3.7.2. Средства защиты

Эффективной защитой кабелей от магнитного поля молнии являются стальные трубы (нельзя использовать трубы из нержавеющей стали, которая не является ферромагнитным материалом) [Барнс].

Рис. 3.112. Появление высоких напряжений на элементах гальванической развязки при ударе молнии

Для защиты от перенапряжений используются газонаполненные разрядники, варисторы, TVS-диоды и TVS-тиристоры (Transient Voltage Suppressor - "подавитель переходных напряжений"). Защитные элементы бывают двух типов: ограничивающие и шунтирующие (закорачивающие). Ограничивающие элементы стабилизируют напряжение в линии на некотором уровне, например, на уровне напряжения стабилизации для ограничивающих стабилитронов (TVS-диодов). Шунтирующие элементы снижают напряжение в линии до напряжения открытого состояния защитного элемента, например, до напряжения на тиристоре в открытом состоянии при защите TVS-тиристором.

В газонаполненных разрядниках при некотором напряжении начинается лавинный пробой в газе и образуется канал с плазмой, имеющий низкое сопротивление. При этом напряжение на разряднике падает, энергия наведенного молнией импульса выделяется в виде тепла в подводящих проводах, на балластном резисторе (если он имеется) и на самом разряднике. Недостатком газовых разрядников является большое время срабатывания (от 0,1 мкс до единиц микросекунд), ограниченный срок службы и низкая надежность, которая связана с возможной разгерметизацией трубки при ее нагреве. Однако газовые разрядники выдерживают очень большой ток, что делает их пригодными для выполнения первой ступени защиты, с напряжением ограничения перенапряжения обычно от 90 В до 1 кВ. Несмотря на низкое быстродействие, газовые разрядники способны рассеять основную часть энергии, пропуская на выход только короткий выброс в начале импульса. Поэтому совместно с газовыми разрядниками в качестве второй ступени защиты используются более быстродействующие элементы - варисторы и TVS-диоды.

Металло-окисные варисторы (MOV - Metal-Oxide Varistor) изготавливаются в форме диска, площадь которого пропорциональна допустимому току. Материалом для изготовления служит порошкообразный карбид кремния и связующее вещество (жидкое стекло, лаки, смолы). Варистор можно упрощенно представить как множество полупроводниковых p-n-переходов, которые включены последовательно и параллельно. Поэтому сопротивление варистора падает с простом приложенного напряжения. Недостатком варисторов является сильная нестабильность напряжения срабатывания во времени и деградация параметров с каждым актом срабатывания. Напряжение срабатывания варисторной защиты лежит в диапазоне от нескольких вольт до 1,5 кВ, ток - от единиц ампер до десятков тысяч ампер, время срабатывания составляет несколько наносекунд.

Наилучшим элементом защиты являются TVS диоды и TVS тиристоры, которые известны также под торговыми марками Trans Zorb, Transil,Insel.

TVS тиристоры представляют собой обычный тиристор со стабилитроном в цепи управляющего электрода. При повышении напряжения на стабилитроне более напряжения стабилизации в управляющий электрод начинает протекать ток, отпирающий тиристор. Открытый тиристор выполняет роль шунтирующего элемента, понижая напряжение в защищаемой линии до 1-2 Вольт. После окончания импульса молнии ток линии становится меньше тока удержания тиристора и он переходит в запертое состояние. TVS тиристоры имеют время срабатывания около нескольких наносекунд.

TVS диоды имеют такую же структуру, технологию изготовления и принцип действия, как обычные стабилитроны (основаны на лавинном пробое p-n-перехода), но спроектированы специально для работы при больших токах малой длительности и имеют малую емкость обратно смещенного p-n-перехода. Благодаря монокристальной кремниевой технологии параметры TVS диодов стабильны во времени. Время срабатывания достигает нескольких пикосекунд. Напряжение срабатывания задается техпроцессом и лежит в диапазоне от 2,8 В до 440 В. Для уменьшения емкости диода, которая шунтирует промышленную сеть, последовательно с TVS-диодом включают обычный кремниевый диод с малой емкостью (около 100 пФ). При отсутствии импульсов перенапряжения оба диода заперты, поэтому линия шунтируется только емкостью диода. TVS диоды изготавливаются двух видов: однонаправленные и двунаправленные (симметричные), состоящие из двух последовательно соединенных диодов, направленных встречно. Время срабатывания у однонаправленных TVS диодов составляет единицы пикосекунд, у двунаправленных - единицы наносекунд. TVS диоды и тиристоры способны рассеивать мощность до нескольких киловатт при импульсе перенапряжения длительностью до 1000 мкс, пропуская ток до тысяч ампер.

а)	б)
Рис. 3.113. Защита линий интерфейса RS-485 от перенапряжений

На рис. 3.113 показаны две схемы построения цепей защиты для промышленной сети на основе интерфейса RS-485. На рис. 3.113-а показана схема на симметричных TVS диодах и двухэлектродных газонаполненных разрядниках. В качестве балластного резистора могут быть использованы позисторы, которые увеличивают свое сопротивление при нагревании протекающим током. На рис. 3.113-б показана аналогичная схема, но с применением несимметричных TVS-диодов и трехэлектродного газонаполненного разрядника. Поскольку балластный резистор включен последовательно с линией передачи, его сопротивление стараются сделать по возможности меньшим.

Частично импульсы перенапряжения можно уменьшить с помощью фильтров на конденсаторах, однако конденсаторы часто представляют собой недопустимо большую емкостную нагрузку для защищаемой цепи.

Устройства защиты разных интерфейсов и цепей различаются напряжением срабатывания (ограничения). Для телефонных линий это напряжение составляет 65 В, для Ethernet - 5В, для сетей на основе интерфейса RS-485 - 7,5 В.