Měření vlastností bleskojistek. Measurements of aerial-discharge parameters

Transkript

1 Měření vlastností bleskojistek Kael Veisheipl Kateda technologií a měření, Západočeská univezita v Plzni Measuements of aeial-dischage paametes Abstact The aticle in pape descibes used types of aestes in telecommunication netwok, evaluates thei electical paametes and functional featues based on the measuement of a selected sample. Keywods ovevoltage, ovecuent potection in telecommunications netwok, electical paametes, gass-filled suge aestes, fail-safe potection, statical ignition voltage, impulse ignition voltage, glow dischage voltage, insulation esistance, electical acing voltage, taffic cayng capacity, aestes oveload, impulse oveload, statical oveload, measuement, uncetaity measuement Úvod Neustálá modenizace telekomunikačních sítí s sebou přináší masové ozšíření nových technologií po výstavbu přístupových sítí, masivní náůst elektonických zařízení a jejich penetace, a to jak na staně spojovacích technologií, tak na staně koncových zařízení. Stále vyšší koncentace polovodičových součástek v elektonických obvodech přináší obecně snížení jejich odolnosti vůči vnějším elektomagnetickým a elektostatickým vlivům, jejichž nejnebezpečnějším pojevem je přepětí. Četnost a velikost přepětí a nadpoudů je statistickou záležitostí. Nelze tedy předem učit přesné paamety přepěťových impulsů a nadpoudů. Poto také nelze zhotovit stopocentně účinnou ochanu, kteá by vždy ochánila přístoje, telekomunikační vedení či zařízení. Vždy se jedná o kompomisní řešení espektující složitost konstukce přepěťové ochany, cenu a účinnost. Přepěťová ochana musí mít takové vlastnosti, aby splňovala požadavky na ochannou úoveň a sama byla schopna vydžet typické přepěťové a nadpoudové vlivy. Po ochanu poti blesku a přepětí v telekomunikacích se dnes typicky používají plynem plněné výbojkové bleskojistky, vaistoy, omezovací diody, supesoové diody nebo kombinace uvedených pvků. Přepěťové ochany v telekomunikacích jsou děleny do dvou skupin na přepěťové ochany hubé a přepěťové ochany jemné. Hubá přepěťová ochana má za úkol svést hlavní enegii přepětí na centální zemnící systém, jemná ochana pak likviduje zbytkovou enegii, kteou nejsou z fyzikálních důvodů schopny odvést pvky hubé přepěťové ochany. Připojuje se paalelně k cháněnému vedení a je v pai ealizována plynem plněnými výbojkovými bleskojistkami. Ty jsou tvořeny jiskřištěm, hemeticky uzavřeném v keamickém nosiči, přičemž posto mezi elektodami je vyplněn směsí vzácných plynů, typicky Neon, Agon a Kypton. Pomocné elektody pomáhají při zapálení oblouku (definují jeho počáteční dáhu). Obázek 1 Řez plynem plněnou bleskojistkou

