Схемы защит сетей от перенапряжений

Варисторы и ограничительные диоды имеют относительно высокую емкость. Они образуют совместно с индуктивностями про­водов и развязывающими индуктивностями фильтр низких частот (рис. 5.20). При часто­тах полезного сигнала примерно до 30 кГц применение обычных ограничителей не вызывает трудностей. При более высоких частотах демпфирующее действие ОПН ста­новится большим и наступает искажение полезного сигнала или даже его подавление.

Рис. 5.20. Фильтр низких частот

Рис. 5.21. Мостовая схема с малой емкостью

Устройства для передачи сигналов с большими частотами выполняются без варисторов. Кроме того, оказывает влияние демпфирование в цепях, в которых вместо развязывающей индуктивности использо­вано активное сопротивление. Такие уст­ройства можно использовать при передава­емых частотах от нескольких сотен кило­герц до нескольких мегагерц.

Если передаваемая частота превышает указанный предел, то возможно примене­ние двухступенчатого ограничителя, имею­щего мостовую схему (рис. 5.21). В зависи­мости от механической конструкции эту схему можно заключить в корпус. При этом можно достичь частоты до 200 МГц при затухании 3 дБ. При использовании одно­ступенчатого газонаполненного разрядника возможна передача сигналов частотой выше 1 ГГц.

Защитный уровень такого разрядника зависит от статического разрядного напря­жения и от вольт-секундной характерис­тики. Все защищаемые элементы на входе (антенна, интерфейс данных) в этом случае должны иметь электрическую прочность при импульсе 1,2/50 мкс выше 1 кВ.

В более полной концепции защиты от перенапряжений стремятся к трехступенча­той системе с индуктивными развязываю­щими элементами. Лишь при наличии высокочастотных ответвлений переходят к двухступенчатой схеме с активными развя­зывающими элементами или к одноступен­чатому разряднику.

Рис. 5.22. Короткозамыкатели в электронном уст­ройстве

Любой разрядник в соответствии с прин­ципом работы требует времени для сраба­тывания. Переходные процессы с крутым нарастанием напряжения приводят к воз­растанию напряжения срабатывания раз­рядника. Остающееся напряжение явля­ется важнейшим параметром при выборе разрядника. Для сравнения разрядников используется импульс напряжения крутиз­ной 1 кВ/мкс или импульс 1,2/50 мкс.

Чтобы защитить электрические и элект­ронные приборы от разрушения из-за пере­напряжений и предотвратить этим самым сильные переходные токи, необходимо использовать защитные схемы, способные быстро реагировать на сильные токи и дополнительно создавать низкий уровень остающихся напряжений. Так как переход­ные перенапряжения имеют малое время нарастания в микросекундном и наносекундном диапазоне, то необходимы эле­менты с очень малым временем срабатыва­ния, чтобы осуществить защитные меро­приятия уже на фронте и тем самым сни­зить остающееся напряжение. С помощью таких элементов можно быстро осущест­вить уравнивание потенциалов, т.е. органи­зовать короткое замыкание активных про­водов друг с другом или на землю.

На рис. 5.22 схематически показано элек­тронное устройство с симметричной схемой электропитания, корпус которого соединен с системой уравнивания потенциалов, имею­щей потенциал земли.

Между каждым активным проводом и землей, а также между обоими активными проводами находятся короткозамыкатели S. Если, например, на провод А воздействует перенапряжение, то возникает разность потенциалов как между проводами А и В, предназначенными для рабочего напряже­ния, так и между приводом А и землей. При замыкании выключателя S1 происходит выравнивание потенциалов между прово­дами А и В. Возникающее при этом корот­кое замыкание приводит к исчезновению напряжения между ними. Электронное уст­ройство, таким образом, не чувствует пере­напряжения после замыкания.

