СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ

Защита электронного оборудования. Разница между величинами, характеризующими молнию и работу электронных устройств, превышает 9 порядков. Испытательное напряжение обычной электропроводки составляет 2 кВ, у электронных устройств оно много меньше. Поэтому в случае появления на электронных компонентах недопустимого напряжения, применяют защитные приборы: разрядники, варисторы, стабилитроны (стабисторы). При этом нередко используют ступенчатую (каскадную) схему защиты (рис.1): вначале ставят ГР - газонаполненный разрядник, далее через разделительную индуктивность 10 мкГн ставят варистор, после через разделительную индуктивность 10 мкГн - стабилитрон.

Рис.1 Каскадная схема защиты электронного оборудования

 

Характеристики защитных приборов приведены в таблице.

Защитный прибор	Защитный уровень, В	Максимальный импульсный ток, кА	Время срабатывания, нс (10-9 с)	Емкость, пФ	Ток утечки
Газонаполненный разрядник	65-12 000		Зависит от di/dt импульса	1-7	15 нА
Металлооксидный варистор	20-2000			40-15000	0,2 нА
Стабилитрон	3-200	0,2-1	0,01-25	8-12000	100 нА- 5 мкА

 

Рассмотрим средства молниезащиты: разрядники, варисторы, КЗУ

Разрядник - один из первых приборов, призванных защитить электротехнические объекты от молниевых процессов (самое первое защитное средство - молниеотвод). Наглядное представление о простейшем разряднике

 

Рис.2 Роговый разрядник, широко применяемый для защиты изоляции контактной сети железных дорог

дает рис.2, на котором изображен роговый разрядник, широко применяемый для защиты изоляции контактной сети железных дорог.

При ударах молнии в опоры и провода контактной сети предотвращение перекрытия ее изоляции, имеющей невысокое импульсное разрядное напряжение, с помощью технических ме­роприятий (защитные тросы, усиление изоляции) трудно осуще­ствимо и экономически нецелесообразно. Важной задачей явля­ется исключение длительного горения дуги сопровождающего тока короткого замыкания, что может привести к повреждению изоляторов. С этой целью вдоль контактной сети через каждые 1,5-2 км устанавливаются параллельно изоляторам защитные промежутки с рогообразными электродами - роговые разрядни­ки (рис. 2), имеющие разрядное напряжение несколько ниже напряже­ния перекрытия изоляторов. С помощью этих разряд­ников дуга сопровождающего тока удаляется от поверхности изоляторов, предотвращая их повреждение, при этом под действием тепловых потоков воздуха и электромагнитных сил дуга перемещается по электродам рогового разрядника, удлиняет­ся и может погаснуть еще до срабатывания защиты от коротких замыканий на тяговых подстанциях. Если же дуга сопровождающего тока не сумела погаснуть, то на фидере подстанции, питающей данный участок контактной сети, срабатывает защита и отключает ток короткого замыкания, обрывая дугу, после чего применяется ав­томатическое повторное включение фидера в работу.

Вольт-амперная характеристика типичного разряд­ного промежутка показана на рис.3.

 

 

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика типичного разряд­ного промежутка

 

При малых токах дуги в области дугового раз­ряда и в так называемой области квазитлеющего разряда промежутки низкого давления имеют два различных механизма проводимости. Если после поджига ток через промежуток не достиг достаточного значения, прибор будет работать только в области тлеющего разряда. При больших токах рабочая точка перемещается в область дугового разряда, где падение напряжения на промежутке мало. Точка, соот­ветствующая переходу от тлеющего разряда к дуге, не одна и та же при росте и уменьшении тока. При уменьшении тока после возникновения дуги рабочая точка разрядника может «колебаться» между областями дугового и тлеющего разрядов. Неважно, в каких отдельных точках квазитлеющий разряд переходит в дуговой, и наоборот. Эти точки сильно меняются как для одного и того же прибора, так и от прибора к прибору для разрядников данного типа. Поэтому одно из условий применения искрового разрядника в схеме состоит в том, чтобынапряжение схемы не превысило статистическое напряжение пробоя промежутка.

Другое условие применения искрового разрядника в схеме постоянного тока - способность подавлять остаточный ток.

Рассмотрим, например, систему, в которой протекает постоян­ный ток, с высоким сопротивлением источника и напряжением на нем, меньшим напряжения тлеющего разряда. Разряд будет погашен после того, как импульс помехи инициирует образование дуги. Когда постоянное напряжение источника превышает напряжение тлеющего разряда, даже если ток промежутка ниже тока переходной области, разряд не сможет погаснуть, и промежуток будет продолжать пропус­кать ток, пока электроды не перегреются и не разрушатся.

 

Существует множество различных конструкций разрядников и совершенствование их продолжается.

Достоинство разрядников - высокая пропускная способность по току, обусловленная тем, что в сработавшем состоянии падение напряжения на дуге разрядника невелико и, следовательно, преобразование электрической энергии в тепловую не столь значительно.

Недостатки разрядников очевидны: инерционность (для срабатывания разрядника требуется время на ионизацию искрового промежутка), подхват током рабочего источника защищаемой цепи, сложность контроля исправности прибора. Кроме того, присутствует некоторая несимметричность вольт-амперной характеристики (разрядник при определенных условиях может стать выпрямителем в цепи переменного тока; например, применение разрядника в вентильной контрольной цепи схем управления стрелочными электроприводами опасно, т.к может привести к ложному контролю положения стрелки).

Для исключения длительного подхвата разрядниками переменного тока от стационарных источников питания применяется последовательное соединение разрядников и варисторов. Так, например, в высоковольтных разрядниках РВП-10 (разрядник вентильный подстанционный 10 кВ) в качестве материала варисторов используется вилит (зерна электротехнического карборунда, скрепленные между собой массой из смеси жидкого стекла с мелом), в РВНШ-250 (разрядник вентильный низковольтный штепсельный) - диоксид цинка и титана. Хотя это устаревшие приборы, они в значительном количестве находятся в эксплуатации на сети железных дорог.

Некоторым аналогом разрядника по вольт-амперной характеристике является полупроводниковый прибор ключевого действия - ключевое защитное устройство КЗУ (разновидность разрядника, но с лучшими свойствами: практически безынерционность, строго симметричная ВАХ, меньшая критичность к восстановлению после подхвата переменным током; недостаток - меньшая пропускная способность по току). Устройство и принцип действия КЗУ рассматривалось материале 6.

Варисторы. В научно-технической литературе закрепилось другое название варисторов - нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), хотя разрядники тоже обладают нелинейной характеристикой для выполнения защитной функции.

Вначале считалось, что нелинейная характеристика обусловлена множественными микропробоями между кристаллами оксида цинка - одного из материалов, из которого изготавливались варисторы. Но исследования И.В.Курчатова показали, что нелинейность варисторов обусловлена полупроводниковыми свойствами переходов между кристаллами, при этом структуру варистора можно представить в виде последовательности прямых полупроводниковых переходов как в одну, так и в другую сторону. Поэтому у варисторов при изменении тока, например, от 0 до 1 кА напряжение порога увеличивается примерно на 30 %. При изготовлении варисторов нарезаются диски из стержней, основным материалом которых в последнее время является оксид цинка, при этом толщина диска пропорциональна порогу ограничения перенапряжения, а диаметр пропорционален пропускной способности по току.

Достоинством варисторов является высокое быстродействие, недостатками - ограниченная пропускная способность по току вследствие выделения на нем значительного количества тепла, повышенное дифференциальное сопротивление в пороговой области, значительная дисперсия порога, сложность контроля исправности прибора, высокая стоимость.

Стабилитроны - это диоды с обратимым пробоем (вольт-амперная характеристика приведена на рис.3). Несомненным достоинством стабилитронов является высокое быстродействие и незначительное дифференциальное сопротивление в надпороговой области (уровень ограничения перенапряжения мало зависит от пропускаемого через стабилитрон тока). Главный недостаток этих приборов заключен в малой пропускной способности по току.

 

 

u

 

i

 

Рис.3 Типичная вольтамперная характеристика стабилитрона

 

Литература

 

1. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита. - М.: "Знак", 2003. - 330 с.

2. Александров Г.Н. Молния и молниезащита. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. - 280 с.

3. Рикетс Л.У., Бриджес Дж.Э., Майлетта Дж. Электромагнитный импульс и методы защиты. – М.: Атомиздат, 1979. – 328 с.

Дополнение

При эксплуатации электропитаютцих устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи используют газонаполненные разряд­ники типа Р-34 (двухэлектродные, напряжение зажигания U= 1100 В, которые защищаю г элементы дистанционного питания усилительных пунктов кабельных линий связи от мощных импульсных помех, вызванных грозовыми разрядами); высоковольтные разрядники типа РВП-10 или РВП-6 (разрядники вентильные, подстанционные, с рабочим напряжением в сети 10 или 6 кВ) и низковольтные типа PBHШ-250 (разрядники вентильные, низковольтные, штепсельные, с рабочим напряжением в сети 250 В), а также ряд других газонаполненных и вентильных разрядников [6.1].

Существенным недостатком разрядников, наполненных инертным газом, является их свойство подхвата тока от рабочего источника после срабатывания под воздействием мощных импульсных помех. Поэтому область применения газонаполненных разрядников для зашиты элементов электропитания ограничена теми устройствами, у которых сопротивление цепей питания достаточно велико, а рабочее напряжение меньше остаточного напряжения горения разрядников.

Вентильные разрядники конструктивно состоят из последовательно соединенных искрового промежутка ИП и нелинейного сопротивления НС (рис. 6.3, а). Искровой промежуток обеспечивает высокие изоляционные свойства разрядников в «дежурном» режиме, т. е. при отсутствии мощных импульсных помех.

Нелинейное сопротивление служит для среза амплитуды напряжения этих помех, поэтому при малом напряжении его значение велико, а при подъеме напряжения выше порогового - резко уменьшается. В качестве нелинейного сопротивления разрядников РВП-6 и РВП-10 обычно используют полупроводниковый материал — вилит или тервит (терми­чески обработанный вилит), а в разрядниках типа РВНШ-250 диоксид цинка и титана. Вилит (тервит) состоит из зерен электротехническою карборунда, скрепленных между собой массой из смеси жидкого стекла с мелом. Нелинейным сопротивлением обладает поверхностный слой зерен карборунда. По сравнению с вилитом нелинейное сопротивление из диоксида цинка и титана имеет более высокую нелинейность и про­пускную способность по току, а также негигроскопично.

Разрядник типа РВН Ш-250 (рис. 6.3,6) наиболее широко применяют в устройствах электропитания железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. Он имеет пластмассовое основание 1. в которое запрессованы электроды 2 и 11, соединенные с двумя выводными штырями 12. Последние имеют плоские пружины 13. необходимые для создания надежного контакта с гнездами. Между электродами размещены соединенные последовательно нелинейное сопротивление и искровой промежуток, образованный электродами 4 и 6, а также изолирующей шайбой 5. Изолирующая шайба, изготовленная из рутила (диоксида титана), имеет высокую диэлектрическую проницаемость и стабилизирует напряжение пробоя искрового промежутка благодаря активизации воздушного зазора. Винтом 7, изолированным от электродов пластмассовой втулкой 8, и гайкой 9 можно регулировать размер искрового промежутка между электродом 4 и подпружиненным электродом 6. Крышка из прозрачной пластмассы винтами прижимается к резиновой прокладке 10, которая обеспечивает герметичность соединения с основанием 1.