2 Mezi typické paamety bleskojistek patří zejména statické zápalné napětí, impulsní (dynamické) zápalné napětí, impulsní výbojový poud, střídavý výbojkový poud, izolační odpo a vlastní kapacita Pvky jemné ochany bývají obvykle ealizovány přímo ve vstupních obvodech elektonických telekomunikačních zařízení, ve speciálních případech je lze samozřejmě osadit i jako samostatné pvky přímo v ozváděčích. Jisticí členy se mohou vhodně kombinovat společně s nadpoudovou ochanou. K nadpoudové ochaně se používá PTC temistoů (Positive Tempeatue Coefficient). Eistuje poto několik vaiant jištění. Další vaianty tvoří vybavenost hubých ochan vypínacími pvky, kteé zamezují zahoření (Fail- Safe kontakty), tedy efektivně eliminují statické přetížení jistícího pvku. Statické přetížení se týká zejména událostí při půazu vedení nebo galvanickém dotyku s nn. Přestože zde intenzity poudu zdaleka nedosahují hodnot jako při impulsním přetížení, nebezpečí plyne z dlouhodobého hoření oblouku v bleskojistce. To samozřejmě vede k jejímu intenzivnímu ohřevu, kdy při poudu řádu jednotek A dojde k oteplení o C během několika desetin sekundy, při malých poudech maimálně během jednotek sekund. Toto přehřátí může mít za následek zbocení džáků bleskojistek, technologie ukončení kabelů, případně dalších pvků ozvodu a v kajním případě i vznik požáu. Ochanu v tomto případě poskytují pvky tepelné ochany bleskojistek, tzv. Fail-Safe kontakty. Tyto kontakty jsou zapojeny paalelně s bleskojistkou a opíají se o ni podložkou z izolační, ale lehce tavitelné hmoty. Pokud nedojde k výše popsané haváii, udžuje tato vstvička kontakt ozpojený. V okamžiku přehřátí dojde k jejímu odtavení a kontakt bleskojistku zkatuje. Tím zhasne oblouk a bleskojistka se dále nezahřívá. Tato ochana je zejména účinná při poudech řádu stovek ma, kteé obvykle nestačí dostatečně ychle přeušit tavné pojistky, vedou však již k intenzivnímu ohřívání bleskojistky. Je poto vhodné bleskojistky v džácích těmito kontakty vybavovat. Aktivace kontaktu tepelné ochany znamená jeho nevatné zničení a je třeba jej vyměnit za nový. Měření v pai Obázek 2 Haváie způsobené statickým přetížením bleskojistek Cílem paktických měření je zmapování a chaakteizování stavu dílčího segmentu jištění českého telekomunikačního opeátoa, kteé se používá jako postředek ochany před přepětím na telekomunikačním vedení v kategoii hubá ochana. Oboem měření jsou hodnoty statického a dynamického zápalného napětí, vnitřního odpou a času vytavení Fail-Safe ochany. Analýzou zjištěných výsledků u cíleně vybaných vzoků s jasnou identifikací výobce bleskojistek, stáří jednotlivých kusů, tvalých povozních podmínek a definovaných vnějších vlivů lze návazně vhodným způsobem zefektivnit management pocesu nasazování přepěťových ochan. V souladu se zkoumáním pak zvolit vhodná kitéia po peiodicitu kontol a nutnost obměny z důvodu časové degadace vlastností a fyzické životnosti povozovaných bleskojistek.

3 Rozbo měřicích metod Při měření izolačního odpou a zápalných napětí bleskojistkových vložek jsou použity jednoúčelové měřicí přístoje. Měření času vytavení je pováděno v séiově zapojeném obvodu, kde do séie s bleskojistkou a tavným koužkem je zapojen laboatoní zatěžovací ezisto s minimálním teplotním koeficientem (Konstantan), aby tak byla zajištěna minimální změna jeho ohmické hodnoty v závislosti na teplotě v půběhu jednotlivých měřicích cyklů. Po vlastní měření je použit laboatoní měřicí přípavek umožňující vytavovat tavné koužky v definovaných podmínkách jejich eálné funkce v hlavním ozváděči. Přípavek je konstuován s použitím pásku typu FK Po vytavení tavného koužku FA a popojení příchozího vodiče na stojený zemnič jsou, bez ohledu na konkétní typ použité bleskojistky, předepsány platnou technickou dokumentací následující časové hodnoty půchodu střídavého poudu 5 A/50 Hz maimálně 5 s. Měřicí obvod je napájen z laboatoního zdoje Siemens 20 V/50 Hz s egulací napětí a poudu učenému k tomuto účelu. Hodnoty poudu i napětí jsou půběžně kontolovány. Čas vytavení je měřen laboatoními digitálními stopkami při současné vizuální kontole funkce soustavy bleskojistka - tavný koužek. Obázek Laboatoní testovací přípavek simulující uložení kazety na MDF Při řešení měřicí metody po vytavování Fail-Safe ochan bylo nejpve pováděno přesné měření času postřednictvím temokamey FLIR SYSTEMS ThemaCAM P65 zacílené na vytavovací přípavek. Při vytavení Fail-Safe ochany dojde ke zhasnutí výboje a okamžitému snížení teploty na bleskojistce. Pomocí popojení měřicí sestavy postřednictvím GPIB ozhaní jsme byli schopni učovat časy vytavení velmi přesně. Již pvní výsledky však ukázaly, že v případě spávného vytavení dochází k odpojení bleskojistky v časech 1,5 -,5 s. V případě nespávného času vytavení jsou hodnoty výazně vyšší než stanovených 5 s. Vzhledem k finanční nákladnosti této měřicí sestavy, poblematice povozování sestavy a obecnému zjištění při měření vytavovacích časů byla zvolena výazně hospodánější měřicí sestava s dosažením stejné výsledné přesnosti metody vzhledem k velkému odstupu zjišťovaných hodnot od 5 s jako hodnoty limitní. Po námi zvolený účel tedy plně vyhověly laboatoní digitální stopky s manuálním ovládáním. Nejistoty měření Standadní nejistota se vyjadřuje směodatnou odchylkou veličiny, po niž je nejistota udávána. Je označována u (uncetainty). Nejistota měření obsahuje řadu složek: a) složky, kteé mohou být vyhodnoceny ze statistického ozložení výsledků měření a mohou být chaakteizovány epeimentální standadní odchylkou.

