Лінія перенапруги-розрядники
Природа блискавки і її вплив на антену
При наближенні грозової хмари до Землі напруженість поля буде зростати і під впливом цього електромагнітного поля (або імпульсу) від вищестоящих предметів (виступаючих) щодо поверхні Землі буде виходити у відповідь стример, що з'єднується з лідером.
Схема етапів розвитку наземної блискавки.
А, Б - два ступені лідера;
1-хмара; 2-стримери; 3-канал ступеневої лідера;
4-корона каналу; 5-імпульсна корона на голівці каналу;
По-освіту головного каналу блискавки (К)
Малюнок вище показує, що чим вище розташовується антена від поверхні землі і навіть краще її заземлення, тим більше ймовірності того, що в неї потрапить блискавка. Отже, будь-яка антена повинна мати дуже надійне заземлення.
Коли блискавка потрапляє в антену імпульс розряду пройде по найкоротшому шляху до "Землі". Струм при цьому може досягати декількох сотень або тисяч ампер, тривалість струму за часом - соті або десяті частки секунд, а температура каналу може перевищувати 25000 градусів за Цельсієм.
Основним завданням для будь-якої антени є прийом високочастотного електромагнітного сигналу (на що спочатку і розраховане). Але крім корисного сигналу вона здатна прийняти і потужний електромагнітний імпульс розряду блискавки. Такий імпульс по амплітуді і потужності зазвичай перевищує корисний сигнал і при відсутності пристрою захисту може вивести вихідні каскади трансивера. Чим краще антена, тим більший імпульс перенапруги вона прийме і віддасть підключеному устаткуванню.
Крім блискавковідводів для захисту високочастотного обладнання використовують спеціальні пристрої - газові розрядники. що складаються з коаксіального елемента з невеликим проміжком (розрядним) між внутрішнім провідником і патроном розрядника з висновком на землю. У цей проміжок встановлюється газорозрядне елемент у вигляді таблетки (в більшості пристроїв) в оболонці з кераміки або скла, що має з обох сторін електроди. Усередині нього знаходиться газ - неон або аргон. При перенапруженні захист спрацьовує. розрядник "підпалюється" і його опір різко падає, після чого на ньому встановлюється так зване напруга дугового розряду величиною приблизно 10 Вольт. Будь газовий розрядник повинен мати власне заземлення (для відводу потужних імпульсів перенапруги на контур землі), інакше використання його буде марним.
За конструктивно-технічним виконанням поділяються на три групи: з використанням газового розрядного елемента, четвертьволновий розрядник і гібридні схеми. З попереднього абзацу зрозуміло, що конструкція газового розрядника є керамічну втулку (або "таблетку"), закриту герметично по обидва боки металевими електродами, які стримують спеціальний газ, що знаходиться всередині під низьким тиском.
Газовий розрядник незалежно від призначення і типу першим електродом з'єднується з центральною жилою коаксіального кабелю, а другим - з його заземленим корпусом. При проходженні високого імпульсу більшої напруги розрядник "пробивається" і виникає короткочасне шунтування центральної жили кабелю на землю. При цьому значення струму в ньому зменшується до ступені гасіння дуги і він переходить в розімкнутий стан (непровідний режим). Ця "таблетка" (або газорозрядна трубка) зазвичай є одноразовим елементом розрядника і після кожного спрацьовування вимагає заміни. Газові розрядники зарекомендували себе при роботі в широкому діапазоні частот в пристроях захисту від імпульсних перенапруг (ПЗІП)
Мал. Різновиди газових розрядників.
А-двухелектродний газовий розрядник;
Б-трёхелектродний газовий розрядник;
По-газорозрядне елемент з розташуванням електродних пластин на самому корпусі (на протилежних сторонах).
Мал. Загальна схема розташування газоразрядного елемента в пристрої захисту коаксіальних ліній (ліворуч) і сам розрядник (праворуч).
Другий тип - четвертьволновий газовий розрядник забезпечить захист обладнання від прямого попадання розряду блискавки з низьким залишковим напругою. Також їх можна використовувати в УЗИП, що працюють в широкому частотному діапазоні. У четвертьволновой технології виготовлення розрядника використовується фізична величина, яка досягається шляхом розрахунку і забезпечення нескінченного опору шматком провідника, довжина якого дорівнює одній чверті довжини хвилі сигналу.
Мал. Чвертьхвильова технологія захисту коаксіальних ліній від імпульсних перенапруг (зліва схема) і сам розрядник (праворуч сам пристрій).
Третій тип - гібридна технологія з використанням газових розрядників спільно зі схемою інших пасивних елементів: діодами (супресорні), резистори, конденсатори.
Мал. Схема гібридного пристрою по захисту коаксіальної лінії CXC від перенапруг (зліва) і гібридний розрядник (праворуч).
Так як крім розрядника в гібридної схемою захисту встановлений фільтр низьких частот, що працює на частоті вище 125 МГц (має низький рівень залишкового напруги менше 100 Вольт) він здатний працювати з потужними імпульсними перенапруженнями (з частотою нижче 1МГц).
Основні параметри газоворазрядних пристроїв:
максимальна напруга в лінії (напруга пробою);
робочий частотний діапазон;
потужність сигналу і постійного струму, переданого по кабелю (максимально в / ч), тобто максимальний струм замикання - захисту.
Мал. Підключення розрядника до супутникової антени
Для кращої ефективності відведення потужного грозового імпульсу спільно з розрядними пристроями встановлюють різні громовідводи.
Будь газовий розрядник повинен мати певний ряд електричних властивостей або характеристик:
імпульсний струм розряду, кА;
опір ізоляції, ГОм;
статичну електрику спрацьовування;
динамічна напруга спрацьовування.
Номінальний імпульсний струм розряду. Відповідно до деякими технічними вимогами розрядник здатний витримувати вплив певного (номінального) значення (деякої величини) струму імпульсу. Причому зміна технічних характеристик розрядника при роботі повинно залишатися в допустимих межах, визначених вимог відповідних створених норм. Це значення імпульсного струму вказується в технічних специфікаціях розрядного пристрою (при тестовому впливі): 8 / 20мкс, 10 / 1000мкс.
Ємність і опір ізоляції. Газовий розрядник видає унікальне значення даних параметрів - більше 10 Гом і менше 1пФ. Така особливість його незамінним в роботі з характеристиками мережі.
Статична напруга спрацьовування. Цей параметр визначає тип газового розрядника з пристрою захисту УЗИП і дорівнює тієї напруги, при якому виникає запалення розрядника (при повільному зростанні величини напруги). Наприклад газові розрядники від виробника CITEL на спрацьовування в межах величини напруги від 70В до 3000В (випускаються в різному конструктивному виконанні).
Динамічне напруження спрацьовування. Це межа, при якому відбувається швидке збільшення напруги, в результаті чого газовий розрядник спрацьовує. Величина напруги спрацьовування залежить від величини крутизни фронту імпульсу. Рівень зростання напруги використовується наступний: 100В / мкс і 1 кВ / мкс (за вимогами національних та міжнародних стандартів).
Лінія перенапруги: принцип роботи газоразрядніка (газового розрядника)
Для роботи з лінією перенапруги розрядник має деякі характеристики (або для спрацьовування захисту), що дозволяють миттєво змінювати величину опору в разі напруги пробою, тому їх можна розглядати в якості швидкодіючого вимикача. Будь-які, що запобігають перенапруження розрядники мають чотири робочих стану:
Стан спокою - ємність розрядника обмежується до декількох пФ (не перевищує), а внутрішній опір вище 1Гом.
Стан тліючого розряду - виникає під час досягнення напруги спрацьовування (це залежить від типу пристрою, в межах від 70 Вольт до декількох кіловольт) всередині розрядника інертний газ іонізується і через нього починає йти струм малої величини (напруга впаде приблизно до 80 Вольт). Якщо ж струм, що проходить через розрядник, збільшиться і буде дорівнює 0,8 або 1 Ампер, то це призведе до збільшення напруги (незначного).
Стан виникнення області електричної дуги - під час збільшення струму всередині розрядника на кілька наносекунд (миттєво) виникає електрична дуга у вигляді короткочасного спалаху. В межах 20-25В напруга падає і при зростанні значення струму залишається практично незмінним. Залежно від типу розрядника величина токового розряду буде дорівнює приблизно до 150кА.
Режим гасіння - після того, як електрична дуга згасне розрядник повернеться в початковий стан спокою. В даний режим він входить після зниження прикладається до нього напруги до значення, при якому електрична дуга не зможе виникнути (або зменшення струму до певного рівня, приблизно 0,5 А).
Мал. Графік робочих режимів газового розрядника.
Ресурс експлуатації газових розрядників
Особливість конструктивного оформлення газового розрядника дозволяє багаторазово використовувати їх для відведення імпульсів струму, при цьому не ушкоджуючи або не погіршуючи захисні і відводять властивості.
Будь-розрядник можна вивести з ладу, навіть якщо через нього пройде і малопотужний імпульс струму, але з великою тривалістю за часом (наприклад на протязі 15 секунд проходить струм в 10 А).
Деякі пристрої газових розрядників мають зовнішню систему інформування про перевантаження або порушення деяких електричних параметрів. Така система називається "Fail-Safe", яка комплектується разом разрядниками, наприклад фірми CITEL.
Дана система представлена у вигляді скоб, розташованих на керамічному корпусі розрядника і за допомогою легкоплавкого ізоляційного матеріалу вони утримуються на певній відстані від електродів самого розрядника. При проходженні потужних імпульсів виникає сильне нагрівання, ізоляційний матеріал плавиться і після чого виникає коротке замикання розрядника в позначках металевих скоб. Пристрій контролю фіксує перехід в режим короткого замикання захищається ланцюга.
Від наведень на антену при недалеко вдарила блискавки допоможуть захистити грозорозрядники. Але треба пам'ятати, що стовідсоткового захисту від прямого попадання блискавки немає, - все розраховується на певну ймовірність прямого удару для конкретної місцевості. І все-таки найефективніший і простий спосіб захистити пристрою від виходу з ладу при розряді блискавки - відключати антену і всі інші прилади з розетки.
Поділися матеріалом з друзями: