Устройство защиты от перенапряжения ( УЗИП ) или ограничитель перенапряжения ( ОПН ) — это прибор или устройство, предназначенное для защиты электрических устройств в цепях переменного тока (AC) от скачков напряжения очень короткой продолжительности, измеряемой микросекундами , которые могут возникать по разным причинам , включая удары молнии поблизости.
Устройство защиты от перенапряжения ограничивает напряжение, подаваемое на электрические устройства, до определенного порогового значения, замыкая ток на землю или поглощая скачок напряжения при возникновении переходного процесса, тем самым предотвращая повреждение подключенных к нему устройств.
Основными характеристиками, характеризующими это устройство, являются: напряжение фиксации или переходное напряжение, при котором устройство начинает работать, мощность в джоулях , мера того, сколько энергии может быть поглощено за один скачок, и время отклика.
Термины «устройство защиты от перенапряжения» ( SPD ) и «ограничитель переходного напряжения» ( TVSS ) используются для описания электрических устройств, которые обычно устанавливаются в распределительных щитах, системах управления технологическими процессами , системах связи и других промышленных системах с высокой нагрузкой с целью защиты от электрических скачков и всплесков, в том числе вызванных молнией . Уменьшенные версии этих устройств иногда устанавливаются в электрических щитках ввода в эксплуатацию жилых помещений для защиты оборудования в домашнем хозяйстве от аналогичных опасностей. [2]
В цепи переменного тока скачок напряжения — это кратковременное событие, обычно длящееся от 1 до 30 микросекунд, которое может достигать более 1000 вольт. Молния, ударяющая в линию электропередачи, может вызвать скачок в тысячи вольт. Выключенный двигатель может генерировать скачок в 1000 и более вольт. Скачки напряжения могут ухудшить изоляцию проводов и вывести из строя электронные устройства, такие как лампочки , зарядные устройства, модемы, телевизоры и другую бытовую электронику.
Скачки напряжения также могут возникать на телефонных линиях и линиях передачи данных, когда к ним случайно подключаются основные линии переменного тока или в них попадает молния, или если телефонные линии и линии передачи данных проходят вблизи линий со скачками напряжения, и индуцируется напряжение.
Длительный скачок перенапряжения , длящийся секунды, минуты или часы, вызванный отказами силового трансформатора, такими как потеря нейтрали или другая ошибка энергетической компании, не защищен переходными защитами. Длительные скачки могут вывести из строя защитные устройства во всем здании или районе. Даже десятки миллисекунд могут быть длиннее, чем может выдержать защитное устройство. Длительные скачки могут или не могут быть обработаны предохранителями и реле перенапряжения .
Проводка здания добавляет электрическое сопротивление , которое ограничивает импульсный ток, достигающий нагрузок, когда переходное напряжение достигает входа обслуживания (точка, где проводка компании-поставщика входит в собственность). Меньше импульсного тока на больших расстояниях проводов и там, где больше импеданса между входом обслуживания и нагрузкой. [3]
Нагрузки категории А — это более 60 футов длины провода от сервисного входа до нагрузки. Нагрузки категории А могут подвергаться воздействию6 кВ и0,5 кА импульсные токи. Нагрузки категории B имеют длину провода от 30 до 60 футов от входа обслуживания до нагрузки. Нагрузки категории B могут подвергаться воздействию6 кВ и3 кА . Нагрузки категории C находятся на расстоянии менее 30 футов от входа в нагрузку. Нагрузки категории C могут подвергаться воздействию20 кВ и10 кА . [4]
Спиральный удлинитель можно использовать для увеличения длины провода до более чем 60 футов и увеличения сопротивления между входом в сеть и нагрузкой. [5]
Устройство защиты от импульсных перенапряжений пытается ограничить напряжение, подаваемое на электрическое устройство, либо блокируя, либо замыкая ток, чтобы снизить напряжение ниже безопасного порога. Блокировка выполняется с помощью индукторов , которые подавляют внезапное изменение тока. Замыкание выполняется конденсаторами, которые подавляют внезапное изменение напряжения, или искровыми разрядниками , разрядными трубками , полупроводниками на эффекте Зенера и металл-оксидными варисторами (MOV), все из которых начинают проводить ток после достижения определенного порогового значения напряжения. Некоторые устройства защиты от импульсных перенапряжений используют несколько элементов.
В методе замыкания электрические линии временно замыкаются вместе (как искровой разрядник) или зажимаются до целевого напряжения (как MOV), что приводит к большому току. Скачок напряжения уменьшается, поскольку ток замыкания протекает через сопротивление в линиях электропередач. Энергия скачка рассеивается в линиях электропередач или в земле , или в протекторе, преобразуясь в тепло. Поскольку скачок длится всего десятки микросекунд, повышение температуры минимально. Однако, если скачок достаточно большой или достаточно длинный, протектор может быть разрушен, а линии электропередач повреждены.