Применение ограничителей барьерного типа позволяет существенно снизить число повреждений в аппаратуре электропитания, однако имеет

Рис. 6.3. Схема включения вентильного разрядника типа РВЫLU-250 (а) и его устройство (б)

 

определенные недостатки. Наиболее существенным недостатком является выделение значительной мощности на ограничителях при воздействии мощных импульсных помех, поэтому ограничители могут находиться в тепловых режимах, превышающих предельно допустимые. Вследствие этого возможно ухудшение характеристик со временем, что обусловливает необходимость в их периодической проверке. Нередким бывает и тепловое разрушение ограничителей, поскольку при нормативном значении тепловой стойкости ограничителей 65 000 А²с (джоулева интеграла) их фактическая стойкость составляет около 3000 А²с [6.1 ]. Ежегодно на сети железных дорог в период весенней проверки из-за теплового разруше­ния и по другим причинам заменяют десятки тысяч разрядников РВНШ-250. Проблема усугубляется тем, что повреждение ограничителей типа «короткое замыкание» в цепях электропитания устройств железнодорожной автоматики, изолированных от земли, не обнаруживается до тех нор. пока не подойдет срок их периодической проверки. Однако заземление через неисправный разрядник одного из питающих проводов существенно cнижает надежность электропитания (например, заземление второго провода приводит к короткому замыканию для источника электропитания), а в случае установки на одном проводе двух ограничителей и более, заземленных на разные заземлители, может возникнуть условие прохождения через этот провод блуждаю­щего тягового тока, способного вызвать перегрев провода и, как следствие пожар, в электроустановке.

Другим недостатком, характерным для вентильных разрядников, является значительное дифференциальное сопротивление в надпороговой области вольт-амперной характеристики. Например, пробивное напря­жение разрядника типа РВНШ-250 составляет 700...900 В, а при токе 2,5 кА, протекающем через разрядник, падение напряжения на нем 1400 В, т.е. вероятность незащищенности элементов электропитания повышается при возрастании тока мощных импульсных помех.

Более совершенны ограничители ключевого типа - ключевые защит­ные устройства (КЗУ) (рис. 6.4). Силовыми элементами этих устройств являются диоды VD1, VD2 и тиристоры VS1, VS2, которые выбирают так, чтобы при максимально возможных токах мощных импульсных помех не происходило бы тепловой перегрузки в структуре полупроводников. Так как прямое падение напряжения на диодах и тиристорах невелико (1...2 B), они способны пропускать значительные ударные токи без теплового разрушения.

 

Диода VD3, VD4 как вспомога­тельные средства служат для раз­вязки цепей управления тиристо­рами.

Порог срабатывания КЗУ опре­деляется параметром стабилитрона VD5. Среди множества пороговых элементов стабилитроны являются наиболее подходяиими элементами для КЗУ. поскольку, во-первых, они имеют температурный дрейф порога, благоприятный для темпе­ратурного дрейфа характеристик чувствительности тиристоров по

управлению (с увеличением температуры возрастание чувствительности тиристоров компенсируется некоторым повышением порога срабатывания стабилитронов); во-вторых, обладают малым дифференциальным сопротивлением в надпороговой области вольт-амперной характеристики, благодаря чему уровень ограничения напряжения практически не зависит от тока мощных импульсных помех, проходящего через КЗУ.

По свойствам совместимости с тиристорами к стабилитронам приближаются оксидно-цинковые варисторы типа СН2 (сопротивление нелинейное, цифра 2 указывает, что материалом СН является оксид цинка). Кремниевые варисторы типа СН1 несовместимы с тиристорами по условию температурного дрейфа, поэтому их нельзя применять в качестве порогового элемента КЗУ.

В исходном (дежурном) состоянии тиристоры VS1 и VS2 закрыты, поэтому ток через КЗУ очень мал и определяется лишь токами утечки через диоды и тиристоры

.

Рис. 6.4. Схема ключевого защитного устройства и его подключение к защи­щаемому проводу

 

При появлении мощной импульсной помехи от превышения ее амплитуды над порогом стабилитрона VD5 в цепи управления одного из тиристоров (для которого положительная полярность помехи приложена к аноду) протекает ток управления. При достижении этим током уровня включения тиристора последний открывается и шунтирует цепь управления. Остаточное напряжение от мощной импульсной помехи определяется падением напряжения на открытых диоде и тиристоре и составляет 2...3 В. При пропускании тока в сотни и даже тысячи ампер тепловая энергия, выделяемая на этих элементах КЗУ, незначительна. Следовательно, и надежность КЗУ намного выше, чем ограничителей барьерного типа.

Вольт-секундные площади мошной импульсной помехи, полученные экспериментально (рис. 6.5), образованы на вторичной обмотке трансформатора мощностью 0,3 кВ А с помощью разряда конденсатора на его первичную обмотку. Площадь а отражает амплитуду и время воздействия напряжения на изоляцию проводов, подключенных к вторичной обмотке, без использования КЗУ, а площадь б —амплитуду и время процесса, ограниченные с помощью КЗУ. Пороговое напряжение 416 В задано тремя последовательно включенными стабилитронами. Из них два имеют тип КС680А с порогом напряжения по 180 В каждый, а третий (Д817А) взят с порогом напряжения 56 В. Суммарный уровень порога 416 В выбран с учетом того, чтобы максимальная амплитуда питающего напряжения с номиналом 220 В не достигала бы этого порогового уровня. Время ограничения мощной импульсной помехи на уровне 416 В определяется временем включения тиристора, после чего цепь стабилитронов шунтируется. После окончания действия этой помехи или при прохождении сопровождающего тока через нуль КЗУ автоматически переходит в дежурный режим.

Таким образом, главной особенностью ключевых ограничителей является рассеяние основной энергии мощной импульсной помехи на теплоемких элементах электропитаюших устройств (в проводах, обмотках трансформаторов, местах соединений и др.), и поглощение ключевым ограничителем только незначительной части этой энергии (см. рис. 6.5).

 

 

Рис. 6.5. Экспериментальная вольтсекундная площадь мощной импульсной помехи. Площадь а отражает амплитуду и время воздействия напряжения на изоляцию проводов, подключенных к вторичной обмотке, без использования КЗУ, а площадь б —амплитуду и время процесса, ограниченные с помощью КЗУ.

 

 

Переход с ограничителей барьерного типа на ключевые ограничители дает возможность не только существенно повысить надежность защиты устройств электропитания средств автоматики, телемеханики и связи, но и избежать значительных трудозатрат, необходимых для ежегодных испытаний огромного числа ограничителей барьерного типа (главным образом разрядников типа РВНШ-250).

Одной из важных проблем эффективного применения ограничителей любого типа является сложность получения исходных данных для их расчета. Например, для того чтобы выбрать типы диодов, тиристоров и стабилитронов для КЗУ (см. рис. 6.4), необходимо знать динамические и энергетические параметры мощной импульсной помехи. Однако определение этих параметров как аналитически, так и экспериментально очень трудоемко и недостаточно достоверно. Вместе с тем решение этой проблемы существенно упрощается, если принять во внимание, что электропитающие установки содержат трансформаторы. Как известно, при передаче импульсного процесса через трансформатор преобразуются его динамические и энергетические свойства, обусловленные индуктивностью трансформатора и насыщением его сердечника. Таким образом, рассматривая в наихудшем случае мощную импульсную помеху в виде скачка напряжения (максимальную амплитуду скачка устанавливают исходя из физики процесса), а также оценив дифференциальную индуктивность конкретного типа трансформаторов, можно найти предельные производные тока и ватт-секундные площади мощной импульсной помехи на выходе трансформатора, по которым легко выбрать нужный тип элементов для КЗУ или любого другого защитного устройства. Предельные значения динамической и энергетической характеристик мощной импульсной помехи, найденные по приведенной методике, могут служить нормативной базой не только для расчета защитных средств, но и для выбора параметров элементов нагрузки, устойчивых к действию мощной импульсной помехи.