Защита источников питания от грозы

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Защита бп

Опубликовано: 24.03.2017 13:44

Просмотров: 2875

Все радиолюбители прекрасно знают, что с приближением грозы подключенные к электросети радиоприборы необходимо отключать. Во время грозы мощные электрические разряды в атмосфере, ток в которых достигает миллионов ампер, индуцируют в близлежащих проводниках кратковременные (до сотен микросекунд) импульсы, измеряемые десятками киловольт. Даже на удалении 1 км от грозового разряда в проводнике длиной 1 м наводится импульс напряжения амплитудой примерно 200 В. Предлагаемое устройство защищает источник питания радиоаппаратуры от грозовых всплесков напряжения, что позволяет сохранить питаемое устройство неповрежденным. Но если вдруг случится замыкание и пожар - огнетушители https://don-komplekt.ru должны помочь локализовать огонь.

Для того чтобы обезопасить аппаратуру от наведенных грозовыми разрядами импульсов, подвод электросети к телекоммуникационным и охранным устройствам, а также к системам видеонаблюдения, где она не может быть отключена по условиям эксплуатации, выполняют в соответствии с требованиями [1]. И, как правило, используют источники бесперебойного питания со встроенными сетевыми защитными устройствами.
Но что делать тем, кто, например, оставляет на даче включенную аппаратуру, извещающую владельца о проникновении на контролируемую территорию посторонних лиц? Для того чтобы снизить вероятность повреждения охранного устройства при грозе, блок его питания нужно дополнить некоторыми элементами, резко ослабляющими импульсы высокого напряжения в сети, которые будем в дальнейшем называть сетевыми помехами.
Эффективность подавления таких помех одними и теми же элементами различна. Отсюда следует первая особенность — защитное устройство должно быть многоступенчатым.
Вторая особенность конструирования защитного устройства — необходимость наличия в нем проводника с нулевым потенциалом, "землей". Это условие легко соблюсти в современных квартирах, где электропроводка выполнена по трехпроводной схеме ("фаза" (L), "ноль" (N), "защитная земля" (РЕ)) [2]. Если питающая электросеть без защитного заземления, то придется либо самостоятельно создать контур заземления, либо смириться с тем, что подавление помех будет недостаточно эффективным. Удовлетворительно, если помехи с фазного провода отводят на нулевой, хорошо — с фазного провода и отдельно с нулевого провода на заземляющий, отлично — с фазного провода отдельно на нулевой и на заземляющий, а также с нулевого на заземляющий.
Для ослабления продолжительных мощных помех, порождаемых грозовыми разрядами, в качестве поглотителей энергии импульса применяют вакуумные и газонаполненные разрядники. Как показывает статистика, доля таких помех составляет примерно 20 %. Остальные 80 % приходятся на кратковременные, которые эффективно подавляются параллельными защищаемой цепи конденсаторами и последовательными заградительными элементами — дросселями.


Применяют также комбинированный метод, когда мощные помехи ослабляются параллельно включенными поглощающими элементами (ограничителями напряжения), а маломощные — последовательно.
Обобщенные характеристики наиболее распространенных ограничителей напряжения, используемых в защитных устройствах, представлены в таблице.
Газонаполненные разрядники могут быть применены в двух и трехэлектродном исполнении в зависимости от конструкции защитного устройства — двухпроводной или трехпроводной. По надежности функционирования и максимальному импульсному току такой ограничитель напряжения превосходит все остальные (рис. 1)
 
