Κρουστικές υπερτάσεις: Ένας άγνωστος κίνδυνος

Η προστασία από τις κρουστικές υπερτάσεις, των ευαίσθητων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που ενσωματώνουν τα συστήματα ασφαλείας είναι μια πολύ σημαντική απαίτηση, που ενδιαφέρει τόσο τους τεχνικούς εγκαταστάτες όσο και τους υπεύθυνους ασφαλείας, γι’ αυτό και αξίζει μιας αναλυτικής αναφοράς.

Τα συστήματα ασφαλείας ανάμεσα στα οποία περιλαμβάνονται ο εξοπλισμός για CCTV, οι συναγερμοί, τα συστήματα ανίχνευσης πυρκαγιάς και αερίων, είναι ευάλωτα όπως όλες οι υπόλοιπες ηλεκτρονικές συσκευές σε μια απειλή, που δεν είναι ευρέως γνωστή στους μη έχοντες τεχνική παιδεία, αλλά είναι ιδιαίτερα σοβαρή και παρουσιάζεται με μεγάλη συχνότητα. Πρόκειται για τo φαινόμενο των κρουστικών υπερτάσεων. Αυτές μεταδίδονται μέσω των παροχικών καλωδίων ηλεκτρικού ρεύματος και προέρχονται είτε από τους κεραυνούς είτε από διάφορα προβλήματα στο δίκτυο διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. Ανεξάρτητα από την αιτία πρόκλησής τους, μπορούν να προκαλέσουν σοβαρότατα προβλήματα στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό και γι’ αυτόν το λόγο θα πρέπει να υπάρχουν εγκατεστημένες ειδικές διατάξεις προστασίας.

Ορισμός
Με τον όρο κρουστική υπέρταση χαρακτηρίζεται το φαινόμενο της αστραπιαίας αύξησης της ηλεκτρικής τάσης που τροφοδοτεί ένα σύστημα, αύξηση που μπορεί να φτάσει ή και να ξεπεράσει τα χιλιάδες Volt. Η διάρκεια αυτού του φαινόμενου είναι ελάχιστη και δεν ξεπερνάει τα χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Όπως αναφέρθηκε στην αρχή του κειμένου, τα αίτια των κρουστικών υπερτάσεων μπορεί να είναι φυσικά ή και τεχνητά. Τα φυσικά αίτια είναι οι κεραυνοί. Στην κατηγορία αυτή δεν ανήκουν μόνο αυτοί που πλήττουν άμεσα ένα κτίριο, αλλά και οι κεραυνοί μεταξύ νεφών, οι οποίοι με τη σειρά τους μπορεί να προκαλέσουν κρουστικές υπερτάσεις.
Τα τεχνητά αίτια εντοπίζονται στο δίκτυο διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας και μπορεί να οφείλονται είτε σε κάποιο βραχυκύκλωμα είτε σε ανθρώπινο χειρισμό, όπως ο χειρισμός ενός διακόπτη ισχύος, η χρήση των ασφαλειοδιακοπτών, η λειτουργία μηχανημάτων ισχύος όπως οι ανελκυστήρες ή ακόμα και τα κλιματιστικά, η χρήση ρυθμιστών στροφών (inverters). Μπορεί ακόμα και να οφείλονται σε κακή ποιότητα των αγωγών του δικτύου διανομής, με ευθύνη του πάροχου. Οι αιτίες μπορεί να διαφέρουν, αλλά το αποτέλεσμα είναι κοινό: Η εμφάνιση των κρουστικών υπερτάσεων προκαλεί τη δημιουργία ρευμάτων υψηλής έντασης, που μπορεί να διοχετευθούν μέσα από οποιαδήποτε διασυνδεδεμένη ηλεκτρική εγκατάσταση – όπως δίκτυα ισχυρών και ασθενών ρευμάτων – και να προκαλέσει φθορές στο συνδεδεμένο εξοπλισμό αλλά και να συμβάλει στη δημιουργία επικίνδυνων συνθηκών για την ασφάλεια αυτών που χειρίζονται τον εξοπλισμό.