После замыкания выключателя создается короткое замыкание между про­водом А и землей. Переходные токи, проте­кающие по этому пути, отводятся в землю, и через электронное устройство не проте­кает кратковременный ток. Одновременно замыкается выключатель включенный между проводом В и землей. Возможно протекание части тока после срабатывания выключателя из проводника А в провод­ник В, а также в землю.

Эффективная защита от перенапряже­ний требует установки разрядников, согла­сованных по мощности и с параметрами системы. Эта установка должна произво­диться квалифицированно. Разрядник, как таковой, не в состоянии обеспечить требуе­мый уровень защиты. После того, как под­ходящий разрядник выбран, правильно установлен при соблюдении важнейших указаний по установке, задачи можно счи­тать выполненными. Указания по уста­новке разрядников рассматриваются ниже. Кроме того, необходимо соблюдать указа­ния изготовителя.

Для сетей электропитания выпуска­ются разрядники от двух- до четырехфазного исполнения как выполненные в одном корпусе, так и модульного одноканального исполнения. Они должны устанавливаться с предохранителями на случаи перегрузки током молнии или током КЗ трансформатора.

Рис. 5.23. Схема с предохранителями , включен­ными последовательно с разрядниками

Предохранитель требуется и на слу­чай КЗ при токах, больших, чем токи, которые разрядник способен отключить самостоятельно из-за износа электродов при частых срабатываниях или при выделе­нии в нем большой энергии. Предохрани­тели в схеме на рис. 5.23 требуются лишь тогда, когда превышаются данные изготовителя для максимального тока пре­дохранителя . Рекомендуется выбирать предохранители и учетом селектив­ности. Это значит, что отношение токов для них должно быть 1:1,6, т.е. должен иметь ток срабатывания на две ступени выше, чем . Если сработает из-за большого тока КЗ трансформатора, то уста­новка остается в работе благодаря не сра­ботавшему .

Для обеспечения селективности сраба­тывания необходимо оценить, какой ток КЗ ожидается при срабатывании разряд­ника. Это можно сделать с помощью табл. 5.2. Она дает ответ на вопрос, какие предохранители следует выбрать при сра­батывании разрядника в соответствии с током КЗ (какой из предохранителей должен сработать, а какой не должен).

Таблица 5.2. Ток КЗ и минимальная уставка предохранителей при использовании разрядников с выдуванием дуги на пластину

Ожидаемый ток КЗ, кА	Реальный эффективный ток КЗ, кА, при номинальном напряжении	Минимальная уставка предохранителей, А, при номинальном напряжении
400 В	230 В	400 В	230 В
4,0	-	2,0	-
3,5	2,4	1,8
3,0	2,0	1,5
2,5	1,7	1,3
2,0	1,4	1,0

При этом становится ясным, реализуется ли селективность срабатывания пре­дохранителей и .

Пример. При определенной конструк­ции разрядника ожидаемый ток КЗ состав­ляет 3,5 кА (2-я строка) в сети 400 В, реаль­ный ток КЗ — 2,4 кА, а в сети 230 В — 1,8 кА. Наименьшее значение — результат влияния на ток КЗ установленного обору­дования и разрядника. Реальные токи КЗ требуют применения для разрядника ука­занного типа в сети 400 В предохранителя на 125 А, а в сети 230 В — на 100 А.

На рис. 5.24 можно видеть, что ток 3,5 кА через разрядник спустя 8,1 мс самостоя­тельно гасится, включенный предохрани­тель на 125 А не срабатывает. По восстанавливающемуся напряжению синусоидальной формы после гашения дуги в разряднике видно, что предохранитель не сработал.

Если разрядник не в состоянии самосто­ятельно отключить сопровождающий ток и одновременно предохранитель имеет слиш­ком высокую уставку, то гашение дуги сопровождающего тока происходит слиш­ком поздно, и разрядник разрушается. Этот процесс показан на рис. 5.25 в опыте с раз­рядниками устаревших конструкций.

