лекция. Пята я типовые схемы сетей электроснабжения и размещение в них защитных устройств

• Название: Пята я типовые схемы сетей электроснабжения и размещение в них защитных устройств
• Анкор: лекция.docx
• Дата: 17.01.2018
• Размер: 7.85 Mb.
• Имя файла: лекция.docx
• Тип: Глава; #14355
• страница: 2 из 18

Рис. 5.12. Возникновение дополнительного напряжения
Дополнительное напряжение также возникает, если ОПН соединяется с заземленной точкой системы уравнивания потенциалов защищаемого объекта (электронного прибора). Так как переходный ток ограничителя через заземляющий провод проходит сначала через шину электронного прибора и затем уходит в землю, то перенапряжение между активными проводами и -потенциалом электронного прибора прямо зависит от расстояния между разрядником и защищаемым объектом (рис. 5.13). С каждым удвоением этого расстояния также удваивается значение перенапряжения. Защитное действие варистора становится частичным или совсем утрачивается.

Дополнительное напряжение также возникает, если разрядник и защищаемый электронный прибор отдельно, как показано на рис. 5.14, заземлены с общей точкой заземления. Перенапряжение между тремя активными проводами и -потенциалом электронного прибора зависит в этом случае от расстояния между опорной точкой разрядника и общей точкой.

Рис. 5.13. Неверно выполненное заземление защиты от перенапряжений и защищаемого электронного прибора

Рис. 5.14. Неправильное заземление ограничителя перенапряжений и защищаемого электронного прибора

Рис. 5.15. Правильное заземление ограничителя перенапряжений и защищаемого электронного прибора
Здесь также удвоение длины проводов между опорной точкой разрядника и общей точкой дает примерно удвоение перенапряжения. Потенциал, возникающий на разряднике за счет переходных токов, протекающих по проводу до точки заземления, согласно закону индукции равен
. (5.1)
Ток по второму проводу возвращается в общую точку. Потенциал шины электронного прибора равен индуктированному напряжению. Как уже отмечалось в первом примере (см. рис. 5.12), действие ограничителя перенапряжений ослабляется или теряется полностью.

По-другому работает схема, представленная на рис. 5.15. Защищаемый электронный прибор связан с потенциалом земли не непосредственно, а через опорную точку ОПН. Разность потенциалов между шиной электронного прибора и активными проводами соответствует разности потенциалов между землей и активными проводами. Высокая разность потенциалов между опорной точкой ОПН и шиной уравнивания потенциалов не оказывает влияния на электронный прибор. Увеличение расстояния между ОПН и защищаемым объемом не изменяет перенапряжения на электронном приборе, так как через провод заземления переходный ток на изолированный электронной прибор не попадает.

В то время как система уравнивания потенциалов, описанная ранее, должна выполняться по возможности сеточной, чтобы уменьшить разность потенциалов между двумя любыми точками, защищаемые объекты к этой системе должны присоединяться звездообразно расположенными проводами. Перед центральной точкой звезды располагаются, прежде всего, ОПН, а затем на одном из лучей звезды - защищаемые электронные приборы. Для снижения стоимости, экономии места и эффективного расположения необходимо предусмотреть последовательную установку ОПН, используя, по крайней мере, два зажима . На рис. 5.16 показана звездообразная схема соединения электронных приборов, защищенных варисторами, работающая совместно с сеточной системой уравнивания потенциалов.

Импульсы испытательных токов и напряжений. Импульс испытательного тока при коммутациях регламентирован нормами МЭК-60-1. На рис. 5.17, а представлен импульс испытательного тока 8/20 мкс. Этот импульс в некоторых нормативных документах обозначается как импульс 6,4/16 мкс. При этом длительностью фронта считается интервал времени между значениями тока 0,1 и 0,9, а за длительность импульса принимается интервал времени между значениями тока 0,5 максимального, расположенными на восходящей и нисходящей частях кривой импульса (рис. 5.17, б).


Рис. 5.16. Соединение электронных приборов, снабженных ограничителями перенапряжения с системой уравнивания потенциалов

Рис. 5.17. Импульсы испытательных токов:

а - 8/20 мкс; б - 6,4/16 мкс
Длительность фронта импульса 8/20 мкс определяется с помощью вспомогательной прямой, проведенной по точкам, соответствующим 10 и 90 % максимального значения тока. Разница во временах при пересечении этой прямой с осью абсцисс и горизонтальной прямой, проведенной через точку максимума, должна составлять 8 мкс. Допуск на длительность фронта составляет ±10 % (±0,8 мкс). Длительность импульса определяется как время от условного начала импульса до момента уменьшения импульса до 50 % максимального значения. Длительность стандартного испытательного импульса составляет 20 ± 2 мкс. Аналогично характеризуются и другие импульсы испытательных токов, например импульсы 8/80; 10/350; 0,25/100 мкс.

Импульс 8/20 мкс непосредственно не связан с током молнии. Он появляется при перекрытии изоляции в результате грозовых перенапряжений или срабатывания разрядников, нелинейных ОПН. Его фронт и длительность формируются переходными процессами.

Импульсный ток принято выражать в процентах максимального значения. С помощью стандартного импульса 8/20 мкс определенной амплитуды характеризуют способность разрядников выдерживать токовые нагрузки. Выдерживаемый обычно указывается изготовителем в паспорте разрядника.

Нормированные грозовые импульсы испытательных токов различаются при разных полярностях заряда грозового облака. При отрицательном заряде немецкими индустриальными нормами DIN 48810 установлен импульс тока первой вспышки 8/80 мкс. Импульс тока повторной вспышки при отрицательно наряженном облаке 0,25/100 мкс. Импульс тока молнии, развивающейся с положительно заряженного облака, установленный нормами МЭК, имеет длительность фронта 10 мкс и время спада до 50 % максимального значения — 350 мкс Этот импульс обозначается 10/350 мкс.

На рис. 5.18 дано сравнение типичных испытательных импульсов тока (амплитуда 50 кА — импульс 10/350 мкс и импульс 8/80 мкс, а также импульс 8/20 мкс амплитудой 15 кА). Различные площади, ограниченные кривыми, наглядно демонстрируют различие в требованиях, предъявляемых к разрядникам при положительной и отрицательной полярностях. Заряд при импульсе 10/350 мкс примерно в 20 раз превышает заряд при импульсе 8/20 мкс. Поэтому важно сравнивать не только амплитуды, но и учитывать форму импульсов. Например, варистор не способен выдерживать токи 50 кА 10/350 или 8/80 мкс, но выдержит такой ток при импульсе 8/20 мкс.

Разрядники могут выдерживать токи, несущие большую энергию.

Важной характеристикой защитных элементов является падение напряжения на них. Если речь идет о разряднике, то это падение напряжения в приэлектродных зонах и на канале разряда. Для варистора важным является остающееся напряжение во много раз большее, чем падение напряжения на разряднике при соизмеримых токах.

При испытаниях изоляции на электрическую прочность принят импульс перенапряжений 1,2/50 мкс (МЭК-60-1). Этот импульс показан на рис. 5.19, а. Длительность фронта определяется так же, как и на рис. 5.17, а, однако используются точки 30 и 90 %. Длительность импульса принимается как время спада напряжения до 50 % максимального значения. Обычно напряжение определяется в процентах максимального значения. Этот импульс обозначается 1/50 мкс, если интервалы времени обозначить как на рис. 5.17, б.

При сравнении разрядников остающееся напряжение определяется пря одном и том же токе.

Во многих публикациях при рассмотрении переходных токов и напряжений используются упомянутые выше нормированные формы импульсов. Эти формы импульсов очень важны как для расчетов возникающих перенапряжений, так и для определения рассеиваемой энергии в разрабатываемых разрядниках и ОПН.

Рис. 5.18. Формы импульсов испытательных токов

Рис. S.19. Формы импульсов перенапряжений:

а - 1,2/50 мкс; б - 1/50 мкс
Кроме того, на их основе определяются остающиеся напряжения в зависимости от времени срабатывания разрядника. По времени нарастания амплитуды импульса тока можно определить крутизну .

Если известны индуктивность проводов и схема их прокладки или элементы, обтекаемые током, то по закону индукции напряжение на проводе с индуктивностью можно определить по формуле (5.1).

Речь идет о динамическом процессе, который должен отображать формы импульсов тока.

Для характеристики мощности ОПН решающим является не только максимальный протекаемый ток, но и время, в течение которого ток протекает через ограничитель. На характеристике ток - время, которую можно представить графически, площадь представляет собой заряд

Для сравнительных рассмотрений применяется другая характеристика - интеграл

Эту энергию предпочтительно использовать для оценки нагрева защищаемого устройства или прибора при известном активном сопротивлении цепи, по которой протекает ток.
5.2. СХЕМЫ ЗАЩИТ СЕТЕЙ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Варисторы и ограничительные диоды имеют относительно высокую емкость. Они образуют совместно с индуктивностями проводов и развязывающими индуктивностями фильтр низких частот (рис. 5.20). При частотах полезного сигнала примерно до 30 кГц применение обычных ограничителей не вызывает трудностей. При более высоких частотах демпфирующее действие ОПН становится большим и наступает искажение полезного сигнала или даже его подавление.

Рис. 5.20. Фильтр низких частот

Рис. 5.21. Мостовая схема с малой емкостью
Устройства для передачи сигналов с большими частотами выполняются без варисторов. Кроме того, оказывает влияние демпфирование в цепях, в которых вместо развязывающей индуктивности использовано активное сопротивление. Такие устройства можно использовать при передаваемых частотах от нескольких сотен килогерц до нескольких мегагерц.

Если передаваемая частота превышает указанный предел, то возможно применение двухступенчатого ограничителя, имеющего мостовую схему (рис. 5.21). В зависимости от механической конструкции эту схему можно заключить в корпус. При этом можно достичь частоты до 200 МГц при затухании 3 дБ. При использовании одноступенчатого газонаполненного разрядника возможна передача сигналов частотой выше 1 ГГц.

Защитный уровень такого разрядника зависит от статического разрядного напряжения и от вольт-секундной характеристики. Все защищаемые элементы на входе (антенна, интерфейс данных) в этом случае должны иметь электрическую прочность при импульсе 1,2/50 мкс выше 1 кВ.

В более полной концепции защиты от перенапряжений стремятся к трехступенчатой системе с индуктивными развязывающими элементами. Лишь при наличии высокочастотных ответвлений переходят к двухступенчатой схеме с активными развязывающими элементами или к одноступенчатому разряднику.

Рис. 5.22. Короткозамыкатели в электронном устройстве
Любой разрядник в соответствии с принципом работы требует времени для срабатывания. Переходные процессы с крутым нарастанием напряжения приводят к возрастанию напряжения срабатывания разрядника. Остающееся напряжение является важнейшим параметром при выборе разрядника. Для сравнения разрядников используется импульс напряжения крутизной 1 кВ/мкс или импульс 1,2/50 мкс.

Чтобы защитить электрические и электронные приборы от разрушения из-за перенапряжений и предотвратить этим самым сильные переходные токи, необходимо использовать защитные схемы, способные быстро реагировать на сильные токи и дополнительно создавать низкий уровень остающихся напряжений. Так как переходные перенапряжения имеют малое время нарастания в микросекундном и наносекундном диапазоне, то необходимы элементы с очень малым временем срабатывания, чтобы осуществить защитные мероприятия уже на фронте и тем самым снизить остающееся напряжение. С помощью таких элементов можно быстро осуществить уравнивание потенциалов, т.е. организовать короткое замыкание активных проводов друг с другом или на землю.

На рис. 5.22 схематически показано электронное устройство с симметричной схемой электропитания, корпус которого соединен с системой уравнивания потенциалов, имеющей потенциал земли.

Между каждым активным проводом и землей, а также между обоими активными проводами находятся короткозамыкатели S. Если, например, на провод А воздействует перенапряжение, то возникает разность потенциалов как между проводами А и В, предназначенными для рабочего напряжения, так и между приводом А и землей. При замыкании выключателя S1 происходит выравнивание потенциалов между проводами А и В. Возникающее при этом короткое замыкание приводит к исчезновению напряжения между ними. Электронное устройство, таким образом, не чувствует перенапряжения после замыкания.

После замыкания выключателя создается короткое замыкание между проводом А и землей. Переходные токи, протекающие по этому пути, отводятся в землю, и через электронное устройство не протекает кратковременный ток. Одновременно замыкается выключатель включенный между проводом В и землей. Возможно протекание части тока после срабатывания выключателя из проводника А в проводник В, а также в землю.

Эффективная защита от перенапряжений требует установки разрядников, согласованных по мощности и с параметрами системы. Эта установка должна производиться квалифицированно. Разрядник, как таковой, не в состоянии обеспечить требуемый уровень защиты. После того, как подходящий разрядник выбран, правильно установлен при соблюдении важнейших указаний по установке, задачи можно считать выполненными. Указания по установке разрядников рассматриваются ниже. Кроме того, необходимо соблюдать указания изготовителя.

Для сетей электропитания выпускаются разрядники от двух- до четырехфазного исполнения как выполненные в одном корпусе, так и модульного одноканального исполнения. Они должны устанавливаться с предохранителями на случаи перегрузки током молнии или током КЗ трансформатора.


Рис. 5.23. Схема с предохранителями ,включенными последовательно с разрядниками
Предохранитель требуется и на случай КЗ при токах, больших, чем токи, которые разрядник способен отключить самостоятельно из-за износа электродов при частых срабатываниях или при выделении в нем большой энергии. Предохранители в схеме на рис. 5.23 требуются лишь тогда, когда превышаются данные изготовителя для максимального тока предохранителя . Рекомендуется выбирать предохранители и учетом селективности. Это значит, что отношение токов для них должно быть 1:1,6, т.е. должен иметь ток срабатывания на две ступени выше, чем . Если сработает из-за большого тока КЗ трансформатора, то установка остается в работе благодаря не сработавшему .

Для обеспечения селективности срабатывания необходимо оценить, какой ток КЗ ожидается при срабатывании разрядника. Это можно сделать с помощью табл. 5.2. Она дает ответ на вопрос, какие предохранители следует выбрать при срабатывании разрядника в соответствии с током КЗ (какой из предохранителей должен сработать, а какой не должен).
Таблица 5.2. Ток КЗ и минимальная уставка предохранителей при использовании разрядников с выдуванием дуги на пластину

Ожидаемый ток КЗ, кА	Реальный эффективный ток КЗ, кА, при номинальном напряжении		Минимальная уставка предохранителей, А, при номинальном напряжении
	400 В	230 В	400 В	230 В
4,0	-	2,0	-	125
3,5	2,4	1,8	125	100
3,0	2,0	1,5	125	100
2,5	1,7	1,3	100	80
2,0	1,4	1,0	80	63

При этом становится ясным, реализуется ли селективность срабатывания предохранителей и .

Пример. При определенной конструкции разрядника ожидаемый ток КЗ составляет 3,5 кА (2-я строка) в сети 400 В, реальный ток КЗ — 2,4 кА, а в сети 230 В — 1,8 кА. Наименьшее значение — результат влияния на ток КЗ установленного оборудования и разрядника. Реальные токи КЗ требуют применения для разрядника указанного типа в сети 400 В предохранителя на 125 А, а в сети 230 В — на 100 А.

На рис. 5.24 можно видеть, что ток 3,5 кА через разрядник спустя 8,1 мс самостоятельно гасится, включенный предохранитель на 125 А не срабатывает. По восстанавливающемуся напряжению синусоидальной формы после гашения дуги в разряднике видно, что предохранитель не сработал.

Если разрядник не в состоянии самостоятельно отключить сопровождающий ток и одновременно предохранитель имеет слишком высокую уставку, то гашение дуги сопровождающего тока происходит слишком поздно, и разрядник разрушается. Этот процесс показан на рис. 5.25 в опыте с разрядниками устаревших конструкций.

Самостоятельное гашение дуги сопровождающего тока в разряднике без срабатывания предохранителя позволяет обеспечить высокую надежность электроснабжения приборов и устройств. Само собой разумеется, что предохранитель при высоких токах молнии, например, при 30 кА и импульсе 10/350 мкс будет разрушен.

Рис. 5.24. Разрядник отключает ток КЗ самостоятельно


Рис. 5.25. Разрядник не гасит дугу сопровождающего тока
Во время разрушения образуется дуга. Более короткие импульсы (например, 8/80 мкс) или меньшие по амплитуде импульсы 10/350 мкс не разрушают предохранители в питающей сети или в цепи разрядников. В этом случае энергии грозового импульса тока недостаточно, и для разрушения предохранителей необходима энергия источника питания (энергия короткого замыкания трансформатора). Дугогасительная возможность разрядника и устойчивость предохранителя и провода, идущего к системе уравнивания потенциалов, очень важны. Максимальное сечение плавного предохранителя, включаемого последовательно с разрядником, указываются изготовителем. В соответствии с рекомендациями МЭК медный провод, идущий от разрядника к системе уравнивания потенциалов, должен иметь площадь сечения не менее 16 мм².

При срабатывании разрядника, функционирующего на принципе зажигания разряда между электродами, возникают выбросы горячего газа. Это явление не слишком опасно, но его необходимо учитывать. Существуют некоторые рекомендации отдельных изготовителей по устранению влияния выбросов газа на части, находящиеся под напряжением или на горючие материалы. На рис. 5.26 показано размещение модульных разрядников в трехфазной системе с безопасным выбросом, при котором разрядники располагаются так, чтобы в зоне выброса отсутствовало оборудование, для которого опасны эти выбросы (зона выброса расположена ниже разрядников ).

Ограничители перенапряжений для защиты от продольных напряжений в распределительной сети на базе варисторов монтируются на шине с присоединением активных проводников и проводов системы уравнивания потенциалов. Если изготовитель задает максимально допустимое значение тока предохранителя ограничителя перенапряжений, превышающее значение тока через (см. рис. 5.23), то в провод, идущий к ограничителю, включается дополнительный предохранитель с большим допустимым током.

Комбинированные защитные устройства содержат, как правило, ступени тонкой (ограничительный диод или варистор) и грубой (разрядник) защиты. Часто применяются трехступенчатые защитные устройства со схемой, показан на рис. 5.27.

Отдельные ограничивающие элементы отделяются друг от друга полными сопротивлениями и . В информационно-измерительной сети и - активные сопротивления порядка 10 Ом. В сети электроснабжения это либо катушки индуктивности (примерно 10 мкГн), либо провода длиной от 5 до 15 м.

Рис. 5.26. Установка разрядника с газовым выбросом в распределительном
При воздействии импульса перенапряжения на такое устройство первой срабатывает тонкая защита (диод Д).Так как ограничительный диод не способен пропускать большой импульсный ток, при возрастании падения напряжения на сопротивлении ток начинает протекать через варистор В. Увеличение напряжения на сопротивлениях и приводит к срабатыванию грубой защиты — разрядника . В комбинированном устройстве решается проблема рассеиваемой в нем энергии при воздействии импульса перенапряжения. Только незначительная часть импульсного тока протекает через тонкую ступень защиты.


Рис. 5.25. Трехступенчатое защитное устройство и характерные напряжения на его элементах
Работа варистора В облегчается при срабатывании разрядника из-за малого значения его остающегося напряжения.

В комбинированном устройстве реализуется существенное снижение перенапряжения или кондуктивной помехи. Напряжение на выходе такого устройства может быть снижено примерно до 10-20 В при входном импульсном напряжении порядка 1 кВ, что наглядно продемонстрировано на рис. 5.27.

Как уже отмечалось, провода, идущие к разряднику и от разрядника к системе уравнивания потенциалов, выбираются в соответствии с указаниями изготовителя. Они не должны иметь сечение медного провода менее 16 мм². Если речь идет о проводе уравнивания потенциалов, который не используется для уравнивания потенциалов при токе молнии, то допускается минимальное сечение медного провода 6 мм².

Разрядник, встроенный в прибор, подключается к проводам системы электропитания на некотором расстоянии от входных элементов прибора. При этом соблюдается следующий принцип: элементы, ограничивающие продольное напряжение, должны ограничивать и поперечное напряжение. При установке этого разрядника необходимо обращать внимание на максимально допустимые номинальные токи, так как рабочий ток проходит через защитное устройство. Схема защиты прибора приведена на рис. 5.28.

Координация параметров разрядников в сети низкого напряжения. В описанной ранее схеме функционирования многоступенчатой защиты с разрядником элементы не должны быть связаны друг с другом. Для развязки можно использовать резисторы или катушки индуктивности. Таким же образом должны быть развязаны элементы и в сети низкого напряжения, т.е. требуется координация параметров разрядников. Катушки индуктивности пригодны для развязки лишь в редких случаях, так как для передачи большого длительного тока катушки должны иметь большое сечение провода.

Лишь при длительных токах до 60 А в сети питания можно использовать развязывающие элементы серийного изготовления. При выборе катушек нужно иметь в виду, что при слишком большой индуктивности высокое падение напряжения на развязывающей катушке приведет к частым повторным пробоям разрядника. Для развязки следует использовать только воздушные катушки, так как катушки с железом при больших токах насыщаются, в результате чего снижается их индуктивность. Поэтому использование индуктивности для развязки ограниченно. Катушка, включаемая как показано на рис. 5.29, должна иметь индуктивность от 7-15 мкГн.

В большинстве случаев в качестве развязывающих элементов используются провода электроснабжения главной распределительной сети, местной распределительной сети или провода между местной сетью и конечным прибором.

Рис. 5.28. Защита от перенапряжений при однофазном питании
Длины проводов должны быть такими, чтобы в нормальном режиме ожидаемая крутизна тока переходных процессов обеспечивала достаточное падение напряжения. Перегрузка защитного элемента должна быть такой, чтобы при переходных процессах в наиболее прочном элементе выделялась допустимая энергия. Расчеты и эксперименты показали, что между грозовым разрядником и ОПН длина проводов должна составлять примерно 10 м, а между ОПН в сети и защитой прибора — не менее 5 м. Любой металлический провод имеет собственную индуктивность, которая играет роль индуктивности развязки, вместо катушки индуктивности в предыдущем случае. Для подтверждения этого можно сравнить рис. 5.29 и 5.30.

Функция защитной схемы — координация параметров ее элементов. Например, ограничительный диод бессмысленно координировать с разрядником. Вторая ступень защиты за разрядником может реализоваться мощным варистором, выдерживающим ток не менее 10 кА (8/20 мкс). Третья ступень, если она требуется, должна располагаться от защищаемого прибора не менее чем в 5 м от сети питания.


Рис. 5.29. Развязка между разрядником и варистором


Рис. 5.30. Использование провода в качестве развязывающего элемента
Если в поперечном ответвлении требуется ограничение напряжения, то должны использоваться элементы, способные пропустить ток не менее 1,5 кА (8/20 мкс), Нельзя использовать разрядник со случайными свойствами без координации его параметров с остальными элементами.
5.3. ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ УРАВНИВАНИЯ

ПОТЕНЦИАЛОВ И ОГРАНИЧЕНИЯ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Отключение длительного КЗ выключателями в схеме на рис. 5.22 было бы лучшей защитой от перенапряжений, но работа электроники при КЗ была бы невозможна. Поэтому вместо выключателей необходимы элементы, которые контролировали бы напряжение между обоими проводами и выключались бы после исчезновения напряжения. Эти элементы из-за известного времени нарастания переходных процессов должны срабатывать за наносекунды.

Электромеханические устройства работают слишком медленно. Ниже рассмотрим элементы, пригодные для защиты от перенапряжений, а также отметим их преимущества и недостатки.

Газонаполненные разрядники. Специально для телекоммуникационных устройств уже десятки лет изготавливаются газонаполненные разрядники. Эти разрядники, несмотря на малые размеры, имеют очень большие мощности. Газонаполненные разрядники, показанные на рис. 5.31, способны пропускать токи переходных процессов в десятки килоампер (импульс 8/20 мкс). Разрядник состоит из малой стеклянной или керамической трубочки, по обоим концам которой расположены металлические электроды. Герметичное газоразрядное пространство между этими электродами заполнено благородным газом, преимущественно аргоном или неоном.

Рис. 5.31. Газонаполненные разрядники
Электроды в разрядном пространстве покрыты активирующей массой. Специальные газонаполненные разрядники имеют вспомогательный электрод для зажигания (рис. 5.32). Чтобы гарантировать малый разброс разрядного постоянного напряжения, газонаполненные разрядники имеют внутри слабое радиоактивное покрытие. В зависимости от типа и изготовителя достижимы токи до 40 кА (импульс 8/20 мкс). В ступени грубой защиты для измерительной, управляющей и регулировочной техники, а также в устройствах обработки данных требуются разрядники на 2,5; 5 и 10 кА (импульс 8/20 мкс).

Если между электродами приложить напряжение, которое равно или больше напряжения зажигания (рис. 5.33), то разрядник зажигается. Если этот элемент используется как коммутатор, то говорят о его «жестком» режиме.

После зажигания напряжение между электродами падает сначала до напряжения тлеющего разряда, а потом при возрастании тока в газонаполненном разряднике — до напряжения горения дуги. Напряжение горения дуги составляет обычно 10-20 В. Газонаполненные разрядники очень быстро срабатывают (характерные времена срабатывания лежат в микросекундной области).

Недостатки газонаполненных разрядников связаны с характеристиками зажигания и с гашением сопровождающего тока. На рис. 5.33 показано напряжение зажигания в зависимости от нарастания переходного напряжения. Медленно нарастающее напряжение с крутизной примерно 100 В/с пересекает характеристику зажигания в момент , в области электрической прочности при постоянном напряжении. Напряжение пробоя обозначено через . При более быстрых переходных процессах в микросекундной области имеет место пересечение характеристики зажигания при существенно большем напряжении. На рис. 5.33 точка пересечения обозначена координатами и . Это напряжение может превышать электрическую прочность разрядника при постоянном напряжении во много раз. Таким образом, газонаполненный разрядник имеет зависящую от времени характеристику зажигания. Это означает, что защитный уровень при защите от переходных перенапряжений нельзя точно сформулировать. Этот эффект объясняется тем, что для ионизации благородного газа требуется время.

Рис. 5.32. Разрядник с устройством, облегчающим зажигание
Если газонаполненный разрядник зажегся, то он должен выдержать сопровождающий ток КЗ соответствующего контура, особенно при малом полном сопротивлении сети. Это является побочным эффектом, так как газонаполненный разрядник после окончания переходных процессов должен отключить этот ток. Газонаполненный разрядник не в состоянии долгое время пропускать сетевой ток, и поэтому либо разрушается спустя некоторое время, либо перекрывается.

На рис. 5.34 обозначен сопровождающий ток из сети, протекающий через газонаполненный разрядник после его срабатывания. В сети с малым полным сопротивлением из-за большого тока дуга не гаснет при переходах тока через ноль. В этом случае следует использовать вспомогательное средство гашения - включенный последовательно с разрядником предохранитель . В сети с высоким полным сопротивлением даже при номинальном напряжении и при постоянном напряжений проблем с гашением дуги не возникает. В цепях постоянного тока с номинальным напряжением, меньшим падения напряжения на дуге, газонаполненный разрядник гасит дугу самостоятельно.

Варисторы. Варистор - элемент с «мягкой» характеристикой. Он получил название от английского «variable resistor», состоит из большого числа последовательно и параллельно соединенных диодов. В то время как раньше использовались только варисторы из карбида кремния, в последние годы применяются, как правило, оксидно-цинковые варисторы (ZnO). Часто эти варисторы обозначаются MOVS (metal oxide varistor).

Главное применение оксидно-цинковых варисторов - защита от перенапряжений - вытекает из вольт-амперной характеристики. На рис. 5.35 для сравнения приведены вольт-амперные характеристики оксидно-цинкового и кремний-карбидного варисторов.

Рис. 5.33. Характеристика зажигания газонаполненного разрядника

Рис. 5.34. Сопровождающий ток, протекающий через газонаполненный разрядник
Оксидно-цинковый варистор даже в килоамперной области имеет более низкий уровень остающегося напряжения.

Спеченный материал для оксидно-цинкового варистора состоит на 90 % из оксида цинка и на 10 % из оксидов других металлов. Эффект варистора возникает на границе зерен оксида цинка (рис. 5.36). Большое число микроваристоров образуют варистор, который при увеличении площади приобретает способность пропускать большие токи. С увеличением толщины варисторной шайбы повышается защитный уровень, так как число включенных последовательно микроваристоров (падение напряжения на каждом из них составляет несколько вольт) возрастает. Из рис. 5.35 и 5.36 можно сделать выводы о возможностях варистора и об ограничении остающегося напряжения.

Варистор имеет симметричную вольт-амперную характеристику, с увеличением напряжения сопротивление падает, и, следовательно, при импульсном воздействии потенциал может быть ограничен. Поэтому варистор является хорошим элементом для защиты от перенапряжений.


Рис. 5.35. Типичные вольт-амперные характеристики оксидно-цинкового А и кремний-карбидного В варисторов
Он реагирует на появление напряжений за наносекунды; т.е. существенно быстрее, чем описанные газонаполненные разрядники.

Недостатками варисторов при их использовании для защиты от перенапряжений являются средняя способность поглощать энергию, старение, сравнительно высокая емкость, а также меньшие, по сравнению с разрядниками, токи.

В сетях низкого напряжения применяются варисторы при токах в несколько десятков килоампер (импульс 8/20 мкс). В принципе этого достаточно для ограничения перенапряжений в электрических устройствах. Применяемые варисторы способны пропустить токи (импульсы 10/350 мкс) только до нескольких килоампер.

Переход от запертой области в открытую, который представлен коленом на рис. 5.35, происходит не скачком, однако очень быстро, в течение сотен пикосекунд. Преимущества варисторов — короткое время срабатывания, ограничение напряжения при возникновении разности потенциалов примерно 1,8 номинального. Характеристики варисторов высокого напряжения (ОПН) приведены в [30].

Ограничительные диоды — кремниевые полупроводниковые устройства, служащие для одностороннего или двустороннего ограничения импульсов напряжения, обусловленных переходными процессами, разрядами статического электричества или наведенными электромагнитными импульсами.

Рис. 5.36. Микроструктура оксиодно-цинкового варистора
Время срабатывания ограничительных диодов - единицы пикосекунд на I обратной ветви вольт-амперной характеристики, единицы наносекунд - на прямой ветви. Импульсные токи диодов - до сотен ампер, входная емкость - до сотен 'пикофарад. Напряжение ограничения - вольты, десятки и сотни вольт.

Разрядники для уравнивания потенциалов в сетях электроснабжения. Если при перенапряжениях, вызванных коммутациями, разрядами статического электричества и т.д., кратковременное КЗ, т.е. уравнивание потенциалов, осуществляется с помощью варистора, газонаполненных разрядников, ограничительных диодов, то при грозовом разряде эту функцию может выполнить специальный разрядник. Грозовой разряд несет большую энергию, которую способен поглотить только искровой разрядник.

Большая энергия получается не только из-за высоких амплитуд тока, но и за счет большой длительности. В 80 % случаев речь идет о разрядах с отрицательно заряженного облака. При этом длительность импульса тока составляет 80—100 мкс. Молния, развивающаяся с положительно заряженного облака, имеет длительность импульса тока несколько сотен микросекунд. В стандарте МЭК указывается, что импульс с наибольшим энергосодержанием — 10/350 мкс. Так как неизвестно, будет ли молния развиваться с положительно или отрицательно заряженного облака, в нормах МЭК приняты наиболее жесткие параметры тока — импульс 10/350 мкс.

Разрядники для уравнивания потенциалов, через которые может протекать часть тока молнии (импульс 10/350 мкс) и сопровождающий ток КЗ (в течение полупериода промышленной частоты), выполняются со специальными электродами и дугогасительными решетками.

На рис. 5.37 показан разрядник с выдуванием дуги в области рогообразных электродов, с перемещением дуги на промежуточный электрод - пластину и с переводом раздвоенной дуги на внешние поверхности электродов.
Рис. 5.37. Разрядник для выравнивания потенциалов в сети электроснабжения
После срабатывания разрядника (пробоя по поверхности диэлектрической вставки А) дуга перемещается по электродам В (положения 1-3 на рис. 5.37), затем дуга переходит на пластину Е,раздваиваясь (положение 4). Далее происходит удлинение дуг (положения 5 и 6), в результате чего возрастает напряжение на разряднике и облегчается гашение дуги.

Еще большей дугогасительной способностью отличается разрядник для уравнивания потенциалов, показанный на рис. 5.38. В нем, как и в разряднике на рис. 5.37, разряд зажигается при пробое поверхности диэлектрической вставки А между электродами В, затем канал разряда, переходящий в дуговую стадию, перемещается между электродами В (положения 1-4), перебрасывается на пластину Е (положение 5)и затем поступает в дугогасительные камеры со вспомогательным электродом С и металлическими пластинами D(положения 7 и 8).

В таком разряднике напряжение при сопровождающем токе КЗ возрастает не только за счет увеличения длины дуги, но и за счет дополнительных падений напряжения приэлектродных зон в дугогасительной решетке (примерно по 20 В на каждом зазоре).

Рис. 5.38. Разрядник с повышенными дугогасительными свойствами

Разрядники, показанные на рис. 5.37 и 5.38, как правило, имеют отверстия для выхлопа плазмы, что необходимо учитывать при их размещении во вводных и распределительных панелях. Эти разрядники должны быть рассчитаны на пропускание импульсных токов (10/350 мкс), амплитуда которых определяется местом их установки, характеристиками электрических и других металлических коммуникаций.

Разрядники с поверхностным разрядом. До 1993 г. для уравнивания потенциалов при протекании в сети импульсных токов с амплитудой до 100 кА/(8/80 мкс) использовались только коаксиальные разрядники с поверхностным разрядом. Такой разрядник состоит из двух кольцевых электродов из металлокерамики медь-вольфрам, разделенных тонкой фторопластовой пластинкой. При достижении пробивного напряжения на разряднике происходит пробой по поверхности, возникает дуга между электродами. Такой разрядник при напряжении до 28 В самостоятельно отключает гораздо меньшие сопровождающие токи, чем разрядники, показанные на рис. 5.37 и 5.38. Поэтому для гашения дуги в сети электроснабжения требуется дополнительное отключающее устройство. Обычно это предохранитель, включенный последовательно с разрядником. Выдерживаемые импульсные токи 10/350 мкс таких разрядников составляют 20—25 кА.

Тандемные разрядники. Новым типом разрядников для импульсов 10/350 мкс амплитудой до 75 кА являются коаксиальные тандемные разрядники. В них два коаксиальных искровых промежутка соединены последовательно. Их емкости не одинаковы, и поступающий импульс напряжения распределяется по ним неравномерно, тем самым облегчая пробой разрядника. Как и разрядники с поверхностным разрядом, тандемные разрядники способны самостоятельно гасить дуги с малыми сопровождающими токами КЗ в сети электроснабжения при напряжениях до 255 В. При больших напряжениях их следует включать последовательно с предохранителями. Если разрядники, показанные на рис. 5.37 и 5.38, способны срабатывать многократно, то разрядники с поверхностным разрядом и тандемные разрядники, снабженные предохранителями, отключают сопровождающий ток однократно, и требуется замена предохранителя. Для облегчения обслуживания разрядники снабжаются дистанционной сигнализацией срабатывания.

В настоящее время широкое распространение получают многозазорные, газонаполненные разрядники закрытого исполнения. Они самостоятельно гасят дугу сопровождающего тока благодаря большому падению напряжения на последовательно соединенных электродах (в основном это сумма приэлектродных падений напряжения), поэтому токи, поступающие в них из сети, сильно ограничиваются. Общим недостатком ограничителей перенапряжения - варисторов в сетях электроснабжения 0,4 кВ является сравнительно высокое остающееся напряжение, лежащее в диапазоне от 2,5 до 4 кВ. Поэтому часто требуется дальнейшее ограничение напряжений, например, с помощью второй ступени ограничения перенапряжений. При этом происходит трансформация импульса тока. Импульс 10/350 мкс или 8/80 мкс может преобразоваться в импульс 8/20 мкс. Соответственно преобразуются и импульсы испытательных токов. Этот процесс наглядно продемонстрирован на рис. 5.39.

Многоступенчатые ограничители перенапряжений. Ранее описанные элементы (газонаполненные разрядники, варисторы и ограничительные диоды) могут быть объединены в единое защитное устройство, в котором используются полезные свойства и снижается влияние недостатков отдельно взятых элементов. При объединении элементов следует соблюдать определенные условия.

На рис. 5.27 была приведена схема трехступенчатого устройства для ограничения перенапряжений с развязывающими полными сопротивлениями и .


Рис. 5.39. Испытательные токи 10/350 мкс и 8/20 мкс
Поясним еще раз принцип действия комбинированного устройства, применяемого в цепях измерения, управления и регулирования. Устройство, схема которого приведена на рис. 5.40, содержит газонаполненный разрядник , варистор В и ограничительный диод Д. Между ними включены катушки индуктивности и . Для упрощения понимания принципа действия предположим, что устройство подключено к фазному проводу и к земле.

Газонаполненный разрядник выбран потому, что он рассчитан на импульсные токи примерно 10 кА (8/20 мкс). Ограничительный диод Д обеспечивает высокое быстродействие устройства и на нем ограничивается напряжение, примерно вдвое превышающее номинальное напряжение сети, в которую включено защитное устройство. С помощью варистора В исключается частое срабатывание разрядника Р и предохранителя, включенного в фазный провод линии. Варистор В способен пропускать ток 2,5 кА (8/20 мкс). Ограничительный диод Д способен пропускать ток 0,6 кА (8/20 мкс).

При воздействии импульса напряжения на устройство первым срабатывает ограничительный диод, отводя часть тока в землю и уменьшая ток через электронный прибор, включенный на выходе защитного устройства. На входе прибора напряжение ограничивается диодом в соответствии с его вольт-амперной характеристикой.

Рис. 5.40. Трехступенчатое защитное устройство
На индуктивности , содержащейся в защитном устройстве, возникает напряжение
.
К варистору В приложено напряжение
.
В соответствии с вольт-амперной характеристикой варистора через него протекает ток. На индуктивности возникает напряжение
.
К разряднику приложено напряжение
.
Если это напряжение достигает напряжения пробоя разрядника, он срабатывает, и в землю отводится дополнительный ток.

Таким образом, устройство на рис. 5.40 содержит ступени грубой защиты (разрядник Р)и тонкой защиты (диод Д).Варистор В защищает диод Д от разрушения, а разрядник Р ограничивает выделение энергии в варисторе В.

Так как невозможно предсказать, при какой полярности заряда облака произойдет грозовой разряд, при расчетах перенапряжений и токов, протекающих через разрядники, принимаются максимальные параметры тока молнии. Это относится и к максимальной амплитуде тока молнии. Согласно международным нормам считается, что 99 % атмосферных разрядов происходят при токах с амплитудой 200 кА и менее. Как уже отмечалось ранее, при ударах молнии в отдельно стоящие здания с ожидаемым током 200 кА считается, что 50 % этого тока (100 кА, импульс 10/350 мкс) уходит через заземлитель, а остальной ток протекает по электропроводным коммуникациям (провода электроснабжения, водопровод, телефонный кабель и т.д.), что схематично показано на рис. 5.41.

При этом предполагается, что каждый провод берет на себя соответствующую часть тока. Если есть, например, пять проводов, то в каждом проводе протекает 10 % тока молнии. При наличии водопровода, кабеля электроснабжения и телекоммуникационного кабеля по каждому из них может протекать ток 33 кА. В каждой из этих систем ток распределяется по отдельным проводам равномерно. Например, в трехфазной системе с нейтральным проводом ожидаемый ток в каждом проводе составляет 8,5 кА (импульс 10/350 мкс). В проводах однофазной линии электроснабжения, состоящей из фазного и заземленного проводов, ток в каждом из них может достигать 50 кА (при отсутствии заземления, например, при ударе молнии в здание, расположенное в горной местности).

Вторым важным фактором для выбора разрядника является его способность отключать сопровождающий ток КЗ. Если разрядник сработал в результате удара молнии, то через искровой промежуток протекает ток КЗ, который необходимо отключать.


Рис. 5.41. Распределение тока молнии

Рис. 5.42. Токи КЗ в реальных сетях в зависимости от удаления места КЗ от трансформатора
Ожидаемый ток КЗ зависит от параметров сети и места установки разрядников.

На рис. 5.42 приведены данные о токах трехфазного КЗ в сетях электропитания 380 В в зависимости от расстояния до трансформатора по данным [31]. При этом данные на рис. 5.42 получены для 29 местных сетей в 2323 точках.

Разрядники, показанные на рис. 5.37 и 5.38, способны отключать токи КЗ, приведенные на рис. 5.42.