5.4. Защитные устройства

5.4.1. Приборы для ограничения перенапряжений в цепях

Элементы для защиты от перенапряжений используют нелинейные эффекты, замыкая цепь между защищаемым проводом и землей. Наведенный на проводе заряд уходит в землю. При этом напряжение между проводом и землей уменьшается. Однако во время этого процесса могут возникать большие токи, которые могут привести к перегреву прибора и его разрушению. Рассмотрим различные приборы для ограничения напряжения. Искровые разрядники нами уже были рассмотрены.

Газовые разрядники

Электроды, между которыми происходит разряд, помещаются в герметичный стеклянный корпус, наполненный газом (например, неоном или аргоном) под определённым давлением. Поверхности электродов покрываются активными веществами, способствующими возникновению газового разряда. Эти меры позволяют поддерживать напряжение срабатывания разрядника (обычно от 70 В до нескольких кВ) в пределах определённого диапазона отклонений (например, + 20%). На рисунке 5.14 показана конструкция 2-х электродного защитного разрядника перенапряжения.

Рис.5.14. Конструкция типичного двухэлектродного разрядника.

Для защиты симметричной линии связи можно использовать два двухэлектродных разрядника, каждый из которых включается между проводниками и землей (рис.5.15).

Рис. 5.15. Схема включения двухэлектродных газовых разрядников для защиты приемника сигнала.

При воздействии мощной импульсной помехи (например, грозовой) в определенном сечении симметричной линии на ее проводах возникает высокое напряжение относительно земли. Для симметричной цепи это практически одинаковые напряжения по амплитуде и форме (помеха общего вида). Эти импульсные помехи по двум несимметричным линиям, образованным проводниками симметричной линии и землей распространяются в стороны ближнего и дальнего концов. Нас интересует в первую очередь импульсная помеха, распространяющаяся в сторону приемника. Если параметры передачи несимметричных линий (постоянная распространения и волновое сопротивление) одинаковы, то помехи на входах приемника будут одинаковыми и дифференциальная помеха, ухудшающая качество связи, будет стремиться к нулю. Однако напряжения относительно земли могут быть большими и представлять опасность для приемного оборудования и обслуживающего персонала. Срабатывание разрядников уменьшает эту опасность.

Такая защита симметричной цепи имеет существенный недостаток, связанный с разбросом напряжения пробоя разрядников. Для эффективной защиты симметричной цепи необходимо одновременное срабатывание обоих разрядников. При срабатывании только одного разрядника возникает очень большая дифференциальная помеха с напряжением порядка напряжения пробоя разрядника. Это явление было известно на ранних этапах развития связи, когда по двухпроводным симметричным цепям в основном передавали телефонные сигналы. При срабатывании одного разрядника в телефоне абонента возникал очень сильный звук, который получил название «акустический удар». Для того, чтобы заставить разрядники срабатывать одновременно можно использовать, так называемую, «дренажную катушку», представляющую собой трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, намотанными в два провода на тороидальный сердечник (рис.5.16).

Рис. 5.16. Схема включения двухэлектродных газовых разрядников с дренажной катушкой.

При срабатывании одного разрядника через обмотку дренажной катушки начинает протекать ток, а на ее обмотке действует полное напряжение импульсной помехи. Во второй обмотке возникает такое же напряжение, которое практически удваивает напряжение помехи на втором разряднике и он немедленно срабатывает. Так достигается практически одновременное срабатывание разрядников. Отметим, что после срабатывания разрядников дренажная катушка имеет сопротивление стремящееся к нулю для помех, и следовательно хорошо подавляет помехи, и весьма большое индуктивное сопротивление для сигнала, и следовательно не ослабляет сигнал, делая возможным его передачу даже при сработавших разрядниках.

Для защиты симметричных цепей были также специально разработаны трехэлектродные газовые разрядники (рис.5.17), которые можно рассматривать как сочетание двух двухэлектродных разрядников с общей разрядной камерой.

Рис.5.17. Конструкция типичного трехэлектродного разрядника.

Такая конструкция гарантирует одновременное возникновение дуги в двух камерах так, что обеспечивается эффективная защита даже при некоторой неодинаковости напряжений помех на проводах симметричной пары по отношению к земле. Характеристики газового разряда зависят от скорости возрастания напряжения.

Рис.5.18. Физические процессы в разряднике

Рассмотрим физические процессы в двухэлектродном газовом разряднике при воздействии импульса имеющего характер грозового импульса. В процессе нарастания напряжения до достижения напряжения пробоя V_a газовый разрядник представляет собой изолятор (R  100 Мом). При достижении напряжения пробоя появляется электрический ток, величина которого ограничивается внутренним сопротивлением цепи. Из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении цепи напряжение на разряднике скачком падает. Однако напряжение на разряднике остается достаточно большим для поддержания в нем тлеющего разряда. С дальнейшим возрастанием входного напряжения ток быстро растет. Растет и напряжение на разряднике. При напряжении V_gl (70...150 В в зависимости от типа разрядника) и токе величиной 0,1.. 1,5 А возникают условия для возникновения дугового разряда, при котором напряжение на разряднике уменьшается до 10-25 В. При дальнейшем увеличении входного напряжения условия для дугового разряда сохраняются и ток продолжает расти, а после достижения максимума ток начинает уменьшаться вместе с уменьшением входного напряжения. Напряжение на разряднике в режиме дугового разряда практически не меняется и остается малым. При уменьшении тока дуги наступает момент, когда энергии для поддержания дуги оказывается недостаточно, она погасает и разрядник переходит в непроводящее состояние.

Защита самих разрядников от температурных перегрузок

Газовые разрядники обычно выдерживают разряд переменного тока до нескольких ампер (или несколько кА в случае импульсных токов). Например, 5 А нагрузки переменного тока и 5 кА импульсной нагрузки 8/20). Под действием напряжения дугового разряда разрядник нагревается менее чем за секунду.

В случае EМI-AC (электромагнитных помех переменного тока) или гальванических влияний может произойти температурная перегрузка разрядника и выход его из строя. Разрушаясь, разрядник, как правило, разрывает защищаемую цепь. Это в свою очередь может вновь вызвать перенапряжение со всеми, вытекающими из этого, последствиями. Для защиты людей и оборудования при перегреве разрядника его конструкция дополняется «отказоустойчивым» защитным устройством, которое замыкает накоротко электроды разрядника, прежде чем он будет разрушен под действием термических перегрузок. Защита продолжает действовать.

На рис.5.8 показана конструкция трехэлектродного «отказоустойчивого» разрядника, которая содержит штырь из легкоплавкого материала и пружину короткого замыкания. При температуре плавления материала плавкого штыря недостаточной для разрушения конструкции разрядника штырь расплавляется и освободившаяся металлическая пружина замыкает все электроды. После устранения неисправности разрядник необходимо заменить.

Рис.5.8. Конструкция трехэлектродного разрядника с защитой от температурных перегрузок

Ограничения

Замыкания с силовыми цепями и наводки переменного тока на телефонные линии представляют собой основные причины повреждения оборудования. Однако это не все проблемы.

В настоящее время абоненты имеют право подсоединять к телефонной сети собственное оборудование, например, модемы, факсы, автоответчики и т.п. Их использование связано с риском, т.к. короткое замыкание внутри этих устройств может подключать телефонные линии к цепям питания переменным током.

Рассмотрим случай замыкания одного из проводов телефонной линии с сопротивлением R₀ (Ом/км) на силовой провод с действующим значением напряжения 220 В (амплитуда U_m=311 В) на некотором расстоянии l от абонента, у которого установлена сетевая карта с сопротивлением R_c=100 Ом (рис.5.9). Сетевая карта защищена трехэлектродным разрядником с напряжением пробоя 275 В. Однако разрядник срабатывает только в том случае, когда напряжение достаточно для его срабатывания, т. е. при малом расстоянии от места замыкания. При сравнительно больших расстояниях до замыкания разрядник не срабатывает, и через сетевую карту протекает большой ток с амплитудой

, (5.6)

где - сопротивление проводника от места замыкания до сетевой карты.

На рис.5.9 показана зависимость амплитуды тока помех через сетевую карту в зависимости от расстояния до места замыкания. Чрезмерный длительно протекающий переменный ток через сетевую карту может вывести ее из строя. При этом могут быть повреждены микросхемы или возникнуть возгорания.

Максимальное напряжение, возникающее на разряднике, будет меньше из-за падения напряжения , которое с увеличением расстояния между точкой замыкания проводов и защищаемым оборудованием возрастает.

Замыкание с линией переменного тока, возникшее на расстоянии 1000 м от защищаемой сетевой карты, вызывает на разряднике и сетевой карте напряжение переменного тока с амплитудой 125 В, что недостаточно для зажигания обычного разрядника (с номинальным напряжением пробоя 230 + 20%). Этого, однако достаточно, чтобы вызвать действующее значение тока в сетевой карте 900 мА. Так как замкнутое состояние может продолжаться в течение длительного промежутка времени, то никакая сетевая карта не сможет выдержать долго такой ток.

Для предотвращения этого можно установить дополнительную защиту в виде нелинейных полупроводниковых приборов (варистора или стабилитрона), которые смогут решить эту проблему.

Рис.5.9. Зависимость тока, протекающего через нагрузку линии, от расстояния между местом замыкания и нагрузкой.

Варисторы

Для ограничения напряжения на защищаемом объекте используют варисторы, которые являются керамическими приборами на основе оксида цинка, легированного другими материалами. Варистор имеет сопротивление, зависящее от напряжения, что дало ему название VDR - зависимый от напряжения резистор. На рис. 5.10 приведены вольтамперные характеристики трех варисторов с различными напряжениями ограничения.

Рис.5.10. Вольтамперные характеристики трех варисторов.

Ток варистора I резко возрастает при возрастании напряжения U на нем. Он выполняет роль ограничителя напряжения.

Стабилитроны (диоды Зенера)

Стабилитроны выполняют в электронных схемах функции стабилизаторов напряжения. В отличие от обычных диодов при определенном обратном напряжении (стабилизации) в них возникает обратимый пробой. Существует много типов стабилитронов с различными напряжениями стабилизации от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Они также отличаются допустимыми максимальными токами. При последовательном встречном включении двух стабилитронов они могут использоваться для ограничения переменного напряжения. как пол

Двунаправленные стабилитроны имеют характеристики подобные варистору. Нелинейность здесь значительно больше, чем у варистора так, что открытие диода более резко выражено. Поэтому в этом случае более четко определено напряжение ограничения.

Структура стабилитрона соответствует встречному соединению двух диодов с получением симметричной характеристики (рис.5.11).

Рис.5.11. Обозначение и вольтамперная характеристика стабилитрона.

P-n переход диода Зенера включен в обратном напряжении и через переход проходит малый обратный ток. Когда напряжение превысит определённый уровень V_z, возникает обратимый пробой и через р-n переход начинает протекать ток, величина которого ограничивается внешним сопротивлением. Это напряжение называется напряжением стабилизации V_z. Эффект стабилизации в стабилитроне выражен сильнее, чем в варисторе.

Энергия, поглощаемая стабилитронами без разрушения, меньше чем у варисторов из-за того, что у стабилитрона тепловая энергия в основном выделяется в р-n переходе, а у варистора в его относительно большом объеме. Это выражается в меньшей перегрузочной способности (теплоемкости) диодов Зенера. Тепловая перегрузка в стабилитронах может быть скомпенсирована использованием металлических теплоотводов, однако это значительно увеличивает размеры прибора.

Тиристорные диоды (динисторы)

Варисторы и диоды Зенера поглощают много энергии из-за большого падения напряжения от токов разряда. При работе защитных приборов не только допустимо, но и желательно уменьшить напряжение на них до величины ниже защитного уровня и даже ниже рабочего напряжения для того, чтобы уменьшить потребление энергии. Это характерно для газовых разрядников, в которых возникает дуговой разряд.

Рис.5.12. Обозначение и вольтамперная характеристика динистора.

Среди полупроводниковых приборов такой характеристикой обладают двухэлектродные тиристоры или динисторы. Динистор в исходном состоянии закрыт до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя, после чего тиристорный диод открывается, напряжение резко уменьшается до нескольких вольт и через динистор течёт значительный ток разряда, но при низком напряжении. Поэтому в динисторе выделяется значительно меньше тепловой энергии, чем в стабилитроне.

При уменьшении тока разряда ниже некоторого минимума динистор закрывается и напряжение на нем возрастает до начальных условий. Помимо двухэлектродных тиристоров существуют трехэлектродные тиристоры, у которых есть управляющий электрод. Используя управляющий электрод, можно изменять напряжение пробоя в меньшую сторону.

Тиристоры пригодны в качестве одно и двухполярных компонентов, характеризуемых высокими токами и малым временем отклика. Динисторы используют для ограничения напряжений свыше 50 В и до сотен В, а трехэлектродные тиристоры используют для меньших напряжений и в тех случаях,когда нужна регулировка напряжения срабатывания.