Самостоятельное гашение дуги сопро­вождающего тока в разряднике без сраба­тывания предохранителя позволяет обеспе­чить высокую надежность электроснабже­ния приборов и устройств. Само собой разумеется, что предохранитель при высо­ких токах молнии, например, при 30 кА и импульсе 10/350 мкс будет разрушен.

Рис. 5.24. Разрядник отключает ток КЗ самостоятельно

Рис. 5.25. Разрядник не гасит дугу сопровождающего тока

Во время разрушения образуется дуга. Более короткие импульсы (например, 8/80 мкс) или меньшие по амплитуде импульсы 10/350 мкс не разрушают предохранители в питающей сети или в цепи разрядников. В этом случае энергии грозового импульса тока недостаточно, и для разрушения пре­дохранителей необходима энергия источ­ника питания (энергия короткого замыка­ния трансформатора). Дугогасительная воз­можность разрядника и устойчивость пре­дохранителя и провода, идущего к системе уравнивания потенциалов, очень важны. Максимальное сечение плавного предохра­нителя, включаемого последовательно с разрядником, указываются изготовителем. В соответствии с рекомендациями МЭК медный провод, идущий от разрядника к системе уравнивания потенциалов, должен иметь площадь сечения не менее 16 мм².

При срабатывании разрядника, функцио­нирующего на принципе зажигания разряда между электродами, возникают выбросы горячего газа. Это явление не слишком опасно, но его необходимо учитывать. Существуют некоторые рекомендации отде­льных изготовителей по устранению влия­ния выбросов газа на части, находящиеся под напряжением или на горючие матери­алы. На рис. 5.26 показано размещение модульных разрядников в трехфазной сис­теме с безопасным выбросом, при котором разрядники располагаются так, чтобы в зоне выброса отсутствовало оборудование, для которого опасны эти выбросы (зона выброса расположена ниже разрядников ).

Ограничители перенапряжений для защиты от продольных напряжений в рас­пределительной сети на базе варисторов монтируются на шине с присоединением активных проводников и проводов сис­темы уравнивания потенциалов. Если изготовитель задает максимально допусти­мое значение тока предохранителя ограни­чителя перенапряжений, превышающее значение тока через (см. рис. 5.23), то в провод, идущий к ограничителю, включа­ется дополнительный предохранитель с большим допустимым током.

Комбинированные защитные устрой­ства содержат, как правило, ступени тонкой (ограничительный диод или варистор) и грубой (разрядник) защиты. Часто применя­ются трехступенчатые защитные устрой­ства со схемой, показан на рис. 5.27.

Отдельные ограничивающие элементы отделяются друг от друга полными сопро­тивлениями и . В информационно-измерительной сети и - активные сопротивления порядка 10 Ом. В сети электроснабжения это либо катушки индуктив­ности (примерно 10 мкГн), либо провода длиной от 5 до 15 м.

Рис. 5.26. Установка разрядника с газовым выбросом в распределительном

При воздействии импульса перенапря­жения на такое устройство первой срабаты­вает тонкая защита (диод Д). Так как огра­ничительный диод не способен пропускать большой импульсный ток, при возрастании падения напряжения на сопротивлении ток начинает протекать через варистор В. Увеличение напряжения на сопротивле­ниях и приводит к срабатыванию гру­бой защиты — разрядника . В комбиниро­ванном устройстве решается проблема рас­сеиваемой в нем энергии при воздействии импульса перенапряжения. Только незначительная часть импульсного тока протекает через тонкую ступень защиты.

Рис. 5.25. Трехступенчатое защитное устройство и характерные напряжения на его элементах

Работа варистора В облегчается при срабатывании разрядника из-за малого значения его оста­ющегося напряжения.

В комбинированном устройстве реали­зуется существенное снижение перенапря­жения или кондуктивной помехи. Напряже­ние на выходе такого устройства может быть снижено примерно до 10-20 В при входном импульсном напряжении порядка 1 кВ, что наглядно продемонстрировано на рис. 5.27.

