Компоненты и защитные устройства

В случае возникновения перенапряжений, необходимо в кратчайшее время накоротко замкнуть соответствующие устройства и кабели с системой уравнивания потенциалов. Для этих целей имеются различные компоненты с соответствующими характеристиками. В основном, эти элементы различаются характеристикой срабатывания и величиной отводимого тока.

Супрессорные диоды

Обозначение на схемах и вольт-амперная характеристика супрессорного диода  

Обозначение на схемах и вольт-амперная характеристика супрессорного диода

Характеристики:

  • В общем случае функция определяется как высокочувствительная защита.
  • Очень короткое время реагирования.
  • Низкое ограничение напряжения.
  • Стандартное исполнение с низкой допустимой токовой нагрузкой и высокой пропускной способностью.
    • Максимальная величина отводимого тока составляет около 750 A при номинальном напряжении 5 В.
    • При увеличении номинального напряжения значительно уменьшается величина отводимого тока.

Особенности:

В наличии есть также диоды с более высоким номинальным напряжением и более высокой величиной отводимого тока. Однако эти исполнения отличаются существенно большими размерами, и поэтому не используются в комбинированных защитных схемах.

Обозначения:

UR = блокирующее напряжение
UB = пробивное напряжение
UC = напряжение ограничения
IPP = импульс ударного тока
IR = блокирующий ток

Варисторы

Обозначение на схемах и вольт-амперная характеристика металлооксидных варисторов  

Обозначение на схемах и вольт-амперная характеристика металлооксидных варисторов

Характеристики:

  • В общем случае функция определяется как среднечувствительная защита.
  • Время срабатывания находится в нижнем диапазоне наносекунд.
  • Более быстрая реакция, чем у газонаполненных разрядников.
  • Не вызывают сопровождающего тока в сети.

Особенности:

Варисторы с номинальным отводимым импульсным током до 2,5 кА используются в качестве устройств среднечувствительной защиты в КИПиА. В области источника питания варисторы с номинальным отводимым импульсным током до 3 кА являются важным компонентом схем в разрядниках типа 3 для защиты устройств. Значительно более мощные варисторы используются в разрядниках типа 2. В стандартном исполнении в этом диапазоне допускаются номинальные отводимые импульсные токи до 20 кА. Для специальных приложений имеются также разрядники типа 2 с номинальным током до 80 kA.

Обозначения:

A = высокоомный рабочий диапазон
B = низкоомный рабочий диапазон / диапазон ограничения

Газонаполненный разрядник

Обозначение на схемах и ВАХ газонаполненного разрядника  

Обозначение на схемах и ВАХ газонаполненного разрядника

Характеристики:

  • В общем случае функция определяется как среднечувствительная защита.
  • Время срабатывания находится в среднем диапазоне наносекунд.
  • Стандартные варианты позволяют отводить токи до 20 кА.
  • Несмотря на большую величину отводимого тока компонент имеет совсем небольшие размеры.

Особенности:

В этом компоненте вольт-амперная характеристика с зависимостью напряжения от времени приводит к остаточным напряжениям, которые могут достигать до нескольких 100 В.

Обозначения:

1) Статическая характеристика параметра срабатывания
2) Динамическая характеристика параметра срабатывания

Искровые разрядники

Обозначение на схемах и ВАХ искрового разрядника  

Обозначение на схемах и ВАХ искрового разрядника

Характеристики:

  • Ядро молниеразрядника
  • Высокая способность гашения сопровождающих токов сети
  • Относительно высокая скорость срабатывания
  • ВАХ зависит от нарастания напряжения во временном промежутке

Особенности:

В большинстве случае ядром мощного молниеразрядника является искровой промежуток. В этом компоненте два искровых рога располагаются друг против друга на небольшом расстоянии. В результате перенапряжения происходит пробой между искровыми рогами и возникает электрическая дуга. Этот плазменный промежуток закорачивает перенапряжение. При этом протекают очень высокие токи с круто возрастающей характеристикой, величина которых достигает трехзначного значения в кА. Есть открытые и закрытые искровые промежутки. Величина отводимого тока и гасящая способность открытых искровых промежутков больше вследствие физических особенностей.

