4.5.3. Элементы системы защиты от перенапряжений

Защита по напряжению – это защита от импульсных перенапряжений большой мощности, длительностью, как правило, не более 1мс, вызванных разрядами молний, коммутациями в ЛЭП, электрифицированным транспортом и т.п. Основными параметрами элементов защиты по напряжению являются напряжение ограничения, ско­рость срабатывания, максимально допустимый импуль­сный ток. Элементы защиты по напряжению включаются параллельно защищаемой нагрузке.

Элемент защиты по напряжению должен удовлетворять следующим основным

требованиям:

• не допускать утечки через себя полезного сигнала, т. е. в диапазоне передаваемых частот иметь в идеале бесконечное сопротивление;

• при разности потенциалов, превышающей определенное значение, резко уменьшать свое сопротивление;

• многократно выдерживать прохождение импульсных токов.

Конструкция и физические принципы действия элементов защиты по напряжению различны, но их можно разделить на две группы:

• разрядники (принцип действия – дуговой разряд в газе);

• полупроводниковые приборы (пробой p-n переходов).

Разрядники.

Воздушные искровые разрядники используются для защиты по напряжению и имеют очень простую конструкцию. Диэлектриком в них служит воздух. Зазор между электродами не герметизируется, и поэтому напряжение срабатывания сильно зависит от состава воздуха, его загрязненности, давления и влажности. Регулировать напряжение пробоя можно, изменяя форму электродов и расстояние между ними. При возникновении разряда электроды воздушного разрядника разрушаются, и необходим контроль их состояния.

Более совершенными устройствами являются газонаполненные разрядники. Зазор между электродами закрыт стеклянным или керамическим корпусом и заполнен инертным газом (неоном, аргоном) под давлением.

Поверхность электродов покрыта материалом, увеличивающим эмиссию электронов. Внутри поверхности разрядника наносят активный материал, иногда содержащий примесь радиоактивных изотопов, который служит для более быстрого поджигания дуги и увеличения мощности разрядника. Применение этих материалов позволяет создавать разрядники с напряжениями пробоя от 70 вольт до нескольких киловольт со стандартным допуском 20 %.

Принцип работы разрядника представлен на рис. 4.8.

Рис. 4.8: Временная диаграмма работы разрядника.

При напряжении, меньшем напряжения пробоя, разрядник представляет собой диэлектрик с сопротивлением более 100 МОм. Когда напряжение достигает величины (Ua) пробоя, возникает тлеющий разряд. Напряжение тлеющего разряда (Ugl) составляет 70–150 вольт (в зависимости от типа разрядника) при токе от 100 миллиампер до 1,5 ампер. При дальнейшем росте напряжения тлеющий разряд переходит в дуговой разряд (Ubo) с напряжением дуги 10–25 вольт независимо от величины тока. После понижения напряжения до величины напряжения погасания разрядник переходит обратно в высокоомное состояние. Пропускная способность газонаполненных разрядников может быть очень велика. Напряжение пробоя в сильной степени зависит от крутизны фронта импульса.

Чаще всего газонаполненные разрядники применяются в качестве первичной предварительной защиты. Время срабатывания газовых разрядников составляет несколько десятков или даже сотен наносекунд. Эти разрядники широко используются в телекоммуникациях. Однако у них есть свои недостатки. Одним из них является тот факт, что величина напряжения пробоя зависит от скорости роста напряжения. Это вызвано тем, что для ионизации газа внутри разрядника требуется определенное время.

Другая опасность заключается в разрушении разрядника при длительном воздействии перенапряжения. Разрядник способен выдерживать большой ток лишь доли секунды. Потом он может взорваться или нагреться до опасных температур. Для предотвращения нагрева разрядника и возможного возгорания оборудования, в котором он установлен, разрядники могут снабжаться термозащитой – пружинной пластиной, припаянной легкоплавким припоем, которая при разогреве разрядника отпаивается и закорачивает его выводы.

Полупроводниковые элементы.

Среди полупроводниковых элементов, применяемых для защиты по напряжению, наибольшее распространение получили варисторы и супрессоры.

Примерно 10–15 лет назад появились технологии производства высококачественных и недорогих оксидноцинковых варисторов. Это позволяет широко применять варисторы для защиты информационных и электропитающих цепей. Применение варисторов для защиты высокочастотных цепей ограничено их относительно высокой емкостью.

Сопротивление варистора сильно зависит от приложенного к нему напряжения.

Варисторы изготавливаются из металлооксидных частиц (оксид цинка со специальными присадками). Эти частицы спрессованы таким образом, что контакты между ними действуют, как полупроводниковые переходы. Миллионы частиц имитируют работу миллионов диодов, при повышении напряжения пробивается все больше переходов, через варистор начинает протекать ток с выделением тепла. При превышении напряжением порога срабатывания ток через варистор резко возрастает, происходит стабилизация напряжения. Варистор начинает работать в режиме ограничения напряжения

Однако следует помнить, что при возрастании тока увеличивается количество рассеиваемого на варисторе тепла. Поэтому не допускается его длительное использование в режиме ограничения. Такие характеристики варистора как напряжение срабатывания и максимальный ток определяются составом материала, его толщиной и диаметром (как правило, варисторы имеют форму диска).

Варистор проводит намного меньший ток, чем газнаполненный разрядник такого же размера. Существенным преимуществом варистора перед разрядником является его малое время срабатывания (порядка нескольких наносекунд). Поэтому этот элемент используется в измерительных и управляющих системах для защиты от импульсов от 2,5 до 7 килоампер при форме 8/20 микросекунд. Для защиты электропитающих установок используются мощные варисторы, выдерживающие большие импульсные токи.

Супрессорами называются мощные стабилитроны, способные пропускать большие импульсные токи. Они выпускаются в однонаправленном и двунаправленном варианте, выводном и SMD исполнении.

Достоинства супрессоров: высокая скорость срабатывания (доли наносекунд); малая ёмкость (десятки пФ); высокая энергоёмкость, они пропускают большие импульсные токи при малых размерах; пожаробезопасны.

Недостатки: высокая стоимость (в основном применяются в защитных устройствах дорогостоящего оборудования связи)

Сравнительные характеристики элементов защиты по напряжению приведены в таблице 4.2.

Эти элементы предназначены для защиты от длительных воздействий, поэтому требования, предъявляемые к ним, отличаются от требований к элементам защиты по напряжениям. Можно назвать основные: рабочий ток, ток ограничения, остаточный ток, внутреннее сопротивление, время срабатывания, восстанавливаемость, диапазон рабочих температур. Отличается также схема включения этих элементов – если защита по напряжению включается параллельно нагрузке, то защита по току включается последовательно и служит для отсоединения нагрузки от линии. Качественный элемент токовой защиты должен удовлетворять следующим требованиям:

• надежно защищать стоящее за ним оборудование от чрезмерных токов;

• при выходе из строя этот элемент должен обеспечивать обрыв цепи;

• иметь минимальный размер и быть удобным для монтажа;

• должен вносить минимальные помехи в работу аппаратуры связи (иметь минимальное сопротивление);

• должен быть элементом многократного использования (по возможности).

Таблица 4.2.

Параметры	Разрядники	Варисторы	Супрессоры
Напряжения срабатывания, В	75-1000	2-1400	2-500
Импульсный ток, форма 8/20, кА	5- 20	0,4 - 10	0,1-5
Скорость срабатывания, нс.	100-500	25-50	0,1-1
Емкость, на 1МГц, пФ	1-3	50-1000	10-100
Стоимость, у.е.	~ 1	~ 0,2	~ 2
Применение в защитных устройствах оборудования связи	Защита от мощных импульсных помех любой интенсивно- сти, наведённых в воздушных линиях связи., Первый каскад защиты по напряжению	Защита от мало- мощных импульс- ных помех боль- шой интенсивно- сти, наведённых в кабельных линиях связи. Первый/второй ка- скад защиты по напряжению	Защита от мощных импульс-ных помех сред-ней интенсив-ности, наведён-ных в кабельных линиях связи. Второй каскад защиты по напряжению
Применение в защитных устройствах электропитающих установок	Включаются между изолированными частями систем уравнивания потенциалов, заземляющих устройств, металлоконструк-ций, которые электрически не соединены между собой.	Защита от мощных импульсных помех большой интенсив-ности, I, II и III класс защиты	не применяются

В настоящее время на телекоммуникационных сетях применяются элементы токовой защиты основанные на различных физических принципах, самые распространённые:

• плавкие вставки;

• термокатушки;

• позисторы;

• электронный элемент токовой защиты.

Плавкие вставки.

Несмотря на то, что это один из самых старых токоограничивающих элементов, он и по сей день один из самых распространенных. Основным недостатком плавкой вставки, применяемой в устройствах защиты оборудования связи, является высокий разброс (до 50 %) значений тока срабатывания при токах до 300 миллиампер. Применение плавких вставок со стабильными характеристиками дорого и экономически нецелесообразно.

Термокатушки.

Широко применялись в недавнем прошлом для защиты абонентских комплектов АТС. Повышение тока выше определенных пределов вызывало нагрев катушки, что приводило к механическому отключению цепи нагрузки от источника опасного тока. Недостатком термокатушки являются: необходимость их замены после срабатывания; относительно большие размеры и вес; установка только в специальные конструктивы (громполосы); длительное время срабатывания. Тем не менее, этот же принцип работы, реализованный на более высоком технологическом уровне, в некоторых случаях может быть эффективно использован.

Позисторы.

В настоящее время являются наиболее широко распространенными в технике связи элементами токовой защиты. Почти все производители телекоммуникационного оборудования используют эти элементы в своих разработках. При превышении током, проходящим через позистор, некоторого порогового значения, позисторы нагреваются и переходят из низкоомного состояния в высокоомное. Таким образом, они ограничивают протекающий через них ток. После прекращения воздействия позистор остывает и восстанавливает малое внутреннее сопротивление. Именно это свойство является основным преимуществом позисторов перед плавкими вставками и термокатушками, которые являются одноразовыми элементами.

В настоящий момент выпускается два типа позисторов: керамические и на полимерной основе. Керамические позисторы изготавливаются из полупроводниковой керамики. Их сопротивление в несколько раз выше полимерных. Керамические позисторы имеют более стабильные характеристики и высокую стойкость к длительным воздействиям, чем полимерные.

Полимерный позистор (PolySwich) изготавливается из материала, внутри которого формируются низкоомные токопроводящие цепочки из углерода. При превышении током установленных величин, рассеиваемая мощность увеличивается, что вызывает нагрев и расширение полимера. При достижении определенной температуры происходит разрыв токопроводящих цепочек, и элемент переходит в высокоомное состояние. Так происходит отключение защищаемой аппаратуры от линии связи.

Электронный элемент токовой защиты.

Существует другой принцип работы элемента токовой защиты. Предположим, что на пути протекания тока в линии находится нормально замкнутый ключ. Если ток, протекающий в цепи, не превышает заданной величины – ключ находится в исходном состоянии, если ток превышает это значение – ключ размыкается и обрывает цепь протекания тока.

Данный принцип используется в электронных элементах токовой защиты (ЭТЗ-Э). Они обладают следующими параметрами: вносимое сопротивление около 60 Ом; ток ограничения 50–70 миллиампер; время срабатывания несколько микросекунд.

Сравнительные характеристики элементов защиты по току приведены в таблице 4.3.

Уравнивание потенциалов достигается электрическим соединением всех токопроводящих элементов в единую эквипотенциальную систему, частью которой также являются заземляющие устройства. К системе уравнивания потенциалов подключаются:

• металлические конструкции здания, антенн, мачт;

• коммуникации (водопровод, газопровод и т. д.);

• металлические оболочки кабелей;

• корпуса оборудования, кабельросты;

• волноводы и внешние проводники коаксиальных кабелей;

• провода PE и PEN электропитающих установок;

• заземляющие устройства.

Таблица 4.3.

Параметр	ЭТЗ-Э	Керамиче-ский позистор	Полимерный позистор (PolySwich)	Предохрани-тель
Номинальное сопротивление при Т = 25 ОС, не более, Ом.	≤ 60	22 - 62	3-30	единицы
Диапазон рабочих токов (гарантирован-ного несрабатывания), мА.	0-65	0-70	0-120	меньше номинала тока
Ток переключения (срабатывания) 50/60Гц, мА ±10%.	90*	от 90	от 150	2,5 от номинала
Скорость срабатывания, при токе 0,2/0,5/5 А	2/2/2 мс	7/1,5/0,15 с	30/1,5/0,05 с	единицы секунд
Время восстановления	мгновенно	по мере охлаждения, в зависимости от температуры окружающей среды		одноразовый
Количество циклов срабатываний при воздействии Ua.c. = 230 В, не менее, раз.	100	10	10	1
Температура на поверхности элемента в сработавшем состоянии, ОС	не более 30	≤140	≤90	-
Отклонения номинального сопротивления после воздействия Ua.c. = 230 В	нет	±5%	увеличивается на 20%	-
Допустимый ток перегрузки, А.	5	3	5	меньше тока срабатывания
Применение в защитных устройствах оборудования связи	Защита электрон-ных АТС	Защита координатных, декадношаго-вых и электр-онных АТС	Применяется совместно с разрядниками	Не применяется
Применение в защитных устройствах электропитающих установок	-	-	-	Применяются