Как уже отмечалось, провода, идущие к разряднику и от разрядника к системе урав­нивания потенциалов, выбираются в соот­ветствии с указаниями изготовителя. Они не должны иметь сечение медного провода менее 16 мм². Если речь идет о проводе уравнивания потенциалов, который не используется для уравнивания потенциа­лов при токе молнии, то допускается мини­мальное сечение медного провода 6 мм².

Разрядник, встроенный в прибор, под­ключается к проводам системы электропи­тания на некотором расстоянии от входных элементов прибора. При этом соблюдается следующий принцип: элементы, ограничи­вающие продольное напряжение, должны ограничивать и поперечное напряжение. При установке этого разрядника необхо­димо обращать внимание на максимально допустимые номинальные токи, так как рабочий ток проходит через защитное уст­ройство. Схема защиты прибора приведена на рис. 5.28.

Координация параметров разрядни­ков в сети низкого напряжения. В опи­санной ранее схеме функционирования многоступенчатой защиты с разрядником элементы не должны быть связаны друг с другом. Для развязки можно использовать резисторы или катушки индуктивности. Таким же образом должны быть развязаны элементы и в сети низкого напряжения, т.е. требуется координация параметров разряд­ников. Катушки индуктивности пригодны для развязки лишь в редких случаях, так как для передачи большого длительного тока катушки должны иметь большое сече­ние провода.

Лишь при длительных токах до 60 А в сети питания можно использовать развязы­вающие элементы серийного изготовле­ния. При выборе катушек нужно иметь в виду, что при слишком большой индуктив­ности высокое падение напряжения на раз­вязывающей катушке приведет к частым повторным пробоям разрядника. Для раз­вязки следует использовать только воздуш­ные катушки, так как катушки с железом при больших токах насыщаются, в резуль­тате чего снижается их индуктивность. Поэтому использование индуктивности для развязки ограниченно. Катушка, включае­мая как показано на рис. 5.29, должна иметь индуктивность от 7-15 мкГн.

В большинстве случаев в качестве развя­зывающих элементов используются про­вода электроснабжения главной распреде­лительной сети, местной распределитель­ной сети или провода между местной сетью и конечным прибором.

Рис. 5.28. Защита от перенапряжений при однофазном питании

Длины проводов должны быть такими, чтобы в нормальном режиме ожидаемая крутизна тока пере­ходных процессов обеспечивала достаточ­ное падение напряжения. Перегрузка защит­ного элемента должна быть такой, чтобы при переходных процессах в наиболее про­чном элементе выделялась допустимая энергия. Расчеты и эксперименты показали, что между грозовым разрядником и ОПН длина проводов должна составлять при­мерно 10 м, а между ОПН в сети и защитой прибора — не менее 5 м. Любой металли­ческий провод имеет собственную индук­тивность, которая играет роль индуктив­ности развязки, вместо катушки индуктив­ности в предыдущем случае. Для подтверж­дения этого можно сравнить рис. 5.29 и 5.30.

Функция защитной схемы — координа­ция параметров ее элементов. Например, ограничительный диод бессмысленно коор­динировать с разрядником. Вторая ступень защиты за разрядником может реализо­ваться мощным варистором, выдерживаю­щим ток не менее 10 кА (8/20 мкс). Третья ступень, если она требуется, должна распо­лагаться от защищаемого прибора не менее чем в 5 м от сети питания.

Рис. 5.29. Развязка между разрядником и варисто­ром

Рис. 5.30. Использование провода в качестве развя­зывающего элемента

Если в попереч­ном ответвлении требуется ограничение напряжения, то должны использоваться эле­менты, способные пропустить ток не менее 1,5 кА (8/20 мкс), Нельзя использовать раз­рядник со случайными свойствами без коор­динации его параметров с остальными эле­ментами.

Дата добавления: 2014-01-06