De bliksem
De bliksem is een elektrostatische ontlading in de atmosfeer.
Wanneer een warme onweerswolk door een koudefront breekt,
ontstaat door wrijving een potentiaalverschil tussen de boven en onderzijde van de wolk.
Door turbulentie in de atmosfeer worden positief geladen zones in negatief geladen zones geduwd en volgt er een kortsluiting of een bliksemontlading.
De ontlading is erg krachtig. Het ioniseert de lucht die dan als ideale geleider fungeert.
Weerlicht is bliksem die zich horizontaal ontlaad (cloud-to-air).
Het is de air-to-ground bliksem die verticaal een weg vindt naar een ontlading in de aarde.
De verwoestende kracht van een inslaande bliksem is enorm.
In onderstaande afbeelding vergelijken we spanning en vermogen.
Het elektrisch vermogen voor een gemiddelde woning, aangesloten op het elektriciteitsnet, bedraagt 9,2 kVA.
De aansluiting is 230 V met een maximum van 40 A.
De zwaarste hoogspanningslijnen, die energiecentrales en landen met elkaar verbinden, zijn er op berekend om 2634 MVA te transporteren onder een 380 kV.
(Dubbele hoogspanningslijnen, transporteren ieder de helft van het vermogen).
Daartegenover staat de bliksemontlading die tot 10 Gigawatt en 300 Megavolt kan oplopen.
De totale energie-inhoud van een ontlading valt op het eerste gezicht tegen.
Een typische inslag bij een wolk-grondontlading heeft een vermogen, uitgesmeerd over een uur, tussen de 20 tot 200 kWh.
Hiermee kan je een middelbare school een uur draaiende houden.
Dat is veel te weinig om de vermogens op hoogspanningsapparatuur te evenaren.
Fig 1. Vergelijking elektrisch vermogen
Echter, een bliksem duurt geen uur.
De energie in een bliksem wordt in een fractie van een seconde ontladen.
Wanneer we een vermogen van 100 kW samenballen in een honderdste van een seconde dan blijkt de zeer kortdurende energiepuls wel enorm te zijn.
Een bliksem kan een spanning hebben van een paar honderd miljoen volt bij een stroomsterkte van tienduizenden ampères.
Gedurende de zeer korte tijd dat de bliksem 'staat' loopt er heel eventjes een vermogen dat de totale productie van een land meerdere malen overtreft.
Negentig procent van de bliksems haalt 10 kA, De helft van het aantal inslagen meer dan 30 kA.
Het lijkt onbegonnen werk om zich te beschermen tegen blikseminslagen.
Om de impact van de bliksem te nuanceren, maken we een onderscheid tussen directe en indirecte wolk-grondontladingen.
Directe blikseminslag
Fig 2. Directe blikseminslag
Een directe blikseminslag vindt plaats wanneer de bliksem-energie door een object wordt afgeleid naar de aarde.
Het object is vaak het hoogste punt in een open vlakte : een boom, een torengebouw, of een cameramast.
Het gaat meestal gepaard met verhitting (brand) en magnetische effecten die leiden tot het breken van het object en zelfs dodelijke slachtoffers.
Een rechtstreekse blikseminslag brengt schade toe aan een gebouw.
De bliksem slaat een gat in het dak of knalt de bakstenen uit haar voegen.
Al te vaak ontstaat er een brand en wordt de bliksem afgeleid naar de aarde via het elektriciteitsnet.
De razende stroomstoot in het net verbrand of doet de aangesloten elektrische apparaten uiteenspatten.
Gelukkig gebeurt dit zelden.
Fig 3. Bliksemafleider op het dak (Foto Dehn).
Een installatie met bliksemafleider kan helpen om de schade door directe inslag te beperken.
De bliksemafleider bestaat uit een puntige uitsteeksel op het hoogste punt van het dak.
Via een koperen geleiding langs de dakrand en langs de buitengevel, verdwijnt de overspanning in de aarde via een aardingspen.
Indirecte blikseminslag
Fig 4. Indirecte blikseminslag
De indirecte blikseminslag is het meest voorkomende fenomeen.
Het gebeurt wanneer de bliksem een object treft en een pad vindt om de elektromagnetische pulsenergie door te geven aan het tweede object.
De onrechtstreeks blikseminslag valt niet op de cameramast, maar op de woning van de buren of op een hoge boom in de tuin.
Het elektriciteitsnet, ingegraven of aan palen in de lucht, is de geleider voor de overspanning en stroompieken.
Het is tegen deze (indirecte) overstromen en overspanningen dat we wel onze apparatuur kunnen beschermen.
Puls
Een indirecte blikseminslag veroorzaakt een stroomstoot of puls.
Deze is kort maar krachtig. Kenmerkend is de snelle piek maar ook de snelle relatieve afname van die piek.
De overspanning/overstroom veroorzaakt door bliksem duurt gemiddeld tussen 1 microseconde tot 1 seconde.
Fig 5 Curve 8/20 µs
De overspanningsbeveiliging is ontworpen naar het verloop van bovenstaande curve.
De stroompuls bereikt na 8 µs haar top en zwakt na goed 20 µs af tot 50%.
De technische specificaties van een overstroombeveiliging noteert bijvoorbeeld : 20 kA (8/20µs) 10 kV (8/20µs).
Deze surge protector is er reageert op snelle pieken tot 20.000 Ampère en 10.000 Volt.
8/20 µs wil niet zeggen dat de beveiliging ook binnen de 8 µs reageert en de stroompiek overboord kiepert.
De reactietijd of Response Time verwijst naar de tijd waarin de overspanningsbeveiliging een stroomstoot detecteert en reageert.
De reactietijd is in het algemeen hoe korter, hoe beter.
Als de responstijd te lang is, kan de stroomstoot door de beschermer gaan en schade aan het apparaat veroorzaken.
Response time [L-N] <= 25 ns
Spikes of Transitspanning
Spikes zijn spanningspieken die ‘in transit’ meereizen met het signaal.
De spikes ontstaan door inductie. In een huisinstallatie worden spikes gegenereerd bij het inschakelen van zware lasten.
Trekt de schakelaar een vonk, dan is ook een spike zichtbaar in het elektriciteitsnet.
Fig 6. Spikes
Bij een indirecte blikseminslag, worden voedingskabels en signaalkabels in een wijde omgeving blootgesteld aan een kortstondig maar hevig elektromagnetisch veld.
Hierdoor worden een piekspanningen geïnduceerd in de signalen die in de kabels aanwezig zijn.
De pieken zijn kort, maar enorm krachtig en beschadigen de elektronische componenten.
ESD - Electro Static Discharge.
ESD is, in vergelijking met een blikseminslag, een 'lichte' vorm van elektrostatische ontlading.
Het is de vonk die overspringt van een opgeladen persoon.
Je komt naar binnen, uit de koude buitenlucht.
Je haakt je wollen jas aan de kapstok, schudt de hand van je gastheer en je bezorgt hem een pijnlijke schok.
Het is ESD by air. De vonk slaat over door de lucht.
Er is ook ESD by contact.
ESD ontstaat ook in staalconstructies (wrijving binnen- buitentemperatuur) of machines (wrijving roterende onderdelen).
Alhoewel de ontlading relatief licht is, kan ze veel schade aanrichten omdat ze optreed dicht bij de component.
CE en EMC keurmerken beschermen de consumentenelectronica.
Insertion loss.
De overspanningsbeveiliging wordt in de signaallijn geplaatst.
Een licht signaalverlies is onvermijdelijk wanneer de bescherming op de kabel wordt aangesloten.
Zo verlaagd een PoE surge protector de beschikbare bandbreedte en beïnvloed het de transmissieafstand.
Insertion loss, insertieverlies (ingangsverlies) is de ratio tussen het beschermde en het onbeschermde signaal en wordt uitgedrukt in dB.
* Fig 7. Insertion loss
Componenten in overspanningsbeveiliging
De overspanningsbeveiliging van een toestel wordt gerealiseerd door verschillende factoren en een gevarieerd aanbod beschermingscomponenten.
GDT (Gas Discharge Tube)
De Gas Discharge Tube of Gas Tube Arrestor is een Surge Arrestor of een Transient Voltage/Current spike beschermingscomponent die gebruikt wordt in elektronische circuits
 |
 |
De GDT heeft 2 elektrodes in een inert gas onder lage druk. In normale omstandigheden (bij lage spanning) werkt het gas bijna als een perfecte isolator; geen (nauwelijks) stroom vloeit er door de GDT.
Bij oplopende spanning wordt het gas rond de electrode geïoniseerd tot op het punt dat een kettingreactie doorslaat naar de andere electrode en de overstroom afvoert naar de aarding.
De GDT wordt gekenmerkt door een DC sparkoverspanning waarbij de vonk overspringt en de component doorslaat.
Ze heeft echter ook een impuls sparkover spanning voor piekbelasting.
DC Sparkover @ 100 V/s : 75 V
Impuls Sparkover @ 100 V/µs = 250 V
Impuls Sparkover @ 100 V/µs = 525 V
De GDT is vooral populair door de piek ontladingsstroom.
Deze is groter dan bij alle andere transient voltage suppressors en heeft een typische waarden van 1 tot 50 kA (8/20 µs).
MOV (Metal Oxide Varistor)
De Varistor is een elektrische weerstand die varieert met de opgelegde spanning.
 |
 |
Twee elektrodes worden gescheiden door een vaste stof bestaande uit aangestampt zinkoxide vermengd met bismuth, cobalt,..
Onder normale spanning werkt het wanordelijk metaaloxide in de varistor als een diode.
Bij hoogoplopende spanning draaien de zinkoxide atomen in één en dezelfde richting en zorgen voor een kortstondige maar omvangrijke geleiding.
TVS Diode (Transient Voltage Suppressor)
De transiënte spanningsonderdrukking TVS is een zenderdiode aangepast om transit overspanning af te leiden.
 |
|
Het energetisch vermogen dat deze diodes ombuigen is beperkt.
TVS diodes worden daarom ingezet als secundaire bescherming.
Thyristor
De SIDACtor is een handelsnaam voor een populaire thyristor die ingezet wordt in overspanningsbeveiliging.
 |
|
Ze beschermt tot slechts 5 kA, maar heeft de snelste reactietijd en geen lekstroom.
Overspanning aan de Gate doet de Anode doorslaan naar de Kathode.
Overspanningsbeveiligingsproducten
Elke overspanningsbeveiligings-componenten heeft specifieke eigenschappen.
Een groot vermogen verwerken, een snelle reactietijd, geen verliesstroom…. de ideale component bestaat niet, en meestal worden de componenten gecombineerd in één apparaat.
 |
 |
Een Dehn overspanningsbeveiliging, met daarnaast de schematische voorstelling : een varistor wordt gecombineerd met gasontladingsbuis (GDT)
Een SC&T PoE Surge protector combineert 8 Zenerdiodes met 4 GDT's.
Overspanningsbeveiliging in elektronica zijn ook verkrijgbaar in grotere formaten. De afbeelding toont een varistor gebruikt in hoogspanningslijnen en transformatorstations.
Schema van een LAN arrestor met zenerdiodes en GDT.
Is een overspanningsbeveiliging defect na het afleiden van een overspanning ?
Neen, zolang de maximale capaciteit van de varistor niet overschreden wordt, keert de varistor terug naar zijn originele toestand.
Een overspanningsbeveiliging kan dus meermaals zijn nominale stootstroom (20kA 8/20μs) afleiden.
Is Shielded twisted pair te verkiezen boven Unshielded twisted pair ?
De afscherming in de STP kabel (Shielded twisted pair) is geen maatregel tegen overspanning door blikseminslag.
Bij een indirecte blikseminslag en de bijhorende inductie in de STP, zorgt de shield voor de ideale geleiding naar de randapparatuur.
Het beste is om de shield bij het binnenkomen van het gebouw, aan de aarding te leggen
Standaarden
International Electrotechnical Commision IEC 61000
IEC 61000-4-2 Electrostatic Discharge Immunity Test
IEC 61000-4-4 Electrical Fast Transient/Burst Immunity Test
IEC 61000-4-5 Surge Immunity Test
UL 1449 Surge Protection Devices
UL 497B Protectors for Data Communications and Fire-Alarm Circuits.
EN61643-11 / IEC61643-11 Type 2 Class 2