Вторична защита от мълнии

Принципи и нива на защита, елементи за реализация на ограничители.

Защитата от мълнии с помощта на мълниеотводи бе тема, която разгледахме в миналия брой на сп. Технологичен дом. Тя предпазва хората и сградите, но не и електрическите и електронните инсталации и апаратура. Те могат да се повредят от вторични явления, независимо че мълнията е паднала върху мълниеотвода или встрани от сградата. Нанесените при това щети може да не се окажат фатални, но да нанесат материални щети и разстроят нормалното обитаване на жилища, работата на производствени предприятия, административни и обществени институции. За избягване на тези нежелателни въздействия се използва вторична защита, много често представляваща задължително допълнение към мълниеотводите. В статията се изяснява същността на вторичните явления при падане на мълнии, методите и средствата за защита от тях и се дават основните параметри на използвани за целта прибори.

Вторичните явления

се дължат на образуването на електромагнитно поле около всеки проводник, по който протича ток, и на индуктирането от полето на напрежение в други проводници. Използва се терминът пренапрежение, тъй като то се прибавя към съществуващото напрежение между проводниците. Пренапрежението е правопропорционално на големината и скоростта на изменение на тока в създаващия полето проводник и обратнопропорционално на разстоянието между проводника и мястото на създаването му. То е толкова по-голямо, колкото по-дълъг е проводникът, в който се индуктира. Токът на мълнията нараства от 0 (преди възникването й) до максималната си стойност (обикновено няколко десетки kA) за милисекунди, поради което пренапреженията могат да достигнат няколко kV. Те са особено големи в близко разположените дългите метални проводници на електрическата и всякакви информационни мрежи - телефонна, компютърна, на кабелната телевизия, които не са поставени в земята. И когато пренапрежението надхвърли допустимото за апаратите, уредите и съоръженията, свързани към мрежата, те могат да се повредят. Поради естеството на оптичните кабели (направени от прозрачна пластмаса), известни и като световоди, в тях не се индуктират никакви напрежения. Съответно не е необходимо свързаните към тях апаратури да имат вторична защита от мълнии.

Изменението във времето на тока на мълния и пренапреженията е показано на фиг. 1, като t = 0 е моментът на възникването им. Нарастването е до t1, когато те достигат максималните си стойности Im и Um. След това токът на мълнията и съответно пренапрежението започват да отслабват поради намаляването на количеството електричество в облака. В момента t2 токът и напрежението достигат половината от максималните си стойности.

За дефиниране и изследване на издръжливостта на апаратури към вторичното влияние на мълнии им се подават напрежения или токове с вида на фиг. 1, с определени максимални стойности и продължителности t1и t2. За тях се използват наименованията напрежителни вълни и токови вълни. Означението им и в двата случая е t1/t2 със стойности в ms. Използват се вълните 0.25/100, 1.2/50, 2/10, 8/20, 10/350, 100/700 и 10/1000. Понякога към тях се прибавя и Im и Um (например, вълна 8/20 6 kV означава t1 = 8 ms, t2 = 20 ms и Um = 6 kV).

Принцип на защитата

от пренапрежения

Ограничаването на напрежението между два проводника или клемите на електрически уред се постига чрез свързване между тях на прибор с няколко наименования - катоден отводител, арестер, протектор, ограничител на пренапрежение. Тук ще бъде използвано последното. В нормални работни условия върху ограничителя се прилага напрежение, не по-голямо от неговото номинално напрежение Un, той не е задействан и има огромно съпротивление (обикновено поне 109 W), представляващо друг параметър - изолационно съпротивление IR. В резултат на това през ограничителя практически не протича ток и той не оказва никакво влияние. При защита на апаратури, свързани към информационни мрежи, от ограничителите се изисква да имат и малък паразитен капацитет между изводите си - желателно е не повече от няколко pF. Когато бъде надхвърлено напрежението на защита (или ниво на защита по напрежение) Up, ограничителят се задейства, съпротивлението му рязко намалява и през него протича разряден ток. От момента на достигане на Uр до започване на протичането на тока е времето на задействане на ограничителя. През това време, независимо колко е малко, напрежението върху защитавания обект нараства над Up и може да го повреди. Времето не се дава като параметър, но е известно при кои ограничители то е по-малко. Стойността на Up винаги е по-голяма от Un, в някои случаи - десетина пъти.

В каталозите на ограничителите на пренапрежение като параметри се дават два различни тока. Номиналният разряден ток In (или Isn) е най-голямата стойност на Im (вж. фиг. 1), който многократно (обикновено 15-20 пъти) може да протече през ограничителя. Другият е максималният разряден ток Imax, който може да протече еднократно. При наличие на тока In се получава напрежението върху задействания ограничител Uon, което е между няколко десети от V и Up. За прекратяване на тока през ограничителя и съответно за възстановяване на изолационното му съпротивление е необходимо ограничаваното пренапрежение да намалее под Uon.

Елементи за реализацията

на ограничители

Въздушният разрядник (искров разрядник) съдържа метални остриета, насочени едно срещу друго с разстояние d между тях. При достигане на напрежението Up се получава електрически пробив във въздуха между остриетата и през възникналата искра протича разрядният ток. Стойността на Up е право пропорционална на d и е не по-малка от няколко стотици V. При намаляване на напрежението върху разрядника малко под Up искрата престава, т.е. Uon практически е равно на Up.

Подобна е структурата на газоразрядните елементи (газоразрядници, плазмени ограничители), но техните електроди са поставени в херметически затворена керамична капсула, напълнена с инертен газ с ниско налягане. Напрежението Up зависи от формата и начина на обработка на електродите, разстоянието между тях, вида и налягането на газа и чрез подбор на тези величини се получават стойности между 70 V и 5 kV. При достигане на Up газът между електродите много бързо се йонизира, с което съпротивлението между тях рязко намалява и протича разряден ток, като неговата стойност в някои модели достига 100 kA. Важно е да се знае, че след неколкократно задействане на елемента (между 5 и 20 пъти) неговите параметри се влошават и тюй трябва да бъде сменен. Напрежението Uon върху нея е не повече от няколко десетки V. Процесът на йонизация възниква значително по-бързо от пробив във въздуха, поради което по принцип газоразрядните лампи осигуряват по-сигурна защита от въздушните разрядници. В зависимост от модела те гарантират защита при скорост на промяна на ограничаваното напрежение до 1000 V/ms. За допълнително намаляване на времето на задействане се използват газоразрядни лампи с пусков (трети) електрод. Чрез прилагане на външно напрежение между него и замасения възниква разряд само в пространството между тях, който ускорява появата на основния разряд при достигане на Up.

Третият вид елементи за ограничители са металоокисните варистори (МОV). Наименованието им показва, че те съдържат метални окиси - най-много е цинковият окис, към който са прибавени малки количества други окиси (например бисмутов, кобалтов и магнезиев). Окисите са под формата на миниатюрни зрънца, чиято обвивка има специфични свойства - до напрежението Up тя е изолатор и през МОV практически не протича ток, а при надхвърлянето му съпротивлението й рязко намалява. Токът In на МОV от няколко десетки А до стотина kA. Освен стойностите на този ток, предимство е ниската цена, а основни недостатъци са значителното Up и промяната на параметрите с времето. Освен това токът през незадействания МОV е десетина пъти по-голям от този на останалите елементи за ограничители и не винаги може да бъде пренебрегнат.

Последният вид са защитните диоди. Те представляват полупроводникови елементи с необходимите характеристики за работа като ограничители на пренапрежение. За разлика от останалите елементи, които се задействат независимо от полярността на приложеното им напрежение, една от разновидностите на защитните диоди може да ограничава само напрежения с определена полярност. Сред основните предимства е малкото напрежение Un (обикновено от 1 до десетина V), благодарение на което те могат да предпазват устройства на информационната техника и такива на битовата електроника (телевизионни приемници). Това им качество се засилва от нищожното време на задействане (под 5 ns), което е значително по-малко от това на останалите елементи. Най-важният недостатък са сравнително неголемите стойности на токовете In и Imax (до около 6 kA).

Класификация на ограничителите

Тя е направена в няколко стандарта и е в зависимост от параметрите им.

Стандартът на Европейския съюз EN61643-11:2001 и съответстващия му БДС 61643 се отнася за защита от пренапрежения на съоръжения от енергийната техника и според него има 3 типа ограничители. Тип 1 са предвидени за монтаж на места с много голяма вероятност от попадане на мълнии и трябва да издържат токова вълна 10/350 с амплитуда 200 kA. Реално допускат Imax до 100 kA. Тип 2 са предназначени за монтиране в мястото на влизане на електрическата инсталация в сградата или във вътрешността й. Трябва да издържат токова вълна 8/20 с амплитуда 60 kA. И накрая, тип 3 са за места със сравнително малки пренапрежения.

За същите случаи е стандартът на Международната електротехническа комисия IEC61643-1:1998-02, който определя класове I, II и III, съответстващи на типове 1, 2 и 3 от предните стандарти.

Третият стандарт, също за енергийната техника, е E DIN VDE 0675:1989-11, в чийто раздел 6 се определят 4 класа ограничители, като клас В съответства на тип 1, клас С - на тип 2, и клас D - на тип 3.

Защитата от пренапрежения на системи и устройства от информационната техника се прави в съответствие със стандартите EN61643-21:2001, IEC61643-21:2000 и допълнението му от 2001 г. и DIN VDE 0845, раздел 5.

Нива на защита

Огромните токове на мълнията, изключително бързото им нарастване и създаваните големи пренапрежения налагат да има 1, 2 или 3 нива на защита, всяко от които се реализира със съответния ограничител. По принцип всеки ограничител съдържа освен един от разгледаните елементи и допълнителни детайли, като конструктивно е оформен в подходяща кутия. В нея може да има светлинен индикатор за състоянието на ограничителя, а в някои модели - и предавател за изпращане по безжичен път на това съобщение.

Пример за защита с 3 нива в еднофазна електрическа мрежа е даден на фиг. 2. Последователно с всеки от ограничителите (ОVР1, ОVР2 и ОVР3) е свързан стопяем предпазител, който поради своята инертност прегаря след задействане на ограничителя (след момента t2 на фиг. 1). Вместо него могат да се използват автоматични предпазители или изключватели. Според стандарта IEC61643-1:1998-02, в ниво 1 трябва да се използват ограничители с In, не по-малък от 40 kA (при напрежителна вълна 10/350) и Up, не по-малко от 4 kV. Тези ограничители се монтират в главното разпределително табло на жилището (където са електромерите) и са с въздушен разрядник или газоразряден елемент.

Ограничителят в ниво 2 трябва да е с In і 20 kA при напрежителна вълна 8/20 и с Up = 2,5 kV. Монтира се в апартаментното разпределително табло и обикновено се реализира с МОV.

За осигуряване на ефективна работа на ограничителите в нива 1 и 2 трябва да се спазват няколко прости правила. Проводникът между ограничителите и фазата трябва да има същото сечение, както този на самата фазата, но не повече от 50 mm2. Проводникът за свързване към нулата трябва да е с 2 пъти по-малко сечение, но задължително между 4 и 35 mm2. Дължината на проводниците, означена с “а” на фиг. 2, трябва да е до 50 cm. Същевременно проводникът на фазата между две съседни нива трябва да е с дължина поне 5 m. Мястото на предпазителя може да е в кутията на ограничителя или извън нея.

Ограничителят в ниво 3 е за същия In, както в ниво 2, но има Up = 1,5 kV. Той е предназначен за защита на контакт или група контакти (обикновено в разклонител) и също се реализира с МОV. Може да представлява адаптер, включван в контакт, който има собствен контакт за предпазвания прибор. Съществуват и разклонители с вграден ограничител.

Аналогично, на фиг. 2 се реализира защитата на трифазни електрически мрежи, като показаното свързване се прави за всяка фаза.

Ограничители за информационни

мрежи

В тези мрежи защитата е с едно ниво, като ограничителят се поставя на мястото, където линията влиза в устройството. Той представлява малка кутийка с два куплунга - единият за свързване към линията, а другият - към устройството. Съществуват и коаксиални ограничители с куплунзи на двете срещуположни малки стени. Възможно е защитата да се направи за мрежата на цялата сграда, при което се използва ограничител с херметизирана кутия, монтиран отвън.

Специфично изискване е малкият паразитен капацитет на ограничителя (обикновено той е не повече от
1 pF), но освен него се дават още два параметъра. Единият е максималната честота на сигналите, които след поставяне на ограничителя преминават по линията практически без промяна. Три от често използваните стойности са 1,5 GHz, 3 GHz и 6 GHz. Другият е максималната мощност на сигнала по линията, обикновено между 100 W и 1 kW.

За добиващите все по-голяма популярност симетрични линии се произвеждат диференциални ограничители, които реагират на пренапрежение между двата проводника на линията, а не между проводник и земя.

За 8-проводните локални компютърни мрежи (Ethernet) съществуват ограничители също под формата на кутийка с необходимите два куплунга. Те предпазват всеки от проводниците на линията от пренапрежение спрямо общия й проводник. Често използвани стойности на Up са 15 V и 58 V.