4 Standadní nejistoty typu A (ua): jsou stanoveny z výsledků opakovaných měření statistickou analýzou séie naměřených hodnot jejich příčiny se považují za neznámé a jejich hodnota klesá s počtem měření b) složky, kteé se vyhodnocují z jejich předpokládaného pavděpodobnostního ozložení, např. nejistoty údajů měřicích přístojů, nejistoty hodnot pasivních pvků, atd. Standadní nejistoty typu B (ub): jsou získávány jinak než statistickým zpacováním výsledků opakovaných měření jsou vyhodnoceny po jednotlivé zdoje nejistoty identifikované po konkétní měření a jejich hodnoty nezávisí na počtu opakovaných měření pocházejí od ůzných zdojů a jejich společné působení vyjadřuje výsledná standadní nejistota typu B Při měření bleskojistek se povádí v souladu s metodikou zkoušek pouze jedno měření elektických paametů. Tedy ze statistického hlediska nepočitatelná a nepůkazná hodnota. Tato skutečnost souvisí s možnou ekombinací molekul uvnitř bleskojistky vlivem hoření oblouku při zapálení bleskojistky a tím i ovlivnění jejích paametů při dalších zápalech. Potože je požadována maimální ochanná funkce bleskojistky, tedy musí zabánit půniku přepětí k cháněným částem ihned během pvního zapálení, je testována pouze jedním měřením každého paametu. Pokud se z nějakého důvodu povádí opakovaný test, je v důsledku tohoto uvažována jako naměřená hodnota pouze hodnota pvního zápalu. Poto se v případě základních měření bleskojistek neuplatňuje standadní nejistota typu A. V pai se povádějí v souladu s příslušnými nomami učité duhy zkoušek, u kteých lze statisticky hodnotit výsledky podle nejistot typu A. Jedná se např. o zkoušky životnosti bleskojistek a epeimentální laboatoní testování. Tyto zkoušky nejsou v článku zohledněny. Z těchto důvodů je pacováno pouze se standadními nejistotami typu B. Standadní nejistoty typu B jsou vypočítány po každou měřenou hodnotu a záoveň jsou uváděny jako výsledná hodnota včetně ozšířené nejistoty s koeficientem ozšíření 2. Příklady výpočtu standadních nejistot měření Měření statického zapalovacího napětí: Chyba měření: ± 0,5 % RDG; ± 0,1 % z ozsahu (katalogové údaje měřicího přístoje) Bleskojistka: kazeta 17, pozice 2a, U M 2000 V, U X 226 V u b Δz s ma δ1 δ 2 X + M 0,5 0, u b s 1,807 V Standadní nejistota typu B: u b s 1, 807 V Výsledná hodnota včetně ozšířené nejistoty s koeficientem ozšíření k 2 U 226,00V ±,61V ; k 2 nebo U 226,00V ± 1,59%; k 2 k

5 Měření impulsního zapalovacího napětí: Chyba měření: ± 0,6 % RDG; ± 0,2 % z ozsahu (katalogové údaje měřicího přístoje) Bleskojistka: kazeta 1, pozice 1a, U M 2200 V, U X 527 V u b Δz s ma δ1 δ 2 X + M 0,6 0, u b s 4,6 V Standadní nejistota typu B: u b s 4, 6 V Výsledná hodnota včetně ozšířené nejistoty s koeficientem ozšíření k 2 U 527,00V ± 8,72V ; k 2 nebo U 527,00V ± 1,65%; k 2 Vyhodnocení měření Spávné hodnoty statického zápalného napětí přímo souvisí s poblematikou Fail-Safe ochany a ochanou technologie před možným zahořením. Pokud nedojde k zapálení bleskojistky vyšším než maimálním povoleným zápalným napětím, může dojít také k tavení ochanného elementu a veškeý poud potéká do místa s nejnižším potenciálem přímo v cháněné technologii. Jestliže dojde k zapálení bleskojistky, kteá není vybavena Fail-Safe ochanou nebo tato ochana není funkční, dochází k uvolňování tepla na tělese bleskojistky, kteé může být ve svém důsledku příčinou požáu technologie. Poto je tento paamet klíčový po obecnou bezpečnost technologie. Méně nebezpečné stavy, neohožující technologii přímým poškozením, jsou způsobeny podlimitními hodnotami statického zápalného napětí. Tyto stavy způsobují povozní poblémy hlavně v oblasti nežádoucích spojování povozních vodičů se stojenými zemniči technologií nebo při zápalech bleskojistek v oblasti pacovních napětí konkétních povozovaných zařízení, případně ponikání ušení do povozních páů při zápalech na nepovozních páech. V pai se tyto závady odstaňují poměně snadno výměnou vadných kazet nebo jednotlivých bleskojistek. Podlimitní hodnoty statického zápalného napětí nejsou hozbou po obecnou bezpečnost technologie, poto je lze z tohoto pohledu považovat za méně nebezpečné. Hodnoty impulsního zápalného napětí mají hlavní vliv na ochanu cháněného zařízení před poškozením nebo zničením. Bleskojistka s nadlimitním impulsním zápalným napětím není schopna efektivně zachytit dynamickou přepěťovou vlnu a ta pak poniká k dalšímu stupni ochany, kteý není na tuto hodnotu konstuován, nebo přímo do cháněného zařízení, kde zpavidla způsobí poškození nebo jeho zničení. Po spávnou činnost bleskojistek a maimální ochanu zařízení je důležitá řada dalších paametů, např. vlastní kapacita, symetie výboje, izolační odpo Ri, atd. Jejich vliv na cháněná vedení je za nomálních okolností a za předpokladu spávné funkce bleskojistky (spávné nadlimitní hodnoty) zanedbatelný. Povedené zkoušky pokázaly, že podstatným paametem po spávnou zápalnou funkci bleskojistek je pávě izolační odpo. Tento paamet v naposté většině případů přímo souvisel s hodnotami zápalných napětí a poto má také zásadní vliv na spávnou funkci

