Компоненты и защитные цепи

В случае возникновения перенапряжений, необходимо в кратчайшее время накоротко замкнуть соответствующие устройства и кабели с системой выравнивания 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 диод-супрессора  

Обозначение на схемах и вольт-амперная характеристика диод-супрессора

Характеристики:

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

Особенности:

В наличии есть также диоды с более высоким номинальным напряжением и более высокой пропускной способностью. Однако эти исполнения отличаются существенно большими размерами, и поэтому не используются в комбинированных защитных цепях.

Обозначения:

UR = обратное напряжение
UB = пробивное напряжение
UC = предельное напряжение
IPP = импульс импульсного тока
IR = остаточный 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 защитных устройств.
  • Не вызывают сопровождающего тока в сети.

Особенности:

Варисторы с номинальным разрядным током до 2,5 кА используются в качестве устройств среднечувствительной защиты в КИПиА. В области электроснабжения варисторы с номинальным разрядным током до 3 кА являются важным компонентом защитных цепей в защитных устройствах типа 3 для защиты устройств. Значительно более мощные варисторы используются в устройствах защиты от импульсных перенапряжений типа 2. В стандартном исполнении в этом диапазоне допускается номинальный разрядный ток до 20 кА. Для специальных приложений имеются также защитные устройства типа 2 с номинальным током до 80 кА.

Обозначения:

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

Газонаполненное устройство защиты от импульсных перенапряжений

Обозначение на схемах и характеристика зажигания газонаполненного устройства защиты от импульсных перенапряжений  

Обозначение на схемах и характеристика зажигания газонаполненного устройства защиты от импульсных перенапряжений

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 высокую пропускную способность 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 характеристика зажигания искрового разрядника  

Обозначение на схемах и характеристика зажигания искрового разрядника

Характеристики:

  • Ядро молниезащитного разрядника
  • Высокая способность гашения сопровождающих токов сети
  • Относительно высокая скорость срабатывания
  • Характеристика зажигания зависит от нарастания напряжения во временном промежутке

Особенности:

В большинстве случаев ядром мощного молниезащитного разрядника является искровой разрядник. 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 разрядники. Величина отводимого тока и гасящая способность открытых искровых разрядников больше вследствие физических особенностей.

Технология Arc-Chopping (с амплитудным ограничением) показала себя особенно эффективной для искровых разрядников. При этом напротив электродов дополнительно располагается так называемая перегородка. Электрическая дуга между электродами вытесняется по направлению к этой перегородке, где она разбивается. При этом образуются фрагменты электрической дуги, которые выдуваются из зоны искрового разрядника и потом легко гасятся. Таким образом искровой разрядник 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 защитная цепь с омической развязкой (слева) и трехступенчатая защитная цепь с индуктивной развязкой (справа)

Двухступенчатая защитная цепь с омической развязкой (слева) и трехступенчатая защитная цепь с индуктивной развязкой (справа)

При помощи комбинации различных компонентов можно объединить необходимые и специфичные для них преимущества. Например, комбинация из газонаполненных разрядников и диод-супрессоров представляет собой стандартную защитную цепь для чувствительных интерфейсов сигналов. Эта комбинация обеспечивает эффективную и быстро реагирующую защиту максимального уровня защиты.

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 защитных цепей заключаются в следующем:

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

Функция многоступенчатых защитных цепей

Распределение напряжения в двухступенчатой защитной цепи  

Распределение напряжения в двухступенчатой защитной цепи

В результате перенапряжения сначала срабатывает супрессорный диод как самый быстрый компонент. Разрядный ток протекает через диод-супрессор и подключенное до него развязывающее сопротивление. После развязывающего сопротивления напряжение падает. Оно соответствует значению разницы между различными напряжениями срабатывания диод-супрессора и газонаполненного устройства защиты от импульсных перенапряжений.

Таким образом достигается напряжение срабатывания газонаполненного разрядника до того, как импульсный ток создаст перегрузку в диод-супрессоре. То есть, когда срабатывает газонаполненное устройство защиты от импульсных перенапряжений, то разрядный ток практически полностью проходит через газонаполненный разрядник. Остаточное напряжение после газонаполненного разрядника составляет не более 20 В, что позволяет разгрузить диод-супрессор. При небольшом разрядном токе, который не сможет перегрузить диод-супрессор, газонаполненное устройство защиты от импульсных перенапряжений не срабатывает.

Показанная схема обеспечивает преимущества быстрой реакции при низком ограничении напряжения и одновременно обладает высокой импульсной пропускной способностью. Трехступенчатая защитная цепь с индуктивной развязкой работает по аналогичному принципу. Отличие заключается в том, что переключение происходит в два этапа: сначала с диод-супрессора на варистор, а затем на газонаполненное устройство защиты от импульсных перенапряжений.

Принцип распределения напряжения, как правило, действует также между различными ступенями защиты в области блока питания. При этом происходит падение UW на проводе между защитными устройствами типа 1 и 2, а также между типами 2 и 3. Однако есть также устройства защиты от импульсных перенапряжений для блоков питания, в которых координация между ступенями защиты обеспечивается без учета длины кабелей.

Обозначения:

UG = напряжение срабатывания газонаполненного устройства защиты от импульсных перенапряжений
UD = предельное напряжение диод-супрессора
UW = дифференциальное напряжение через развязывающее сопротивление

PHOENIX CONTACT - Россия
OOO «Феникс Контакт РУС»

119619, Москва,
Новомещерский проезд, д. 9, стр. 1, пом/ком I/88
+7 (495) 933-85-48