Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Vliv přepětí na spolehlivost systémů

Vliv přepětí na spolehlivost systémů

Ve výrobních závodech bylo vždy nutné brát v úvahu účinky blesku a jiných elektrických přepětí. Nedávno vydaná evropská norma EN 61508, věnovaná funkční bezpečnosti elektrických, elektronických a programovatelných bezpečnostních systémů, nyní nabízí legislativní základ pro analýzu rizika a sjednocení postupů používaných dosud v tomto oboru v různých částech světa. Tato skutečnost, spolu se zveřejněním informací o několika závažných nehodách, při nichž svou roli sehrálo přepětí v důsledku blesku, vedla k růstu zájmu o danou problematiku. Vedle přepětí vyvolaných úderem blesku se ve většině průmyslových závodů vyskytuje další významný zdroj přepětí, obzvlášť v rozvodných sítích střídavého elektrického proudu. Je jím spínání elektrických motorů velkého výkonu. To ovšem není tak velké ani časté nebezpečí jako nebezpečí přepětí vyvolaného úderem blesku.

Na první pohled by se dalo říci, že v případě rizika vzniku přepětí v důsledku úderu blesku není EN 61508 bezprostředně použitelná, snad kromě části zabývající se vlivy okolního prostředí. Přínos normy je nicméně značný a spočívá v tom, že norma skýtá základ pro systematickou analýzu jakéhokoliv rizika.

Úrovně přípustného rizika podle EN 61508 jsou nízké. Má-li systém úroveň integrity bezpečnosti rovnou dvěma (SIL 2) – což je nejčastěji se vyskytující úroveň integrity uplatňovaná u běžných bezpečnostních systémů – znamená to pravděpodobnost selhání při vyžádání funkce v rozmezí 0,01 až 0,001. Interval mezi zkouškami je většinou jeden rok.

Je třeba si uvědomovat, že riziko výskytu přepětí vyvolaného úderem blesku je často větší než riziko jiných typů poruch a jeho velikost je téměř za všech okolností řádově stejná.

Pravděpodobnost úderu blesku

Základním faktorem pro určení pravděpodobnosti úderu blesku je geografická poloha. Například v povodí Amazonky lze napočítat v průměru 200 bouřkových dní v roce, v Mexickém zálivu 100 a na severním pólu méně než jeden. Podrobné (a někdy rozporuplné) údaje o pravděpodobnosti úderu blesku v konkrétní oblasti jsou k dispozici téměř na celém světě. Na většině území USA dochází průměrně k pěti úderům na čtvereční kilometr za rok, zatímco na Floridě je jich více než 50. Na pravděpodobnost úderu blesku má vliv také velikost a tvar objektu.

Většina továren má vysoký komín nebo do výšky se tyčící části technologického zařízení, které jsou pro blesky lákadlem. Továrny jsou zpravidla situovány v rovinatém terénu a jejich objekty představují nejvyšší body v přilehlém okolí. Dalšími faktory ovlivňujícími výskyt blesku jsou blízkost elektrických vedení, železničních trolejí anebo potrubních tras. Často se všechna tato zařízení nacházejí když ne přímo uvnitř továrny, tak téměř jistě v její blízkosti. Plovoucí vrtné plošiny často trčí až 50 m nad jinak rovnou hladinu moře, a nacházejí-li se např. v Mexickém zálivu, blesk do nich pravděpodobně udeří alespoň jednou za rok.

Uváží-li se průměrný počet pět úderů blesku na čtvereční kilometr za rok, plocha továrny 0,1 km2 a mírně zvýšené riziko zasažení z důvodu jejího uspořádání, může být vystavena riziku jednoho úderu blesku za rok. Pravděpodobnost, že přitom bude ovlivněn určitý obvod určitého přístroje, závisí na poloze tohoto obvodu. Za předpokladu nepříliš exponované polohy je možné uvažovat riziko 50 : 1, což znamená poškození obvodu jednou za padesát let. Existuje mnoho faktorů ovlivňujících tuto hodnotu, ale řekněme, že jednou za padesát let je oprávněný konzervativní odhad.

Spolu s dalšími druhy poruch je tedy třeba zahrnout do výpočtu četnosti poruch jakéhokoliv systému i pravděpodobnost poruchy způsobené bleskem. Je-li u systému zkoušeného v ročních intervalech riziko, že bude poškozen bleskem jednou za padesát let, pravděpodobnost selhání funkce při jejím vyžádání (PFD) je 0,01. Neexistují-li žádné další zdroje poruch, lze takový systém zařadit do kategorie SIL 1. Existují-li další poruchy s četností výskytu 0,01, patrně už systému nelze přiznat žádnou z kategorií SIL. Kategorie SIL totiž zahrnuje všechny možné zdroje poruch, včetně úderu blesku.

Tab. 1. Přípustná četnost selhání následkem poruchy způsobené přepětím

Kategorie SIL

Pravděpodobnost selhání při vyžádání následkem poruchy způsobené přepětím

Přípustná pravděpodobnost selhání při vyžádání

1

10–1 až 10–2

10–2

2

10–2 až 10–3

10–3

3

10–3 až 10–4

10–4

4

10–4 až 10–5

10–5

Jak je patrné z tab. 1, je pravděpodobnost selhání při vyžádání funkce počítaná pro poruchy způsobené úderem blesku stejného řádu jako vyžadovaný dolní limit kategorie SIL.

Údaje v tab. 1 dále ukazují, že zařízení kategorie SIL 3 nebo SIL 4 je třeba chránit před přepětím téměř vždy – stejně jako většinu systémů kategorie SIL 2. Architektura bezpečnostních systémů kategorií SIL 3 a SIL 4 většinou zahrnuje určitou úroveň redundance. Uvedená analýza naznačuje, že je přitom třeba chránit před přepětím nezávisle každý jednotlivý systém, aby se předešlo poruchám ze společné příčiny.

Mechanismy poruch

Základní příčinou poškození přístroje je proud vyvolaný úderem blesku. Proud prochází konstrukcí a vytváří v obvodech přístroje výrazné rozdíly napětí. Tím dojde k poruchám izolace a následně k průchodu části bleskového proudu přes obvody přístroje, až k jejich zničení. Konstruktéři elektronických obvodů navrhují taková zařízení tak, aby vydržela pulsní přepětí vyvolaná elektrostaticky nabitým člověkem, ale napětí vyvolané úderem blesku je nesrovnatelně větší, a tudíž přístroj zničí. Dobře pospojovaná ochranná kostra sice brání vzniku postranních výbojů, ale současně má určitou zbytkovou indukčnost (asi 0,1 µH/m). Tato indukčnost v kombinaci s rychlým nárůstem proudu (během 10 µs) vytváří zničující rozdíl napětí.

Systémy ochrany před úderem blesku používané v současnosti ovlivňují pravděpodobnost toho, kam blesk uhodí a kudy bude procházet bleskový proud. Bez ohledu na použitý systém ochrany před bleskem však bleskový proud musí projít konstrukcí, a tudíž, v důsledku indukčnosti konstrukce, musí také vznikat rozdíly potenciálů. Sice existují i jiné mechanismy poškození, avšak hlavní příčinou poruch je vznik rozdílu potenciálů s následným poškozením izolace.

Platí obecná zásada: pokud se v konstrukci může vyskytovat bleskový proud a jednotlivé přístroje v jednom obvodu jsou od sebe vzdáleny více než 10 m vertikálně nebo 100 m horizontálně, je pravděpodobně třeba chránit vedení a přístroje před přepětím.

Následky poškození

Předpovídat následky přepětí je téměř nemožné. Většinou se poškození omezí na pár polovodičů, ale často jsou částečně poškozeny jiné součástky, k jejichž finální poruše dojde v tu nejnevhodnější dobu; ta je pak označována jako nevysvětlitelná. Závažné poškození většinou nastane působením energie, která se uvnitř obvodu vybije cestou vytvořenou bleskovým proudem. Zničující přepětí může ovlivnit i několik obvodů a následně způsobit poruchu se společnou příčinou. Tak např. ztratí účinnost redundantní zapojení. Zřejmou ukázkou je např. případ, kdy přepětí vzniklé na společném přívodu střídavého napájení současně poškodí několik zdrojů nízkého napětí.

Většina bezpečnostních obvodů je navrhována tak, aby při jejich poškození přepětím nedošlo ke vzniku nezjistitelných závad, které jsou z bezpečnostního hlediska nejnebezpečnější. Téměř všechny poruchy ale vedou k dočasné odstávce provozu a ztrátám ve výrobě. Při úvahách o potřebě ochran před přepětím je vždy třeba si toto uvědomovat.

Je paradoxní, že nejnebezpečnější poruchy jsou právě ty, které zůstávají skryté, na rozdíl od velkých zjevných závad, na které se přijde okamžitě. Problém je také v tom, že přestože je odstraněna hlavní závada, mohou být ostatní součástky jen mírně poškozené a později mohou způsobit nepředvídatelnou poruchu. Proto jsou opravené přístroje méně spolehlivé než originální.

Lze namítnout, že ne všechny poruchy způsobené přepětím vedou k nepřijatelnému poklesu úrovně integrity bezpečnosti, a tudíž že přípustná četnost úderů blesku je větší než zde stanovená. Ovšem zjistit, jaká kombinace poruch se může vyskytnout u přístroje vystaveného přepětí, je téměř nemožné, a je tedy užitečné připustit, že při každém úderu blesku do zařízení továrny může v některém z přístrojů dojít k nějaké nezjistitelné poruše.

Ochrana před přepětím

Osvědčených způsobů ochrany přístrojů před přepětím způsobeným bleskem je v současné době mnoho. Obvyklá metoda je snížit indukované napětí na přípustnou úroveň použitím vhodné kombinace výbojek, varistorů a diod. Existuje široká škála takových přístrojů v různých provedeních, které pokrývají veškeré známé potřeby.

K tomu je třeba poznamenat, že všechny ochrany před přepětím pracují na principu odvedení špičkového proudu. Výsledkem je, že systém krátce – po dobu trvání přepěťového impulsu (asi 50 µs) – nepracuje. Toto přerušení většinou nezpůsobí žádný problém, ale je nevyhnutelné a je třeba s ním počítat.

Při analýze bezpečnostního systému je zapotřebí určit možné následky poruch v důsledku přepětí. Pokud toto není provedeno, je třeba takové rozhodnutí alespoň zaznamenat. Ochrana před přepětím by neměla být opomenuta v důsledku pouhého omylu. Téměř u všech průmyslových staveb stojících na volném prostranství je riziko natolik velké, že je třeba požadovat ochranu před přepětím u všech bezpečnostních systémů. Čím vyšší je kategorie SIL, tím pečlivější by měla být ochrana před přepětím. Ve většině případů stačí použít běžné přepěťové ochrany, aniž by byla ovlivněna kategorie SIL. Speciální opatření vyžadují jen systémy kategorií SIL 3 a SIL 4.

U všech bezpečnostních systémů je nicméně třeba chránit před přepětím určité citlivé obvody, jako je např. základní rozvod střídavého napájení a všechny komunikační sběrnice. Ať už třeba jenom z toho důvodu, že je téměř nemožné určit následky přepětí, která mohou z těchto obvodů přicházet.

L. C. Towle, MTL Instruments Ltd.

anglického originálu System reliability and surges, InTech, 2004, roč. 51, č. 6, přeložil Ing. Jaromír Uher; otištěno se svolením D-Ex Limited, s. r. o.

D-Ex Limited, spol. s r. o.
Optátova 37
637 00 Brno
tel.: 541 423 211
fax: 541 423 219
e-mail: info@dex.cz
http://www.dex.cz