|
|
|
|
|
|
||
|
|
Маленькие защитники большого оборудования
О защите коммуникационного оборудования от избыточных токов и напряжений, возникающих в результате ударов молнии в линии связи на металлических проводниках, а также в результате их прямых контактов с линиями электропередачи.
Гроза — атмосферное явление, при котором в кучево-дождевых облаках или между облаком и земной поверхностью возникают сильные электрические разряды — молнии, сопровождающиеся громом… Из энциклопедического словаря
Грозозащита — комплекс мероприятий и технических средств, предохраняющих здания, сооружения, а также оборудование электротехнических устройств от повреждений при прямых ударах молнии… Из энциклопедического словаря
Виктор КАТОК, Александр МАНЬКО
Кто же не любит грозу?! — воскликнет поэтически настроенный читатель. Это феерическое зрелище, когда причудливые изгибы молний вовсю полосуют темное небо… Оказывается, есть и такие… Хотя, если быть точным, эту категорию людей беспокоит, как правило, не сама гроза, а ее последствия — испорченный развороченный кабель, неработающее оборудование, обугленный пластик, расплавленные контакты и, как следствие, умолкшие телефонные аппараты… Вы уже, конечно, догадались, что эта категория — связисты, и нелюбовь к грозе у них чисто профессиональная. Но она вполне оправдана — слишком уж непредсказуемы и разрушительны последствия «молниеносных» ударов. Первое серьезное знакомство с молнией состоялось у связистов после появления электрической проводной связи. Провода располагались на опорах и, с точки зрения физики, представляли собой идеальную мишень для прямого попадания злодейки-молнии. Кабельные линии, упрятанные под землей, появились намного позже. Первая операция по спасению была проведена именно на воздушных линиях. Раз уж они так притягательны для грозовых разрядов, необходимо было обеспечить стекание последних в землю, но только во время удара, что и было сделано. На опоры поставили заземляющие проводники, отделенные от проводов маленьким воздушным промежутком (рис. 1). При попадании разряда в линейный провод происходил пробой воздушного промежутка, и заземляющий проводник уводил ток в землю. Так появилась…
…Наука грозозащиты Для защиты самих опор устанавливались стержневые молниеотводы. После чего вся линия действовала как идеальный молниеотвод. Защита оказалась достаточно эффективной, поэтому после появления кабельных линий их в отдельных случаях стали прокладывать в зоне действия грозозащиты воздушной линии. Однако даже при такой защите до оконечного оборудования доходят остатки импульсов высокого напряжения, представляющие опасность, как для людей, так и для оборудования. Поэтому следующим шагом была установка целой серии воздушных искровых разрядников перед вводом линии в помещение терминального оборудования (рис. 2).
Рис 2. Цепочка воздушных искровых разрядников (каскадная защита)перед вводом линии в помещение терминального оборудования. Цифра указывает величину воздушного промежутка между электродами в мм
Искровые промежутки этих разрядников уменьшались по мере приближения к месту ввода. Соответственно, понижалось напряжение срабатывания, оставаясь при этом все еще на достаточно высоком и опасном уровне. Существенно понизить его удалось, создав такое замечательное устройство, как…
…Газовый разрядник Разрядник включается между проводниками линии и землей. В этом устройстве главная роль отводится герметичной колбе с инертным газом под пониженным давлением, который разделяет два электрода. Благодаря пониженному давлению напряжение срабатывания газового разрядника существенно ниже, чем воздушного, и составляет немногим более двухсот вольт. Это делает газовый разрядник одним из наиболее применяемых устройств защиты терминального оборудования. Он срабатывает даже при контакте линии связи с проводниками бытовой электросети. Способность выдерживать импульсные токи в несколько килоампер и высокая скорость срабатывания обеспечили разрядникам путевку в современные системы грозозащиты. Заметно уменьшился и их размер — от первых разрядников размером с электрическую лампочку до конструкций по форме и размеру напоминающих таблетку (рис. 3а, 4).
Рис 3. Оборудование грозозащиты: а) газовый разрядник
Рис 4. Разрядник 2-электродный без тепловой защиты:а) конструкция; б) схематическое изображение.
Однако уменьшение размеров породило новую проблему. При контакте линии электропередачи с проводниками линии связи через разрядник длительное время может проходить сильный ток, способный разрушить конструкцию. Чтобы этого не случилось, современные разрядники оборудуются тепловой защитой (рис. 5), действующей через несколько секунд после срабатывания разрядника.
Рис 5. Газовый разрядник с тепловой защитой:а) конструкция; б) схематическое изображение
При продолжительном разряде корпус разрядника разогревается и, соответственно, разогревается легкоплавкий припой, предотвращающий в обычном состоянии соединение проводников линии с землей специальными контактными пружинами. В результате разогрева металлические лепестки окончательно соединяют линию с заземляющим проводником и обеспечивают это состояние даже после прекращения действия высокого напряжения. Следует подчеркнуть, что молния не способна на длительное воздействие. Такой процесс происходит лишь при контакте проводников линии связи с проводами линий электропередачи. А вероятность «встречи» обеих линий, с учетом высокого уровня развития обеих сетей, довольно велика. Поэтому в данном случае еще больше возрастает роль разрядника, но он, конечно же, выходит из строя. Чтобы этого не произошло, в линию перед разрядником последовательно включают плавкие предохранители. При срабатывании разрядника через некоторое время предохранители перегорают и разрывают цепь. Удобно? Да! Предохранители, конечно, придется менять, но стоят они заметно дешевле разрядника. Таким образом, поскольку основную опасность для связистов представляет даже не молния, а линии электропередач, для защиты от длительного воздействия избыточных напряжений и токов потребовались новые защитные устройства, и предпочтительно многократного использования. Поиски в этом направлении привели к появлению терморезисторов (позисторов) — так назвали резисторы с положительным термическим коэффициентом сопротивления.
Терморезисторы РТС Резисторы РТС (рис. 6) позволили решить целый ряд проблем при создании защитных устройств. Так, во время протекания тока, превышающего заданное пороговое значение, терморезистор РТС быстро нагревается и переходит в состояние повышенного сопротивления, ограничивая протекающий ток. После окончания воздействия РТС-резистор возвращается в исходное состояние и не нуждается в замене, в отличие от предохранителя. Таким образом, будучи включенным последовательно в линию, терморезистор РТС представляет собой устройство защиты по току многократного использования быстро переключающееся в состояние повышенного сопротивления. При этом время переключения обратно пропорционально величине избыточного тока — с увеличением тока оно уменьшается. Дальнейшему развитию устройств защиты послужило использование в технике связи полупроводниковой электроники в виде транзисторов и микросхем. Такая электроника отличалась повышенной чувствительностью к избыточным токам и напряжениям. И применение в качестве защиты газовых разрядников, с их напряжением срабатывания порядка двухсот вольт, ее категорически не устраивало. Потребовались новые устройства, с меньшим напряжением пробоя — так появились стабилитроны.
Стабилитрон Стабилитрон относится к классу полупроводниковых диодов (рис. 7). При воздействии обратного напряжения, превышающего некоторое пороговое значение, стабилитрон, подобно разряднику, переходит в состояние электрического пробоя. Попытки дальнейшего повышения напряжения на стабилитроне приводят к увеличению тока. При этом происходит падение добавочного напряжения на сопротивлении подводящих проводников, а на стабилитроне оно остается практически неизменным, что и требуется для устройства защиты. Напряжение стабилизации для стабилитронов лежит в пределах от нескольких единиц до нескольких десятков вольт и выше, что позволяет выбрать конкретный тип для конкретного оборудования. Если теперь перед стабилитроном мы включим последовательно в линию терморезистор РТС, то получим практически идеальную пару, обеспечивающую защиту, как от избыточных напряжений, так и от избыточных токов. При этом, терморезистор ограничивает ток не только через оборудование, но и через стабилитрон, облегчая его тепловой режим в состоянии пробоя. Дальнейшие исследования полупроводниковых защитных устройств привели к созданию варистора.
Варистор Это устройство представляет собой полупроводниковый резистор с нелинейной вольтамперной характеристикой (рис. 8). Его отличительной особенностью является ярко выраженная пороговая зависимость электрического сопротивления от приложенного напряжения. Это позволяет использовать варистор для стабилизации напряжения, то есть в том же качестве, что и стабилитрон. Эти же «черты характера» позволяют использовать варисторы и в защитных устройствах, включая их между проводником линии и землей. От стабилитронов варисторы отличает несколько большее напряжение стабилизации — порядка десятков и сотен вольт, а также достаточно высокая эквивалентная емкость — до тысячи пикофарад и выше, которая увеличивает время срабатывания защиты. Этот параметр у стабилитронов, например, составляет пару сотен пикофарад, а у газовых разрядников — всего лишь одну-две пикофарады. Ну что ж, список действующих лиц и исполнителей нам известен. Остается только назначить каждому свою роль, произвести расстановку на сцене, и можно играть пьесу под названием «Гроза», поставленную по самому непредсказуемому сценарию природы.
Рис 9. Типовая схема сочетания первичной и вторичной защиты
На рис. 9 схематически показан один из вариантов схемы реализации комбинированной системы грозозащиты, представляющий собой сочетание магазина газовых разрядников, подключенных к плинтам кроссового оборудования, со вставками, содержащими вторичную защиту — РТС, стабилитроны, варисторы.
В ожидании первого удара… Как стабилитрон, так и варистор в сочетании с терморезистором РТС позволяют создать устройства, защищающие от избыточных напряжений и токов многократного использования, то есть возвращающиеся в исходное состояние после прекращения внешнего воздействия. При этом уровень ограничения напряжения, обеспечиваемый этими устройствами, можно задать в пределах единиц и десятков вольт. При более высоких напряжениях (порядка двухсот вольт и выше) целесообразно применять газовые разрядники с термозамыкающей пластиной, обеспечивающей защиту при длительном воздействии. Для повышения эффективности рекомендуется применение многокаскадной защиты, когда на входе устанавливается так называемая базовая или первичная защита, выполненная на основе газовых разрядников. А затем за ней следуют каскады вторичной защиты, использующей стабилитроны, варисторы, терморезисторы, а в некоторых случаях, дополнительно — те же газоразрядники (см. рис. 9). Применение многокаскадной защиты с рациональным сочетанием различных каскадов позволяет минимизировать влияние избыточных напряжений и токов на оборудование и сделать его практически неуязвимым от происков коварной молнии и контактов с вездесущими сетями электропередачи. Определив порядок расположения элементов защиты, необходимо выбрать оптимальное место их дислокации, то есть точку, в которой они окончательно поставят крест на посланцах грозовых разрядов. Таким последним рубежом для молнии является кроссовое оборудование, за которым уже до аппаратуры рукой подать. Здесь и принимают на себя удар разрядники, терморезисторы, стабилитроны и варисторы. Конструктивное построение кроссового оборудования позволяет включить в его плинты любой выбранный тип защиты, будь то вставка с разрядниками или же модуль с терморезисторами и варисторами. В случае необходимости поврежденные элементы защиты можно легко заменить на исправные. Нетрудно поменять и тип защитных устройств. К кроссовому оборудованию подводятся также элементы заземления, известные в просторечье как «земля». Они играют определяющую роль в отводе токов и напряжений от аппаратуры. И от качества их выполнения зависит эффективность грозозащиты. Земля играет в грозозащите роль абсолютного накопителя, этакой «черной дыры», принимающей в себя токи молнии. Но для того, чтобы ток дошел до нее, требуется еще заземляющий проводник, идущий от элементов защиты, и сам заземлитель — проводник, расположенный в земле и способствующий растеканию тока. Если по поводу заземляющего проводника все достаточно прозрачно, то каков должен быть заземлитель? Конструкций существует немало, но среди них можно отметить устройства, реализованные с помощью последовательно соединенных между собой стальных стержней, покрытых сравнительно толстым слоем меди. Медь, с одной стороны, уменьшает переходное сопротивление между заземлителем и грунтом, с другой — препятствует его окислению, продлевая, таким образом, срок службы. Получить необходимое сопротивление заземления можно, последовательно наращивая число стержней по мере введения их в грунт. Общая длина такого заземлителя может достигать десяти и более метров. Казалось бы, и все, но прежде чем встать на страже оборудования, все виды защиты проходят проверку в условиях, приближенных к боевым. Специальные устройства генерируют импульсы, имитирующие воздействие напряжений и токов молнии. Напряжение импульсов на выходе таких устройств достигает нескольких киловольт, а ток — нескольких килоампер. Так, например, воздействие избыточного напряжения имитируется импульсом с амплитудой 4000–6000 В и формой 10/700 мкс, где 10 — длительность фронта импульса, а 700 — длительность спада. Воздействие избыточного тока имитируется импульсом с амплитудой 5000 А и формой 8/20 мкс. Производится также моделирование контакта линии связи с линией электропередачи. Критерием годности после этих воздействий является отсутствие отказов оборудования. И только пройдя такую «репетицию», системы грозозащиты ставятся на «боевое дежурство».
Вместо послесловия Пока на земле будут бушевать грозы — будет продолжаться борьба с молнией, будут дальше совершенствоваться системы грозозащиты… Сегодня на замену стабилитронам и варисторам уже приходят элементы с тиристорной характеристикой. В отличие от стабилитронов и варисторов, напряжение на которых в режиме пробоя поддерживается на уровне стабилизации (от единиц до десятков и более вольт), напряжение на таком элементе падает до уровня долей вольта. Это резко уменьшает выделение тепла на нем и позволяет успешно выдержать долговременное воздействие избыточных напряжений и токов. Созданы также интегральные схемы, объединяющие в себе элементы первичной и вторичной защиты и сочетающие одновременно защиту по напряжению и току. Среди наиболее известных производителей и поставщиков элементов защиты в Украине следует отметить Харьковский приборостроительный завод, Днепровский машиностроительный завод, из западных — компании R&M, Molex, Krone, Tyco Electronics. Детальнее остановиться на грозозащитном оборудовании этих производителей мы планируем в следующих номерах журнала. Выбор большой, и какой бы тип защиты ни выбрал потребитель — в накладе он не останется и уже по-новому оценит стихи поэтов былых времен. И, глядя на полыхающие вспышки грозовых разрядов на весеннем небосклоне, будет восхищаться этим величественным зрелищем, твердо зная, что их грозная красота уже не причинит вреда.
Государственный университет информационно- коммуникационных технологий Виктор КАТОК, профессор, начальник НИЦ ЛКС Александр МАНЬКО, старший преподаватель кафедры ВОЛС
|
|
