Маленькі захисники великого обладнання
струмів і напруг, що виникають в результаті ударів
блискавки в лінії зв'язку на металевих провідниках,
а також в результаті їх прямих контактів з лініями
Гроза - атмосферне явище, при якому в купчасто-дощових
хмарах або між хмарою і земною поверхнею виникають
сильні електричні розряди - блискавки,
З енциклопедичного словника
Грозозахист - комплекс заходів та технічних засобів, що оберігають будівлі, споруди, а також обладнання електротехнічних пристроїв від пошкоджень при
прямих ударах блискавки ...
З енциклопедичного словника
Віктор КОВЗАНКУ, Олександр МАНЬКО
Перше серйозне знайомство з блискавкою відбулося у зв'язківців після появи електричної дротового зв'язку. Провід розташовувалися на опорах і, з точки зору фізики, представляли собою ідеальну мішень для прямого попадання лиходійки - блискавки. Кабельні лінії, заховані під землею, з'явилися набагато пізніше. Перша операція з порятунку була проведена саме на повітряних лініях. Якщо вже вони такі привабливі для грозових розрядів, необхідно було забезпечити стікання останніх в землю, але тільки під час удару, що і було зроблено. На опори поставили заземлюючі провідники. відокремлені від проводів маленьким повітряним проміжком (рис. 1). При попаданні розряду в лінійний провід відбувався пробій повітряного проміжку, і заземлюючий провідник вів ток в землю. Так з'явилася ...
Для захисту самих опор встановлювалися стрижневі громовідводи. Після чого вся лінія діяла як ідеальний блискавковідвід. Захист виявилася досить ефективною, тому після появи кабельних ліній їх в окремих випадках стали прокладати в зоні дії грозозахисту повітряної лінії.
Однак навіть при такому захисті до кінцевого обладнання доходять залишки імпульсів високої напруги, що представляють небезпеку, як для людей, так і для обладнання. Тому наступним кроком була установка цілої серії повітряних іскрових розрядників перед введенням лінії в приміщення термінального обладнання (рис. 2).
Рис 2. Ланцюжок повітряних іскрових розрядників (каскадний захист)
перед введенням лінії в приміщення термінального обладнання.
Цифра вказує величину повітряного проміжку
між електродами в мм
Іскрові проміжки цих розрядників зменшувалися у міру наближення до місця введення. Відповідно, знижувалося напруга спрацьовування, залишаючись при цьому все ще на досить високому і небезпечному рівні. Істотно знизити його вдалося, створивши такий чудовий пристрій, як ...
Розрядник включається між провідниками лінії і землею. У цьому пристрої головна роль відводиться герметичній колбі з інертним газом під зниженим тиском, який розділяє два електроди. Завдяки зниженому тиску напруга спрацьовування газового розрядника істотно нижче, ніж повітряного, і становить трохи більше двохсот вольт. Це робить газовий розрядник одним з найбільш вживаних пристроїв захисту термінального обладнання.
Він спрацьовує навіть при контакті лінії зв'язку з провідниками побутової електромережі. Здатність витримувати імпульсні струми в кілька кілоампер і висока швидкість спрацьовування забезпечили разрядникам путівку в сучасні системи грозозахисту. Помітно зменшився і їх розмір - від перших розрядників розміром з електричну лампочку до конструкцій за формою і розміром нагадують таблетку (рис. 3а, 4).
Рис 3. Обладнання грозозахисту: а) газовий розрядник
Рис 4. Разрядник 2 - електродний без теплового захисту:
а) конструкція; б) схематичне зображення.
Однак зменшення розмірів породило нову проблему. При контакті лінії електропередачі з провідниками лінії зв'язку через розрядник тривалий час може проходити сильний струм, здатний зруйнувати конструкцію. Щоб цього не сталося, сучасні розрядники обладнуються теплової захистом (рис. 5), що діє через кілька секунд після спрацювання розрядника.
Рис 5. Газовий розрядник з тепловим захистом:
а) конструкція; б) схематичне зображення
При тривалому розряді корпус розрядника розігрівається і, відповідно, розігрівається легкоплавкий припій, що запобігає в звичайному стані з'єднання провідників лінії з землею спеціальними контактними пружинами. В результаті розігріву металеві пелюстки остаточно з'єднують лінію з заземлювальним провідником і забезпечують цей стан навіть після припинення дії високої напруги.
Слід підкреслити, що блискавка не здатна на тривалий вплив. Такий процес відбувається лише при контакті провідників лінії зв'язку з проводами ліній електропередачі. А ймовірність «зустрічі» обох ліній, з урахуванням високого рівня розвитку обох мереж, досить велика. Тому в даному випадку ще більше зростає роль розрядника, але він, звичайно ж, виходить з ладу. Щоб цього не сталося, в лінію перед разрядником послідовно включають плавкі запобіжники. При спрацьовуванні розрядника через деякий час запобіжники перегорають і розривають ланцюг. Зручно? Так! Запобіжники, звичайно, доведеться міняти, але коштують вони помітно дешевше розрядника.
Таким чином, оскільки основну небезпеку для зв'язківців представляє навіть не блискавка, а лінії електропередач, для захисту від тривалого впливу надлишкових напруг і струмів потрібні були нові захисні пристрої, і переважно багаторазового використання.
Пошуки в цьому напрямку привели до появи терморезисторов (позисторов) - так назвали резистори з позитивним термічним коефіцієнтом опору.
Резистори РТС (рис. 6) дозволили вирішити цілий ряд проблем при створенні захисних пристроїв. Так, під час протікання струму, що перевищує задане граничне значення, терморезистор РТС швидко нагрівається і переходить в стан підвищеного опору, обмежуючи протікає струм. Після закінчення дії РТС - резистор повертається в початковий стан і не потребує заміни, на відміну від запобіжника. Таким чином, будучи включеним послідовно в лінію. терморезистор РТС являє собою пристрій захисту по струму багаторазового використання швидко перемикатися в стан підвищеного опору. При цьому час перемикання обернено пропорційно величині надлишкового струму - зі збільшенням струму воно зменшується.
Стабілітрон відноситься до класу напівпровідникових діодів (рис. 7). При впливі зворотної напруги, що перевищує деяке порогове значення, стабілітрон, подібно розрядники, переходить в стан електричного пробою. Спроби подальшого підвищення напруги на стабілітроні призводять до збільшення струму. При цьому відбувається падіння додаткового напруги на опорі підвідних провідників, а на стабілітроні воно залишається практично незмінним, що і потрібно для пристрою захисту. Напруга стабілізації для стабілітронів лежить в межах від декількох одиниць до декількох десятків вольт і вище, що дозволяє вибрати конкретний тип для конкретного обладнання.
Якщо тепер перед стабілітроном ми включимо послідовно в лінію терморезистор РТС, то отримаємо практично ідеальну пару, що забезпечує захист, як від надлишкових напруг, так і від надлишкових струмів. При цьому, терморезистор обмежує струм не тільки через обладнання, а й через стабілітрон, полегшуючи його тепловий режим в змозі пробою.
Подальші дослідження напівпровідникових захисних пристроїв привели до створення варістора.
Це пристрій являє собою напівпровідниковий резистор з нелінійної вольтамперной характеристикою (рис. 8). Його відмінною рисою є яскраво виражена порогова залежність електричного опору від прикладеної напруги. Це дозволяє використовувати варистор для стабілізації напруги, тобто в тій же якості, що і стабілітрон. Ці ж «риси характеру» дозволяють використовувати варистори і в захисних пристроях, включаючи їх між провідником лінії і землею.
Від стабилитронов варистори відрізняє кілька більшу напругу стабілізації - порядку десятків і сотень вольт, а також досить висока еквівалентна ємність - до тисячі пикофарад і вище, яка збільшує час спрацьовування захисту. Цей параметр у стабілітронів, наприклад, становить пару сотень пикофарад, а у газових розрядників - всього лише одну-дві пикофарад.
Ну що ж, список дійових осіб і виконавців нам відомий. Залишається тільки призначити кожному свою роль, зробити розстановку на сцені, і можна грати п'єсу під назвою «Гроза», поставлену за самому непередбаченому сценарієм природи.
Рис 9. Типова схема поєднання первинної та вторинної захисту
На рис. 9 схематично показаний один з варіантів схеми реалізації комбінованої системи грозозахисту, що є поєднанням магазину газових розрядників, підключених до плінтів кросового обладнання, зі вставками, що містять вторинну захист - РТС, стабілітрони, варистори.
В очікуванні першого удару ...
Як стабілітрон, так і варістор в поєднанні з терморезистором РТС дозволяють створити пристрої. захищають від надлишкових напруг і струмів багаторазового використання. тобто повертаються в початковий стан після припинення зовнішнього впливу. При цьому рівень обмеження напруги, що забезпечується цими пристроями, можна задати в межах одиниць і десятків вольт. При більш високих напругах (близько двохсот вольт і вище) доцільно застосовувати газові розрядники з термозамикающей пластиною, що забезпечує захист при тривалому впливі.
Для підвищення ефективності рекомендується застосування многокаскадной захисту, коли на вході встановлюється так звана базова або первинний захист. виконана на основі газових розрядників. А потім за нею йдуть каскади вторинної захисту. використовує стабілітрони, варистори, терморезистори, а в деяких випадках, додатково - ті ж газоразряднікі (див. рис. 9). Застосування многокаскадной захисту з раціональним поєднанням різних каскадів дозволяє мінімізувати вплив надлишкових напруг і струмів на обладнання і зробити його практично невразливим від підступів підступної блискавки і контактів з всюдисущими мереж електропостачання.
Визначивши порядок розташування елементів захисту, необхідно вибрати оптимальне місце їх дислокації, тобто точку, в якій вони остаточно поставлять хрест на посланців грозових розрядів.
Таким останнім рубежем для блискавки є кросове обладнання, за яким вже до апаратури рукою подати. Тут і приймають на себе удар розрядники, терморезистори, стабілітрони і варистори. Конструктивна побудова кросового обладнання дозволяє включити в його плінти будь-який обраний тип захисту, будь то вставка з розрядниками або ж модуль з терморезисторами і варисторами. У разі необхідності пошкоджені елементи захисту можна легко замінити на справні. Неважко поміняти і тип захисних пристроїв.
До кросовому обладнанню підводяться також елементи заземлення, відомі в просторіччі як «земля». Вони відіграють визначальну роль у відведенні струмів і напруг від апаратури. І від якості їх виконання залежить ефективність грозозахисту.
Земля грає в грозозащіте роль абсолютного накопичувача, такою собі «чорної діри», що приймає в себе струми блискавки. Але для того, щоб струм дійшов до неї, потрібно ще заземлювальний провідник, що йде від елементів захисту, і сам заземлитель - провідник, розташований в землі і сприяє розтіканню струму. Якщо з приводу заземлювального провідника все досить прозоро, то яким має бути заземлитель?
Конструкцій існує чимало, але серед них можна відзначити пристрої, реалізовані за допомогою послідовно з'єднаних між собою сталевих стрижнів, покритих порівняно товстим шаром міді. Мідь, з одного боку, зменшує перехідний опір між заземлювачем і грунтом, з іншого - перешкоджає його окисленню, продовжуючи, таким чином, термін служби. Отримати необхідну опір заземлення можна, послідовно нарощуючи число стрижнів у міру введення їх в грунт. Загальна довжина такого заземлювача може досягати десяти і більше метрів. Здавалося б, і все, але перш ніж стати на сторожі обладнання, всі види захисту проходять перевірку в умовах, наближених до бойових. Спеціальні пристрої генерують імпульси, що імітують вплив напружень і струмів блискавки. Напруга імпульсів на виході таких пристроїв досягає декількох кіловольт, а струм - кількох кілоампер. Так, наприклад, вплив надмірної напруги імітується імпульсом з амплітудою 4000-6000 В і формою 10/700 мкс, де 10 - тривалість фронту імпульсу, а 700 - тривалість спаду. Вплив надлишкового струму імітується імпульсом з амплітудою 5000 А і формою 8/20 мкс. Проводиться також моделювання контакту лінії зв'язку з лінією електропередачі. Критерієм придатності після цих впливів є відсутність відмов обладнання. І тільки пройшовши таку «репетицію», системи грозозахисту ставляться на «бойове чергування».
Поки на землі будуть бушувати грози - триватиме боротьба з блискавкою, будуть далі вдосконалюватися системи грозозахисту ... Сьогодні на заміну стабілітронах і варистори вже приходять елементи з тиристорної характеристикою. На відміну від стабілітронів і варисторів, напруга на яких в режимі пробою підтримується на рівні стабілізації (від одиниць до десятків і більше вольт), напруга на такому елементі падає до рівня часткою вольта. Це різко зменшує виділення тепла на ньому і дозволяє успішно витримати довготривалу дію надлишкових напруг і струмів.
Створено також інтегральні схеми, що поєднують в собі елементи первинної та вторинної захисту і поєднують одночасно захист по напрузі і струму.
Серед найбільш відомих виробників і постачальників елементів захисту в Україні слід відзначити Харківський приладобудівний завод, Дніпровський машинобудівний завод, із західних - компанії RM, Molex, Krone, Tyco Electronics. Детальніше зупинитися на грозозахисному обладнанні цих виробників ми плануємо в наступних номерах журналу.
Вибір великий, і який би тип захисту не вибрав споживач - в програші він не залишиться і вже по-новому оцінить вірші поетів минулих часів. І, дивлячись на охопленої спалаху грозових розрядів на весняному небосхилі, буде захоплюватися цим величним видовищем, твердо знаючи, що їх грізна краса вже не заподіє шкоди.
начальник НІЦ ЛКС