|
|
|
|
|
|
Идущие на грозу!
Об элементах и устройствах защиты телекоммуникационного оборудования от избыточных токов и напряжений, возникающих в результате прямых и непрямых ударов молнии в линейные сооружения сетей связи на металлическом кабеле.
Александр МАНЬКО
Предлагаемая статья является продолжением и развитием материала, опубликованного в журнале ранее (см. «Маленькие защитники большого оборудования»,«СиБ», 2004, No 2, с. 102–106). Интерес к затронутой тематике определяется тем немалым ущербом, который причиняют оборудованию связи грозовые разряды.
Типы влияний Наиболее опасными считаются прямые удары молнии (рис. 1 а), когда разряд попадает в линейно-кабельные сооружения. В этом случае организовать эффективную защиту довольно сложно. Но, к счастью, случаи прямых ударов довольно редки, а особенную угрозу представляют более частые косвенные, или непрямые, удары (рис. 1 б). Соответственно и повреждения, вызываемые непрямым ударом молнии, случаются намного чаще, чем от прямого удара (около 95% всех повреждений, связанных с молнией).
Непрямым считается удар молнии в грунт вблизи от кабеля телекоммуникационных сетей. Такой удар может вызвать повреждения в радиусе порядка 1000 м. Так как энергия удара распространяется во всех направлениях, он может вызвать повреждения в многочисленных местах сети. Энергия удара при этом значительно меньше, чем в случае прямого удара, но еще достаточная, чтобы вызвать существенные повреждения. Кроме ударов молнии, существует также опасность влияния на линию связи сети переменного тока (рис. 1 в) и даже прямого контакта силовой линии с сетью связи (рис. 1 г). Во всех упомянутых случаях под угрозой оказывается кроссовое и подключенное к нему оборудование, поэтому защита сетей связи должна быть реализована в обязательном порядке.
Каждое оборудование имеет право на защиту Современное полупроводниковое телекоммуникационное оборудование намного более чувствительно к случайным электрическим воздействиям, чем электромеханическое оборудование, использовавшееся в прошлом. Развитие элементов защиты телекоммуникационного оборудования шло путем от воздушных искровых разрядников до устройств, наполненных инертным газом и больше напоминающих по форме и размерам таблетку аспирина, чем защитное устройство. В дополнение к этому, появился ряд миниатюрных полупроводниковых устройств, прекрасно выполняющих функции защиты. К ним можно отнести стабилитроны, варисторы, тиристоры и, наконец, позисторы — терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (они же — РТС-резисторы). Подробно об этих элементах мы уже писали в упомянутой статье. Вся эта компания в содружестве с газовыми разрядниками и позволяет обеспечить связному оборудованию хорошую защиту. Важно только выбрать для них правильную позицию и расстановку (совсем, как в шахматах!), и успех обеспечен. В передовых рядах защитников обычно стоят газонаполненные разрядники. Они принимают на себя первый удар и поэтому представляют так называемую первичную защиту. Иногда этот вид защиты называют еще 3-точечной защитой, так как для ее подключения требуются три точки (рис. 2), одной из которых является земляной провод, а две другие располагаются на проводниках защищаемой линии.
Это соответствует традиционной форме защиты в телекоммуникационных линиях с помощью 2- или 3-электродных разрядников, которые идеально подходят для 3-точечной защиты. Газовый разрядник лучше всего подходит в качестве передового бастиона защиты, так как менее всех остальных типов элементов подвержен воздействию тепла, выделяющегося в режиме защиты. При возможности продолжительного воздействия на разрядник избыточного напряжения его рекомендуется снабжать тепловой защитой, закорачивающей проводники линии на землю по истечении определенного времени режима разряда. Недостатком 3-точечной защиты является невозможность обеспечения режима ограничения тока, а также развязки между входом и выходом четырехполюсника защиты в режиме разряда.
Пять точек опоры Эти причины привели к созданию более сложной 5-точечной схемы защиты, представляющей собой комбинацию первичной и вторичной защиты.
В ней для подключения требуется уже пять точек. В функции вторичной защиты входит завершающий этап понижения избыточного напряжения и ограничение избыточного тока до приемлемого уровня. Здесь пик напряжения, прошедшего через разрядник из-за задержки его срабатывания (рис. 3), может быть ограничен благодаря таким быстродействующим компонентам защиты по напряжению, как стабилитроны, тиристоры или варисторы. При этом, в качестве компонентов, ограничивающих ток, (они же — элементы развязки) могут быть включены последовательно с проводниками линии резисторы или терморезисторы, функционирующие одновременно и как температурно-зависимые ограничители тока. В качестве элементов развязки кроме резисторов и терморезисторов могут быть включены также катушки индуктивности или плавкие предохранители. Так, например, в случае появления на входе устройства защиты пика напряжения с высокой скоростью нарастания он может быть ограничен элементом вторичной защиты, например стабилитроном, до того как сработает газовый разрядник. При этом вся энергия импульса будет поглощена стабилитроном, что недопустимо, ввиду возможности его повреждения. Поэтому между стабилитроном и разрядником последовательно включаются развязывающие резисторы. В этом случае, протекание тока через стабилитрон вызывает падение напряжения на резисторе, такое, что разрядник может достичь режима включения и принять на себя большую часть энергии импульса. Одним из главных достоинств 5-точечной защиты является возможность ее самостоятельной установки в начальное состояние. После прекращения внешнего влияния все защитные элементы возвращаются в свое нормальное состояние. Это позволяет устанавливать защитные устройства не только в кроссовом оборудовании, но и на сравнительно большом расстоянии — в помещениях пользователей (рис. 4).
Особенности защитного оборудования Среди наиболее известных производителей и поставщиков устройств защиты в Украине следует отметить ПО «Монолит» (Харьковский приборостроительный завод, ХГПЗ), Днепровский машиностроительный завод (ДМЗ), из зарубежных — компании Krone, R&M, Tyco Electronics, 3M. Широкий ассортимент их продукции определяется, прежде всего, условиями функционирования защиты, которые, в свою очередь, связаны с особенностями конкретного типа оборудования связи. Среди условий функционирования определяющими являются такие факторы, как рабочее напряжение и рабочий ток телекоммуникационной системы, а также скорость передачи информации или рабочая полоса частот. Что касается рабочего напряжения, то оно является определяющим при выборе типа защиты. Напряжение срабатывания защиты должно быть как можно ближе к максимально допустимому рабочему напряжению, но не настолько, чтобы принимать его значения. Так, например, для сети передачи голосовых сообщений минимальное напряжение срабатывания идеального защитного устройства должно составлять 180 В. В то же время у реальных газовых разрядников, применяющихся на сети, номинальное напряжение срабатывания составляет 230 В, а с учетом допуска ±20% лежит в пределах 194–276 В. Очевидно, что для телефонного оборудования только первичной защиты будет недостаточно. Рабочий ток также определяется используемой технологией передачи и должен быть учтен при выборе элементов и устройств защиты. Недопустимо использовать элементы защиты при значении тока их срабатывания, входящего в пределы величин рабочего тока системы передачи (обычно это несколько десятков миллиампер). Диапазон рабочих частот, или скорости передачи информации, в используемой технологии тоже необходимо учесть. У реальных устройств защиты он лежит в пределах до нескольких Мбит/с и выше. Так, например, для устройств BI 120А1 и BI 180А1 производства фирмы Krone значение скорости передачи достигает 2 Мбит/с и 8 Мбит/с соответственно. А для модуля защиты НЕВ 180А1 этого же производителя верхняя рабочая частота превышает 100 МГц. Критерием оценки при этом является вносимое устройством защиты затухание, которое не должно превышать 3 дБ во всем диапазоне частот. Наличие затухания определяется схемой включения элементов вторичной защиты (например, терморезистора и стабилитрона), которые образуют RC-фильтр нижних частот. В этом фильтре резистор (терморезистор) включен последовательно в линию, а емкость (имеется в виду емкость p-n перехода полупроводникового диода) включена параллельно после резистора. При этом величина сопротивления, вносимого резистором, достигает десятков Ом, а емкость диода — сотен пикофарад и более. Вносимое фильтром затухание растет с частотой, накладывая, тем самым, ограничение на область применения (технологию передачи).
В таблице 1 приведены, в качестве примера, рабочие напряжения и токи для некоторых технологий, а также присущие им скорости передачи. Большой диапазон используемых рабочих напряжений (от 5 до 160 В) и токов (от 20 мА и выше) определяет широкий ассортимент элементов и защитных устройств, предлагаемых потребителю.
Газовые разрядники Газовые разрядники предлагают на рынке как в виде отдельных устройств, так и в составе комбинированных систем защиты практически все поставщики и производители защитного оборудования. Из всех элементов защиты разрядники применяются наиболее часто. Паспортное напряжение их срабатывания лежит в диапазоне 90–350 В и выше. Наибольшей популярностью пользуются устройства с напряжением срабатывания 230 В±20%. И данный параметр является для них самым важным. Но так как эти значения измерены для относительно медленно меняющихся напряжений (100 В/с), а разрядник — прибор сравнительно инерционный, интерес представляет напряжение срабатывания при скорости нарастания импульса, характерной для грозовых разрядов — 1 кВ/мкс. Конечно же, значение этого параметра будет заметно выше, чем для медленно изменяющегося напряжения. Следующим показателем газового разрядника является его стойкость к воздействию стандартных импульсов тока, имеющих форму 8/20 мкс, где число 8 определяет длительность фронта, а 20 — длительность спада импульса, выраженную в микросекундах. При фиксированной форме главным параметром такого импульса, который может изменяться, является его амплитуда, выраженная в кА. Так, например, типовое значение амплитуды разрядного тока может составлять от 2,5 до 10–20 кА. Кроме того, указывается значение переменного тока с частотой 50 Гц, который должен выдержать разрядник в течение 1 с. Как правило, для стандартных типов разрядников оно может достигать 10–20 А. Для сохранения режима защиты оборудования при длительном протекании значительного разрядного тока он может быть снабжен тепловой защитой, закорачивающей проводники линии на земляной провод при нагреве газового разрядника до определенной температуры. После чего такой разрядник ремонту не подлежит, а требует замены. Некоторые типы защитных устройств (например, GA 180A1, производства фирмы Krone) снабжаются индикацией состояния срабатывания тепловой защиты. Для этой цели используется светоизлучающий диод, который включается при замыкании контактов тепловой защиты (рис. 5).
Если разрядник снабжен тепловой защитой, указывается время ее срабатывания и значение тока, при котором это время гарантируется. Ну и, конечно же, приводятся такие параметры, как сопротивление изоляции разрядника и его емкость. Последний параметр у него, как правило, не превышает 1–3 пФ, и это является огромным достоинством разрядников, так как позволяет использовать их в цепях коммуникаций со скоростями передачи, достигающими 100 Мбит/с и более.
Элементы токовой защиты Сразу же за разрядниками, принимающими на себя первый удар, обычно включается следующая линия обороны — вторичная защита. В ее задачу входит устранение остатков избыточных токов и напряжений, и строится она путем последовательного включения двух звеньев — звена развязки, работающего в режиме ограничения тока, и звена, работающего в режиме ограничения напряжения. Иногда в качестве вторичной защиты используют только элементы токовой защиты. В частности, с этой целью применяется включение предохранителей в виде отдельного модуля после газоразрядников в цепях вторичной защиты (фирма R&M — модуль R27451-375FA). Аналогичное решение использовано в устройствах МЗ1-ПР производства ПО «Монолит» (г. Харьков). Рабочий ток указанных устройств не превышает 0,4 А. Схема применения плавких предохранителей в защитных устройствах представлена на рис. 6. Кроме того, в модуле защиты NTPX180B2 (Krone) плавкие предохранители включены перед разрядником. В этом случае необходимость в термозамыкателях для разрядника отпадает, так как предохранители надежно разрывают цепь при появлении избыточного тока, исключая тем самым перегрев газоразрядников.
В качестве элементов токовой защиты используют также включение терморезисторов. Этот вариант реализован в модулях типа R27451-120, -145, -180РТС (R&M) и МЗ1-РТС («Монолит»). Необходимо отметить сравнительно малое время срабатывания плавких предохранителей по отношению к терморезисторам — почти на два порядка. Так, например, для модуля МЗ1-РТС, использующего терморезистор, время срабатывания защиты по току составляет 5 с при токе 0,6 А, а для модуля МЗ1-ПР, содержащего предохранитель, всего 0,1 с при меньшем значении тока (0,4 А). Объясняется это разницей в массах проводящего элемента предохранителя и терморезистора — у последнего она намного выше, и для прогрева его до температуры срабатывания требуется больше времени. В отличие от предохранителей РТС-резистор является устройством многократного использования. Конструктивное выполнение современных терморезисторов позволяет довести количество рабочих циклов защиты до значения, намного превышающего 1000. Кроме того, в технической документации на PTC-устройства указывается время их переключения в режим защиты для различных значений избыточного тока, а также диапазон рабочих температур, в котором термический эффект не проявляется. Терморезистор является наиболее широко применяемым элементом защиты по току и встречается в построении схем защиты практически всех производителей. При этом он используется и как самостоятельный элемент защиты от избыточных токов (в указанных выше устройствах), так и в составе комбинированной защиты, включающей элементы защиты от избыточных напряжений (например, в изделиях BI 24A1 и 5CHY-200CN фирм Krone и Tyco Electronics соответственно).
Заслон от избыточных напряжений В зависимости от применяемых типов элементов защиты от избыточных напряжений вторичную защиту можно разделить на несколько видов. Например, в варисторной защите в качестве ограничителя напряжения используется варистор (применяется в устройствах R27471-48, -60, -110, -180 — R&M и 5CSS-220R(N) — Tyco Electronics). В режиме защиты входное напряжение, превышающее некоторое пороговое значение, вызывает значительное увеличение тока через варистор. При этом величина напряжения на нем изменяется незначительно. За счет избыточного тока, проходящего в режиме ограничения через варистор, происходит его нагрев. Таким образом, работа варистора при напряжении, значительно превышающем уровень стабилизации, возможна только в импульсном режиме. В модулях защиты варисторы включаются, как правило, между линейным проводником и проводником заземления. По принципу, сходному с варисторной защитой, функционирует защита на стабилитронах. По сравнению с варистором стабилитрон имеет более ярко выраженную нелинейную вольт-амперную характеристику, обеспечивающую более точное значение напряжения ограничения. Однако, допустимое значение тепловой энергии, которая может выделяться на стабилитроне, меньше, чем для варистора. По этой причине стабилитроны применяют в случае рабочих напряжений меньших, чем для варисторных схем защиты. В качестве примера можно привести устройства варисторной (R27471-48, -60, -110, -180) и стабилитронной (R27470-05, -12, -15, -24) защиты производства фирмы R&M. Если рабочие напряжения для варисторного вида составляют ряд 48, 60, 110 и 180 В, то рабочие напряжения для стабилитронного вида защиты имеют значительно меньшие значения — 5, 12, 15 и 24 В. Находит применение стабилитронная защита и в изделиях фирмы Krone. Здесь можно отметить устройства ВІ 12А1 и ВІ 24А1 с рабочими напряжениями 12 и 24 В соответственно. Несколько другим принципом действия и характеристиками обладают тиристорные устройства защиты. Тиристор представляет собой полупроводниковый диод, переключающийся из состояния с большим сопротивлением в состояние с малым при достижении напряжением некоторого порогового уровня. В отличие от стабилитрона и варистора, напряжение на тиристоре после этого значения падает и остается на низком уровне на протяжении протекания через него избыточного тока. Этим функционирование тиристора напоминает работу газового разрядника, у которого в режиме разряда напряжение также падает до относительно низкого уровня. Такая характеристика выгодно отличает тиристорную защиту от других видов, так как обеспечивает меньшее значение рассеиваемой на нем тепловой мощности После прекращения воздействия напряжения тиристор автоматически возвращается в исходное состояние. Тиристоры входят в состав устройств защиты типа 5CSS-220R фирмы Tyco Electronics, а также ВІ 180А1 и BOD 270A1 производства фирмы Krone. Пример применения тиристоров в построении комбинированной защиты приведен на рис. 7.
Следует отметить, что в некоторых схемных построениях указанных видов защиты дополнительно применяется включение стабилитронов и тиристоров между линейными проводниками с целью исключения избыточных напряжений между ними (например, изделия ВІ 24А1 и ВІ 180А1 фирмы Krone). В качестве примера комплексного решения, в чертах которого просматриваются и характеристики каждой составляющей его части, можно привести паспортные данные на комбинированное устройство защиты ВI 24А1 (таблица 2), включающее ступени первичной и вторичной защиты.
В первичной защите применены газовые разрядники, а во вторичной — позисторы и стабилитроны. При этом указаны наименования точек в модуле защиты, для которых приведены значения параметров.
Таланты и поклонники Все описанные выше способности защитных устройств имеют своих поклонников. Это, прежде всего, те, кто обеспечивает надежность и безотказность функционирования сетей связи. Для них, в качестве примера, можно привести данные на отдельные модули первичной и вторичной, а также комплексной защиты, предлагаемой на рынке отечественными и зарубежными производителями (таблица 3). Все производители практически единодушны в отношении определения требований к элементам, обеспечивающим первичную защиту. Наиболее часто используются газовые разрядники с напряжением срабатывания 230 В ±20%, способные выдержать воздействие импульса тока величиной не менее 5 кА, и оснащенные тепловой защитой (термозамыкателем). С целью дополнительной защиты перед разрядником могут устанавливаться плавкие предохранители (фирма Krone). В выборе схем построения вторичной защиты степень разнообразия намного выше.
Стремление к совершенству, или Вместо эпилога Приведенные выше принципы построения защитных устройств и их элементная база стали давно уже классическими, но пути прогресса неисповедимы, и работы по совершенствованию защитных устройств продолжаются. Одним из направлений этой деятельности является создание интегральных устройств защиты. Например, в качестве решения, обеспечивающего возможность функционирования в режиме как первичной, так и вторичной защиты, фирма ST Microelectronics предлагает интегральное устройство типа CLP200 (270), обеспечивающее защиту телекоммуникационного оборудования от избыточных токов и напряжений. Оно уже нашло применение в модулях защиты МЗ1-CLP Харьковского приборостроительного завода (ПО «Монолит»). Достоинством его, как уже было сказано выше, является возможность выполнения ступени первичной или вторичной защиты на основе одного и того же устройства. Кроме того, применяемая микросхема допускает управление уровнем ограничения тока и напряжения. Так, например, установка уровня срабатывания защиты по току производится путем выбора значения внешнего резистора, подключаемого к интегральной микросхеме. Установка порогового значения напряжения срабатывания производится за счет подачи на соответствующие выводы микросхемы требуемого опорного напряжения от внешнего источника. Микросхемы типа CLP допускают также индикацию режима короткого замыкания входящей линии на землю при превышении входным напряжением порогового значения. С этой целью к соответствующему выводу устройства защиты необходимо подключить светоизлучающий диод. Подсоединение к этому же выводу счетчика позволяет провести фиксацию общего количества срабатываний защиты. Устройство на базе микросхем типа CLP обеспечивает защиту от импульсов избыточного тока с амплитудой 100 А и формой 10/1000 мкс. Максимальное значение рабочего тока устанавливается внешним резистором и составляет в среднем 150 мА. Напряжение срабатывания в режиме первичной защиты лежит в пределах 200–270 В. И это только первые ласточки! Видимо, в ближайшее время вызов будет принят другими производителями, и нас в недалеком будущем ожидает встреча с новым поколением защитных устройств.
Александр МАНЬКО, старший преподаватель кафедры ВОЛС Государственного университета информационно-коммуникационных технологий, т. (044) 249-25-21
|
|