Κίνδυνοι
Ακούγοντας τον όρο κρουστική υπέρταση, ίσως μας έρχεται στο νου η εικόνα της αστραπιαίας καταστροφής ενός ηλεκτρονικού εξοπλισμού, με οθόνες να ανατινάζονται και ηλεκτρικούς πίνακες να εκρήγνυνται. Αυτό ίσως αποτελεί μια ακραία περίπτωση όταν η κρουστική υπέρταση προσεγγίζει τιμές kilovolt ή ακόμα και MegaVolt (MV). Τότε έχουμε το φαινόμενο της ολικής καταστροφής μέσα σε κλάσματα δευτερολέπτου. Το πρόβλημα όμως δεν είναι μόνο οι κρουστικές υπερτάσεις των πολύ μεγάλων μεγεθών. Πρόβλημα υπάρχει και στα φαινόμενα μικρότερης τάξης, που ίσως δεν γίνονται καν αντιληπτά από τους χειριστές. Αρκεί η τιμή της κρουστικής υπέρτασης να είναι μεγαλύτερη από την τάση διάσπασης του διηλεκτρικού που αποτελεί τη μόνωση των ηλεκτρονικών συσκευών, με αποτέλεσμα τη σταδιακή φθορά της μόνωσης και άρα την τελική καταστροφή τους. Οσο συχνότερη είναι η εμφάνιση των κρουστικών υπερτάσεων, τόσο μειώνεται ο αναμενόμενος χρόνος ζωής των ηλεκτρονικών συστημάτων. Μέσα στις ηλεκτρονικές συσκευές που κινδυνεύουν από τις κρουστικές υπερτάσεις, δεν θα μπορούσαν να μην είναι και τα διάφορα ηλεκτρονικά συστήματα ασφάλειας. Εξίσου επικίνδυνη με την ολική καταστροφή τους είναι η πιθανότητα δυσλειτουργίας τους λόγω σταδιακής φθοράς. Ισως να είναι και πιο επικίνδυνη, καθώς οι χρήστες δεν μπορούν να διαπιστώσουν το πρόβλημα – και αυτό εμφανίζεται όταν χρειαστεί για κάποιο λόγο να λειτουργήσει το σύστημα. Ως εκ τούτου, η προστασία από τις κρουστικές υπερτάσεις είναι απαραίτητη με τη χρήση του απαραίτητου εξοπλισμού.

Μέσα προστασίας
Πολλοί κάνουν ένα σημαντικό λάθος. Επειδή στην πλειοψηφία των περιπτώσεων τα συστήματα ασφάλειας ηλεκτροδοτούνται μέσω συσκευών UPS, θεωρούν ότι επαρκεί αυτό για την προστασία τους από τις κρουστικές υπερτάσεις. Εντούτοις, οι συσκευές UPS μπορεί να παρέχουν συνεχώς σταθερή τάση στις συσκευές που τροφοδοτούν, χωρίς να επηρεάζονται από τις διακυμάνσεις του δικτύου, αλλά δεν μπορούν να αποτελέσουν μέσο προστασίας απέναντι στις έντονες διακυμάνσεις της τάσης, όπως είναι οι κρουστικές υπερτάσεις. Συνήθως και τα UPS χρειάζονται προστασία από αυτό το φαινόμενο, καθώς και αυτά είναι ευάλωτα στην πιθανότητα εμφάνισης κρουστικών υπερτάσεων.
Για την προστασία των ηλεκτρονικών συστημάτων έχει αναπτυχθεί μια κατηγορία συσκευών, γνωστών και ως απαγωγείς κρουστικών υπερτάσεων (Surge Suppression Device, SPD).

Τεχνολογίες
Η επικρατέστερη τεχνολογία που χρησιμοποιείται σήμερα είναι εκείνη του βαρίστορ (Metal Oxide Varistor MOV). Τα πλεονεκτήματά τους είναι η μεγάλη αντοχή τους, ο μικρός χρόνος απόκρισης και οι μειωμένες τιμές παραμενουσών τάσεων. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν με δύο εναλλακτικές διατάξεις: Παράλληλη σύνδεση δύο βαρίστορ ή χρήση μόνο ενός βαρίστορ.
Η πρώτη διάταξη χρησιμοποιείται από την πλειονότητα των κατασκευαστών, καθώς σε αυτήν την περίπτωση επιλέγονται απλά στοιχεία MOV που χρησιμοποιούνται για την τοπική προστασία ηλεκτρονικών πλακετών από υπερτάσεις και για το λόγο αυτό αν χρησιμοποιούνταν μεμονωμένα σε περιπτώσεις κρουστικών ρευμάτων μεγάλης έντασης δεν θα είχαν σπουδαία αποτελέσματα. Οι κατασκευαστές λοιπόν, στην προσπάθεια τους να αυξήσουν το βαθμό προστασίας, επιλέγουν την παράλληλη σύνδεση MOV. Όμως υπάρχει και η δεύτερη πρόταση με τη χρήση μονού MOV (single mov) με τη σημαντική διαφορά όμως ότι πλέον το βαρίστορ είναι κατασκευασμένο από υλικό υψηλών προδιαγραφών, το οποίο έχει την απαραίτητη αντοχή και σε επαναλαμβανόμενα κρουστικά ρεύματα υψηλής έντασης.
Μια δεύτερη τεχνολογία είναι εκείνη των διατάξεων SPD τύπου Discharge Tube (GDT). Αποτελούνται από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια, τα οποία τοποθετούνται μέσα σε ένα κεραμικό περίβλημα σωληνοειδούς σχήματος, μέσα στο οποίο υπάρχει αέριο ή μείγμα αερίων. Τα πλεονεκτήματά τους είναι η σχετικά ανθεκτική κατασκευή τους, η μεγάλη προστασία που παρέχουν σε κρουστικά ρεύματα υψηλής έντασης και το χαμηλό κόστος κατασκευής τους. Εντούτοις όμως διαθέτουν και σημαντικά μειονεκτήματα, τα οποία αποτέλεσαν και τον ανασταλτικό παράγοντα για τη μεγαλύτερη εξάπλωσή τους. Το πρώτο μειονέκτημά τους είναι η αργή απόκρισή τους, με αποτέλεσμα πολλές φορές να μην προλάβουν να προστατεύσουν τον εξοπλισμό, καθώς αργεί η ενεργοποίησή τους.
Το δεύτερο μειονέκτημά τους είναι ότι υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες τα GDT διατηρούν την κατάσταση αγωγιμότητας για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε διακοπή της λειτουργίας του εξοπλισμού που προστατεύουν, με ό,τι αυτό συνεπάγεται για τις παραγωγικές λειτουργίες μιας επιχείρησης. Τέλος, μπορεί να προκαλέσουν δυσλειτουργίες στον εξοπλισμό, καθώς η λειτουργία τους βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρικής εκκένωσης που δημιουργείται μεταξύ των ηλεκτροδίων, το οποίο εξ ορισμού είναι ένα βίαιο φυσικό φαινόμενο που προκαλεί ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές στα γειτονικά μηχανήματα.
Μια τρίτη κατηγορία συσκευών SPD είναι εκείνη των Silicone Avalanche Dad (SAD). Πρόκειται για ημιαγωγικές διατάξεις με δύο θετικά χαρακτηριστικά, που είναι ο μικρός χρόνος απόκρισης και οι μειωμένες τιμές παραμένουσας τάσης (όπως και άλλωστε τα MOV). Εντούτοις παρουσιάζουν ένα σημαντικό μειονέκτημα, τη χαμηλή αντοχή τους, στοιχείο που ακυρώνει σε σημαντικό βαθμό τα δύο θετικά τους στοιχεία και δυσχεραίνει σε μεγάλο ποσοστό τη χρήση τους σε μεγαλύτερο βαθμό.

Σύνδεση των SPD
Ενδιαφέρον παρουσιάζει και ο τρόπος σύνδεσης των SPD προκειμένου να παράσχουν την προστασία στον εξοπλισμό. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες SPD. Οι εξωτερικές, αυτές που τοποθετούνται στην πρίζα και μέσω αυτής συνδέεται ο προστατευόμενος εξοπλισμός. Αυτές οι SPD συσκευές είναι πολύ απλές στην εγκατάσταση και δεν απαιτούν ουσιαστικά ειδικευμένο τεχνικό, αλλά παρέχουν σχετικά μικρή προστασία και σε μεμονωμένες συσκευές.
Για καλύτερα αποτελέσματα και για προστασία σε μεγαλύτερο φάσμα εξοπλισμού, οι συσκευές SPD τοποθετούνται μέσα στους ηλεκτρολογικούς πίνακες (είτε αυτοί είναι οι γενικοί πίνακες της εγκατάστασης) είτε σε τοπικούς υποπίνακες. Τότε φυσικά η εργασία γίνεται από ειδικευμένο τεχνικό (αδειούχο ηλεκτρολόγο), ο οποίος μπορεί να επέμβει στο εσωτερικό των πινάκων. Σε αυτήν την περίπτωση υπάρχουν τρεις τρόποι διασύνδεσης, ανάλογα με το είδος προστασίας που θέλουμε να πετύχουμε:

• Προστασία Ουδέτερου – Γης (Neutral to Ground, N-G). Με αυτήν τη διασύνδεση επιτυχάνεται προστασία από κρουστικά ρεύματα μεταξύ του ουδέτερου και της γης.
• Προστασία Φάσης – Γης (Line to Ground, L-G). Με αυτήν τη διασύνδεση επιτυχάνεται προστασία από κρουστικά ρεύματα μεταξύ των φάσεων και της γης.
• Προστασία Φάσης – Ουδετέρου (Line to Neutral, L-N). Με αυτήν τη διασύνδεση επιτυχάνεται προστασία από κρουστικά ρεύματα μεταξύ φάσεων και ουδέτερου.

Η διαφορά ανάμεσα σε αυτές τις τρεις διατάξεις είναι ότι ενώ οι δύο πρώτες αφορούν στην προστασία από φυσικά φαινόμενα όπως κρουστικά ρεύματα από κεραυνούς, η τρίτη διάταξη προστατεύει από κρουστικά ρεύματα που οφείλονται σε προβληματική λειτουργία του δικτύου παροχής. Οπότε, για να εξασφαλίσουμε ολοκληρωμένη προστασία σε ένα τυπικό τριφασικό πίνακα θα πρέπει να τοποθετηθούν 7 συσκευές SPD, τρεις L-N, τρεις L-G και μία N-G.

Οπως αντιλαμβανόμαστε, η προστασία των ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών από τις κρουστικές υπερτάσεις παρουσιάζει τεράστιο ενδιαφέρον. Ο μεγαλύτερος κίνδυνος είναι ότι ακόμα και οι τεχνικοί και οι εγκαταστάτες δεν είναι ιδιαίτερα εξοικειωμένοι με το φαινόμενο αυτό και τις επιπτώσεις του στην ομαλή λειτουργία του εξοπλισμού. Ακόμα λιγότερη εξοικείωση έχουν και οι υπεύθυνοι ασφαλείας, καθώς το θέμα είναι αμιγώς τεχνικό και ως εκ τούτου αν δεν διαθέτουν το απαραίτητο γνωστικό υπόβαθρο, δεν μπορούν να συνειδητοποιήσουν τις διαστάσεις του. Πρόκειται όμως για έναν υπαρκτό κίνδυνο που μπορεί να προκαλέσει βλάβες στα συστήματα ασφαλείας είτε ξαφνικά είτε σε βάθος χρόνου. Οπότε ο έλεγχος για τις κρουστικές υπερτάσεις θα πρέπει να ενταχθεί σε όλα τα προγράμματα συντήρησης – και φυσικά να γίνουν οι απαραίτητες ενέργειες για την προστασία του. Οπως είδαμε, το θέμα ακόμα και από την αμιγώς τεχνική του πλευρά παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον, καθότι υπάρχουν διαφορετικές προσεγγίσεις και τεχνολογίες. Θα πρέπει λοιπόν να εξετασθούν όλες οι πτυχές, ώστε σταδιακά – καθότι όταν αναφερόμαστε σε μεγάλες εγκαταστάσεις πρόκειται για ένα μεγάλο έργο – να ενσωματωθούν οι διατάξεις προστασίας μέσα στην ηλεκτρολογική υποδομή του κτιρίου. Επιπλέον, η χρήση διατάξεων SPD θα πρέπει να προβλέπεται και για τα νέα έργα, από το αρχικό στάδιο της μελέτης.
Με αυτόν τον τρόπο θα αποφεύγονται αναπάντεχες βλάβες, αλλά δεν θα απαιτούνται μεταγενέστερες ηλεκτρολογικές επεμβάσεις που και κοστίζουν σε χρόνο και χρήμα αλλά και απαιτούν την αποσύνδεση των συστημάτων ασφαλείας κατά τη διάρκεια της επέμβασης.

Του ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗ ΛΥΜΠΕΡΟΠΟΥΛΟΥ