina elprodukter, det kan också vara en lösning för att hålla lite extra koll.

I denna del av vår serie om elkvalitetsproblem tittar vi på konsekvenser av spänningsobalans.

Spänningsobalans är inte ett elkvalitetsproblem i den meningen att det är dålig kvalitet på elförsörjningens sinusvåg eller storleken och antalet övertoner och transienter. Men spänningsobalans har ändå avgörande betydelse för elkvaliteten.

I ett balanserat 3-fassystem är alla spänningar lika stora och var och en av de tre faserna har 120 graders vinkel från varandra.

Följaktligen så har ett obalanserat 3-fassystem inte samma nivå på de olika fasspänningarna. Dessutom är avståndet mellan de 3-faserna inte heller 120 grader från varandra.

Spänningsobalans orsakas av stora en-fasbelastningar som induktionsugnar olika drivsystem och andra stora induktiva laster som drar en hög ström på fasen den är ansluten till och som inte uppstår på de två andra faserna. En del utrustning kan också kopplas in mellan två faser så att ström huvudsakligen bara dras på två av de tre faserna. Oavsett vilket så orsakar detta att de högre belastade faserna får ett större spänningsfall vilket då minskar spänningen på dessa faser (eller en av faserna) för den utrustning som är ansluten till samma strömförsörjning.

En ojämn fördelning på faserna av flera mindre enfasbelastningar på ett 3-fassystem kan ibland också vara tillräckligt illa för att orsaka försämring av balansen mellan spänningsfaserna. Detta inträffar oftare med tiden allteftersom ytterligare utrustning läggs till efter det att den elektriska installationen ursprungligen konstruerats och balanserats. Denna ojämna försämring eller fel på en eller flera kondensatorbatterier kan även de orsaka obalans av spänningen. Tillfälliga spänningsobalanser kan dessutom orsakas av flera andra fel på någon av faserna antingen inom den egna elanläggningen eller längre ut i elförsörjningsnätet.

Att ha balanserade fasspänningar är utan tvekan ett av de viktigaste kraven för en industriell installation särskilt om denna innehåller 3-fasmotorer och är då helt avgörande om motorerna arbetar med eller nära sin fulla belastningskapacitet.

Obalanserade spänningar som ansluts till en motor kan orsaka en obalans av fasströmmen på upp till 10 gånger den procentuella spänningsobalansen, vid en fullastad motor. Följaktligen måste en motor som drivs av en obalanserad elförsörjning klassas ner i effekt med betydande minskning av tillgängliga belastningar redan vid relativt liten obalans av spänningen. Obalansen kan också medföra att man blir tvungen att omklassa elkablarna på grund av ökade I²R förluster i kablaget.

Enligt IEC definieras spänningsobalans som förhållandet mellan negativ sekvensspänning och positiv sekvensspänning. Kort förklarat så kan de tre fasspänningarna uttryckas matematiskt som en summa av positiva, negativa och nollsekvenskomponenter. Positiva sekvensspänningar skapar flöde i den riktning som motorn är avsedd att rotera åt medan negativa sekvensspänningar roterar i motsatt riktning. Detta skapar ett flöde i motsatt riktning men eftersom de positiva sekvensspänningarna alltid är mycket större än de negativa sekvensspänningarna så påverkas inte motorns rotationsriktning.

Enligt normen IEC-60034 finns gränsvärden definierade för negativ fasföljdsspänning på max 1 % för utrustning och maskiner som används för elförsörjning.
Det motroterande negativa sekvensflödet orsakat av negativa sekvensspänningar skapar extra uppvärmning i motorlindningarna och kommer så småningom att leda till isolationsbrott och för tidiga motorfel. En kontinuerlig drift vid +10 °C över den normala rekommenderade driftstemperaturen kan minska elmotorns livslängd med en faktor två. Uppenbart så är en förkortad livslängd både enormt störande och dyrt. Bevisligen finns det därför också uppenbart många företag som utvecklar och tillverkar specifika produkter för övervakning av spänningsobalans för att skydda motorer.

Förutom själva motorerna så innehåller många motorstyrenheter och växelriktare även komponenter som är särskilt känsliga för spänningsobalans. Beroende på produkt så kan några av dessa komponenter skydda sig själva och motorn i händelse av spänningsobalans genom att vägra fungera. För mindre sofistikerade produkter som frontdioder och busskondensatorer så är reducerad livslängd ett vanligt resultat av spänningsobalans.

UPS, flerfasomvandlare och strömförsörjning till växelriktare fungerar också med reducerad effektivitet när de utsätts för spänningsobalans från matningen vilket i sin tur också skapar oönskat rippel på deras DC-sida och i många fall också skapar ökade övertonsströmmar på matningen.

Mätningar av obalans på spänningar och lastströmmar kan enkelt utföras med en portabel effekt- och energilogger och därigenom enkelt identifiera eventuella problem.

Med en energilogger ansluten till inkommande matning, kan belastningen över faserna för hela installationen mätas och övervakas över tid för att se hur driften kan variera under en normal arbetsdag eller arbetsvecka. Dessa energiloggrar kan också enkelt flyttas runt i hela installationen och anslutas utan att avbryta eller störa driften. För att slutligen uppnå balans genom hela installationen så kan de användas för att mäta individuell utrustning eller en specifik krets och dess spänningar. Därefter så ansluts energiloggern till den inkommande matningen igen för kontinuerlig övervakning.

Förutom spänningsobalansmätning och övervakning av nominell spänning och ström kan även mätning och övervakning av andra elkvalitetsparametrar inklusive effektfaktor och övertoner göras.

Det finns två försiktighetsåtgärder för att minska orsaker av spänningsobalans.
För det första är det att använda separata kretsar för stora enfasbelastningar och ansluta dem så nära punkten för den inkommande matningen som möjligt. Detta kommer att säkerställa att belastningen inte orsakar ett spänningsfall på någon ledning som används av annan utrustning som skulle kunna utsättas för detta spänningsfall.
För det andra se till att alla enfasbelastningar stora som små är jämnt balanserade över alla tre faserna.