ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

ПОТЕНЦИАЛОВ И ОГРАНИЧЕНИЯ

ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ УРАВНИВАНИЯ

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.

Глава ш е с т а я