Технология Arc-Chopping (с амплитудным ограничением) показала себя особенно эффективной для искровых промежутков. При этом напротив электродов дополнительно располагается так называемый экран. Электрическая дуга между электродами вытесняется по направлению к этому экрану, где она разбивается. При этом образуются фрагменты электрической дуги, которые выдуваются из зоны искрового промежутка и потом легко гасятся. Таким образом искровой промежуток может снова стать высокоомным, когда больше нет перенапряжения.

Обозначения:

UZ = напряжение срабатывания / отпирающее напряжение
tZ = время срабатывания

Комбинированные схемы защиты для сигнальных интерфейсов

В зависимости от ситуации применяются различные компоненты. Они могут комбинироваться по отдельности или в составе комплексных защитных схем.

Двухступенчатая схема защиты с омической развязкой (слева) и трехступенчатая схема защиты с индуктивной развязкой (справа)

Двухступенчатая схема защиты с омической развязкой (слева) и трехступенчатая схема защиты с индуктивной развязкой (справа)

При помощи комбинации различных компонентов можно объединить необходимые и специфичные для них преимущества. Например, комбинация из газовых разрядников и суперссорных диодов представляет собой стандартную схему защиты для чувствительных интерфейсов сигналов. Эта комбинация обеспечивает эффективную и быстро реагирующую защиту максимально возможного уровня.

Компоненты косвенно подключаются в виде ступеней защиты по параллельной схеме. То есть между компонентами подключаются омические или косвенные элементы развязки. Это приводит к смещению времени срабатывания ступенчато расположенных ступеней защиты.

Принципиальные различия схем защиты заключаются в следующем:

  • Количество ступеней защиты
  • Направление действия схемы (продольная или поперечная защита)
  • Номинальное напряжение
  • Гасящее действие на сигнальные частоты
  • Уровень защиты (напряжение ограничения)

Функция многоступенчатых схем защиты

Распределение напряжения в двухступенчатой схеме защиты  

Распределение напряжения в двухступенчатой схеме защиты

В результате перенапряжения сначала срабатывает супрессорный диод как самый быстрый компонент. Ток утечки протекает через супрессорный диод и подключенное до него развязывающее сопротивление. После развязывающего сопротивления напряжение падает. Оно соответствует значению разницы между различными напряжениями срабатывания супрессорного диода и газонаполненного разрядника импульсных перенапряжений.

Таким образом достигается напряжение срабатывания газового разрядника до того, как импульсный ток создаст перегрузку в супрессорном диоде. То есть, когда срабатывает газонаполненный разрядник импульсных перенапряжений, то ток утечки практически полностью проходит через газовый разрядник. Остаточное напряжение после газового разрядника составляет не более 20 В, что позволяет разгрузить супрессорный диод. При небольшом токе утечки, который не сможет перегрузить супрессорный диод, газонаполненный разрядник импульсных перенапряжений не срабатывает.

Показанная схема обеспечивает преимущества быстрой реакции при низком ограничении напряжения и одновременно обладает высокой импульсной пропускной способностью. Трехступенчатая схема защиты с индуктивной развязкой работает по аналогичному принципу. Отличие заключается в том, что переключение происходит в два этапа: сначала с супрессорного диода на варистор, а затем на газонаполненный разрядник импульсный перенапряжений.

Принцип распределения напряжения, как правило, действует также между различными ступенями защиты в области блока питания. При этом происходит падение UW на проводе между разрядниками типа 1 и 2, а также между типами 2 и 3. Однако есть также концепции разрядников для источников питания, при которых координация между ступенями защиты обеспечивается без учета длины проводов.

Обозначения:

UG = напряжение срабатывания газонаполненных разрядников импульсных перенапряжений
UD = напряжение ограничения супрессорного диода
UW = разностное напряжение после развязывающего сопротивления

ТОО «ФЕНИКС КОНТАКТ КАЗАХСТАН»

050022, г. Алматы
Офис 42, ул. Масанчи, 98А
+ 7 727 390 10 61
+ 7 702 000 10 61