Защитные элементы

Для ограничения перенапряжений используются защитные разрядные промежутки, варисторы и лавинные диоды. Соответственно физические принципы действия этих устройств различны. Поэтому такие характеристики защитных элементов, как напряжение и время срабатывания, уровень ограничения, степень точности ограничения напряжения, допустимая токо­вая нагрузка, остаточное сопротивление, гасящие свойства и другие, сильно различаются.

Разрядники конструктивно изготовляются в виде воздушных, газонаполненных устройств или элементов со скользящим разрядом. На практике они выполняют функции грубой защиты. Газонаполненный разрядник представляет собой два электрода с фиксированным расстоянием между ними, помещенными в герметичный керамический или стеклянный корпус, заполненный инертным газом. Защищаемую систему такой разрядник нагружает слабо, так как сопротивление изоляции между электродами составляет более 10¹⁰ Ом, а емкость - менее 10 пФ. Если воздействующее напряжение превышает напряжение пробоя , то происходит разряд между электродами, при этом сопротивление разрядника понижается приблизительно на 10 порядков. Напряжение на разряднике понижается до значения , обусловленного тлеющим разрядом, или же, если это допускает соотношение сопротивлений цепи, до значения дугового напряжения U_B (рисунок 8.2).

Напряжение пробоя U_Z газонаполненного разрядника зависит от изменения воздействующего напряжения du/dt (рисунок 8.3). При du/dt = =100 В/с определяется статическое U_Zs, а при du/dt = 1 кВ/мкс - динамическое напряжение U_Zd пробоя разрядника (600-700 В). Типичное изменение напряжения на разряднике во времени приведено на рисунке 8.2. При очень коротких импульсаx напряжения (менее 30 нс) газонаполненный разрядник нe срабатывает.

Газонаполненные разрядники надежно пропускают стандартные токи (8/20 мкс) амплитудой до нескольких десятков килоампер, однако они способны самостоятельно гасить токи, не превышающие 1 А. Поэтому их применение в цепях электроснабжения требует последовательного включения защитного устройства, способного отключить возможный сопровождающий ток.

Воздушные защитные промежутки образуются электродами, находящимися в окружающем воздухе. Их разрядные и рабочие характеристики близки к характеристикам газонаполненных разрядников. Так как они не способны обрывать сопровождающие токи, то их применение в качестве ограничительных элементов в цепях электроснабжения возможно лишь в комбинации с предохранителями или варисторами, выполняющими функции дугогашения.

Находят также применение и закрытые воздушные (так называемые разделительные) промежутки в местах сближения грозозащитных устройств с другими заземленными частями устройства или металлическими конструкциями, которые по условиям коррозионной стойкости не должны быть гальванически долго соединены друг с другом. При грозовых воздейст­виях защитные промежутки устанавливаются там, где должны происходить пробои, тем самым устраняются неконтролируемые перекрытия и гарантируется выравнивание потенциалов в течение грозового разряда частей устройства, отделенных друг от друга в нормальном режиме.

Рисунок 8.2 - Вольт-амперная характеристика газонаполненного разрядника с ориен­тировочными значениями напряжений тлеющего (u_G) и дугового (U_В) разрядов: U_Z - напряжение зажигания (см. рисунок 8.3); 1 - область начальных и тлеющих разрядов; 2 - область дуговых разрядов

Рисунок 8.3 - Характеристики зажигания газонаполненного разрядника (1) и раз­рядника со скользящим разрядом (2): UZs - статическое напряжение срабатывания; UZd - динамическое напряже­ние срабатывания	Рисунок 8.4 – Типичная характеристика зажигания газонаполненного разрядника

Разрядники со скользящим разрядом содержат между электродами изоляционный материал. Вольт-секундные характеристики таких разрядников более пологие, чем газонаполненных (рисунок 8.3). Поэтому независимо от крутизны импульс перенапряжения ограничивается до значения 2-3 кВ. Такие разрядники способны самостоятельно обрывать сопровождающие токи, и поэтому они более подходят для грубой защиты в цепях электропитания.