 Это цилиндрический баллон с разрядными электродами в его торцах, наполненный инертным газом. Недостатком разрядника является его меньшее быстродействие по сравнению с другими защитными элементами, что обусловлено необходимостью некоторого интервала времени для ионизации газа
Рассмотрим трехэлектродный разрядник Т23-А230Х диаметром 8 и длиной 10 мм Несмотря на столь малые размеры, этот защитный элемент допускает пиковый разрядный ток в многократных одиночных импульсах 8/20 мкс (фронт/спад) до 20 кА или в течение 1 с выдерживает переменный разрядный ток 10 А частотой 50 Гц. Такая эффективность защиты обеспечена особой конструкцией разрядника [3], которую иллюстрирует рис. 1. В исходном состоянии его сопротивление превышает 1010Ом. Когда напряжение в разрядном промежутке создает напряженность электрического поля, способную вызвать ионизацию газа, происходит электрический разряд, в результате чего сопротивление разрядника резко снижается. По завершении импульса инертный газ восстанавливает свои изоляционные свойства. Напряжение пробоя разрядного промежутка определяется как размерами и конструкцией электродов, так и свойствами заполняющего газа — составом и давлением Специальное компаундное покрытие электродов и керамического изолятора между ними активирует их эмиссионную способность. Кольцевая форма центрального электрода позволяет максимально использовать поверхность
торцевых электродов 1 и 2, обеспечивая большой разрядный ток без эрозии токонесущих поверхностей.
Чтобы компенсировать запаздывание в срабатывании от помехи с крутым фронтом (1 кВ/мкс и более), разрядники в многоступенчатых защитных устройствах, как правило, дополняют варисторами и защитными диодами, которые отводят на себя часть энергии импульсной помехи в начальный момент ее появления в электрической сети.
Металлооксидный варистор аналогичен симметричному стабилитрону — при превышении некоторого порогового
значения прикладываемого напряжения сопротивление элемента резко падает. Классификационное напряжение варистора должно превышать максимальную амплитуду напряжения сети не менее чем на 5 %. Например, максимально допустимому повышению сетевого напряжения 220 В на 20 % (264 В) соответствует амплитуда 374 В. Следовательно, классификационное напряжение варистора должно быть не менее 393 В. Если использовать варистор, как во многих промышленно изготавливаемых защитных устройствах, со стандартным классификационным напряжением 390 В, в силу допускаемой технологической погрешности данного пара-метра существует риск его повреждения Поэтому лучше его использовать с несколько большим классификационным напряжением.
Варистор характеризуется также некоторой предельной энергией импульса, которую он может поглотить без разрушения. Такая характеристика обладает свойством накопления. Это значит, что прибор без ухудшения параметров способен поглотить одиночный импульс с некоторой максимально допустимой энергией или некоторое число импульсов с меньшей энергией. Например, металлооксидный варистор диаметром 20 мм поглощает импульс с максимально допустимой энергией 410Дж либо 10 импульсов с энергией 40 Дж. После выработки варистором заложенного ресурса его классификационное напряжение несколько увеличится, а затем с каждым последующим импульсом начнет резко снижаться, в результате варистор "выгорит". Поэтому он подлежит замене при малейшем внешнем проявлении деградации (потемнении лакокрасочного покрытия). Необходимость контроля технического состояния варистора, находящегося внутри закрытого сетевого фильтра, является его недостатком.
Защитные диоды (Transient Voltage Suppressor), подобно стабилитронам, крайне быстро становятся проводящими при увеличении приложенного напряжения сверх напряжения открывания. Время реакции такого прибора, особенно безвыводного, составляет всего лишь несколько пикосекунд. Конечно, индуктивность выводов и подводящих проводов снижает быстродействие диода, но тем не менее оно остается самым высоким среди используемых ограничителей напряжения. Существуют как однополярные защитные диоды, так и с симметричной вольт-амперной характеристикой [4], что позволяет их использовать без дополнительных выпрямляющих диодов в цепях переменного тока. При очень большом токе, в отличие от газонаполненного разрядника, происходящий в защитном диоде электрический пробой становится необратимым Такой элемент подлежит замене. Промышленно изготавливаемые устройства защиты от высоковольтных импульсов в электросети как в нашей стране, так и за рубежом должны соответствовать требованиям международных стандартов, утверждаемых Международной электротехнической комиссией (МЭК), и по общепринятой терминологии подразделяются на I, II и III класс защиты. Устройства I класса предназначены для защиты электросети на вводе в здание перед счетчиком электрической энергии. Основными элементами таких устройств являются вакуумные и газонаполненные разрядники, способные нейтрализовать мощные грозовые разряды до 150 кА в импульсе, что соответствует прямому попаданию молнии с учетом растекания тока по подвергнувшейся электрическому удару поверхности.
Устройства II класса ослабляют импульсные помехи в этажных и цеховых распределительных щитах. Наиболее часто используемый защитный элемент в таких устройствах — варистор.
Устройства III класса предназначены для защиты отдельных устройств с потребляемым током не более 16 А. Выполняют их, как правило, на защитных диодах.
Разумеется, для безопасной эксплуатации радиоаппаратуры пользователь может оборудовать такими устройствами промышленного изготовления распределительную электросеть на даче или в квартире, но реализация такого решения может оказаться затруднительной в финансовом отношении. Гораздо дешевле обойдется самостоятельное изготовление сетевого защитного устройства В статье [5] приведены рекомендации по изготовлению такого устройства, а на рис. 8 этой статьи показана его схема. Но эти рекомендации в свете всего вышесказанного отнюдь не бесспорны. Во-первых, защита всего лишь двухступенчатая (разрядник—защитный диод), и во-вторых, рабочее напряжение как диодов, так и разрядника выбрано явно заниженным по сравнению с требуемым. Очевидно, предполагалось, что эффективное значение напряжения сети не превысит 220 В (амплитудное значение 310 В), а отклонение напряжения пробоя разрядника и открывания защитного диода от
номинального значения — не более 10% (350-35 = 315 В).
На основе анализа современных представлений о требованиях к устройствам грозозащиты и методов их практической реализации автором разработано многоступенчатое защитное устройство, схема которого показана на рис. 2.
 
Устройство подключают к сети с помощью электрической вилки ХР1 с заземляющим контактом. Плавкие вставки FU1, FU2 рассчитаны на нагрузку до 1 кВт. подключаемую к розетке XS1. Их наличие значительно повышает надежность защитного устройства и продлевает ресурс используемых в нем других элементов. Кратковременные помехи, неспособные вызвать срабатывание разрядника F1, будут ослаблены дросселями L2—L4 и поглощены защитным диодом VD1 Значительный вклад в ослабление таких помех вносит также надетый на сетевой кабель ферритовый цилиндр, в результате чего образуется дроссель L1 Окончательно подавляет симметричные кратковременные сетевые помехи конденсатор С1, несимметричные — С2 и СЗ
Подавление фронта продолжительных сетевых помех, порождаемых грозовыми разрядами, происходит в первую очередь защитным диодом VD1 и варисторами RU1—RU3 Через 250нс включившийся разрядник F1 отводит помеху на себя, а сработавшие плавкие вставки FU1, FU2 отключают источник питания аппаратуры от сети до наступления критических последствий.
Рассеиваемая защитными элементами в сетевом фильтре энергия импульсных помех выделяется в виде тепла при этом температура элементов может достигать 200 °С и более Поэтому из соображений пожарной безопасности корпус устройства необходимо изготавливать только из металла. Соединение корпуса с проводом от заземляющего контакта вилки ХР1 выполняют в непосредственной близости от ввода сетевого кабеля в корпус фильтра. Розетку XS1 соединяют короткими проводами с соответствующими контактными площадками, указанными на чертеже печатной платы устройства (рис. 3).
 
 Фотография платы показана на рис. 4
 
Печатная плата изготовлена из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Заземляющий защитные элементы печатный проводник на плате для увеличения площади сечения облуживают припоем, создавая валик высотой 1...1.5 мм.
Сетевой кабель используют с проводами сечением не менее 1 мм2. На него надевают ферритовый цилиндр К18x9x30 мм (показан слева на рис. 4). Такие цилиндры зарубежные производители устанавливают на кабелях для подключения различных устройств к компьютеру.
Дроссели L2 и L3 наматывают проводом ПЭВ-2 диаметром 1 мм каждый на двух сложенных вместе кольцевых магнитопроводах КП27х15х6 мм из пермаллоя МП 140. Намотку выполняют в два полных слоя без межслойной изоляции. Автор использовал готовые дроссели, покрытые эмалью в целях влагозащиты. Можно также применить магнитопровод К28х14х12мм от многообмоточного дросселя в импульсном блоке питания AT компьютера.
Дроссель L4 выполняют на кольце К28х15х10мм из феррита М2000НМ. Острые кромки магнитопровода закругляют надфилем, а затем изолируют лакотканью или фторопластовой лентой. Каждая из обмоток содержит 15 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1 мм. Из конструктивных соображений для удобства подключения выводов к печатной плате одну из обмоток наматывают в направлении, противоположном использованному для другой обмотки. В этом случае создаваемые втекающим и вытекающим токами поля в магнитопроводе будут взаимно скомпенсированы и магнитное насыщение тем самым исключено. Правильность исполнения дросселя можно проверить, измерив его индуктивность. В данной конструкции индуктивность каждой обмотки составляет 270 мкГн. Если соединить выходные концы обмоток и измерить входную индуктивность, она не превысит 10 мкГн.
Варисторы RU1 —RU3 - - SIOV S20K420. Их можно заменить другими металлоксидными диаметром 20 мм и классификационным напряжением 420 В В крайнем случае можно использовать оксидно-цинковые того же диаметра с классификационным напряжением 430 В, маркируемые, например, одним из производителей как MYG20K431. Высоковольтные конденсаторы С1 — СЗ — из серии К78-2.
Симметричный защитный диод 1.5КЕ440СА можно заменить двумя такими же однополярными (без индекса СА) или их аналогами. В этом случае защитное устройство целесообразно дополнить индикатором сетевого напряжения и исправности защитных диодов [4].
Во время эксплуатации устройства необходимо периодически, особенно после грозовых дней, выполнять контроль технического состояния устройства и своевременно заменять элементы, выработавшие свой ресурс.

Радио №7, 2010г.
ЛИТЕРАТУРА
1 ГОСТ Р 50571.19-2000. Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений.
2.  Конное A. AL Электрооборудование жилых зданий — М.: Додека-XXI, 2003.
3.  Surge Arresters and Switching Spark Gaps — httpr/.'www.symmetron.ru.-suppliers/ epcos/arresters,'ableiter2000NEW.pdf
4 Колосов В., Муратов А. Защита РЭА от высоковольтных импульсов в сети — Радио, 1998, № 7, с. 52, 53.
5. Малород Д. Грозозащита локальных сетей. - Радио, 2004, № 2, с. 25—27