Защита радиоаппаратуры от перенапряжений

Устройство защиты от перенапряжения

Источник: https://electric-220.ru/news/ustrojstvo_zashhity_ot_perenaprjazhenija/2018-05-29-1519

Способы защиты устройств СЦБ от перенапряжения

Ситникова Т. Г., Селиверов Д. И. Способы защиты устройств СЦБ от перенапряжения [Текст] // Актуальные вопросы технических наук: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Пермь, февраль 2013 г.). — Пермь: Меркурий, 2013. — С. 24-27. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/73/3122/ (дата обращения: 27.09.2018).

В электрических сетях часто возникают импульсные всплески напряжения, вызванные коммутациями электроаппаратов, атмосферными разрядами или иными причинами.

Несмотря на кратковременность такого перенапряжения, его может быть достаточно для пробоя изоляции и, как следствие, короткого замыкания, приводящего к разрушительным последствиям.

Для того, чтобы устранить вероятность короткого замыкания, можно применять более надежную изоляцию, но это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования. В связи с этим в электрических сетях целесообразно применять разрядники и выравниватели. [1]

Самыми распространёнными средствами защиты от перенапряжений приборов перегонной сигнальной установки автоблокировки и автоматической локомотивной сигнализации являются вентильные разрядники типа РВНШ-250 или РВН-250.

Разрядник РВН-250 предназначен для защиты от перенапряжений электрических цепей аппаратуры автоматики с рабочим напряжением до 250В и обеспечивает мгновенное гашение дуги сопровождающего тока.

Разрядник штепсельный РВНШ-250 предназначен для защиты от перенапряжений электрических цепей аппаратуры автоматики с рабочим напряжением до 360В и обеспечивает мгновенное гашение дуги сопровождающего тока. Более поздняя разработка это разрядники РКН-600 предназначенные для замены разрядников типа РВНШ-250 в цепях защиты вводов питания и цепях ввода-вывода.

Он предназначен для защиты изоляции переменного тока с напряжением от 0 до 250В и постоянного тока с напряжением от 0 до 120В в устройствах автоматики от импульсных перенапряжений, возникающих в результате грозовых разрядов и коммутационных процессов в линиях электропитания.

С 1989 года промышленностью выпускаются устройства УЗТ и устанавливаются взамен разрядников типа РВНШ-250. Устройства защиты тиристорные типов УЗТ-1 и УЗТ-2 предназначены для защиты аппаратуры электрических цепей переменного тока с частотой до 75Гц и рабочим напряжением до 220В (УЗТ-1) либо до 60В (УЗТ-2) от коммутационных перенапряжений, возникающих на аппаратуре рельсовых цепей при аварийных режимах работы тяговой сети.

Для защиты от перенапряжений полупроводниковой аппаратуры СЦБ предназначены выравниватели разных типов. С 1973 года выпускаются керамические выравниватели типа ВК-10.

Выравниватели ВОЦШ-220 и ВОЦШ-110 предназначены для защиты от перенапряжений полупроводниковой аппаратуры СЦБ и связи в электрических цепях с номинальным напряжением 220 и 110В переменного тока частотой 50 Гц.

Выравниватели типа ВОЦН-24 и ВОЦН-36 пришли на смену выравнивателям ВОЦШ-220 и ВОЦШ-110 и предназначены для защиты аппаратуры рельсовых цепей на участках с автономной тягой и другой низковольтной аппаратуры от импульсных перенапряжений, возникающих в результате грозовых разрядов и коммутационных процессов в контактной сети электрифицированных железных дорог. [2]

Несмотря на многолетний опыт эксплуатации, перечисленные выше средства грозозащиты, оказались недостаточно надёжными и эффективными.

Кроме того, они требуют периодической проверки и сами могут стать причиной возгорания оборудования, в результате которого выходили из строя полупроводниковые элементы приборов, происходили пробои изоляции обмоток сигнальных трансформаторов, прожоги штепсельных плат реле.

Иногда срабатывание выравнивателей и разрядников приводило к выходу из строя питающего кабеля, оплавлению монтажа и даже возгоранию релейных шкафов, что усугубляло ситуацию и увеличивало продолжительность отказа.

Из-за отсутствия удалённого мониторинга состояние этих устройств защиты после воздействия грозовых перенапряжений электромеханикам СЦБ приходится менять разрядники и выравниватели, что требует дополнительных трудозатрат.

Для исключения возгорания релейных шкафов автоблокировки от элементов защиты специалистами хозяйства автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» предпринимались разные меры.

Наиболее эффективным оказался способ предложенный эксплуатационниками Дальневосточной железной дороги, при котором выравниватели и разрядники выносятся из релейного шкафа и размещаются в отдельно стоящем путевом ящике.

Такой способ помог повысить защищённость сигнальных точек автоблокировки на участках повышенной грозовой активности на 30%.[6. c.25-26]

Одним из современных и эффективных средств защиты является защитный фильтр ЗФ-220, который устанавливается не в релейном шкафу, а в специальном кабельном ящике на опоре.

По сравнению с распространенными элементами защиты от перенапряжений выравнивателей ВОЦШ и разрядников РВНШ защитный фильтр ЗФ-220 имеет более низкий порог срабатывания, меньшее значение остаточного напряжения и в своем составе содержит более энергоемкие элементы защиты, что обеспечивает большую надежность помехозащищенность аппаратуры СЦБ. Защитный фильтр ЗФ-220 имеет встроенные средства обогрева, что обеспечивает стабильность характеристик при низких значениях температуры окружающей среды.

Защитный фильтр ЗФ-220М содержит счетчик выработки ресурса защитных элементов, что позволяет дистанционно контролировать ресурс элементов защиты средствами диспетчерского контроля, либо по органам индикации на корпусе блока.[4]

Следует отметить, что задолго до появления фильтров ЗФ, ещё в 90-х годах, проходила опытные испытания аппаратура защиты от импульсных перенапряжений, разработанная специалистами ДВГУПС: ключевое защитное устройство «КЗУ», защитный многофункциональный тиристорный ключ «ЗАМОК-Т» и сетевой фильтр ввода питания релейных шкафов «ФСРШ». Эти устройства были установлены для защиты вводов питания автоблокировки на участках с высокой грозовой активностью.

В устройствах СЦБ с такой защитой повреждений не наблюдалось.

По мнению работников дистанции СЦБ эти приборы имеют ряд достоинств: низкое остаточное напряжение при грозовом воздействии, стабильность характеристик во времени и по уровню срабатывания, возможность настройки устройств на любой уровень защиты.

Но к их недостаткам можно отнести отсутствие информационных каналов о срабатывании устройств защиты для подачи в систему диспетчерского контроля, которыми обладает современное средство защиты аппаратура «БАРЬЕР-АБЧК».[6. c. 26]

Аппаратура «БАРЬЕР-АБЧК» – современное и эффективное средство защиты, которое включается в разрыв внешних цепей сигнальной установки и защищающее устройства автоблокировки от импульсных помех, проникающих со стороны источников электропитания, рельсовых и линейных цепей. В разработанном изделии «БАРЬЕР-АБЧК» реализованы решения, повышающие надёжность и сокращающие затраты на обслуживание как защищаемой аппаратуры, так и самой аппаратуры защиты.

Аппаратура защиты «БАРЬЕР-АБЧК» имеет средства контроля срабатывания защиты, вычисления ресурса и передачу сигнала о необходимости замены защитных элементов (80% ресурса) в аппаратуру диспетчерского контроля.

Аппаратура «БАРЬЕР-АБЧК» устанавливается на боковой стенке перегонного релейного шкафа с внешней стороны.

Аппаратура защиты «БАРЬЕР-АБЧК» выпускается в трёх исполнениях «БАРЬЕР-АБЧК-1», «БАРЬЕР-АБЧК-2», «БАРЬЕР-АБЧК-3».

Аппаратура «БАРЬЕР-АБЧК-1» и «БАРЬЕР-АБЧК-2» предназначена для защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений устройств числовой кодовой автоблокировки и переездной сигнализации.

Аппаратура защиты имеет средства контроля срабатывания защиты, вычисления ресурса и передачи сигнала о необходимости замены защитных элементов в аппаратуру диспетчерского контроля, размещается в шкафу аппаратуры защиты.

Отличительные особенности «БАРЬЕР-АБЧК-1» и «БАРЬЕР-АБЧК-2» заключаются лишь в способе их подключения к электрическим цепям релейного шкафа. Подключение входных цепей блоков защиты «БАРЬЕР-АБЧК-1» в релейном шкафу производится на клеммы, на которые разделаны вводы кабелей релейного шкафа.

При этом монтажные провода, увязанные в жгут из шкафа «БАРЬЕР-АБЧК-1» в релейный шкаф автоблокировки передаются через специальное отверстие.

Шкаф аппаратуры «БАРЬЕР-АБЧК-2» в свою очередь установлен на отдельной стойке для релейных шкафов, а сообщение между шкафами организуется посредством сигнально-блокировочного кабеля, уложенного в земле и вводимого через защитные трубы.

Аппаратура «БАРЬЕР-АБЧК-3» предназначена для установки на внутренней стенке задней двери релейного шкафа, а в целом функции этой аппаратуры идентичны «БАРЬЕР-АБЧК-1» и «БАРЬЕР-АБЧК-2». [3]

Современным модифицированным исполнением аппаратуры защиты «БАРЬЕР-АБЧК-1-3» является аппаратура защиты «БАРЬЕР-АБЧК-1М-3М», которая также предназначена для защиты устройств числовой кодовой автоблокировки и переездной сигнализации от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Она устанавливается на участках железнодорожных линий с любым видом тяги и релейными шкафами числовой кодовой автоблокировки.

В сравнении с аппаратурой защиты «БАРЬЕР-АБЧК-1-3» аппаратура защиты «БАРЬЕР-АБЧК-1М-3М оптимизирована для защиты как одиночных, так спаренных и сигнальных установок, увеличена нагрузочная способность по току, увеличена энергоемкость элементов защиты.

В состав и функциональные возможности устройства могут изменяться в зависимости от условий применения, предусмотрена функция отключения варисторов при перегреве с передачей информации об отключении в цепи ДК, исключены элементы печатного монтажа.

Модуль регистрации модернизированной аппаратуры имеет функции вычисления выработки ресурса и подсчета количества срабатываний элементов защиты, повреждение модуля защиты не приводит к отключению защищаемой цепи, снижена масса и уменьшены габариты.[5]

Вследствие применения принципиально новой защиты от перенапряжений «ББАРЬЕР» и ЗФ-220 уменьшается количество нарушений нормальной работы устройств автоблокировки и сбоев автоматической локомотивной сигнализации. Более того эти устройства позволяют организовать дистанционный контроль выработки ресурса элементов защиты, в результате чего сокращаются эксплуатационные расходы на обслуживание элементов защиты.

Литература:

1. Анализ влияния атмосферных перенапряжений на устройства автоблокировки». www.dc-neman.ucoz.ru

2. Сороко, В.И., Розенберг, Е.Н. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник: в 2 кн. Кн.2.3-е изд.М.: Москва: НПФ «ПЛАНЕТА», 2000.-1008 с.

3. Аппаратура защиты «БАРЬЕР-АБЧК». Технические решения по включению числовой кодовой автоблокировки ЕИУС.646181.004 ТР12006.

4. Защитный фильтр ЗФ-220. stalenergo.ru

5. Аппаратура защиты «Барьер-АБЧК-М». http://www.stalenergo.ru

6. Защита систем ЖАТ от грозовых и коммутационных перенапряжений. Журнал «АСИ» №4 2011г.

Источник: https://moluch.ru/conf/tech/archive/73/3122/

Защита от перенапряжения

Источник: http://elwo.ru/publ/zashhita_ot_perenaprjazhenija/1-1-0-349

Защита электронных приборов от перенапряжения

Читать все новости ➔

Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры во многом определяется качеством питающих электрических сетей, в которых могут иметь место перенапряжения длительностью от сотен миллисекунд до нескольких секунд, провалы напряжения длительностью до десятков миллисекунд, пропадания (отсутствие напряжения более одного периода) и так далее. Частой причиной выхода из строя электронного оборудования, например, блоков питания, является наличие  в сети импульсов перенапряжения.

Они могут быть вызваны различными электромагнитными помехами, связанными с грозовыми разрядами, “перекосом” напряжений на фазах в жилых помещениях, а также различными переходными процессами.

Кратковременное повышение напряжения вызывает повреждение электроприборов, в первую очередь блоков питания электронных устройств (так например, перегорание проводов первичной обмотки  трансформаторов в дешевых китайских блоках питания).

На практике, для защиты элементов цепи от импульсных  перенапряжений используют RC-цепочки, LC-фильтры, а также специальные устройства, называемые разрядниками.

Разрядники обычно подключаются параллельно защищаемому оборудованию и представляют собой нелинейные резисторы с высоким сопротивлением в обычном состоянии (рабочее открытое состояние), и резко уменьшенным после приложения импульса напряжения.

К числу разрядников обычно относят:

-газонаполненные (искровые)разрядники;

-кремниевые ограничительные диоды, стабилитроны;

-варисторы.

Самым дешевым способом защиты от повышенного напряжения является применение варисторов. ( Варистор [англ. varistor, от vari (able)  – переменный и (resi) stor  –  резистор] полупроводниковый нелинейный резистор.

Принцип защиты схемы варистором (см. рис. ниже ) состоит в резком уменьшении его внутреннего сопротивления до долей Ом при возникновении импульса напряжения, и соответствующее шунтирование защищаемого объекта. Результатом является резкое увеличение тока, протекающего через варистор.

Для защиты электронных устройств (телевизор, компьютер, холодильник и т.д.) в штепсельную вилку монтируются два варистора (см. рис. ниже), например S10K275 фирмы EPCOS (подобные варисторы часто ставят на входе сетевых фильтров, два – для уменьшения энергии, выделяющейся на одном варисторе и повышения надежности).

Обозначение варистора расшифровывается:

S – дисковый варистор;

10K – диаметр диска в мм;

275 – допустимое при нормальной работе действующее значение переменного напряжения в вольтах (пиковый ток такого варистора- 2500 ампер в течение короткого промежутка времени).

Штепсельная вилка закрывается и вставляется в свободную розетку, расположенную ближе к вводу в квартиру.

При нормальном напряжении в электросети ток через варисторы практически отсутствует.

Но при перенапряжении варисторы играют роль перемычки и вызывают короткое замыкание в сети, которое вызывает срабатывание автоматического выключателя (“автомата”) на вводе в жилое помещение и отключение ее от повышенного напряжения.

При этом варисторы могут выйти из строя (спасая при этом электроприборы ), поэтому необходимо убедиться в их целостности после подобного инцидента.

Возможно, Вам это будет интересно:

Источник: http://meandr.org/archives/4058

Защита радиоаппаратуры перенапряжения

    При выходе из строя как линейных, так и импульсных стабилизаторов постоянного напряжения, выполненных на транзисторах или микросхемах, выходное напряжение может стать практически равным входному (выпрямленному) напряжению, обычно снимаемому с конденсатора фильтра питания, установленного на выходе диодного моста. Например, при “прогорании” КР142ЕН5А, которая обычно используется в цепях питания цифровых устройств, на шины питания может поступить напряжение 7…15 В вместо положенных 5 В. Это уже опасно для абсолютного большинства устройств.

    Иногда для защиты чувствительных к перенапряжению узлов радиоаппаратуры используют мощный стабилитрон с напряжением стабилизации, чуть большим номинального напряжения питания.

Недостаток такого способа защиты в том, что многие стабилитроны обладают достаточно большим дифференциальным сопротивлением, и защищаемое устройство может продолжать работать некоторое время, получая напряжение, на 0,5…1,5 В больше номинального.

Сильно разогревающийся в это время стабилитрон может “уйти на обрыв”, и защиты как таковой не получится.

    Для предохранения отдельных узлов и блоков радиоаппаратуры от повышенного напряжения при повреждении стабилизатора или неправильного подключения к источнику питания, можно собрать несложный регулируемый блок защиты (рис.1). Он включается в разрыв цепи между выходом источника питания и нагрузкой.

Рис.1. Приципиальная схема простого блока защиты

Работает этот блок следующим образом. При повышении входного напряжения ток через стабилитрон VD1 резко возрастает, соответственно, увеличивается и ток в цепи управляющего электрода тиристора VS1, тиристор открывается и шунтирует питание нагрузки до момента срабатывания предохранителя FU1.

Мощный проволочный резистор R3 предотвращает пробой тиристора из-за сильного броска тока, который возникает в случае, если в цепи питания установлены оксидные конденсаторы большой емкости. Стабилитрон VD1 выбирается на напряжение, примерно на 0,3…1,5 В меньшее, чем номинальное напряжение питания.

Выбор его типа зависит от ряда факторов, поэтому оптимальный вариант для каждого конкретного случая лучше определить экспериментально. Регулировкой резистора R1 можно точно установить то напряжение, при котором будет открываться тиристор.

Конденсатор С1 предотвращает ложное срабатывание блока защиты при коротких импульсных помехах, которые могут появляться в цепи питания. Резистор R2 защищает стабилитрон и тиристор в случае, когда движок подстроечного резистора находится в верхнем положении.

На время настройки этого блока предохранитель желательно заменить лампой накаливания, по зажиганию которой можно судить о моменте включения тиристора.

    Более совершенный блок защиты можно собрать по схеме, приведенной на рис.2.

Рис.2. Приципиальная схема блока защиты с реле

При повышении входного напряжения питание нагрузки прекращается из-за размыкания контактов реле К1.

Цепь R3-VD2 предназначена для уменьшения кратковременного всплеска напряжения на выходе блока, который может появиться из-за инерционности переключения контактов реле.

    Для защиты установленных в автомобиле радиоэлектронных устройств, например, автомагнитолы или сигнализации от превышения напряжения в бортовой сети, можно собрать блок защиты по схеме, приведенной на рис.3.

Рис.3. Приципиальная схема блока защиты автомобильных радиоэлектронных устройств

Здесь движок резистора R1 установлен в положение, при котором срабатывание защиты происходит при входном напряжении 15…16 В. При открывании тиристора размыкаются контакты реле, питание нагрузки прекращается, начинает вспыхивать мигающий светодиод HL1. Конденсаторы С1…СЗ повышают помехоустойчивость.

Нажатием кнопки SB1 (без фиксации) можно возвратить блок защиты в режим ожидания.

    Подстроечные резисторы можно взять сопротивлением 150…470 Ом типов СПЗ-38, РП1-63М, СП5-16ВА, СП4-1 или, что лучше, многооборотные – типа СПЗ-39. Проволочные резисторы – типа С5-16МВ или самодельные из короткого отрезка толстого высокоомного провода.Конденсаторы – типов К10-17, КМ-5.

Тиристоры подойдут любые из серий КУ228, КУ201, КУ202, Т122. Диод КД213А заменяется мощным диодом из серий КД202, Д242, КД2999. Мигающий светодиод использован красного цвета. Его можно заменить любым из серий L56, L36, L799, L816 и другими аналогичными. Электромагнитное реле типа РМУ (паспорт ЧП4.523.

332) можно заменить на любое, надежно срабатывающее при номинальном входном напряжении и имеющее достаточно мощные нормальнозамкнутые контакты.

    В узлах по схемам на рис.2 и 3 можно устанавливать реле типа РЭК29 от систем ДУ старых отечественных телевизоров, отмотав с его катушки нужное количество витков. Можно приспособить и подходящие по конструкции автомобильные реле.

    Для защиты автомобильного оборудования в цепи датчика напряжения можно использовать стабилитроны КС297В, Д814Д, КС213Ж, КС508А, 1N6003B.

Для конструкций на низковольтных цифровых микросхемах подойдут стабилитроны типов КС126Г, КС126Д, КС139А, КС147А, КС407Б, КС439А, 1 N5991 В.

Для устройств на ИМС серий К561, 564, КР1561 нужный стабилитрон можно выбрать из ряда КС215Ж, КС216Ж, КС508Б, КС518А, 1N6005B, 1N6006B, 1N4745A.

Источники

1. П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2001, С.335.

Источник: http://www.radiosait.ru/scheme/zashchita-radioapparatury-perenapryazheniya

Быстродействующая защита в радиоаппаратуре

   В качестве причины выхода радиоаппаратуры из строя в 80…90% случаев являются импульсные скачки напряжения в сети. А так как устранить причину появления таких выбросов невозможно, приходится принимать меры по индивидуальной защите каждого радиотехнического устройства.

Целью данного раздела является не только познакомить читателей с теорией и основными методами выполнения активной быстродействующей защиты от высоковольтных импульсных помех (перенапряжений), но и научить, как можно, используя современную элементную базу, самому сделать такое устройство для разных применений.

Виды помех и принцип работы защиты

   Высоковольтные выбросы напряжения нередкое явление в любой проводной линии. Причем речь идет не только о бытовой питающей сети. Это бывает и в телефонных проводах, кабельной или компьютерной информационной линии.

По данным зарубежных исследований, проводимых производителями радиоаппаратуры, в питающей сети бывают импульсные выбросы напряжения амплитудой до 6000 В не менее 12 раз в месяц, в то же время при самых неблагоприятных условиях это напряжение может достигать 20 кВ и более (в США ежегодный ущерб от выхода из строя оборудования при импульсных перегрузках составляет около 10 миллиардов долларов). В наших сетях, согласно приводимым данным исследований [21], ситуация обстоит не лучше. Причиной таких перегрузок могут быть природные явления (удар молнии), технические неисправности промышленного оборудования, переходные процессы, возникающие при переключении мощной нагрузки, имеющей емкостный или индуктивный характер, и многие другие. Более редкой причиной появления повышенного напряжения является короткое замыкание низковольтной цепи на высоковольтную, например в результате обрыва проводов.

    Молния является наиболее мощным и опасным источником перенапряжений со следующими параметрами:

   –  амплитуда импульса тока 2…200 кА;

   –  скорость нарастания фронта 2…200 кА/мкс.

   И несмотря на то что обычно сила тока разряда молнии не превышает 80 кА — это все равно очень много.

Поэтому при прокладке сетей за пределами зданий (сами здания имеют грозозащиту) обязательно используют защитные устройства (в соответствии с требованиями нормативной документации, например [Л9]), но эффективность их работы во многом зависит от того насколько близко расположены узлы защиты от источника помехи, например места удара молнии. Грозовые разряды содержат миллионы вольт и где это напряжение попадет в провода, заранее предсказать невозможно, так как обычно линии имеют большую протяженность, к тому же их количество постоянно увеличивается. Установить везде элементы защиты (или громоотводы) просто невозможно. Это приводит к ежегодному увеличению потерь от перенапряжений, вызывающих повреждение оборудования или сбои в его работе.

   Не меньшую опасность могут представлять коммутационные помехи, которые возникают при коротких замыканиях, обрывах или резком изменении сопротивления нагрузки, вызванном другими Причинами (переключением).

Например, при подаче напряжения на вход трансформатора мощностью 800 кВт в проводах возникает коммутационный импульс длительностью порядка 0,5 мкс и амплитудой до 4 кВ, который далее распространяется к потребителям. К этой же группе можно отнести и помехи от электрифицированного транспорта.

Коммутационные помехи возникают при включении любой нагрузки, например люминесцентной лампы или кондиционера.

   Как правило, обычное электротехническое оборудование уже рассчитано на воздействие небольших кратковременных перегрузок по напряжению (длительностью до 10^-5…10^-9 с) и, благодаря своей инерционности (ток не успевает возрасти), их вполне выдерживает. В случае более длительных перенапряжений — срабатывают токовые автоматические выключатели или плавкие предохранители.

   Источником большого напряжения (несколько киловольт), поступающего на вход прибора, может стать и сам человек из-за статических зарядов, накопленных на теле от электризующейся одежды. Думаю, что каждый сталкивался в жизни с такими разрядами (в виде легких уколов) при касании рукой токопроводящей поверхности.

   Для повреждения перехода база-эмиттер у биполярного транзистора обычно бывает достаточно небольшого напряжения (10 В), а для полевых более 20 В. Всего же накопленный заряд у человека, при самых неблагоприятных условиях, может достигать значений более 10… 15 кВ.

Если не принять специальных мер защиты, большинство микроэлектронных изделий выходят из строя при воздействии кратковременного высоковольтного импульса. Минимальная энергия, которой достаточно, чтобы вызвать повреждение полупроводниковых элёментов, составляет 10^-2… 10^-7 Дж.

Энергию накопленного на теле человека статического заряда (точнее, на электризующейся одежде, а тело является просто проводником) можно рассчитать по формуле:

   где С — емкость человека, обычно она составляет около 150 пФ;

   U — накопленное на емкости напряжение.

   Во время грозы импульс напряжения (тока) имеет форму, показанную на рис. 1.1 (с такими же параметрами используют импульсы для проведения испытаний элементов защиты и описания их характеристик).

   Энергия (в джоулях), которую несет импульс помехи, определяется через его площадь на графике напряжения, т. е. ее точно можно рассчитать через интеграл на интервале от начала (t0) до окончания действия импульса (t1):

   При использовании одежды, содержащей синтетические волокна, во время движения происходит ее электризация и накопление зарядов. Экспериментальные данные, приведенные в [Л20] показывают, что, воспользовавшись расческой, мы заряжаемся до потенциала 1000 В, а просто сняв свитер с ворсом – до 3…5 кВ.

   Именно эту энергию в виде тепла должен рассеять элемент защиты без всяких повреждений для себя.

Для указания энергетических возможностей защиты довольно часто используют джоули (Дж), что более удобно, чем мощность.

Такое значение более точно характеризует возможность работы с импульсными сигналами произвольной формы, и нам важно, чтобы максимальная энергия помехи не превышала допустимую для элемента защиты.

   Рис. 1.1. Вид стандартной формы импульса (уменьшение тока происходит по экспоненте), используемого при испытаниях для отношения длительности фронта к его ширине на уровне 0,5:

   tф/tи = 8/20 мкс

   Если же изучать проблему борьбы с помехами более подробно, то следует знать, что, конечно же, существуют и другие формы помех, но здесь мы их рассматривать не будем, так как они несут меньшую энергию и менее опасны для радиоаппаратуры с точки зрения ее повреждения.

   Все электронные устройства требуют принятия специальных мер защиты для ограничения до безопасной величины любых перенапряжений, возникающих в цепи питания или на входах (выходах).

Причем, кроме возможности рассеять мощность помехи, одним из важных параметров является время срабатывания защиты — от него зависит эффективность схемы.

Электромеханические защитные устройства из-за своего низкого быстродействия для защиты от импульсных помех неэффективны — время срабатывания токовых автоматов обычно бывает более 10 мс, а для мощных пускателей превышает 0,2 с.

   Принцип работы всех устройств быстродействующей защиты заключается в закорачивании цепи прохождения сигнала помехи и рассеивании имеющейся у нее энергии на защитном элементе, для чего он подключается параллельно соответствующей цепи.

   Следует отметить, что дорогая радиоаппаратура уже имеет внутри элементы защиты от перенапряжений (первыми их начали использовать военные), но часто возможности таких узлов по рассеиванию мощности помехи бывают ограниченными.

Поэтому бывает целесообразно использовать еще и многоступенчатую внешнюю защиту.

В бытовую же радиоаппаратуру, с целью снижения ее стоимости, узлы быстродействующей защиты обычно не устанавливаются, а все идет на уровне применения однокаскадных LC или RC-филь-тров, которые могут только чуть уменьшить амплитуду выброса.

   Как уже было сказано выше, выполнение защитных устройств актуально не только для отечественных, но и зарубежных сетей.

Там существуют довольно жесткие нормы по быстродействию разных видов защиты, а с января 1996 года Европейским комитетом по стандартизации (CENELEC) введены стандарты, запрещающие продажу некоторых видов аппаратуры на рынке ЕС без встроенных элементов, обеспечивающих защиту от перенапряжений.

   Много фирм у нас в стране и за рубежом занимается выпуском от отдельных радиодеталей для этих целей до уже готовых модулей или защитных узлов, выполненных в виде законченной конструкции. Кроме отечественных производителей (Прогресс, Интеркросс и др.

), ряд крупных зарубежных фирм (General Semiconductor, S+M Epcos, SGS-Thomson, Harris, Motorola, Remtech, Krone, General Instruments (Gl) и многие другие) занимается выпуском широкого перечня защитных компонентов. Спрос на такую продукцию довольно большой. Ведь сегодня создать надежное электронное устройство без их применения просто невозможно.

Поэтому мы сначала более подробно познакомимся с современной элементной базой, применяемой для этих целей.

Используемая элементная база

   В качестве основных компонентов в устройствах быстродействующей активной защиты радиоаппаратуры применяют следующие:

   1)    разрядники: воздушные и газонаполненные (газоразрядники);

   2)    варисторы;

   3)    диоды TRANSIL, TRISIL и TVS (сапрессоры);

   4)    специальные электронные модули протекторов (protector).

   Выбор конкретного типа зависит от быстродействия защищаемого оборудования и допустимой мощности перегрузки, а также необходимой полосы пропускания линии (уменьшение вносимой емкости элементами защиты особенно важно для высокочастотных кабелей, а также в цифровых каналах передачи информации).

   Открытые воздушные разрядники в радиоаппаратуре применяются все реже, так как у них параметры сильно зависят от состояния окружающей среды (температуры, атмосферного давления и влажности воздуха между электродами), что снижает надежность такого узла.

   Работа газоразрядника (часто называемого просто “разрядник”), так же как и воздушного разрядника, основана на принципе ионизации газа, находящегося между электродами и появления дугового разряда, когда напряжение увеличится выше фиксированной пороговой величины.

При этом за короткое время (примерно 1…2    мс) сопротивление в цепи разрядника падает с 100…10000    МОм до единиц мОм, и идущий по проводам линии импульс будет закорочен.

Кратковременный ток разрядника может составлять значительную величину (10…100 кА), а пока он замыкает цепь, остаточное напряжение между электродами у разных типов составляет от 25 до 150 В.

   Наиболее наглядно действие газоразрядника, применяемого для защиты радиоаппаратуры, показывает диаграмма, приведенная на рис. 1.2. Она поясняет работу разрядника на переменном напряжении при появлении импульсной помехи. Максимальное напряжение (Umax), при котором разрядник откроется, зависит от скорости нарастания напряжения (dU/dt) помехи. На участке t1 – t2 разрядник открыт.

Литература:
Радиолюбителям: полезные схемы, Книга 5. Шелестов И.П.

Источник: http://nauchebe.net/2012/10/bystrodejstvuyushhaya-zashhita-v-radioapparature/

Выбор разрядников для защиты от перенапряжения

instrument.guru > Электричество > Выбор разрядников для защиты от перенапряжения

Во время переключений или под воздействием грозовых разрядов в электротехническом оборудовании и линиях электропередачи могут возникать импульсы высокого напряжения, в несколько раз превышающие номинальное значение.

Поскольку изоляция не рассчитана на такое напряжение, может произойти её пробой, сопровождающийся аварией. Чтобы предотвратить её, применяются электрические устройства (разрядники), защищающие от импульсов перенапряжения.

Устройство разрядника и принцип действия

В любом разряднике есть электроды, расстояние между которыми называется искровым промежутком и устройство гашения дуги. Один электрод подключается к защищаемому оборудованию, а другой заземляется. При увеличении напряжения выше величины, определяемой размером промежутка между электродами, он пробивается, и импульс перенапряжения отводится через заземление.

Основным параметром ограничителей является гарантированная электрическая прочность при номинальном напряжении. Сие означает, что устройство, ни при каких условиях не сработает в штатной ситуации.

В момент прохождения импульса включается устройство гашения электрической дуги.

Оно должно быстро (в течение полупериода) устранить короткое замыкание, образованное дугой, чтобы не успели сработать устройства защиты от перегрузки.

Виды разрядников

Каталог производимых устройств позволяет сделать выбор разрядников наиболее полно отвечающим предъявляемым требованиям и предпочтительных по цене.

Воздушные (трубчатые) разрядники изготовляются в виде трубок из полимера, который при нагреве может выделять большое количество газа.

На концах трубки закреплены электроды, расстояние между которыми определяет величину напряжения срабатывания.

Во время пробоя материал трубки начинает выделять газ, который выходя через отверстие в корпусе, создаёт дутьё, гасящее электрическую дугу. Напряжение срабатывания превышает 1 кВ.

Газовые разновидности конструктивно аналогичны предыдущим моделям. Пробой осуществляется в герметичной трубке из керамики, содержащей инертный газ. Ионизация газа обеспечивает более быстрое срабатывание, а его давление надёжное гашение дуги. Порог срабатывания может быть от 60 вольт до 5 кВ. Для индикации превышения напряжения часто используется неоновая лампочка.

Вентильные устройства состоят из нескольких искровых промежутков, соединяемых последовательно, и сопротивления, составленного из вилитовых дисков (рабочий резистор). Между собой они соединяются последовательно. Поскольку характеристики вилита зависят от влажности, его помещают в герметичную оболочку.

Во время пробоя задачей резистора является понижение тока короткого замыкания до величины, успешно гасимой искровыми промежутками.

Так как величина сопротивления вилита нелинейная ― она тем меньше, чем больше ток, то это даёт возможность пропускать значительный ток при малом падении напряжения.

К преимуществам данных приборов нужно отнести срабатывание без шумовых и световых эффектов. Эти разрядники википедия характеризует устаревшими и уже не производящимися.

Магнитовентильные модификации собираются из ряда блоков, снабжённых магнитными искровыми промежутками, и равным им количеством дисков из вилита.

Единичный блок состоит из ряда последовательно соединённых искровых промежутков и постоянного магнита, помещённых в корпус из фарфора.

В момент пробоя возникшая дуга под воздействием магнитного поля образуемого кольцевым магнитом приобретает вращение, поэтому гасится быстрее, чем в вентильных устройствах.

В длинно-искровых устройствах используется явление скользящего разряда, обеспечивающего значительную протяжённость пути импульса по наружной стороне разрядного элемента.

По длине разрядный элемент значительно превышает изолятор электролинии, но электрическая прочность его меньше, поэтому возможность возникновение дуги равна нулю. Этот вид используется на 3-ёхфазных линиях электропередачи.

Они могут работать при температуре от — 60° C до + 50° C 30 лет.

В ограничителях перенапряжения нелинейных искровые промежутки отсутствуют. Вместо них используются последовательно соединённые окисно-цинковые варисторы.

Их сопротивление тем меньше, чем больше сила тока, поэтому отведение импульса перенапряжения происходит очень быстро с моментальным возвратом в исходное положение.

Для пропуска больших токов допускается параллельная установка нескольких ограничителей одной марки. Ограничитель устанавливается на весь срок службы защищаемого объекта.

Выбор разрядников

Прежде всего, нужно определиться с классом прибора:

1. Класс A ― это устройства для защиты от прямого удара молнии в электросеть или в объект, расположенный рядом с ЛЭП. Устанавливаются снаружи, обычно в местах подключения кабеля к воздушной линии. Если есть молниеотвод, то устанавливаются в обязательном порядке. Надёжно справляются с импульсами 6 кВ.
2. Класс B ― эти приборы устанавливаются на вводах в здания при условии, что наружная защита уже имеется. Наиболее часто применяются в качестве первой линии защиты частных домов. Порог срабатывания составляет 4 кВ.
3. Класс C ― защита от остаточного перенапряжения величиной до 2,5 кВ. Как правило, устройства этого класса размещаются в распределительных щитах, но предпочтительней установка рядом с защищаемым электроприбором на расстоянии не более 5 м. Поскольку ток в заземляющем проводе молниеотвода создаёт импульс перенапряжения в проводах электропроводки, то при его наличии ограничитель следует располагать на минимально возможном расстоянии.
4. Класс D ― ограничители для оборудования чувствительного к импульсному перенапряжению. Их подключение желательно, если расстояние от устройства C до оборудования более 15 м. Их монтаж допустим, если уже имеется защита более высокого уровня, иначе они выйдут из строя при первом же импульсе выше 1,5 кВ.

В соответствии с указанным ранжиром создаются схемы селективной защиты. Самой популярной является схема B ― C , которая надёжно защищает от перенапряжения 1,5 ― 2,5 кВ. Для защиты дорогостоящей электронной аппаратуры сооружается защита от A до D включительно.

Выбор по параметрам

Выбирать конкретное защитное устройство, работающее на разрядниках или варисторах, нужно по следующим параметрам:

• максимально допустимое рабочее напряжение, при котором устройство остаётся в исходном состоянии;
• значение номинального напряжения указывает при каком перенапряжении в момент запуска оборудования ограничитель будет заблокирован на 10 секунд;
• номинальный ток разряда, по величине которого определяется класс устройства;
• величина пропускаемого тока показывает, какое перенапряжение может быть сброшено без выхода прибора из строя;
• устойчивость к медленному увеличению напряжения показывает возможность пропускания прибором аномальных токов без критических последствий;
• максимально допустимый ток, пропускаемый устройством;
• устойчивость к коротким замыканиям, способных вывести ограничитель из строя, но не приводящих к взрыву корпуса.

Остальные значения, указанные в техническом паспорте нужны для проведения испытаний и наладки систем защиты на промышленных предприятиях. Поскольку создание системы защиты от перенапряжения дело ответственное, то если нет опыта лучше монтаж разрядников и заземления поручить специалистам.

Источник: https://instrument.guru/elektrichestvo/vybor-razryadnikov-dlya-zashhity-ot-perenapryazheniya.html

• Главная
• Электротехника

Защита радиоаппаратуры от перенапряженийСсылка на основную публикацию Adblock
detector