Варисторы (Variable Resistors) представляют собой элементы с симметричной вольт-амперной характеристикой (рисунок 8.5). При I > 0 она выражается в виде

, (8.2)

где K - постоянная, зависящая от размеров резистора; - показатель, зависящий от материала.

Рисунок 8.5 - Типичные вольт-амперные характеристики варисторов в линейных (а) и логарифмических (б) координатах:

I - область токов утечек; II - область импульсных токов; III - диапазон ра­бочих напряжений; IV - область перенапряжений

Для применяемых в настоящее время металлооксидных варисторов на базе оксида цинка значение находится в пределах от 25 до 40.

Эффект ограничения напряжения основан на том, что при превышении рабочего напряжения, рассчитанного по (8.2), со­противление

(8.3)

уменьшается на много порядков (рисунок 8.5, б).

Защитный уровень варисторов в зависимости от их исполнения может лежать как в диапазоне низких, так и высоких напряжений, причем они способны поглотить значительную энергию. Их время срабатывания сравнительно мало и составляет десятки наносекунд. Оно определяется индуктивностью токопроводов. Собственная емкость варисторов велика (0,4-40 нФ), и поэтому их применение для ограничения перенапряжений в высокочастотных системах исключено. Конструктивно варисторы выполняются в виде шайб, блоков, также втулок для разъемных соединений. На практике варисторы используют преимущественно для грубой защиты.

При часто повторяющихся перенапряжениях варистор нагревается и сопровождающий ток возрастает. Этот эффект можно использовать для контроля функциональных способностей варистора.

Кремниевые лавинные диоды обладают свойством не повреждаться при воздействии напряжения, превышающего граничные, при котором они находятся в закрытом состоянии. Их разновидность - так называемые Z-диоды (стабилитроны) (напряжением U_Z = 3 ÷ 200 В (рисунок 8.6) давно используются в электронных схемах для стабилизации напряжения и защиты от перенапряжений. Разработаны и специальные лавинные диоды, предназначенные для ограничения переходных перенапряжений, отличающиеся от обычных Z-диодов более высокой пропускной способностью по току, малым временем запаздывания (пикосекунды), большой поглощаемой энергией. Такие диоды выпускаются под названием ограничителей перенапряжений, супрессдиодов (ограничительных стабилитронов) трансвильдиодов или ТА Z-диодов (ТА Z - от Transient Absorbing Zener).

На рисунке 8.7 приведена характеристика ограничительной стабилитрона. Она аналогична характеристике Z- диода. Напряжение U_R - максимальное напряжение, при котором диод еще закрыт; U_B - напряжение начала ограничения, при котором ток I = 1 мА; U_С - напряжение ограничения для импульса тока I_рр (8/20 мкс).

Достигаемые уровни ограничения напряжения лежат в диапазоне 6-440 В.

  Рисунок 8.6 - Вольт-амперная характеристика 2-диода с напряжением Ug = 3 + 200 В       Рисунок 8.7 - Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его важнейшие пара­метры     9 Защитные элементы для линий передачи измерительной информации План лекции: 9.1. Принцип действия помехоподавляющих фильтров 9.2. Фильтровые элементы 9.3 Сетевые фильтры 9.1. Принцип действия помехоподавляющих фильтров   Помехоподавляющие фильтры представляют собой элементы для обеспечения затухания поступающей по проводам помехи. Целесообразное их применение предполагает, что спектральные составляющие полезного сигнала и помехи достаточно отличаются друг от друга. Это позволяет при соответствующих параметрах фильтра обеспечить селективное демпфирование помехи при отсутствии заметного искажения полезного сигнала. При этом собственно эффект демпфирования достигается делением напряжения. Поясним эго на простейшем примере. Если в низкочастотный контур полезного сигнала (полезные величины на рисунке 9.2, а) поступает высокочастотное напряжение помехи , то на полном сопротивлении приемника появляется составляющая напряжения помехи (9.1) Введение зависящего от частоты продольного полного сопротивления (рисунок 9.2, б), например, в форме ωL, представляющего для низкочастотного тока - очень малое, а для высокочастотного тока - очень большое сопротивление, обеспечивает ослабление помехи, и составляющая, напряжения помехи снижается до (9.2.) Достигаемый эффект затухания можно характеризовать коэффициентом затухания - отношением падений напряжений на при наличии и без него: . (9.3.) Коэффициент затухания приводится, как правило, в виде логарифма отношения напряжений и выражается в децибелах: . (9.4)    

Рисунок 9.2 - Цепь без фильтра (а) и с фильтром (б)

Рисунок 9.3 - Токовый контур с фильтром

Согласно (9.3) эффект затухания зависит не только от , но и от полных сопротивлений и .

В общем случае, фильтр F любой структуры представляет собой четырехполюсник, объединяющий источник помехи и приемник (рисунок 9.3). Для расчета фильтра пригодны известные соотношения:

(9.5)

(9.6)

где - комплексные параметры четырехполюсника.

Их конкретные значения для простейших фильтровых структур представлены в таблице 9.1.

Далее (рисунок 9.3) можно записать:

(9.7)

(9.8)

Напряжение на входе приемника без фильтра определяется как

(9.9)

Аналогично (9.4) ослабление сигнала в фильтре описывает как логарифм отношения напряжений на входе приемника без фильтра и с фильтром :

. (9.10)

Коэффициент затухания в фильтре любой структуры в соответствии с (9.5)-(9.10) можно выразить как

. (9.11)

Таблица 9.1 - Параметры четырехполюсников простейших схем

фильтров

Схема	Коэффициент

Отсюда следует, что коэффициент затухания зависит, с одной стороны от параметров фильтра (см. таблицу 9.1), а с другой - от полных сопротивлений участвующих в процессе источника и приемника помех, что уже отмечалось в связи с обсуждением (9.4). Коэффициент затухания в зависи­мости от конкретных условий может иметь сильно различающиеся значения для одного и того же фильтра (рисунок 9.4).

Рисунок 9.4 - Кажущееся сопротивление электроэнергетических сетей: 1 - жилые территории с воздушными линиями электропередачи; 2 – публикация 3 CISFR; 3 – промышленные сети; 4 - жилые территории с кабельными линиями

Один и тот же фильтр при различных условиях, т.е. в зависимости значения и частотных характеристик полных сопротивлений и , может вызывать сильно различающееся затухание. Поэтому, практически невозможно задать общую характеристику фильтра независимо от конкретных условий, и приводимые в фирменных каталогах значения коэффициента затухания фильтров согласно (9.10) относятся всегда к особому случаю системного согласования ()и к средним значениям и ,например 50, 60, 150 или 600 Ом. Соответствующе нормированные в международном масштабе схемы для измерения коэффициента затухания а_е (f) приведены на рисунке 9.5.

Паспортные данные о коэффициенте затухания а_е (f) можно использовать лишь при конкретных обстоятельствах, a именно в качестве показателя качества при изготовлении фильтра или как характеристику при сравнении фильтров одинаковой конструкции, поставляемых различными изготовителями, также при анализе фильтрового действия в сопоставимых схемах.

Рисунок 9.5 - Схемы для измерений симметричного (а) и асимметричного коэффициентов затуханий (б) а_е фильтров:

при = = 50 Ом из (4.10) следует а_е = 20 lg U₀/2 U₂,дБ, так как U₂₀ = U₀ /2 согласно (9.9).

Таблица 9.2 - Рекомендации по выбору структуры фильтра

Сопротивление источника	Схема фильтра	Сопротивление приемника
Мало		Мало
Велико		Велико
Мало		Велико
Велико		Мало
Мало, неизвестно		Мало, неизвестно
Велико, неизвестно		Велико, неизвестно

Если значения и известны приблизительно, выбор подходящей фильтровой структуры может производиться с использованием данных таблицы 9.2. Во всех остальных случаях фактическая эффективность фильтра определяется лишь экспериментально или расчетом по формуле (9.11).

Дата добавления: 2014-01-13