Катодни отводители

Използват се в приложения под въздействието на вода, влага и агресивни среди

Че кабелните скари са основен елемент на електрическите инсталации е добре известен факт. Предназначени да поддържат кабелните трасета, кабелните скари са два основни вида, според материала, от който са изработени - метални и пластмасови. Обект на разглеждане в настоящата статия са специфики в характеристиките и приложението на пластмасовите кабелни скари.

В случай на индиректно попадение на мълнията, магнитното поле, предизвикано от нея, ще генерира пренапрежение във всеки затворен контур, съставен от проводници (ефект на трансформатора/магнитно куплиране). При непряко индуктивно куплиране (фиг. 4в) въздушните линии представляват затворен контур, тъй като неутралата или защитният проводник се заземяват на всеки няколко стълба. Попадение в околностите на такава линия ще генерира пренапрежение в нея. В приложения с пряко индуктивно куплиране попадение на мълния върху външни мълниеотводи на сграда ще индуктира пренапрежение в затворените контури на електрическата й мрежа (фиг. 4г).

Взема се предвид само първичният разряд на мълниите
Мълнията притежава форма на вълна, характеризираща се с много рязък пик на тока и дълга опашка от излишна енергия. В допълнение към голямата амплитуда, основен проблем е много високата скорост на повишаване на тока, която води до висока стойност на напрежението, индуктирано в проводниците. Повече от 75% от разрядите на мълнии не са единични. След първичния разряд в период от 30 - 200 милисекунди следват нови разряди. Средният им брой е три, като са измервани и до 20 броя повторения.
Фронтът на тока на мълнията може да достигне до 10кА/ms за първичен удар и дори по-високи стойности за повторни удари. Скоростта на нарастване на напрежението достига до 12 000 V/мs, което е повече от достатъчно да повреди дори най-устойчивите електрически вериги. За характеризиране на мълниите, в Европейския стандарт IEC 61312-1, Анекс В, е въведена вълна 10/350 за първия удар и вълна 0.25/100 за последващите. При избора на катоден отводител се взима предвид само първичният разряд, тъй като той нанася най-сериозни щети на защитното устройство.

Пренапрежения, причинени от комутации в мрежата
Превключването на прекъсвачи, трансформатори, мотори, индуктивности, както и рязката промяна на товарите, води до много бърза промяна на тока (di/dt) и генерира преходни напрежения. В сравнение с пренапреженията, генерирани от мълнии, тези пренапрежения съдържат по-малко енергия, но възникват по-често.
Те са вредни, тъй като се генерират директно във фазовите проводници. Отличават се с кратка продължителност, стръмна форма на вълната и голяма амплитуда (до няколко киловолта) и водят до преждевременно стареене на електронното оборудване.
С цел разработване и изпитване на надеждни и сигурни катодни отводители, стандартно са въведени две форми на вълни, с които се симулират ефектите от пряко и индиректно попадение на мълния или комутационно пренапрежение.
Продължителната вълна (10/350 ms) се използва за симулиране на пряко попадение на мълния и свързаната с него голяма енергия. В ролята на източник на ток от мълнии се използва генератор, който генерира токови вълни 10/350.
Посредством краткотрайна вълна (8/20 ms) се представя непряко попадение, комутационно пренапрежение или паразитни интерференции.

Устройства с искрова междина или газоразрядна тръба
Съществува разнообразие от видове катодни отводители. Широко се използват устройствата, съдържащи искрова междина или газоразрядна тръба. Представляват защитни устройства, които превключват напрежението. Характерно за тях е, че имат висок импеданс при липса на пренапрежение. При поява на пренапрежение, импедансът им рязко се понижава до 0.1 - 1 W, за период от около 100 ns. Тези устройства се характеризират с прекъсната напрежено-токова характеристика.
Искровата междинна или газоразрядната тръба се изпълняват с два електрода, като първият е свързан към едната фаза, а вторият към земя. Искровата междина прекъсва остатъчния ток в дъгогасителната камера. След като пренапрежението е разредено през катодния отводител, електрическото захранване продължава да генерира ток, който поддържа електрическата дъга (остатъчен ток). Дъгогасителната камера изгасява дъгата. Ако дъгата не се загаси, то токът достига стойност на късо съединение и горестоящият предпазител се стопява.
Главна характеристика на искровата междина е капацитетът й да издържа на висока енергия от пряко попадение. По тази причина се използват главно за катодни отводители Тип 1 и комбиниран тип (Тип 1+2).

Катодни отводители с варистори
Известно е, че варисторите са нелинейни елементи с непрекъсната напрежено-токова характеристика. Катодните отводители, базирани на варистори, ограничават напрежението. Характерно за тях е, че имат висок импеданс при липса на пренапрежение (през тях протича ток на утечка). Техният импеданс намалява за продължителен период от време, при поява на пренапрежение. При приложено пренапрежение, нормалното съпротивление на варистора (1 MW) ще падне под 1 W за няколко наносекунди.
Характерно за варисторите е, че не притежават остатъчен ток, докато катодните отводители, изработени на базата на искрови междини, включват елементи, които прекъсват остатъчния ток (т.е. дъгогасителните камери).

Комбиниращи варистор и искрова междина
Съществува и трети тип катодни отводители - т.нар. комбиниран тип. Те представляват защитни устройства, които съчетават превключващи и ограничаващи напрежението компоненти. Като технология, комбинираният тип катодни отводители са базирани на искрови междини и варистори. Характеризират се с голяма енергия от мълния (Тип 1) и в същото време предлагат добро (ниско) ниво на защита (Тип 2). Сред спецификите им е способността да издържат вълни 10/350 (пряко попадение на мълния) и вълни 8/20 (непряко попадение, комутационно пренапрежение).

Изборът на катоден отводител според риска от мълнии
Изборът на катоден отводител се базира на критерии, които се оценяват при определяне на риска от мълнии. Основен критерий, които следва да се вземе предвид при оценяване на риска от директно или индиректно попадение, е финансовият аспект, породен от разрушенията и/или загубите от престой. Дори в приложения, при които защитата не е задължителна, използването й е препоръчително.
Техническите характеристики, на основата на които се прави изборът на катоден отводител, са:
n Ниво на защита по напрежение (Up);
n Максимален разряден капацитет Iimp и Imax (10/350 или 8/20 импулсна вълна);
n Система на заземяване;
n Работно напрежение(Uc, Ut);
n Допълнителни възможности (изваждаем индикатор за изчерпване, безопасен резерв, дистанционна сигнализация).
Двата параметъра на напрежението Uc и Ut на катодния отводител се избират с оглед изпълнение на следното условие. Катодният отводител, в комбинация със защитаващия го предпазител, да издържи безпроблемно временно пренапрежение, без да промени свойствата или функционалността си. Изборът на Iimp и Imax на катодния отводител за защита от директно попадение от мълния се базира на разрядния капацитет на катодния отводител. Той се определя от неговите електрически характеристики и трябва да се избира според нивото на риск.

Входящ и допълнителни катодни отводители
След определяне характеристиките на входящия катоден отводител, защитата трябва да се комплектова с един или повече допълнителни катодни отводители.
Входящият катоден отводител не би могъл да осигури ефективна защита за цялата инсталация. Необходимо е да се обърне внимание на факта, че ако дължината на кабела след входящия катоден отводител надвишава 10 м, е възможно остатъчното напрежение да се удвои. Затова се налага, в случай на комбинирано използване, катодните отводители да се координират. Прието е, координация да се изисква, когато входящият катоден отводител не би могъл да осигури нужното ниво на защита по напрежение Up, както и когато входящият катоден отводител е на повече от 10 метра спрямо защитаваното оборудване.
Главният катоден отводител се инсталира веднага след главното изключващо устройство (прекъсвач или разединител) на инсталацията. Необходимо е катодният отводител да бъде съвместим с допустимото напрежение на оборудването, което ще бъде защитавано; да се намира в близост до това оборудване и да бъде координиран с другите катодни отводители.
Катодните отводители трябва да бъдат защитени от горестояща защита от късо съединение и дефектнотокова защита за защита от индиректен допир.

Как да се ограничат пренапреженията?
С цел ограничаване на пренапреженията е необходимо да се избягват затворени контури, разположени на големи площи, както и съвпадащи трасета за слаботокови и силнотокови проводници. Добре би било да се избягва и кръстосване на снопове проводници, както и да се предвиждат достатъчно големи разстояния между тях. Необходимо е, също така, да се отчита присъствието на уреди или инсталации, които генерират пренапрежения. Важно е и да се анализира местоположението им по отношение на чувствителното оборудване, както и да се осигури достатъчно разстояние и/или да се инсталира катоден отводител.
Препоръчително е използването на екранирани кабели и оборудване. За да се избере правилно защитата от пренапрежение, е необходимо да се вземат предвид системите на заземяване на сградата. Не по-малко важно е да се изберат правилно защитните устройства на катодните отводители. За предпочитане са дефектнотокови защити селективен тип за защита от индиректен допир, с цел избягване на лъжливи изключвания.

Термини, свързани с избора на катоден отводител
Катоден отводител - Устройство, предназаначено да ограничава преходно пренапрежение и да отвежда токове и мълнии към земя.
Вълна 1.2/50 - Стандартизирана пренапрежителна вълна, която се добавя към стандартното мрежово напрежение. Използва се от производителите на електроуреди за тестване на изделията. Вълна 8/20 - Токова вълна, която преминава през уредите, когато са обект на пренапрежение (ниска енергия).
Вълна 10/350 - Токова вълна, която преминава през уредите, когато са обект на пренапрежение, дължащо се на пряко попадение от мълния.
Катоден отводител Тип 1 - предназначен e да отвежда енергия, породена от пренапрежение, сравнимо по мощност с това от пряко попадение от мълния. Защитните устройства от Тип 1 се тестват стандартно с вълна 10/350.
Катоден отводител Тип 2 - предназначен да отвежда енергията, породена от пренапрежение, сравнимо по мощност с това от непряко попадение или комутационно пренапрежение. Защитните устройства от Тип 2 преминават стандартен тест с вълна 8/20 (клас 2 тест).
Up - ниво на защита по напрежение. Параметър на катодния отводител, който характеризира ограничаването на напрежението от самото устройство. Стойността му е по-голяма от най-високата стойност, получена от специални измервания.
In - номинален разряден ток. Дефинира се като стойност на върхов ток при вълна 8/20, протичаща 15 пъти през катодния отводител. Използва се, за да се определи стойността на Up на катодния отводител.
Imax - максимален разряден ток. Дефинира се като стойност на върхов ток при вълна 8/20, протичаща през катодния отводител, Imax. е по-голям от In.
Un - номинално AC напрежение на мрежата.
Uc - максимално продължително работно напрежение (IEC 61643-1). Дефинира се като максималното AC/DC напрежение, което може да бъде приложено за продължително време на катодния отводител.
Ng - представлява интензивността на мълниеносната дейност, представена като средногодишнен брой на мълниите на 1 кв.км.
Ut - устойчивост на временно пренапрежение. Дефинира се като максималното AC/DC напрежение, на което може да бъде подложен катодният отводител. Ut е по-голяма от максималното продължително работно напрежение Uc, за отбелязаното време.