Сетевые фильтры для домов могут быть в удлинителях, используемых внутри, или в устройстве снаружи на панели питания. Розетки в современном доме используют три провода: линия, нейтраль и заземление. Многие защитные устройства будут подключаться ко всем трем попарно (линия–нейтраль, линия–земля и нейтраль–земля), поскольку существуют условия, такие как молния, когда и линия, и нейтраль имеют высокие скачки напряжения, которые необходимо закоротить на землю.
Кроме того, некоторые устройства защиты потребительского класса имеют порты для Ethernet и коаксиальных кабелей, и их подключение позволяет устройству защиты от перенапряжения защищать их от внешних электрических повреждений. [6]
Подавитель переходного напряжения или TVS — это общая классификация электронных компонентов, которые предназначены для реагирования на внезапные или кратковременные условия перенапряжения . Одним из таких распространенных устройств, используемых для этой цели, является диод подавления переходного напряжения , стабилитрон, предназначенный для защиты электронного устройства от перенапряжения. Другая альтернативная конструкция использует семейство продуктов, известных как металлооксидные варисторы (MOV). [7]
Характеристика TVS требует, чтобы он реагировал на перенапряжения быстрее, чем другие распространенные компоненты защиты от перенапряжения, такие как варисторы или газоразрядные трубки . Это делает устройства или компоненты TVS полезными для защиты от очень быстрых и часто разрушительных скачков напряжения . Эти быстрые скачки перенапряжения присутствуют во всех распределительных сетях и могут быть вызваны как внутренними, так и внешними событиями, такими как молния или дуга двигателя . [8]
Применение диодов подавления переходного напряжения используется для однонаправленной или двунаправленной защиты от электростатического разряда линий передачи или данных в электронных схемах. TVS на основе MOV используются для защиты домашней электроники, распределительных систем и могут компенсировать нарушения распределения электроэнергии промышленного уровня, экономя время простоя и предотвращая повреждение оборудования. Уровень энергии в переходном перенапряжении может быть приравнен к энергии, измеряемой в джоулях , или связан с электрическим током , когда устройства рассчитаны на различные приложения. Эти всплески перенапряжения могут быть измерены с помощью специализированных электронных счетчиков, которые могут показывать нарушения питания амплитудой в тысячи вольт, которые длятся несколько микросекунд или меньше.
MOV может перегреться при воздействии перенапряжения, достаточного для того, чтобы MOV начал проводить ток, но недостаточного для его полного разрушения или перегорания предохранителя в доме. Если состояние перенапряжения сохраняется достаточно долго, чтобы вызвать значительный нагрев MOV, это может привести к тепловому повреждению устройства и вызвать пожар. [9] [10]
Во многих сетевых фильтрах предусмотрена базовая встроенная защита от перенапряжения; обычно это четко обозначено.
Однако в странах, где нет соответствующих правил, существуют сетевые фильтры, маркированные как устройства защиты от «скачков» или «перенапряжения», которые имеют только конденсатор, схему подавления радиопомех или вообще ничего не имеют и не обеспечивают настоящей защиты от скачков напряжения.
Ограничитель перенапряжения , устройство защиты от перенапряжения (SPD) или ограничитель переходного напряжения (TVSS) используется для защиты оборудования в системах передачи и распределения электроэнергии . Энергетический критерий для различных изоляционных материалов можно сравнить по импульсному коэффициенту. Ограничитель перенапряжения должен иметь низкий импульсный коэффициент, чтобы импульс, падающий на ограничитель перенапряжения, мог быть отведен на землю, а не проходить через устройство.
Для защиты единицы оборудования от переходных процессов, происходящих на присоединенном проводнике, разрядник для защиты от перенапряжений подключается к проводнику непосредственно перед его входом в оборудование. Разрядник для защиты от перенапряжений также подключается к заземлению и функционирует, направляя энергию от переходного процесса перенапряжения на землю, если таковой происходит, изолируя проводник от земли при нормальных рабочих напряжениях. Обычно это достигается с помощью варистора , который имеет существенно разное сопротивление при разных напряжениях.
Ограничители перенапряжения, как правило, не предназначены для защиты от прямого удара молнии в проводник, а скорее от электрических переходных процессов, возникающих в результате ударов молнии, происходящих вблизи проводника [ требуется ссылка ] . Молния, ударяющая в землю, приводит к появлению токов заземления, которые могут проходить по подземным проводникам и вызывать переходный процесс, который распространяется наружу к концам проводника. Тот же тип индукции происходит в воздушных и надземных проводниках, которые испытывают проходящую энергию атмосферного ЭМИ, вызванного вспышкой молнии.
Ограничители перенапряжения могут защитить только от индуцированных переходных процессов, характерных для быстрого времени нарастания разряда молнии, и не защитят от электризации, вызванной прямым ударом в проводник. Переходные процессы, подобные вызванным молнией, например, от переключения неисправности высоковольтной системы, также могут быть безопасно отведены в землю; однако эти устройства не защищают от непрерывных сверхтоков . Энергия в обработанном переходном процессе существенно меньше, чем у разряда молнии; однако ее все еще достаточно, чтобы вызвать повреждение оборудования, и часто требуется защита.
Без очень толстой изоляции, которая обычно является непомерно дорогой, большинство проводников, проложенных на расстояния, превышающие минимальные (более примерно 50 футов (15 м)) будут испытывать переходные процессы, вызванные молнией, в какой-то момент во время использования. Поскольку переходный процесс обычно инициируется в какой-то точке между двумя концами проводника, в большинстве приложений разрядник устанавливается непосредственно перед тем, как проводник приземляется в каждой части оборудования, подлежащего защите. Каждый проводник должен быть защищен, так как у каждого будет свой собственный наведенный переходный процесс, и каждое УЗИП должно обеспечивать путь к земле, чтобы безопасно отвести переходный процесс от защищаемого компонента.
Единственное заметное исключение, где они не устанавливаются на обоих концах, — это распределительные системы высокого напряжения. В целом, индуцированное напряжение недостаточно для повреждения на конце линии электрогенерации; однако установка на входе в здание имеет ключевое значение для защиты нижестоящих продуктов, которые не столь надежны.
Это некоторые из наиболее важных спецификаций, которые определяют устройство защиты от перенапряжения для сетей переменного тока, а также для некоторых приложений по защите передачи данных.
Также известное как пропускаемое напряжение , оно определяет, какое пиковое напряжение закоротит или зажмет защитные компоненты внутри устройства защиты от перенапряжения. [11] [12] Более низкое фиксирующее напряжение указывает на лучшую защиту, но иногда может привести к более короткому сроку службы всей защитной системы. Три самых низких уровня защиты, определенных в рейтинге UL, составляют 330 В, 400 В и 500 В. Стандартное пропускаемое напряжение для устройств переменного тока 120 В составляет 330 вольт. [13]
Underwriters Laboratories (UL), [14] глобальная независимая компания по науке безопасности, определяет, как можно безопасно использовать протектор. UL 1449 стал обязательным для соблюдения в юрисдикциях, которые приняли NEC с 3-м изданием в сентябре 2009 года, чтобы повысить безопасность по сравнению с продуктами, соответствующими 2-му изданию. Измеренный тест предельного напряжения, использующий в шесть раз более высокий ток (и энергию), определяет рейтинг защиты по напряжению (VPR). Для конкретного протектора это напряжение может быть выше по сравнению с рейтингами подавленного напряжения (SVR) в предыдущих изданиях, которые измеряли сквозное напряжение с меньшим током. Из-за нелинейных характеристик протекторов сквозные напряжения, определенные испытаниями 2-го и 3-го изданий, несопоставимы. [13] [15]
Протектор может быть больше, чтобы получить то же пропускаемое напряжение во время тестирования 3-го издания. Поэтому протектор 3-го издания или более позднего должен обеспечивать превосходную безопасность с увеличенным сроком службы.
Протектор с более высоким пропускаемым напряжением, например 400 В против 330 В, будет пропускать более высокое напряжение к подключенному устройству. Конструкция подключенного устройства определяет, вызовет ли этот сквозной скачок повреждение. Двигатели и механические устройства обычно не затрагиваются. Некоторые (особенно старые) электронные детали, такие как зарядные устройства, светодиодные или люминесцентные лампы и компьютеризированные приборы, чувствительны и могут быть скомпрометированы и их срок службы сокращен.
Число джоулей определяет, сколько энергии может теоретически поглотить сетевой фильтр на основе MOV за один раз без отказа. Лучшие защитные устройства превышают показатели в 1000 джоулей и 40 000 ампер. Поскольку фактическая продолжительность скачка составляет всего около 10 микросекунд [ необходима ссылка ] , фактическая рассеиваемая энергия мала. Если больше, то MOV расплавится или иногда замкнется и расплавится, в лучшем случае перегорит предохранитель, отключившись от цепи.
MOV (или другое закорачивающее устройство) требует сопротивления в линии питания для ограничения напряжения. Для больших линий электропередач с низким сопротивлением требуется MOV с более высоким джоулевым номиналом. Внутри дома, с более мелкими проводами, имеющими большее сопротивление, приемлем меньший MOV.