* – значение тока срабатывания может корректироваться

Важнейшим звеном системы уравнивания потенциалов является заземление, представляющее собой преднамеренное электрическое соединение элементов схем, корпусов аппаратуры, экранов кабелей и других проводящих элементов с точкой, потенциал которой принимается в качестве опорного (нулевого). Обычно в качестве такой точки принимается физическая земля, хотя это и не обязательно. Так, на подвижных объектах (автомашинах, самолетах, судах и т.п.) в качестве опорного выбирается потенциал корпуса («масса»).

Заземление обеспечивает выполнение двух основных задач. Во-первых, оно служит для обеспечения электробезопасности. Действительно, хорошая электрическая связь на низкой частоте между всеми имеющимися на объекте проводящими конструкциями, к которым может прикасаться человек, обеспечивает уравнивание их потенциала. В результате разность потенциалов между любыми доступными прикосновению точками сильно снижается.

Второй задачей заземления является задание единого опорного потенциала для всех элементов электрического или электронного оборудования.

Базовым элементом системы заземления стационарного объекта является заземлитель. Заземлителем называется проводник (электрод), непосредственно соединенный с физической землей, или совокупность таких проводников, электрически связанных между собой. Широко распространены заземлители типа сетки, представляющие собой заглубленную в землю горизонтальную конструкцию из пересекающихся металлических электродов. Сложные заземлители иногда называют контурами заземления.

Заземлитель может быть как искусственным (специально созданным с целью заземления), так и естественным, т.е. не предназначенным специально для организации заземления. В качестве естественных заземлителей могут выступать трубопроводы, железобетонные и металлические элементы фундаментов зданий, металлическая броня кабелей и т.п. К заземлителю присоединяется заземляющий проводник, который связывает с ним все конструкции, электрические и электронные устройства и т.п., подлежащие заземлению. Таких проводников может быть много, они образуют сеть, по сложности сравнимую с сетью питания.

Соединение указанных проводящих цепей между собой следует выполнять при помощи главной заземляющей шины. Главная заземляющая шина может быть выполнена внутри вводного устройства или отдельно от него. Внутри вводного устройства в качестве заземляющей шины следует использовать шину РЕ. При отдельной установке главная заземляющая шина должна быть расположена в доступном, удобном для обслуживания месте, вблизи вводного устройства электроустановки здания. РЕ-проводник (PEN-проводник) питающей линии должен быть подключен к шине РЕ заземляющего устройства, которая соединяется с главной заземляющей шиной при помощи проводника, проводимость которого должна быть не менее проводимости РЕ (PEN) проводника питающей линии. При выполнении главной заземляющей шины как внутри вводного устройства, так и при отдельной установке, ее проводимость должна быть не менее проводимости PEN-проводника питающей линии. Главная заземляющая шина желательно должна быть медной. Допускается выполнение главных заземляющих шин из стали. Применение главных заземляющих шин из алюминия не допускается.

Очень часто возникает ситуация, когда сложная электронная аппаратура при подключении её к защитному заземляющему устройству объекта отказывается работать из-за наличия некоторого потенциала или больших помех на элементах схемы заземления. Обычно в подобных случаях используется специальное дополнительное заземляющее устройство, электрически не связанное с защитным заземлением (так называемое функциональное заземление). При этом сразу же встаёт вопрос защиты оборудования, подключённого к такому заземляющему устройству, от перенапряжений, возникающих, например, при ударе молнии в систему молниезащиты здания. Для уравнивания очень большой разности потенциалов, возникающей в этом случае, между двумя независимыми заземляющими устройствами (защитным и функциональным) может устанавливаться специальный потенциаловыравнивающий разрядник, который в исходном состоянии обеспечивает гальваническую развязку между этими заземляющими устройствами, а при возникновении перенапряжений кратковременно соединяет их, уравнивая потенциалы.

С точки зрения защиты современной телекоммуникационной аппаратуры от перенапряжений материалам, из которых изготавливаются элементы системы уравнивания потенциалов, следует уделять особое внимание.

Энергетический спектр наиболее мощной помехи – молнии достигает сотен килогерц, а частоты помех искусственного происхождения в настоящее время измеряются в мегагерцах.

Рассмотрим зависимость активной и индуктивной составляющей сопротивления проводников от частоты протекающего тока. Активная составляющая сопротивления проводника с ростом частоты возрастает за счет влияния скин-эффекта. Одно из его проявлений состоит в том, что величина переменного тока от поверхности к центру проводника убывает. Расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока убывает в е раз (т.е. имеет значение 37% от максимальной), называется глубиной скин-слоя.

Для меди на промышленной частоте 50 Гц толщина скин-слоя равна примерно 10 мм, а на частоте 10 МГц - около 10 мкм.

Магнитная проницаемость стали приблизительно в 1000 раз (в зависимости от марки) выше, чем у меди, а удельная проводимость примерно в 7 раз ниже. Тогда глубина скин-слоя на частоте 50 Гц составит 0, 8 мм, а на 10 мГц - менее 1 мкм.

Влияние скин-эффекта можно оценить такой величиной, как время заполнения током толщины проводника. Медный одножильный провод сечением 16 мм² заполняется током примерно за 1,5 мкс, стальной проводник того же сечения (при относительной магнитной проницаемости, равной 1000) за 25 мкс.

Индуктивная составляющая сопротивления проводника зависит от собственной индуктивности и частоты. Расчеты показывают, что индуктивность одного метра проводника круглого сечения площадью 16 мм² составляет: для стали 5 мГн, для меди - 1,2 мкГн, а на сверхвысокой частоте для любого проводящего материала или сплава 1,16 мкГн.

Волновые свойства эквипотенциальных проводников представляют практический интерес не только для разработчиков оборудования. Эти свойства должны учитываться при его монтаже в тех случаях, когда частота помехи достигает десятков мегагерц, а длина волны становится сопоставима с длиной заземляющего проводника.

Из курса электротехники известно, что для переменного электрического тока

с длиной волны проводник длиной имеет бесконечное сопротивление.

Рассмотрим случай, показанный на рис.4.9. Фильтр, предназначенный для фильтрации высокочастотной помехи, подключен к системе уравнивания потенциалов кабелем длиной 2,5 метра. Составляющую помехи с длиной волны 10 м (частота около 30 мГц) такой кабель не пропустит, и фильтр свою задачу не выполнит.

Рис 4.9: Схема включения фильтра в цепь выравнивания потенциалов.

Нередко заземляющий проводник прокладывается по кабельростам, также подключенным к системе уравнивания потенциалов. В этом случае система проводник – кабельрост может рассматриваться, как линия передачи с волновым сопротивлением Z₀.

(4.2)

Волновое сопротивление такой линии с ростом частоты не возрастает непрерывно, а имеет параллельные (высокое сопротивление) и последовательные (низкое сопротивление) резонансы.

Линия передачи, образующаяся при прокладке кабеля заземления, показана на рис. 4.10, а ее эквивалентная схема – на рис. 4.11.

Рис. 4.10: Линия передачи, образующаяся при прокладке кабеля заземления.

Рис. 4.11: Эквивалентная схема линии передачи, образующейся при прокладке кабеля заземления.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы.

1. Скин-эффект в десятки раз сильнее проявляется в стальных, чем в медных или алюминиевых проводниках. За счет скин-эффекта активное сопротивление проводников значительно увеличивается.

2. Время заполнения током медных проводников сопоставимо с длительностью фронта импульсных помех (8-10 мкс), а стальных - превышает длительность фронта тока молнии и длительность импульса помех, наводимых за счет индуктивных наводок.

3. Индуктивность проводников из немагнитных материалов с ростом частоты практически не изменяется.

4. Индуктивность стальных проводников на любых частотах выше, чем медных (на низких частотах в тысячи раз). С ростом частоты индуктивность проводника из магнитного материала уменьшается за счет снижения внутренней индуктивности. Сечение проводника, по которому протекает ток, а следовательно и внутренняя индуктивность обратно пропорционально квадратному корню из частоты. Индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте. Таки образом, несмотря на снижение индуктивности, с ростом частоты индуктивное сопротивление растет.

5. Возможное совпадение четверти длины волны помехи и длины заземляющего проводника обязательно должно учитываться при проектировании и монтаже объектов, (из-за присутствия помехи).

6. Влияние параллельных резонансов, при которых резко возрастает волновое сопротивление проводника заземления, не учитывается ни проектировщиками, ни, тем более, строительно-монтажными организациями, хотя очевидно, что это явление может оказывать влияние на работу систем связи. Этот вопрос требует дополнительного изучения.