Обзор устройств защиты от импульсных перенапряжений и помех

В большинстве случаев отказы электронного и электрического оборудования вызваны импульсными перенапряжениями и/или изменениями нагрузки в линиях электроснабжения. Основная причина высокой чувствительности современного электрооборудования  к электромагнитным помехам обусловлена использованием интегрированных полупроводниковых устройств большой размерности.

Наиболее распространенным источником импульсного перенапряжения являются молнии. Это непредсказуемое природное явление высокой интенсивности может вызывать броски перенапряжения, передаваемые через воздушные линии электроснабжения, на расстоянии до нескольких километров от места удара молнии. Растекание тока молнии по поверхности земли может вызвать импульсные перенапряжения в кабельных сетях электроснабжения. Помимо импульсов, вызываемых молнией, броски в сети электроснабжения могут быть вызваны включением и выключением индуктивной нагрузки (например, двигателей) или емкостной нагрузки (конденсаторы для корректировки коэффициента мощности) и т.п.

Для защиты оборудования и пользователей, на входе питания активного оборудования необходимо предусмотреть специальные защитные устройства. Данные устройства отводят броски в линии питания от чувствительного электрооборудования на землю.

В настоящее время на рынке для достижения требуемого высокого уровня защиты используются следующие технологии:

Искровые разрядники.

 Искровой разрядник - безнакальный газонаполненный прибор, резко изменяющий свою электропроводность при возникновении разряда между электродами. Его применяют в качестве быстродействующего коммутатора  в устройствах связи, локации, ядерной и экспериментальной физики и т. д. 

Конструкция разрядника проста: в стеклянном или керамическом баллоне, наполненном газом, расположены 2 или несколько электродов из тугоплавких металлов или их сплавов. Для наполнения применяются инертные газы, их смеси, водород, азот, кислород, воздух, пары воды. По принципу действия искровые разрядники подразделяются на неуправляемые и управляемые.

В неуправляемых разрядниках пробой происходит при определённых значениях напряжения, зависящего от конструкции прибора. В управляемых  - в определённой области напряжений при подаче импульсного напряжения на управляющий электрод.

Преимущества искровых разрядников:

·         отсутствие накала,

·          практически мгновенная готовность к работе,

·          высокая надёжность,

·          малые габариты и масса,

·         простота конструкции и технологии производства.

Недостатки искровых разрядников:

Для срабатывания устройства необходимо высокое значение пропускаемого напряжения (кВ), что приводит к повреждению защищаемого оборудования. Интенсивность искры, возникающей во время проводящего состояния, зачастую вызывает помехи и приводит к неисправной работе расположенного рядом электрооборудования. Остаточные токи приводят к перебоям в питании и, соответственно, непредсказуемым последствиям в работе оборудования.

Параллельное подключение варисторов.

Варистор [англ. varistor, от vari (able) — переменный и (resi) stor — резистор], полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого изменяется не линейно и одинаково под действием как положительного, так и отрицательного напряжения. Для изготовления варисторов применяют порошкообразный карбид кремния (полупроводник) и связующее вещество (глину, жидкое стекло, лаки, смолы и др.), которые запрессовывают в форму и спекают в ней при температуре около 1700° С. Затем поверхность образца металлизируют и припаивают к ней выводы. Низковольтные варисторы  изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные— на рабочее напряжение до 20 кВ.

Преимущества:

·         Варисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления,

·         способны выдерживать значительные электрические перегрузки,

·         просты и дёшевы,

·         обладают высокой надёжностью,

·         малой инерционностью (предельная рабочая частота до 500 кГц).

 При параллельном подключении используется несколько варисторов на базе оксида металла, подключенных параллельно с целью получения высоких токовых значений перегрузки.

Недостатки параллельного подключения:

Электрические характеристики подключенных параллельно варисторов не совпадают. Это приводит к тому, что устройства на базе параллельно подключенных варисторов быстро выходят из строя из-за термического износа. Такие устройства рассчитаны на использование внутренних предохранителей, отключающих защитное устройство при сильных импульсах во избежание возгорания и взрыва. Это приводит к:

- увеличению времени срабатывания,

- возникновению перегрузок в момент срабатывания предохранителя;

- отсутствие защиты устройства во время импульсов большой интенсивности

-отсутствие защиты оборудования при всех последующих импульсных перегрузках.

Комбинирование искровых разрядников и варисторов.

Чтобы улучшить пропускаемое напряжение искровых разрядников, некоторые производители используют искровые разрядники и варисторы с триггерной схемой. Хотя номинально данные устройства могут выдерживать более сильные импульсы, лабораторные тестирования и испытания в полевых условиях показали, что сложности возникают в связи с плохим взаимодействием между искровым разрядником и варисторами.

Модули подавления импульсного перенапряжения Strikesorb.

Несколько лет назад была создана принципиально новая концепция защитных устройств – модули подавления импульсного перенапряжения Strikesorb.

Модуль Strikesorb используется либо как независимое защитное устройство в интегрированных решениях или как компонент устройства Rayvoss. Модуль включает в себя сверхмощный диск (варистор), изготовленный на основе оксида металла (ВОМ), монтируемый под давлением в герметичном алюминиевом корпусе.

Уникальная конструкция Strikesorb обеспечивает низкое сопротивление внутреннего контакта, равномерно распределяет ток перегрузки по всей поверхности защитного элемента, что существенно снижает плотность тока и обеспечивает низкое значение градиента напряжения на Strikesorb. Запатентованная конструкция Strikesorb износоустойчива и исключает риск необратимого отказа, взрыва или возгорания.

Модуль предназначен для защиты от повторных перегрузок, что обеспечивает экономическую целесообразность его использования и отсутствие необходимости сопровождения и обслуживания в суровых климатических условиях.

Эти особенности Strikesorb,  наряду с возможностью прямого подключения к линии питания (проходное подключение) не имеют в настоящее время аналогов и гарантируют непрерывную защиту электрического и  электронного оборудования.

Дорогостоящее оборудование требует больших инвестиций, однако может очень быстро выйти из строя в случае отсутствия надлежащих устройств подавления импульсного перенапряжения, что приводит к потерям прибыли и важных функций. Инвестиции в приобретение устройств подавления импульсных перенапряжений позволяют заказчикам в дальнейшем получать прибыль за счет бесперебойной работы оборудования в ходе эксплуатации при различных неблагоприятных условиях.