Каждый раз, когда MOV замыкается, его внутренняя структура изменяется, а его пороговое напряжение немного уменьшается. После многих скачков пороговое напряжение может снизиться достаточно, чтобы приблизиться к напряжению линии, то есть 120 В переменного тока или 240 В переменного тока. В этот момент MOV частично проводит ток и нагревается и в конечном итоге выходит из строя, иногда в результате резкого расплавления или даже пожара. Большинство современных устройств защиты от перенапряжения имеют автоматические выключатели и температурные предохранители для предотвращения серьезных последствий. Многие также имеют светодиодный индикатор, показывающий, функционируют ли MOV.
Джоульный рейтинг обычно цитируется для сравнения сетевых фильтров на основе MOV. Средний скачок (всплеск) имеет короткую продолжительность, длящуюся от наносекунд до микросекунд, а экспериментально смоделированная энергия скачка может быть менее 100 джоулей. [16] Хорошо спроектированные сетевые фильтры учитывают сопротивление линий, по которым подается питание, вероятность молнии или другого серьезного энергетического всплеска и соответствующим образом указывают MOV. Небольшое зарядное устройство для аккумуляторов может включать MOV мощностью всего 1 Вт, тогда как удлинитель будет иметь MOV мощностью 20 Вт или несколько из них, подключенных параллельно. Домашний защитник будет иметь большой блочный MOV.
Некоторые производители обычно проектируют устройства защиты от перенапряжения с более высоким джоулевым номиналом, подключая несколько MOV параллельно, и это может привести к вводящему в заблуждение рейтингу. Поскольку отдельные MOV имеют немного разные пороги напряжения и нелинейные реакции при воздействии одной и той же кривой напряжения, любой данный MOV может быть более чувствительным, чем другие. Это может привести к тому, что один MOV в группе будет проводить больше (явление, называемое захватом тока ), что приведет к возможному чрезмерному использованию и в конечном итоге преждевременному отказу этого компонента. Однако другие MOV в группе немного помогают, поскольку они начинают проводить по мере того, как напряжение продолжает расти, поскольку у MOV нет резкого порога. Он может начать замыкаться при 270 вольтах, но не достичь полного замыкания до 450 или более вольт. Второй MOV может начинаться с 290 вольт, а другой — с 320 вольт, чтобы они все могли помочь зажать напряжение, а при полном токе возникает эффект последовательного балласта, который улучшает распределение тока, но указание фактического рейтинга джоулей как суммы всех отдельных MOV неточно отражает общую способность зажима. Первый MOV может нести большую нагрузку и выйти из строя раньше.
Один из производителей MOV рекомендует использовать меньшее количество MOV, но большего размера (например, диаметром 60 мм против 40 мм), если они могут поместиться в устройстве. Кроме того, рекомендуется, чтобы несколько меньших MOV были согласованы и снижены. В некоторых случаях может потребоваться четыре 40-миллиметровых MOV, чтобы быть эквивалентными одному 60-миллиметровому MOV. [17]
Еще одна проблема заключается в том, что если один встроенный предохранитель поместить последовательно с группой параллельных MOV-варисторов в качестве защитного устройства отключения, он разомкнется и отключит все оставшиеся рабочие MOV-варисторы.
Эффективная способность поглощения энергии импульса всей системы зависит от соответствия MOV, поэтому обычно требуется снижение на 20% или более. Это ограничение можно преодолеть, используя тщательно подобранные наборы MOV, подобранные в соответствии со спецификацией производителя. [18] [17]
Согласно отраслевым стандартам испытаний, основанным на предположениях IEEE и ANSI , скачки напряжения в линии электропередачи внутри здания могут достигать 6000 вольт и 3000 ампер и обеспечивать до 90 джоулей энергии, включая скачки напряжения от внешних источников, за исключением ударов молнии.
Общие предположения относительно молнии, основанные на ANSI/IEEE C62.41 и UL 1449 (3-е изд.) на момент написания этой статьи, заключаются в том, что минимальные скачки напряжения в линии электропередачи, вызванные молнией, внутри здания обычно составляют 10 000 ампер или 10 килоампер (кА). Это основано на 20 кА, ударяющих по линии электропередачи, передаваемый ток затем равномерно распространяется в обоих направлениях по линии электропередачи, в результате чего 10 кА поступают в здание или дом. Эти предположения основаны на среднем приближении для проверки минимальных стандартов. Хотя 10 кА обычно достаточно для минимальной защиты от ударов молнии, удар молнии может передать до 200 кА в линию электропередачи, при этом 100 кА распространяются в каждом направлении.
Молнии и другие высокоэнергетические переходные скачки напряжения могут быть подавлены с помощью подавителей, устанавливаемых на столбах коммунальной службой, или с помощью предоставленного владельцем сетевого фильтра для всего дома. Продукт для всего дома стоит дороже, чем простые однорозеточные сетевые фильтры, и часто требует профессиональной установки на входящей линии электропитания; однако они предотвращают попадание скачков напряжения в дом. Ущерб от прямых ударов молнии по другим путям, например, по телефонным линиям, должен контролироваться отдельно.
Сетевые фильтры не срабатывают мгновенно; существует небольшая задержка, несколько наносекунд. При более длительном времени отклика и в зависимости от импеданса системы подключенное оборудование может быть подвержено некоторой части скачка. Однако скачки обычно происходят гораздо медленнее и достигают пикового напряжения примерно за несколько микросекунд , а сетевой фильтр с наносекундным временем отклика сработает достаточно быстро, чтобы подавить самую разрушительную часть скачка. [19]
Таким образом, время отклика при стандартном тестировании не является полезным показателем возможностей сетевого фильтра при сравнении устройств MOV. Все MOV имеют время отклика, измеряемое в наносекундах, в то время как тестовые формы сигналов, обычно используемые для проектирования и калибровки сетевых фильтров, все основаны на смоделированных формах сигналов скачков, измеряемых в микросекундах. В результате, у защит на основе MOV нет проблем с получением впечатляющих характеристик времени отклика.
Медленно реагирующие технологии (в частности, GDT) могут испытывать трудности с защитой от быстрых скачков. Поэтому хорошие проекты, включающие более медленные, но в остальном полезные технологии, обычно объединяют их с быстродействующими компонентами, чтобы обеспечить более комплексную защиту. [20]
Некоторые часто упоминаемые стандарты включают в себя:
Каждый стандарт определяет различные характеристики защитного средства, векторы испытаний или эксплуатационное назначение.
Третье издание стандарта UL 1449 для УЗИП представляло собой существенную переработку предыдущих изданий и впервые было принято в качестве стандарта ANSI. [21] [22] Последующая редакция в 2015 году включала добавление низковольтных цепей для портов зарядки USB и связанных с ними аккумуляторов. [23] [24]
EN 62305 и ANSI/IEEE C62.xx определяют, какие пики может отклонить устройство защиты. EN 61643-11 и 61643-21 определяют как эксплуатационные характеристики продукта, так и требования безопасности. Напротив, IEC только пишет стандарты и не сертифицирует какой-либо конкретный продукт как соответствующий этим стандартам. Стандарты IEC используются членами CB Scheme международных соглашений для тестирования и сертификации продуктов на соответствие требованиям безопасности.
Ни один из этих стандартов не гарантирует, что протектор обеспечит надлежащую защиту в данном приложении. Каждый стандарт определяет, что протектор должен делать или может сделать, на основе стандартизированных тестов, которые могут или не могут коррелировать с условиями, присутствующими в конкретной реальной ситуации. Для обеспечения достаточной защиты может потребоваться специализированный инженерный анализ, особенно в ситуациях с высоким риском удара молнии .
Кроме того, следующие стандарты не являются стандартами для отдельных устройств защиты от перенапряжения, а предназначены для тестирования устойчивости к перенапряжению в электрическом и электронном оборудовании в целом. Таким образом, они часто используются при проектировании и тестировании схем защиты от перенапряжения.
Системы, используемые для снижения или ограничения высоковольтных скачков напряжения [25] [26], могут включать один или несколько из следующих типов электронных компонентов . Некоторые системы подавления скачков напряжения используют несколько технологий, поскольку каждый метод имеет свои сильные и слабые стороны. [20] [27] [28] Первые шесть перечисленных методов работают в основном за счет отвода нежелательной энергии скачков напряжения от защищаемой нагрузки с помощью защитного компонента, подключенного в параллельной (или шунтированной) топологии. Последние два метода также блокируют нежелательную энергию с помощью защитного компонента, подключенного последовательно с подачей питания на защищаемую нагрузку, и дополнительно могут шунтировать нежелательную энергию, как и более ранние системы.
Металлооксидный варистор (MOV) состоит из объемного полупроводникового материала (обычно спеченного гранулированного оксида цинка ), который может проводить большие токи при подаче напряжения выше номинального. [13] [29] MOV обычно ограничивают напряжение примерно в 3–4 раза больше нормального напряжения цепи, отводя импульсный ток в другое место, нежели защищаемая нагрузка. MOV можно подключать параллельно для увеличения допустимой токовой нагрузки и срока службы, при условии, что они являются согласованными наборами . [a]
MOV имеют конечный срок службы и деградируют при воздействии нескольких больших переходных процессов или множества малых переходных процессов. [30] [31] Каждый раз, когда MOV активируется, его пороговое напряжение немного уменьшается. После многих скачков пороговое напряжение может уменьшиться достаточно, чтобы приблизиться к защитному напряжению, как сетевому, так и к напряжению данных. В этот момент MOV проводит все чаще и чаще, нагревается и, наконец, выходит из строя. В цепях данных канал данных становится закороченным и нефункциональным. В силовой цепи вы можете получить резкое расплавление или даже пожар, если не защищены каким-либо предохранителем. [32]
Современные сетевые фильтры и домашние защитные устройства имеют автоматические выключатели и температурные предохранители для предотвращения серьезных последствий. Термопредохранитель отключает MOV, когда он становится слишком горячим. Отключается только MOV, оставляя остальную часть цепи работающей, но без защиты от перенапряжения. Часто имеется светодиодный индикатор, показывающий, что MOV все еще функционируют. Старые сетевые фильтры не имели термопредохранителя и полагались на автоматический выключатель на 10 или 15 ампер, который обычно перегорал только после того, как MOV дымились, горели, лопались, расплавлялись и постоянно замыкались.
Неисправный MOV представляет собой риск возникновения пожара, что является причиной стандарта UL1449 Национальной ассоциации противопожарной защиты (NFPA) [33] в 1986 году [34] и последующих пересмотров в 1998, 2009 и 2015 годах. Основной задачей NFPA является защита от пожара. [13] [35]
Поэтому все защитные устройства на основе MOV, предназначенные для длительного использования, должны иметь индикатор отказа защитных компонентов, и этот индикатор необходимо регулярно проверять, чтобы убедиться, что защита все еще функционирует. [36]
Благодаря хорошему соотношению цены и производительности варисторы MOV являются наиболее распространенным компонентом защиты в недорогих базовых устройствах защиты переменного тока.
Диод подавления переходного напряжения (TVS-диод) — это тип лавинного диода , который может ограничивать скачки напряжения. Эти компоненты обеспечивают самое быстрое ограничивающее действие защитных компонентов (теоретически за пикосекунды ), но имеют относительно низкую способность поглощать энергию. Напряжения могут быть ограничены до менее чем удвоенного нормального рабочего напряжения. Если импульсы тока остаются в пределах номинальных значений устройства, ожидаемый срок службы исключительно велик. [ необходимо разъяснение ] Если номинальные значения компонентов превышены, диод может выйти из строя из-за постоянного короткого замыкания; защита может оставаться, но нормальная работа схемы прекращается в случае маломощных сигнальных линий.
Из-за своей относительно ограниченной токовой емкости TVS-диоды часто ограничиваются цепями с меньшими выбросами тока. TVS-диоды также используются там, где выбросы тока происходят значительно чаще, чем один раз в год, поскольку этот тип компонента не будет деградировать при использовании в пределах своих номиналов. Уникальный тип TVS-диода (торговые марки Transzorb или Transil ) содержит обратные спаренные последовательные лавинные диоды для биполярной работы.
TVS-диоды часто используются в высокоскоростных, но маломощных схемах, например, в цепях передачи данных. Эти устройства могут быть соединены последовательно с другим диодом для обеспечения низкой емкости [37], как требуется в цепях связи.
Trisil — это тип тиристорного устройства защиты от перенапряжения (TSPD) , специализированное твердотельное электронное устройство, используемое в цепях замыкания для защиты от перенапряжения. SIDACtor — это еще одно устройство тиристорного типа, используемое для аналогичных защитных целей.
Эти устройства семейства тиристоров можно рассматривать как имеющие характеристики, во многом похожие на искровой промежуток или GDT , но могут работать гораздо быстрее. Они связаны с TVS-диодами , но могут «переходить» к низкому напряжению зажима, аналогичному ионизированному и проводящему искровому промежутку. После срабатывания низкое напряжение зажима допускает большие скачки тока, ограничивая при этом рассеивание тепла в устройстве.
Газоразрядная трубка (GDT) представляет собой герметичное стеклянное устройство, содержащее специальную газовую смесь, заключенную между двумя электродами, которая проводит электрический ток после ионизации под действием высокого напряжения. [38] GDT могут проводить больше тока для своего физического размера, чем другие компоненты. Как и MOV, GDT имеют конечный срок службы и могут выдерживать несколько очень больших переходных процессов или большее количество более мелких переходных процессов. Типичный режим отказа происходит, когда пусковое напряжение поднимается настолько высоко, что устройство становится неэффективным, хотя грозовые скачки могут иногда вызывать короткое замыкание.
GDT требуется относительно много времени для срабатывания (дольше, чем удар молнии от 60 до 70 нс), что позволяет более высокому скачку напряжения пройти короткое время, прежде чем GDT проведет значительный ток. Нередко GDT пропускает импульсы в 500 В или более длительностью 100 нс.