6 bleskojistek. Pokud byly zjištěny podlimitní paamety izolačního odpou bleskojistek nebo se blížily limitnímu paametu > 10 MΩ, byly také záoveň zjištěny podlimitní hodnoty statického zápalného napětí. Naopak u vysokých hodnot izolačního odpou nebyl pokles statického zápalného napětí zjištěn. Závě V půběhu měření vzoků bylo naměřeno 00 6 hodnot (Ustat, Uimp, Ri, atd.) u 0 bleskojistkových vložek osazených po 10 bleskojistkách. Jedná se o 00 bleskojistek a 1800 základních výsledků měření. Další výsledky jsou získány statistickým vyhodnocením nebo odbonou optickou kontolou. V testovaném soubou 00 bleskojistek bylo zjištěno: Pioita 1: počet závad ovlivňujících bezpečnost technologie Ust [V]: 6 2,00 % počet závad ovlivňujících bezpečnost technologie t [s]: 2 0,66 % Pioita 2: počet závad ovlivňujících přepěťovou ochanu technologie 4 1, % Pioita : počet závad ovlivňujících povozní paamety 16 5, % Z celkového počtu 0 kontolovaných kazet byla zjištěna závada v elektických paametech alespoň na jedné z 10 osazených bleskojistek u 5 kazet. Jedná se o obecnou zjištěnou závadovost 16,66 %. Během zkoušek nedošlo ani v jednom z případů měření k zahoření plastu tělesa vložky. Získané výsledky jsou statisticky sledovány i z dalších pohledů, také z hlediska typů, stáří komponentů, dílčí zásadovosti, atd. Poto lze za pomoci spávně nastaveného systému kontoly přijímat odpovídající opatření zohledňující údžbu, výměny komponentů, plánování nutných nákladů, objednávky a nákup, epase poškozených kusů, atd. Bez těchto nástojů bychom byli schopni dosáhnout bezespou dílčích výsledků v oblasti jištění a přepěťových ochan, ale nemohli bychom deklaovat komplení, kontinuální a dlouhodobou péči o učitý izikový segment povozované technologie za odpovídajících nákladů s přijatelnou míou izika. Příspěvek je zahnut do Výzkumného záměu MSM Diagnostika inteaktivních dějů v elektotechnice. Liteatua [1] BURANT, J. Blesk a přepětí. Paha: FCC Public s..o s. [2] HAASZ, V., SEDLÁČEK, M. Elektická měření: přístoje a metody. 2. Vyd. Paha: Vydavatelství ČVUT s. ISBN [] intení zdoje ČESKÝ TELECOM, a.s. Olšanská 5, Paha [4] intení zdoje a pezentace DEHN + SÖHNE GMBH + CO. KG., zastoupení po ČR, Saajevská 16, Paha 2 [5] intení zdoje a pezentace HAKEL spol. s.o. Bří Štefanů 980, 50 0 Hadec Kálové [6] intení zdoje a pezentace Coning Cable Sysems GmbH & Co. KG., zastoupení po ČR, K Rybníku 78, Jesenice u Pahy