5.4.4. Общие концепции схем защиты

В зависимости от назначения и конструкции отдельная симметричная пара может быть защищена трехточечной (первичной) схемой защиты или пятиточечной схемой, в которой можно выделить первичную и вторичную схемы защиты (рис.5.14).

Рис.5.14. Структурные схемы трехточечной и пятиточечной схем защиты

Трехточечная защита

В трехточечной защите входные клеммы точки а и а'совпадают с выходнымиbиb'. Это позволяет получить защитные цепи только с ограничением напряжения. Это соответствует традиционной форме защиты с помощью разрядников. Часто используются либо два двухполюсных разрядника, либо один трёхэлектродный разрядник, который идеально подходит для 3-х точечной защиты. В качестве дополнительной защиты от гальванических помех всегда рекомендуется использовать защиту самого разрядника от тепловых перегрузок (fail-safe).

Рис.5.15. Принципиальные схемы трехточечных схем защиты кабельных цепей с защитой самих разрядников.

На рисунке 5.16 показана зависимость напряжения на разряднике первичной защиты от времени для 230 Вгазоразрядной трубки при воздействии импульса перенапряжения с длительностью10/700 мкс(скорость нарастания5 кВ/мкс). Из рисунка видно, что происходит быстрое повышение напряжения до тех пор пока не сработает разрядник и не поглотит энергию.

Ступенчатая пятиточечная защита

Недостатки трёхточечной защиты:

отсутствие ограничения тока

отсутствие возможности разрыва

привели к разработке более сложных 5-ти точечных схем защиты.

В пятиточечной схеме защиты входные точки а и а'и выходные точкиbиb'развязаны, делая возможным одновременное использование токовой защиты или огрничителей тока и быстродействующих ограничителей напряжения.

Рис.5.16. Зависимости напряжений и токов в одно- и двухступенчатой защите.

Другие преимущества пятиточечной схемы защиты заключаются в возможности иметь точки тестирования и измерения и токоограничивающие компоненты в последовательной ветви, такие как резисторы, индуктивности, плавкие предохранители или резисторы с положительным температурным коэффициентом.

Пики напряжения, передаваемые через газоразрядную трубку из-за задержки зажигания, могут быть поглощены посредством быстродействующих компонентов защиты от перенапряжения, таких как стабилитроны, тиристоры или варисторы.

Конкретные схемы пятиточечной защиты

Преимуществом ступенчатой защиты является большая поглощающая способность (емкость газоразрядной трубки) и высокое быстродействие элементов второй ступени.

Элемент второй ступени защиты по напряжению подвергается воздействию «остаточного импульса», который всё ещё существует из-за задержки в образовании искры разрядника. Газоразрядная трубка должна поглотить большую часть энергии, сгенерированной импульсом перенапряжения.

Развязывающее устройство ограничения тока (резистор, плавкий предохранитель, резистор с положительным температурным коэффициентом или индуктивность) подавляют остаточный импульс газоразрядной трубки.

Если ток протекает через элемент второй ступени защиты, на развязывающем устройстве возникает падение напряжения, которое сохраняет относительно низкий потенциал на элементе второй ступени защиты и высокий на разряднике до тех пор, пока он не сработает, что гарантирует желаемое распределение энергии импульсной помехи.

В принципе пики напряжения до 1100 В со скоростью нарастания порядка1 кВ/мкс могут ограничиваться только элементами второй ступени защиты: стабилитроном, тиристорным диодом или варистором.

Рис.5.17. Принципиальная схема пятиточечной схемы защиты с индуктивностями и варисторами.

В этом случае для того, чтобы вызвать срабатывание газоразрядной трубки также полезно устанавливать развязывающий резистор, на котором возникает падение напряжения за счет тока диода. Это увеличивает напряжение на газоразрядной трубке, вероятность ее срабатывания возрастает, а после срабатывания она поглотит основную часть энергии импульса перенапряжения.

Рис.5.18. Принципиальная схема пятиточечной схемы защиты с резисторами и стабилитронами.

В качестве развязывающих устройств можно использовать также индуктивности, а в качестве элементов ограничивающих ток - резисторы с положительным температурным коэффициентом.

Типичный пример хорошей пятиточечной защиты (рис.5.19) включает трехэлементный керамический разрядник для нагрузки переменного тока 5 А/сили8/20импульсной нагрузки5 кА. В устройстве защиты предусмотрено устройство, защищающее сам разрядник (fail-safe). В качестве элемента второй ступени защиты по напряжению предусмотрен варистор, а в качестве развязывающего устройства и самовосстанавливающегося предохранителя используется резистор с положительным температурным коэффициентом. Может быть предусмотрена точка для тестирования и измерения параметров линии.

Рис.5.19. Принципиальная схема пятиточечной схемы защиты с резисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления и варисторами.