В некоторых случаях необходимы дополнительные защитные компоненты для предотвращения повреждения защищаемой нагрузки, вызванного высокоскоростным сквозным напряжением, которое происходит до того, как GDT начинает работать. Пусковые напряжения обычно составляют 400–600 вольт для газовых трубок, а те, которые перечислены в стандарте UL 497, обычно имеют высокие значения импульсного тока, от 5000 до 10000 ампер (8x20 мкс). [39]
При срабатывании GDT создают эффективное короткое замыкание, так что если присутствует какая-либо электрическая энергия (всплеск, сигнал или мощность), GDT закоротит. После срабатывания GDT будет продолжать проводить (так называемый последующий ток ), пока весь электрический ток не уменьшится в достаточной степени, и газовый разряд не погаснет. В отличие от других устройств защиты от шунта, GDT после срабатывания будет продолжать проводить при напряжении, меньшем, чем высокое напряжение, которое изначально ионизировало газ; такое поведение называется отрицательным сопротивлением .
Дополнительные вспомогательные схемы могут потребоваться в приложениях постоянного тока (и некоторых переменного тока) для подавления последующего тока, чтобы предотвратить разрушение им GDT после рассеивания инициирующего скачка. Некоторые GDT разработаны для преднамеренного замыкания на заземленную клемму при перегреве, тем самым вызывая срабатывание внешнего предохранителя или автоматического выключателя. [40]
Многие GDT чувствительны к свету, то есть воздействие света снижает их напряжение срабатывания. Поэтому GDT следует защищать от воздействия света или использовать непрозрачные версии, нечувствительные к свету.
Серия разрядников CG2 SN, ранее выпускавшаяся компанией CP Clare, рекламируется как нерадиоактивная, а в техническом описании этой серии указано, что некоторые элементы серии CG/CG2 (75–470 В) изначально радиоактивны . [41]
Благодаря своей исключительно низкой емкости GDT обычно используются на высокочастотных линиях, например, в телекоммуникационном оборудовании. Благодаря своей высокой способности выдерживать ток GDT также могут использоваться для защиты линий электропередач, но при этом необходимо контролировать проблему остаточного тока.
Объемный полупроводник с "фиксацией перенапряжения", похожий на MOV, хотя он не фиксирует так же хорошо. Однако он обычно имеет более длительный срок службы, чем MOV. Он используется в основном в цепях постоянного тока с высокой энергией, таких как поле возбуждения генератора переменного тока . Он может рассеивать мощность непрерывно и сохраняет свои характеристики фиксации в течение всего события скачка напряжения, если правильно подобран размер.
Искровой разрядник — одна из старейших защитных электрических технологий, до сих пор встречающихся в телефонных цепях, разработанная в девятнадцатом веке. Угольный стержневой электрод удерживается изолятором на определенном расстоянии от второго электрода. Размер зазора определяет напряжение, при котором искра проскакивает между двумя частями и замыкается на землю. Типичное расстояние для телефонных приложений в Северной Америке составляет 0,076 мм (0,003 дюйма). [42] Угольные блочные подавители похожи на газовые разрядники (GDT); но поскольку два электрода подвергаются воздействию воздуха, на их поведение влияет окружающая атмосфера, особенно повышенная влажность . Поскольку их работа создает открытую искру, эти устройства никогда не следует устанавливать там, где может образоваться взрывоопасная атмосфера.
Индукторы, линейные реакторы, дроссели и конденсаторы используются для ограничения токов короткого замыкания и могут уменьшить или предотвратить события перенапряжения. [43] В приложениях, ограничивающих токи короткого замыкания, индукторы более известны как электрические линейные реакторы или дроссели. Линейные реакторы могут предотвратить отключения из-за перенапряжения, повысить надежность и срок службы твердотельных устройств и сократить ложные отключения. [44] [45] [46]
Металлические панели распределительного шкафа позволяют локализовать отказы устройств защиты от перенапряжения (SPD) удаленно от цифровых устройств и электрических контроллеров. Прямые вспышки молнии и грозовые перенапряжения во вторичных системах могут вызвать катастрофические отказы SPD. Катастрофические отказы SPD могут выпустить огненные шары из металлических фрагментов и облака токопроводящей углеродной сажи. Распределительные панели не позволяют таким опасностям достичь цифровых и контрольных устройств, которые установлены в удаленных главных панелях управления. [47] [48] [49] Панели распределительного шкафа используются для панелей цифровых систем (пожарная сигнализация, контроль доступа безопасности, чистое питание компьютеров и т. д.). Проводка и кабели, подлежащие защите, включают как источник питания, так и любую проводку (сигнальную цепь, цепь пускового устройства, щиты и т. д.), которая выходит за пределы здания под землей, над землей или другими способами, такими как проходы, мосты и т. д. Кроме того, она должна включать проводку устройств, расположенных на высоте, например, на чердаках, на уровнях крыш парковок, парковочных фонарей и т. д. [50] [51] После прохождения через УЗИП в распределительных шкафах проводка может проходить по каналам в другие удаленные, почти смежные шкафы, которые содержат входные и выходные соединения для цифровых системных панелей (пожарная сигнализация, контроль доступа, чистое питание компьютеров, программируемые логические контроллеры (ПЛК) и т. д.
Эта технология, используемая в трактах передачи радиочастотного сигнала, отличается настроенным короткозамкнутым шлейфом длиной в четверть волны, который позволяет пропускать полосу частот, но создает короткое замыкание для любых других сигналов, особенно вниз по направлению к постоянному току. Полосы пропускания могут быть узкополосными (примерно от ±5% до ±10% полосы пропускания) или широкополосными (выше ±25% до ±50% полосы пропускания). Коаксиальные разрядники с четвертьволновой волной имеют коаксиальные клеммы, совместимые с обычными разъемами коаксиального кабеля (особенно типа N или 7-16 ). Они обеспечивают самую надежную доступную защиту для радиочастотных сигналов выше 400 МГц ; на этих частотах они могут работать намного лучше, чем газоразрядные ячейки, обычно используемые в универсальных/широкополосных коаксиальных разрядниках. Четвертьволновые разрядники полезны для телекоммуникационных приложений, таких как Wi-Fi на частотах 2,4 или 5 ГГц , но менее полезны для частот TV/ CATV . Поскольку четвертьволновый разрядник закорачивает линию на низких частотах, он несовместим с системами, которые передают питание постоянного тока для LNB по коаксиальному нисходящему каналу.
Эти устройства не оцениваются в джоулях, поскольку они работают иначе, чем перечисленные выше подавители, и они не зависят от материалов, которые по своей природе изнашиваются во время повторяющихся скачков напряжения. Подавители SM в основном используются для контроля переходных скачков напряжения на электропитании защищаемых устройств. По сути, они представляют собой сверхмощные фильтры нижних частот, подключенные таким образом, что пропускают сетевые напряжения частотой 50 или 60 Гц к нагрузке, блокируя и отклоняя более высокие частоты. Этот тип подавителя отличается от других тем, что использует батареи индукторов , конденсаторов и резисторов , которые подавляют скачки напряжения и пусковой ток в нейтральном проводе , тогда как другие конструкции шунтируют на заземляющий провод . [52] Скачки напряжения не отклоняются, а фактически подавляются. Индукторы замедляют энергию. Поскольку индуктор, включенный последовательно с контуром цепи, замедляет скачок тока, пиковая энергия скачка напряжения распространяется во временной области и безвредно поглощается и медленно высвобождается из батареи конденсаторов. [53]
Экспериментальные результаты показывают, что большинство энергий скачков напряжения происходят при менее чем 100 джоулей, поэтому превышение проектных параметров SM маловероятно. Подавители SM не представляют пожарной опасности, если поглощенная энергия превышает проектные пределы диэлектрического материала компонентов, поскольку энергия скачка напряжения также ограничивается дугой на землю во время ударов молнии , оставляя остаток скачка напряжения, который часто не превышает теоретический максимум (например, 6000 В при 3000 А с смоделированной формой волны 8 × 20 микросекунд, указанной в IEEE/ANSI C62.41). Поскольку SM работают как на повышении тока, так и на повышении напряжения, они могут безопасно работать в наихудших условиях скачков напряжения.
Подавление SM фокусирует свою защитную философию на входе источника питания , но не предлагает ничего для защиты от скачков напряжения, возникающих между входом устройства SM и линиями передачи данных , такими как антенны, телефонные или LAN- соединения, или несколькими такими устройствами, каскадно соединенными и связанными с первичными устройствами. Это происходит потому, что они не отводят энергию скачков напряжения в линию заземления. Передача данных требует, чтобы линия заземления была чистой, чтобы ее можно было использовать в качестве точки отсчета. В этой философии проектирования такие события уже защищены устройством SM до подачи питания. NIST сообщает, что «Отправка их [скачков напряжения] в сток заземляющего проводника заставляет их снова появиться в течение микросекунды примерно в 200 метрах на каком-то другом проводнике». [54] Таким образом, наличие защиты на линии передачи данных требуется только в том случае, если скачки напряжения отводятся в линию заземления.
Устройства SM, как правило, более громоздкие и тяжелые, чем устройства, использующие другие технологии подавления перенапряжения. Первоначальная стоимость фильтров SM выше, обычно 130 долларов США и выше, но при правильном использовании можно ожидать длительного срока службы. Затраты на установку в полевых условиях могут быть выше, поскольку устройства SM устанавливаются последовательно с подачей питания, что требует отключения и повторного подключения подачи.
рисунок 27: спиральный удлинитель создает слабый продольный трансформатор, симметрирующий трансформатор.
. определение "end-of-lifetime".
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )