Устройство защиты от перенапряжения (или ограничитель скачков напряжения , ограничитель перенапряжений , дивертер , [1] устройство защиты от перенапряжения ( SPD ) или ограничитель скачков напряжения при переходных процессах ( TVSS ) — это прибор или устройство, предназначенное для защиты электрических устройств в цепях переменного тока (AC) от напряжения. всплески , которые могут возникнуть по разным причинам, включая удары молний поблизости, и имеют очень короткую продолжительность, измеряемую микросекундами .
Устройство защиты от перенапряжения ограничивает напряжение , подаваемое на электрические устройства, до определенного порога, замыкая ток на землю или поглощая скачки напряжения при возникновении переходных процессов, что позволяет избежать повреждения приборов и устройств, подключенных к нему.
Ключевые характеристики, характеризующие это устройство: напряжение фиксации или переходное напряжение, при котором устройство начинает работать, номинал Джоуля, мера того, сколько энергии может быть поглощено за один импульс, и время отклика.
Термины «устройство защиты от перенапряжения» ( SPD ) и «подавитель скачков напряжения при переходных процессах» ( TVSS ) используются для описания электрических устройств, обычно устанавливаемых в распределительных щитах, системах управления технологическими процессами , системах связи и других мощных промышленных системах с целью защиты от электрические скачки и скачки напряжения, в том числе вызванные молнией . Уменьшенные версии этих устройств иногда устанавливаются на входных электрических панелях жилых домов, чтобы защитить домашнее оборудование от аналогичных опасностей. [2]
В цепи переменного тока скачок напряжения — это кратковременное событие, обычно длящееся от 1 до 30 микросекунд и может достигать напряжения более 1000 вольт. Молния, попадающая в линию электропередачи, может давать многие тысячи, иногда 100 000 и более вольт. Выключенный двигатель может генерировать скачок напряжения в 1000 и более вольт. Шипы могут ухудшить изоляцию проводки и вывести из строя электронные устройства, такие как лампочки , зарядные устройства, модемы, телевизоры и другую бытовую электронику.
Скачки 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 рядом с линиями с всплесками и индуцируется напряжение.
Длительные скачки напряжения, продолжающиеся секунды, минуты или часы, вызванные неисправностями силового трансформатора, такими как потеря нейтрали или другая ошибка энергокомпании, не защищены устройствами защиты от переходных процессов. Длительные скачки напряжения могут вывести из строя защитные устройства во всем здании или на территории. Даже десятки миллисекунд могут оказаться дольше, чем может выдержать защитник. Длительные скачки напряжения могут или не могут быть обработаны предохранителями и реле повышенного напряжения .
Импульсные токи намного ниже в местах категории А, чем в местах категорий B и C.
Нагрузки категории А имеют длину провода более 60 футов от служебного входа до нагрузки. Нагрузки категории А могут подвергаться импульсным токам 6 кВ, 0,5 кА .
Нагрузки категории B находятся на расстоянии более 30 футов от служебного входа и менее 60 футов длины провода от служебного входа до нагрузки. Нагрузки категории B могут подвергаться импульсным токам 6 кВ, 3 кА .
Нагрузки категории C находятся на расстоянии менее 30 футов от служебного входа в нагрузку. Нагрузки категории C могут подвергаться импульсному току напряжением 20 кВ и силой 10 кА . [3]
Проводка здания добавляет импеданс, который ограничивает импульсный ток, достигающий нагрузки. Импульсный ток меньше при больших расстояниях между проводами и при наличии большего импеданса между служебным входом и нагрузкой. [4]
Спиральный удлинитель можно использовать для увеличения длины провода до более чем 60 футов и увеличения импеданса между служебным входом и нагрузкой. [5]
Устройство защиты от скачков напряжения пытается ограничить напряжение, подаваемое на электрическое устройство, либо блокируя, либо замыкая ток, чтобы снизить напряжение ниже безопасного порога. Блокировка осуществляется с помощью индукторов, которые препятствуют внезапному изменению тока. Замыкание осуществляется с помощью искровых разрядников, разрядных трубок, полупроводников стабилитронного типа и металлооксидных варисторов (MOV), которые начинают проводить ток при достижении определенного порога напряжения, или с помощью конденсаторов, которые препятствуют внезапному изменению напряжения. В некоторых сетевых фильтрах используется несколько элементов.
Наиболее распространенным и эффективным способом является метод короткого замыкания, при котором электрические линии временно замыкаются друг на друга (например, с помощью искрового промежутка) или фиксируются до целевого напряжения (например, с помощью MOV), что приводит к протеканию большого тока. Напряжение снижается, поскольку ток короткого замыкания протекает через сопротивление в линиях электропередачи. Энергия всплеска рассеивается в линиях электропередачи (и/или земле ) или в корпусе MOV, преобразуясь в тепло. Поскольку всплеск длится всего лишь десятки микросекунд, повышение температуры минимально. Однако, если шип достаточно большой или длинный, как при ударе молнии поблизости, может оказаться недостаточно сопротивления линии электропередачи или заземления, и MOV (или другой элемент защиты) может быть разрушен, а линии электропередачи расплавлены.
Сетевые фильтры для дома могут находиться в удлинителях, используемых внутри, или в устройстве снаружи на силовой панели. В розетках в современном доме используются три провода: линейный, нулевой и заземляющий. Многие устройства защиты подключаются ко всем трем попарно (линия-нейтраль, линия-земля и нейтраль-земля), поскольку в некоторых условиях, например при грозе, как линия, так и нейтраль имеют всплески высокого напряжения, которые необходимо закоротить на землю.
Кроме того, некоторые устройства защиты потребительского класса имеют порты для Ethernet и коаксиальных кабелей, и их подключение позволяет сетевому фильтру защитить их от внешнего электрического повреждения. [6]
Подавитель переходного напряжения или TVS — это общая классификация электронных компонентов, предназначенных для реагирования на внезапные или кратковременные условия перенапряжения . Одно из таких распространенных устройств, используемых для этой цели, известно как диод подавления переходного напряжения , стабилитрон, предназначенный для защиты электронного устройства от перенапряжений. Другая альтернатива конструкции включает семейство продуктов, известных как металлооксидные варисторы (MOV). [7]
Характеристики TVS требуют, 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 искрение в двигателе . [8]
Диоды подавления переходных напряжений используются для однонаправленной или двунаправленной защиты от электростатических разрядов линий передачи или передачи данных в электронных схемах. TVS на базе MOV используются для защиты бытовой электроники, систем распределения и могут компенсировать помехи в распределении электроэнергии промышленного уровня, сокращая время простоя и повреждение оборудования. Уровень энергии при переходном перенапряжении может быть приравнен к энергии, измеряемой в джоулях , или связан с электрическим током , когда устройства рассчитаны на различные применения. Эти всплески перенапряжения можно измерить с помощью специализированных электронных измерителей, которые могут показывать колебания мощности 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 недостаточно 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 возникновению пожара. [9] [10]
Многие удлинители имеют встроенную базовую защиту от перенапряжения; они обычно четко обозначены как таковые. Однако в нерегулируемых странах существуют удлинители, маркированные как устройства защиты от скачков напряжения или скачков напряжения, которые имеют только конденсатор или цепь радиочастотных помех (или ничего), которые не обеспечивают настоящую (или какую-либо) защиту от скачков напряжения.
Ограничитель перенапряжения , устройство защиты от перенапряжения (SPD) или ограничитель скачков напряжения при переходных процессах (TVSS) используются для защиты оборудования в системах передачи и распределения электроэнергии . Энергетический критерий для различных изоляционных материалов можно сравнить по коэффициенту импульса. Ограничитель перенапряжений должен иметь низкую кратность импульсов, чтобы перенапряжение, возникающее на ограничителе перенапряжения, могло передаваться в землю, а не проходить через аппарат.
Чтобы защитить единицу оборудования от переходных процессов, возникающих на присоединенном проводнике, к проводнику подключают ограничитель перенапряжения непосредственно перед его входом в оборудование. Ограничитель перенапряжения также подключается к земле и функционирует, направляя энергию от переходного процесса перенапряжения на землю, если он возникает, одновременно изолируя проводник от земли при нормальном рабочем напряжении. Обычно это достигается за счет использования варистора , который имеет существенно разные сопротивления при разных напряжениях.
Ограничители перенапряжения обычно предназначены не для защиты от прямого удара молнии в проводник, а скорее для защиты от электрических переходных процессов, возникающих в результате ударов молнии, происходящих вблизи проводника . Молния, ударяющая в землю, приводит к возникновению токов в земле, которые могут проходить по подземным проводникам и вызывать переходные процессы, распространяющиеся наружу к концам проводника. Такая же индукция происходит в воздушных и надземных проводниках, которые испытывают проходящую энергию атмосферного ЭМИ , вызванного вспышкой молнии.
Ограничители перенапряжения могут защитить только от наведенных переходных процессов, характерных для быстрого нарастания грозового разряда, и не защищают от электризации, вызванной прямым ударом по проводнику. Переходные процессы, подобные вызванным молнией, например, в результате аварийного переключения высоковольтной системы, также можно безопасно отводить на землю; однако эти устройства не защищают от продолжительных перегрузок по току. Энергия управляемого переходного процесса существенно меньше, чем энергия грозового разряда; однако его количество все еще достаточно, чтобы вызвать повреждение оборудования, и часто требуется защита.
Без очень толстой изоляции, которая обычно обходится слишком дорого, большинство проводников, проходящих на расстояниях, превышающих минимальные (более примерно 50 футов (15 м)), в какой-то момент во время использования будут испытывать переходные процессы, вызванные молнией. Поскольку переходный процесс обычно начинается в какой-то точке между двумя концами проводника, в большинстве случаев разрядник для защиты от перенапряжения устанавливается непосредственно перед тем, как проводник приземлится в каждой части защищаемого оборудования. Каждый проводник должен быть защищен, поскольку каждый из них будет иметь свои собственные переходные процессы, наведенные, и каждый УЗИП должен обеспечивать путь к земле для безопасного отвода переходных процессов от защищаемого компонента.
Единственное заметное исключение, когда они не устанавливаются на обоих концах, — это распределительные системы высокого напряжения. В общем, наведенного напряжения недостаточно, чтобы нанести ущерб на конце линий, где вырабатывается электричество; однако установка у служебного входа в здание является ключом к защите последующих продуктов, которые не так надежны.
Это некоторые из наиболее известных спецификаций, которые определяют устройство защиты от перенапряжений для сетей переменного тока, а также для некоторых приложений защиты передачи данных.
Также известное как сквозное напряжение , оно определяет, какое пиковое напряжение приведет к короткому замыканию или зажиму защитных компонентов внутри устройства защиты от перенапряжения. [11] Более низкое напряжение фиксации указывает на лучшую защиту, но иногда может привести к сокращению срока службы всей защитной системы. Три самых низких уровня защиты, определенные в рейтинге UL , составляют 330 В, 400 В и 500 В. Стандартное сквозное напряжение для устройств с напряжением 120 В переменного тока составляет 330 В. [12]
Underwriters Laboratories (UL), [13] глобальная независимая научно-техническая компания, определяет, как можно безопасно использовать защитное устройство. UL 1449 стал обязательным для соблюдения в юрисдикциях, которые приняли NEC в 3-м издании в сентябре 2009 года, чтобы повысить безопасность по сравнению с продуктами, соответствующими 2-му изданию. Измеренное испытание предельного напряжения с использованием в шесть раз большего тока (и энергии) определяет класс защиты по напряжению (VPR). Для конкретного устройства защиты это напряжение может быть выше по сравнению с номинальными значениями подавленного напряжения (SVR) в предыдущих выпусках, в которых измерялось проходное напряжение при меньшем токе. Из-за нелинейных характеристик защитных устройств проходные напряжения, определенные в ходе испытаний 2-го и 3-го изданий, несопоставимы. [12] [14]
Устройство защиты может быть большего размера, чтобы получить такое же пропускаемое напряжение во время испытаний 3-го издания. Следовательно, протектор 3-го издания или более поздней версии должен обеспечивать превосходную безопасность и увеличенный срок службы.
Устройство защиты с более высоким сквозным напряжением, например 400 В против 330 В, будет передавать более высокое напряжение на подключенное устройство. Конструкция подключенного устройства определяет, вызовет ли этот сквозной шип повреждение. Двигатели и механические устройства обычно не поражаются. Некоторые (особенно старые) электронные детали, такие как зарядные устройства, светодиодные или КЛЛ-лампы и компьютеризированные приборы, чувствительны и могут быть повреждены, а их срок службы сокращается.
Число Джоулей определяет, сколько энергии устройство защиты от перенапряжения на основе MOV теоретически может поглотить за один раз без сбоя. Лучшие протекторы превышают номиналы в 1000 джоулей и 40 000 ампер. Поскольку фактическая продолжительность всплеска составляет всего около 10 микросекунд , фактическая рассеиваемая энергия невелика. Если сделать больше этого, MOV перегорит, а иногда и замкнется и расплавится, возможно, перегорит предохранитель и отключится от цепи.
MOV (или другое закорачивающее устройство) требует сопротивления в линии питания, чтобы ограничить напряжение. Для больших линий электропередачи с низким сопротивлением требуется MOV с более высоким номиналом в джоулях. Внутри дома, где провода меньшего размера и имеют большее сопротивление, допускается меньший MOV.
Каждый раз, когда MOV замыкается, его внутренняя структура меняется, а пороговое напряжение немного снижается. После многих всплесков пороговое напряжение может снизиться настолько, что приблизится к напряжению сети, т. е. 120 В переменного тока или 240 В переменного тока. В этот момент MOV частично проводит ток, нагревается и в конечном итоге выходит из строя, иногда в результате резкого разрушения или даже пожара. Большинство современных сетевых фильтров имеют автоматические выключатели и температурные предохранители для предотвращения серьезных последствий. Многие из них также имеют светодиодный индикатор, указывающий, работают ли MOV.
Номинал в джоулях обычно указывается для сравнения сетевых фильтров на основе MOV. Средний всплеск (всплеск) имеет короткую продолжительность, от наносекунд до микросекунд, а экспериментально смоделированная энергия всплеска может составлять менее 100 джоулей. [15] Хорошо спроектированные устройства защиты от перенапряжений учитывают сопротивление линий, подающих электроэнергию, вероятность возникновения молнии или других серьезных энергетических скачков и соответствующим образом определяют MOV. Небольшое зарядное устройство для аккумуляторов может иметь MOV мощностью всего 1 Вт, тогда как устройство защиты от перенапряжения будет иметь MOV мощностью 20 Вт или несколько из них, подключенных параллельно. Защитник дома будет иметь большой MOV блочного типа.
Некоторые производители обычно разрабатывают устройства защиты от перенапряжения с более высоким номиналом в джоулях, соединяя несколько MOV параллельно, и это может привести к вводящему в заблуждение номиналу. Поскольку отдельные MOV имеют несколько разные пороговые значения напряжения и нелинейные реакции при воздействии одной и той же кривой напряжения, любой MOV может быть более чувствительным, чем другие. Это может привести к тому, что один MOV в группе будет проводить больше (феномен, называемый ограничением тока ), что приведет к возможному чрезмерному использованию и возможному преждевременному выходу из строя этого компонента. Однако другие MOV в группе немного помогают, поскольку они начинают проводить, поскольку напряжение продолжает расти, поскольку MOV не имеет резкого порога. Он может начать замыкаться при 270 В, но не достигнет полного короткого замыкания до 450 или более В. Второй MOV может начинаться с напряжения 290 В, а другой - с 320 В, чтобы все они могли помочь зафиксировать напряжение, а при полном токе возникает последовательный балластный эффект, который улучшает распределение тока, но фактическое значение джоулей указывается как сумма всех отдельных MOV неточно отражает общую зажимную способность. Первый MOV может нести большую нагрузку и выйти из строя раньше.
Один производитель MOV рекомендует использовать меньше MOV, но большего размера (например, диаметром 60 мм против 40 мм), если они могут поместиться в устройство. Кроме того, рекомендуется согласовать и снизить номиналы нескольких варисторов меньшего размера. В некоторых случаях четыре 40-мм MOV могут быть эквивалентны одному 60-мм MOV. [16]
Еще одна проблема заключается в том, что если один линейный предохранитель включен последовательно с группой параллельных MOV в качестве функции безопасности при отключении, он разомкнется и отключит все оставшиеся работающие MOV.
Эффективная способность поглощения импульсной энергии всей системы зависит от согласования MOV, поэтому обычно требуется снижение мощности на 20 % или более . Это ограничение можно обойти, используя тщательно подобранные наборы MOV, соответствующие спецификации производителя. [17] [16]
Согласно отраслевым стандартам тестирования, основанным на предположениях IEEE и ANSI, скачки напряжения в линии электропередачи внутри здания могут достигать 6000 вольт и 3000 ампер и передавать до 90 джоулей энергии, включая скачки напряжения от внешних источников, не считая ударов молнии.
Общие предположения относительно молний, основанные на стандартах ANSI/IEEE C62.41 и UL 1449 (3-е издание) на момент написания этой статьи, заключаются в том, что минимальные перенапряжения в линии электропередачи, вызванные молнией, внутри здания обычно составляют 10 000 ампер или 10 килоампер (кА). Это основано на том, что ток 20 кА подается на линию электропередачи, затем передаваемый ток распространяется одинаково в обоих направлениях по линии электропередачи, в результате чего ток 10 кА проходит в здание или дом. Эти предположения основаны на среднем приближении для тестирования минимальных стандартов. Хотя 10 кА обычно достаточно для минимальной защиты от ударов молнии, удар молнии может передать в линию электропередачи ток до 200 кА, по 100 кА в каждом направлении.
Молнию и другие скачки переходного напряжения высокой энергии можно подавить с помощью ограничителей, установленных на столбе коммунальной компанией, или с помощью сетевого фильтра для всего дома, предоставленного владельцем. Продукт для всего дома стоит дороже, чем простые устройства защиты от перенапряжения с одной розеткой, и часто требует профессиональной установки на входной линии электропитания; однако они предотвращают попадание в дом шипов линии электропередачи. Ущерб от прямых ударов молнии другими путями 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 подвергаться некоторым перенапряжениям. Однако скачки напряжения обычно происходят намного медленнее, и для достижения максимального напряжения требуется около нескольких микросекунд , а сетевой фильтр с наносекундным временем срабатывания сработает достаточно быстро, чтобы подавить наиболее опасную часть скачка напряжения. [18]
Таким образом, время отклика при стандартном тестировании не является полезным показателем возможностей сетевого фильтра при сравнении MOV-устройств. Все MOV имеют время отклика, измеряемое в наносекундах, тогда как тестовые сигналы, обычно используемые для проектирования и калибровки устройств защиты от перенапряжения, основаны на смоделированных формах импульсов, измеряемых в микросекундах. В результате защитные устройства на основе MOV без труда обеспечивают впечатляющие характеристики времени отклика.
Технологии с более медленным откликом (в частности, GDT) могут испытывать трудности с защитой от быстрых всплесков нагрузки. Поэтому хорошие конструкции, включающие в себя более медленные, но полезные технологии, обычно сочетают их с более быстродействующими компонентами, чтобы обеспечить более комплексную защиту. [19]
Некоторые часто упоминаемые стандарты включают в себя:
Каждый стандарт определяет различные характеристики устройств защиты, векторы испытаний или эксплуатационные цели.
Третье издание стандарта UL 1449 для УЗИП было серьезной переработкой предыдущих изданий, а также впервые было принято в качестве стандарта ANSI. [20] [21] Последующая версия в 2015 году включала добавление низковольтных цепей для USB- портов зарядки и соответствующих батарей. [22] [23]
EN 62305 и ANSI/IEEE C62.xx определяют, какие выбросы может отводить предохранитель. EN 61643-11 и 61643-21 определяют требования к производительности и безопасности продукта. Напротив, МЭК только пишет стандарты и не сертифицирует какой-либо конкретный продукт на соответствие этим стандартам. Стандарты МЭК используются членами схемы международных соглашений CB для тестирования и сертификации продукции на соответствие требованиям безопасности.
Ни один из этих стандартов не гарантирует, что протектор обеспечит надлежащую защиту в конкретном приложении. Каждый стандарт определяет, что защитное устройство должно делать или может выполнить, на основе стандартизированных тестов, которые могут коррелировать или не коррелировать с условиями, присутствующими в конкретной реальной ситуации. Для обеспечения достаточной защиты может потребоваться специализированный инженерный анализ, особенно в ситуациях высокого риска молний .
Кроме того, следующие стандарты не являются стандартами для автономных устройств защиты от перенапряжения, а предназначены для проверки устойчивости к перенапряжениям в электрическом и электронном оборудовании в целом. Таким образом, они часто используются при проектировании и тестировании схем защиты от перенапряжений.
Системы, используемые для уменьшения или ограничения скачков высокого напряжения [24] [25], могут включать в себя один или несколько следующих типов электронных компонентов . В некоторых системах подавления перенапряжений используются несколько технологий, поскольку каждый метод имеет свои сильные и слабые стороны. [19] [26] [27] Первые шесть перечисленных методов работают, главным образом, путем отвода нежелательной импульсной энергии от защищаемой нагрузки через защитный компонент, подключенный по параллельной (или шунтирующей) топологии. Последние два метода также блокируют нежелательную энергию с помощью защитного компонента, подключенного последовательно с подачей питания к защищаемой нагрузке, и, кроме того, 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 воздействии напряжения выше его номинального напряжения. [12] [28] MOV обычно ограничивают напряжение примерно в 3–4 раза превышающее нормальное напряжение цепи, отводя импульсный ток в другое место, кроме защищаемой нагрузки. MOV могут быть подключены параллельно, чтобы увеличить ток и ожидаемый срок службы, при условии, что они являются согласованными комплектами . [а]
MOV имеют ограниченный срок службы и деградируют при воздействии нескольких крупных или множества небольших переходных процессов. [29] [30] Каждый раз, когда активируется MOV, его пороговое напряжение немного снижается. После многих скачков пороговое напряжение может снизиться настолько, что приблизится к напряжению защиты как сети, так и данных. В этот момент ДВИГАТЕЛЬ проводит ток все чаще и чаще, нагревается и в конце концов выходит из строя. В цепях передачи данных канал данных становится закороченным и нефункциональным. В силовой цепи вы можете получить серьезный аварию или даже возгорание, если она не защищена каким-либо предохранителем. [31]
Современные защитные полосы и защитные устройства для дома оснащены автоматическими выключателями и температурными предохранителями для предотвращения серьезных последствий. Термопредохранитель отключает MOV, когда он становится слишком горячим. Отключается только MOV, остальная часть схемы работает, но без защиты от перенапряжения. Часто имеется светодиод, указывающий, работают ли MOV. Старые удлинители напряжения не имели термопредохранителя и полагались на автоматический выключатель на 10 или 15 ампер, который обычно перегорал только после того, как варисторы задымились, сгорели, лопнули, расплавились и навсегда закоротились.
Неисправный MOV представляет собой риск пожара, что является причиной принятия Национальной ассоциацией противопожарной защиты (NFPA) [32] UL1449 в 1986 году [33] и последующих редакций в 1998, 2009 и 2015 годах. Основной задачей NFPA является защита от пожара. [12] [34]
Поэтому все устройства защиты на базе MOV, предназначенные для длительного использования, должны иметь индикатор выхода из строя защитных компонентов, и эту индикацию необходимо регулярно проверять, чтобы гарантировать, что защита продолжает работать. [35]
Благодаря хорошему соотношению цены и качества , MOV являются наиболее распространенным защитным компонентом в недорогих базовых устройствах защиты сети переменного тока.
Диод подавления переходных напряжений (TVS-диод) — это тип лавинного диода , который может ограничивать скачки напряжения. Эти компоненты обеспечивают наиболее быстрое ограничивающее действие защитных компонентов (теоретически за пикосекунды ), но обладают относительно низкой энергопоглощающей способностью. Напряжение может быть ограничено до значения, вдвое превышающего нормальное рабочее напряжение. Если импульсы тока остаются в пределах номинальных значений устройства, ожидаемый срок службы будет исключительно долгим. [ необходимо разъяснение ] Если номинальные характеристики 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 относительно ограниченной допустимой силы тока TVS-диоды часто используются в цепях с меньшими пиками тока. TVS-диоды также используются там, где скачки напряжения происходят значительно чаще, чем раз в год, поскольку компоненты этого типа не ухудшаются при использовании в пределах своих номиналов. Уникальный тип TVS-диода (торговые названия Transzorb или Transil ) содержит лавинные диоды обратной парной последовательности для биполярного режима работы.
TVS-диоды часто используются в высокоскоростных, но маломощных цепях, например, в системах передачи данных. Эти устройства могут быть соединены последовательно с другим диодом для обеспечения низкой емкости [36] , что требуется в цепях связи.
Trisil — это тип тиристорного устройства защиты от перенапряжения (TSPD) , специализированного полупроводникового электронного устройства, используемого в ломовых цепях для защиты от перенапряжения. SIDACtor — еще одно устройство тиристорного типа , используемое для аналогичных защитных целей.
Эти устройства семейства тиристоров можно рассматривать как имеющие характеристики, очень похожие на искровой разрядник или ГДТ , но они могут работать намного быстрее. Они родственны TVS-диодам, но могут «пробиться» при низком фиксирующем напряжении, аналогично ионизированному и проводящему искровому промежутку. После срабатывания низкое напряжение фиксации допускает большие скачки тока, ограничивая при этом рассеивание тепла в устройстве.
Газоразрядная трубка (ГДТ) представляет собой герметичное устройство в стеклянном корпусе, содержащее специальную газовую смесь, заключенную между двумя электродами, которая проводит электрический ток после ионизации всплеском высокого напряжения. [37] GDT могут проводить больший ток для своего физического размера, чем другие компоненты. Как и MOV, GDT имеют ограниченный срок службы и могут выдерживать несколько очень больших переходных процессов или большее количество небольших переходных процессов. Типичный режим отказа возникает, когда напряжение срабатывания возрастает настолько, что устройство становится неэффективным, хотя грозовые перенапряжения могут иногда вызывать короткое замыкание.
Для срабатывания GDT требуется относительно много времени (дольше, чем при ударе молнии , от 60 до 70 нс), что позволяет кратковременно пройти более высокому напряжению, прежде чем GDT проведет значительный ток. Нередко ГРТ пропускает импульсы напряжением 500 В и более длительностью 100 нс.
В некоторых случаях необходимы дополнительные защитные компоненты для предотвращения повреждения защищаемой нагрузки, вызванного высокоскоростным пропускаемым напряжением, возникающим до начала работы ГДТ. Напряжения срабатывания обычно составляют 400–600 В для газовых трубок, а те, которые указаны в стандарте UL 497, обычно имеют высокие номинальные импульсные токи, от 5000 до 10 000 ампер (8x20 мкс). [38]
GDT при срабатывании создают эффективное короткое замыкание, так что если присутствует какая-либо электрическая энергия (скачок, сигнал или мощность), GDT закоротит ее. После срабатывания GDT будет продолжать проводить ток (так называемый сопровождающий ток ) до тех пор, пока весь электрический ток не уменьшится в достаточной степени и газовый разряд не погаснет. В отличие от других шунтовых защитных устройств, после срабатывания GDT будет продолжать проводить ток при напряжении меньшем, чем высокое напряжение, которое первоначально ионизировало газ; такое поведение называется отрицательным сопротивлением .
В приложениях постоянного тока (и некоторых переменного тока) могут потребоваться дополнительные вспомогательные схемы для подавления последующего тока, чтобы предотвратить его разрушение GDT после того, как инициирующий всплеск рассеется. Некоторые GDT сконструированы так, что при перегреве намеренно замыкаются на заземленную клемму, что приводит к срабатыванию внешнего предохранителя или автоматического выключателя. [39]
Многие GDT светочувствительны, поскольку воздействие света снижает их пусковое напряжение. Поэтому GDT следует защищать от воздействия света или использовать непрозрачные версии, нечувствительные к свету.
Серия разрядников для защиты от перенапряжения CG2 SN, ранее производившаяся CP Clare, рекламируется как нерадиоактивная, а в технических характеристиках этой серии указано, что некоторые представители серии CG/CG2 (75–470 В) по своей природе радиоактивны . [40]
Из-за своей исключительно низкой емкости GDT обычно используются в высокочастотных линиях, например, в телекоммуникационном оборудовании. Благодаря своей высокой способности выдерживать ток, GDT также можно использовать для защиты линий электропередач, но необходимо контролировать проблему последующего тока.
Объемный полупроводник с «фиксацией перенапряжения», похожий на MOV, но он также не фиксирует. 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 ограничения в течение всего периода перенапряжения, если он правильно подобран.
Искровой разрядник — одна из старейших защитных электрических технологий, которая до сих пор используется в телефонных цепях. Она была разработана в девятнадцатом веке. Угольный стержневой электрод удерживается с помощью изолятора на определенном расстоянии от второго электрода. Размер зазора определяет напряжение, при котором искра проскочит между двумя частями и замкнется на землю. Типичное расстояние для телефонных систем в Северной Америке составляет 0,076 мм (0,003 дюйма). [41] Угольные глушители аналогичны газовым пламегасителям (ГДТ); но поскольку два электрода подвергаются воздействию воздуха, на их поведение влияет окружающая атмосфера, особенно более высокая влажность . Поскольку при их работе возникает открытая искра, эти устройства никогда не следует устанавливать там, где может возникнуть взрывоопасная атмосфера.
Индукторы, сетевые дроссели, дроссели и конденсаторы используются для ограничения токов повреждения и могут уменьшить или предотвратить события перенапряжения. [42] В приложениях, ограничивающих токи повреждения, индукторы чаще называют сетевыми реакторами или дросселями. Сетевые реакторы могут предотвратить отключения из-за перенапряжения, повысить надежность и срок службы полупроводниковых устройств, а также уменьшить количество нежелательных отключений. [43] [44] [45]
Металлические панели распределительного шкафа позволяют локализовать отказы устройств защиты от перенапряжения (SPD) удаленно от цифровых устройств и электрических контроллеров. Прямые вспышки молний и грозовые перенапряжения во вторичных системах могут привести к катастрофическим отказам УЗИП. Катастрофические отказы УЗИП могут привести к выбросу огненных шаров из металлических фрагментов и облаков проводящей углеродной сажи. Панели распределения не позволяют таким опасностям достичь цифровых устройств и устройств управления, установленных на удаленных главных панелях управления. [46] [47] [48] Панели распределительного шкафа используются для панелей цифровых систем (пожарная сигнализация, контроль доступа, чистое питание компьютеров и т. д.). К проводке и кабелям, подлежащим защите, относятся как источник питания, так и любая проводка (цепь сигнализации, цепь инициирующего устройства, экраны и т. д.), которая выходит за пределы здания подземными, воздушными или другими способами, такими как пешеходные переходы, мосты и т. д. Кроме того, она должна включать в себя проводку устройств, расположенных на высоких местах, таких как чердаки, крыши парковок, парковочные фонари и т. д. [49] [50] После прохождения УЗИП в распределительных шкафах проводка может проходить по кабелепроводам в другие удаленные, почти соседние 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 радиочастотных сигналов, отличается настроенным четвертьволновым короткозамкнутым шлейфом, который позволяет ему проходить полосу частот, но создает короткое замыкание для любых других сигналов, особенно в направлении постоянного тока. Полосы пропускания могут быть узкополосными (от ±5% до ±10%) или широкополосными (от ±25% до ±50%). Четвертьволновые коаксиальные ограничители перенапряжения имеют коаксиальные клеммы, совместимые с обычными разъемами коаксиального кабеля (особенно типов N или 7–16 ). Они обеспечивают наиболее надежную защиту радиочастотных сигналов частотой выше 400 МГц ; на этих частотах они могут работать намного лучше, чем газоразрядные элементы, обычно используемые в универсальных/широкополосных коаксиальных ограничителях перенапряжения. Четвертьволновые разрядники полезны для телекоммуникационных приложений, таких как Wi-Fi на частоте 2,4 или 5 ГГц , но менее полезны для частот телевидения / кабельного телевидения. Поскольку четвертьволновой разрядник закорачивает линию на низких частотах, он несовместим с системами, которые передают мощность постоянного тока для LNB по коаксиальному нисходящему каналу связи.
Эти устройства не рассчитаны на джоули , поскольку они работают иначе, чем более ранние подавители, и не зависят от материалов, которые по своей природе изнашиваются во время повторяющихся скачков напряжения. Ограничители СМ в основном используются для контроля переходных скачков напряжения при подаче электроэнергии на защищаемые устройства. По сути, это мощные фильтры нижних частот, подключенные таким образом, что они пропускают к нагрузке сетевое напряжение частотой 50 или 60 Гц, одновременно блокируя и отводя более высокие частоты. Этот тип подавителя отличается от других тем, что он использует группы индукторов , конденсаторов и резисторов , которые подавляют скачки напряжения и пусковой ток в нейтральном проводе , тогда как другие конструкции шунтируют к заземляющему проводу . [51] Скачки не отклоняются, а фактически подавляются. Индукторы замедляют энергию. Поскольку дроссель, включенный последовательно с цепью, замедляет всплеск тока, пиковая энергия выброса распределяется во временной области , безвредно поглощается и медленно высвобождается из конденсаторной батареи. [52]
Экспериментальные результаты показывают, что большая часть энергии выброса возникает при энергии менее 100 джоулей, поэтому превышение расчетных параметров SM маловероятно. Подавители SM не представляют опасности возгорания, если поглощенная энергия превышает расчетные пределы диэлектрического материала компонентов, поскольку энергия перенапряжения также ограничивается за счет дугового замыкания на землю во время ударов молнии , оставляя остаток перенапряжения, который часто не превышает теоретического значения. максимум (например, 6000 В при токе 3000 А с смоделированной формой сигнала 8 × 20 микросекунд, определенной стандартом IEEE/ANSI C62.41). Поскольку SM работают как при повышении тока, так и при повышении напряжения, они могут безопасно работать в условиях наихудших скачков напряжения.
Подавление SM фокусирует свою философию защиты 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 локальные соединения, или несколько таких устройств, каскадно соединенных и связанных с основным устройством. устройства. Это связано с тем, что они не отводят энергию перенапряжения в линию заземления. Для передачи данных требуется, чтобы линия заземления была чистой, чтобы ее можно было использовать в качестве контрольной точки. Согласно этой философии проектирования, такие события уже защищены устройством SM до подачи питания. NIST сообщает, что «отправка их [скачков] в сток заземляющего проводника приводит к тому, что они снова появляются в течение микросекунды примерно в 200 метрах от другого проводника». [53] Таким образом, защита линии передачи данных требуется только в том случае, если скачки напряжения отводятся на линию заземления.
Устройства SM, как правило, более громоздкие и тяжелые, чем устройства, использующие другие технологии подавления перенапряжений. Первоначальная стоимость фильтров SM выше, обычно составляет 130 долларов США и выше, но при правильном использовании можно ожидать длительного срока службы. Затраты на установку на месте могут быть выше, поскольку устройства SM устанавливаются последовательно с источником питания, что требует отключения и повторного подключения питания.
рисунок 27: из витого удлинителя получается слабый продольный трансформатор, балун
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )