ќсобенности и проблемы применени€ ”«»ѕ дл€ информационных линий в цеп€х с большим сопровождающим током

*Ќа правах рекламы

—качать в формате PDF


ѕредназначение ”«»ѕ дл€ информационных линий

”«»ѕ систем передачи данных, управлени€, контрол€ и измерени€ серии DT* (производства јќ Ђ’акельї) предназначены в том числе дл€ защиты оборудовани€ линий управлени€ и вторичных цепей питани€. ¬ св€зи с этим данные ”«»ѕ иногда примен€ют дл€ защиты этих цепей, подбира€ устройство по рабочему напр€жению и номинальному току линии, когда сечение проводников защищаемой линии позвол€ет подключитьс€ к клеммам ”«»ѕ. ѕример подобного применени€ ”«»ѕ типа DTNVR 1/24/1,5/1500 (с номинальным током 1,5 ј) дл€ защиты вторичной цепи питани€ 24 ¬ DC со стороны внешней линии приведЄн на рис. 1.

TN029_1

–исунок 1 Ч «ащита вторичных цепей питани€ 24 ¬ DC с помощью DTNVR 1/24/1,5/1500

Ёто решение обеспечивает такие преимущества как, быстродействие защиты, широкий диапазон рабочих напр€жений ”«»ѕ (от 6 до 350 ¬) и низкий уровень остаточного напр€жени€.
ќднако при этом необходимо учитывать особенности и режимы работы ”«»ѕ дл€ информационных линий, обусловленные их схемой и примен€емыми компонентами, которые налагают определЄнные ограничени€ и даже некоторые опасности при их применении в таких цеп€х, где могут возникать относительно большие токи короткого замыкани€.

—хемы и компоненты ”«»ѕ дл€ информационных линий


“ребовани€ к эксплуатационным характеристикам устройств защиты от импульсных перенапр€жений (”«»ѕ), примен€емых в телекоммуникационных и сигнализационных сет€х с номинальным напр€жением системы до 1000 ¬ переменного тока и до 1500 ¬ посто€нного тока описаны в √ќ—“ IEC 61643-21-2014.  онструктивно ”«»ѕ €вл€етс€ комплектным устройством с выводами дл€ присоединени€ проводников цепи и содержит в себе как линейные компоненты, так и не менее одного нелинейного компонента дл€ ограничени€ импульсного перенапр€жени€.

—тойкость к импульсным перенапр€жени€м электронных компонентов (микросхемы, транзисторы и т.д.), примен€емых в том числе и в оборудовании информационных линий, существенно ниже по сравнению с электротехническим оборудованием (электромагнитные реле, контакторы, двигатели и т. д.). Ёлектронный компонент может быть повреждЄн воздействием импульса перенапр€жени€ длительностью пор€дка сотен наносекунд и амплитудой несколько сотен вольт. ѕоэтому ”«»ѕ дл€ информационных линий обладают более высоким быстродействием и имеют более низкий уровень остаточного напр€жени€ по сравнению с ”«»ѕ дл€ электрооборудовани€ низковольтных силовых распределительных сетей.

”«»ѕ дл€ информационных линий, как правило, включаютс€ в защищаемую цепь последовательно. ¬ зависимости от конструкции, схемы и примен€емых компонентов ”«»ѕ имеют ограничени€ по номинальному току (т.е. ток, допустимый в цепи) и неизбежно внос€т различные дополнительные вли€ни€ в информационные линии Ц активное сопротивление, индуктивность и паразитную Ємкость Ц которые должны быть минимизированы.

“аким образом, исход€ из этих требований, обусловлен выбор схемы (двухступенчата€) и примен€емых компонентов ”«»ѕ серии DT*.

Ѕыстродействие (менее 1 наносекунды) и низкий уровень остаточного напр€жени€ ”«»ѕ этой серии обеспечиваетс€ применением во второй ступени защиты таких нелинейных компонентов, как защитные диоды (супрессор или TVS-диод), которые переход€т в режим лавинного пробо€ (срабатывают), когда амплитуда импульса перенапр€жени€ достигнет значени€ их срабатывани€ (пробо€), пропуска€ через себ€ импульс тока, и ограничива€ таким образом амплитуду импульса перенапр€жени€. Ётот пробой €вл€етс€ обратимым, т.е. по окончании импульса перенапр€жени€ супрессор возвращаетс€ в исходное состо€ние, если мощность и/или длительность импульса не превысили предельных значений.

ќднако пикова€ мощность супрессора (в течение микросекунд), которую эти нелинейные компоненты способны рассе€ть при прохождении через них импульса тока, относительно небольша€ и сильно уменьшаетс€ с увеличением длительности импульса. —пособность ”«»ѕ серии DT* пропускать значительные импульсы тока (до 20 кј 8/20 мкс или до 2,5 кј 10/350 мкс) обеспечиваетс€ применением в первой ступени защиты газонаполненных разр€дников.

“ак как врем€ срабатывани€ разр€дников существенно больше Ц до 100 наносекунд Ц времени срабатывани€ супрессоров, необходимо произвести их согласование. —огласование производитс€ включением между ступен€ми защиты линейных или нелинейных согласующих элементов (Z1), в качестве которых примен€ют резисторы (”«»ѕ линий св€зи Ц сери€ DTR) или дроссели (”«»ѕ линий управлени€ и контрол€ Ц сери€ DTNVR). Ёлектрическа€ схема ”«»ѕ серии DT* приведена на рис. 2.

TN029_2

–исунок 2 Ч —хема ”«»ѕ информационных цепей серии DT* с согласующими элементами


ќграничени€, особенности и опасности применени€ ”«»ѕ дл€ информационных линий в цеп€х с большим сопровождающим током

—опровождающий ток Ч параметр, имеющий отношение к разр€дникам Ц это ток, который протекает через разр€дник после окончани€ импульса перенапр€жени€ и поддерживаетс€ самим источником.
ƒл€ оценки сопровождающего тока, можно сказать, что фактическое значение этого тока стремитс€ к расчЄтному току короткого замыкани€ дл€ данной цепи непосредственно в точке подключени€ входных клемм ЂЋини€ї ”«»ѕ.  роме того, так как источник питани€ цепи подключаетс€ со стороны выходных клемм Ђ«ащищеної ”«»ѕ, то дл€ ”«»ѕ серии DTR, сопровождающий ток дополнительно ограничиваетс€ согласующими резисторами 2,2 ќм в каждом проводе. ƒл€ ”«»ѕ серии DTNVR, где в качестве согласующего элемента применены дроссели, их сопротивлением дл€ цепей вторичного питани€ посто€нного или переменного (50 √ц) тока можно пренебречь.

“аким образом, в данном материале речь идЄт о цеп€х, токи (в т.ч. токи короткого замыкани€) в которых могут превышать отключающую способность сопровождающего тока разр€дника (“аблица 1). Ёто в первую очередь цепи вторичного питани€ и цепи управлени€ с большими рабочими токами.

1 ќграничени€ по номинальному току

 ак указывалось выше, номинальный ток ”«»ѕ дл€ информационных линий имеют ограничени€. ƒл€ ”«»ѕ, чь€ схема представлена на рис. 2, номинальный ток в зависимости от типа устройства ограничен (0,25 ј; 1 ј; 1,5 ј; 3 ј). ѕри этом необходимо учитывать ток, который возможен в защищаемой цепи в месте подключени€ ”«»ѕ в аварийной ситуации, например, ток, выдаваемый источником в режиме перегрузки достаточно длительное врем€.

ƒл€ ”«»ѕ серии DTNVR */**/5 на базе варисторов (рис. 3) номинальный ток выше Ч 5 ј, но при этом способность отводить токовые импульсы ограничена Ч от 2 до 8 кј 8/20 мкс (в зависимости от его рабочего напр€жени€).

TN029_3

–исунок 3 Ч ”«»ѕ серии DTNVR */**/5

2 Ќадежность

2.1 ¬ отличие от ”«»ѕ силовых цепей, которые как правило подключаютс€ к защищаемой цепи параллельно, ”«»ѕ дл€ информационных линий подключаетс€ последовательно. “аким образом, обрыв внутренних соединений или согласующих элементов, потер€ контакта в клеммах, приведЄт к обрыву защищаемой цепи и перерыву в работе защищаемого оборудовани€.
2.2 ¬еро€тность выхода из стро€ супрессора существенно выше по сравнению с веро€тностью выхода из стро€ варистора, примен€емыми в ”«»ѕ силовых цепей или в ”«»ѕ серии DTNVR */**/5.

3 ќсобенности и опасности

3.1 ѕри повреждении супрессора (необратимом электрическом пробое), через него будет протекать ток от источника, близкий к току короткого замыкани€. ѕричЄм дл€ цепи посто€нного тока достаточно пробо€ одного супрессора (рис. 5). ¬ лучшем случае это приведЄт к отключению устройства защиты от сверхтока Ц предохранител€, автоматического выключател€ или внутренней защиты источника. ќднако возможна ситуаци€, когда этот ток или не достигнет номинального тока устройства защиты, или будет близок к нему (переходное сопротивление повреждЄнного супрессора, сопротивление согласующих элементов, сопротивление проводников защищаемой линии и других компонентов цепи). ¬ этом случае протекающий через повреждЄнный супрессор ток приведЄт к его разогреву, вплоть до возникновени€ пожароопасной ситуации. ¬ отличие от ”«»ѕ дл€ силовых цепей, в ”«»ѕ дл€ информационных линий нет терморасцепителей (в т.ч. в ”«»ѕ серии DTNVR */**/5 на базе варисторов), которые могли бы отключить повреждЄнное устройство от линии, и нет индикаторов и дистанционной сигнализации об их неисправном состо€нии. ѕоэтому повреждЄнный ”«»ѕ может быть вы€влен только тогда, когда защищаема€ лини€ будет отключена вследствие обрыва или короткого замыкани€.

3.2 ќграничени€ по сопровождающим токам св€заны с особенностью работы газонаполненного разр€дника, включЄнного в первую ступень защиты ”«»ѕ дл€ информационных линий. ѕринцип работы разр€дников основан на электрическом пробое зазора (искрового промежутка) между электродами при превышении амплитуды напр€жени€ выше определЄнного уровн€ (статическое напр€жение пробо€).

ƒинамика работы однозазорного газонаполненного разр€дника при воздействии импульса перенапр€жени€ в защищаемой линии с большим сопровождающим током при срабатывании токовой защиты цепи показана на рис. 4.

TN029_4

–исунок 4 Ч ƒиаграмма работы газонаполненного разр€дника в защищаемой линии

јмплитуда, котора€ достигаетс€ волной перенапр€жени€ на момент срабатывани€ разр€дника Ч это его динамическое напр€жение пробо€, и зависит оно в том числе и от скорости нарастани€ фронта импульса. ѕри достижении динамического напр€жени€ пробо€ в разр€днике происходит ионизаци€ инертного газа и начинает протекать ток. ѕри дальнейшем росте тока в разр€днике вспыхивает электрическа€ дуга, и устройство переходит в режим, близкий к режиму короткого замыкани€. Ќа разр€днике при этом остаЄтс€ напр€жение горени€ электрической дуги (дл€ разр€дников, примен€емых в ”«»ѕ информационных линий пор€дка 10-35 ¬), которое уже не зависит от величины проход€щего импульсного тока. —опровождающий ток, текущий в этот момент через разр€дник вместе с импульсным током, создаЄт режим близкий к режиму короткого замыкани€ (рис. 5).

TN029_5

–исунок 5 Ч ѕрохождение тока к.з. через поврежденный супрессор (VD3) и сопровождающего тока через разр€дник

ѕо окончании импульса гашение дуги в разр€днике происходит, когда амплитуда напр€жени€ на разр€днике уменьшитс€ до уровн€ погасани€ дуги (причЄм это напр€жение может оказатьс€ меньше напр€жени€ в защищаемой линии) и сопровождающий ток уменьшитс€ до значени€, который разр€дник может отключить самосто€тельно (номинальна€ отключающа€ способность сопровождающего тока).

ѕроцесс гашени€ дуги сильно зависит от зазора между электродами и от рода тока в защищаемой линии. √ашение дуги разр€дника при переменном токе обеспечиваетс€ в том числе и его формой (синусоидой) в тот момент, когда амплитуды напр€жени€ и сопровождающего тока переход€т уровень погасани€ дуги. ѕри посто€нном токе, когда такого перехода нет, гашени€ дуги может не произойти. ѕоэтому отключающа€ способность сопровождающего посто€нного тока разр€дника меньше, по сравнению с сопровождающим переменным током.
“аким образом, дл€ разр€дников, в т.ч. газонаполненных, ограничени€ по отключающей способности сопровождающего тока завис€т от рода тока в цепи (посто€нный, посто€нный с переменной составл€ющей, переменный), от приложенного к ним напр€жени€ и от конструкции разр€дника.

ƒл€ газонаполненных разр€дников отключающа€ способность сопровождающего тока ограничена и зависит от приложенного к ним напр€жени€. –екомендуемые ограничени€ по сопровождающим токам, применительно к ”«»ѕ дл€ информационных линий, приведены в “аблице 1.

Tabl2

“о есть можно сказать, что во вторичных цеп€х питани€ и цеп€х управлени€ с большими рабочими токами (например, управление приводами), особенно в цеп€х посто€нного тока, после срабатывани€ ”«»ѕ сопровождающий ток может превысить отключающую способность разр€дника. ¬ этом случае должна сработать токова€ защита цепи, и тут, в зависимости от еЄ схемы, возможны разные последстви€.
≈сли источник имеет встроенную автоматическую токовую защиту от перегрузки, сопровождающий ток вызывает срабатывание этой защиты и отключение источника. ѕосле чего происходит автоматическое восстановление работы цепи.

≈сли источник не имеет встроенной автоматической токовой защиты от перегрузки и короткого замыкани€, тогда сопровождающий ток вызовет отключение внешнего аппарата защиты от сверхтока (автоматические выключатели, предохранители, дифференциальные выключатели). ¬озможна ситуаци€, когда сопровождающий ток не достигнет порога срабатывани€ токовой защиты. ¬ этом случае он будет протекать до теплового разрушени€ разр€дника с опасностью его возгорани€.

ѕри применении в качестве аппарата защиты от сверхтока автоматического выключател€, в силу его инерционности, тепловое разрушение разр€дника может произойти раньше, чем сработает автоматический выключатель. ѕоэтому в данном случае в качестве аппаратов защиты от сверхтока предпочтительней применение предохранителей. ќднако, т.к. номинал предохранител€ в данной цепи при применении ”«»ѕ дл€ информационных линий не может быть большим (не более 3 ј), это может привести к тому, что предохранитель будет перегорать каждый раз во врем€ прохождени€ через него сопровождающего тока при срабатывании разр€дника в ”«»ѕ, и защищаемое оборудование будет отключатьс€.

Ќеобходимо так же учесть, что при каждом срабатывании ”«»ѕ в результате прохождени€ импульса тока, даже если разр€дник отключил сопровождающий ток или сработала встроенна€ автоматическа€ защита блока питани€ от перегрузки и короткого замыкани€ с последующим быстрым восстановлением работы защищаемой цепи, создаютс€ нарушени€ в качестве передаваемого/принимаемого сигнала или электропитани€. Ќа диаграмме 4 это момент между динамическим пробоем разр€дника и восстановлением работы цепи после короткого замыкани€. ’от€ длительность этого процесса может быть невелика Ч микросекунды или доли секунд в зависимости от скорости восстановлени€ работы источника Ц к примеру, в цеп€х электропитани€ это может вызвать нарушение работы защищаемого оборудовани€ (возможен его уход в перезагрузку), что в итоге сказываетс€ на его работоспособности и функционировании системы в целом (например, охранные системы).

≈сли токова€ защита после срабатывани€ не восстанавливаетс€ автоматически, перерыв в работе оборудовани€ может быть значительным. ќсобенно критично это может быть на удалЄнных объектах, где нет обслуживающего персонала.

4 –екомендации

4.1 ”читыва€ свойства и особенности ”«»ѕ дл€ информационных линий с газонаполненным разр€дником, они примен€ютс€ дл€ защиты цепей, где сопровождающих токов нет или они незначительны (“абл. 1) Ц линии св€зи, измерени€, контрол€, цифровые интерфейсы и т. п. ѕодобные ”«»ѕ дл€ информационных линий с номинальными токами и напр€жени€ми, превышающими эти значени€ (IL = 1; 1,5 и 3 ј), можно примен€ть в цеп€х с большими сопровождающими токами в том случае, когда источники питани€ (особенно посто€нного тока!) имеют автоматическую защиту от перегрузки и короткого замыкани€, с последующим автоматическим восстановлением его работы, а также в цеп€х, где нарушени€ качества сигнала или электропитани€ при срабатывании ”«»ѕ не критичны. ѕричЄм, во избежание аварийных режимов работы ”«»ѕ рекомендуетс€, чтобы номинальный ток источника питани€ цепи не превышал номинальный ток ”«»ѕ, или был максимально близким к нему.

4.2 ƒл€ ”«»ѕ серии DTNVR */**/5 на базе варисторов нет ограничений по сопровождающим токам. Ќо в силу ограниченности этих ”«»ѕ отводить токовые импульсы (2 Ц 8 кј 8/20 мкс), дл€ их применени€ может понадобитьс€ анализ электромагнитной обстановки на защищаемом объекте. ƒанные ”«»ѕ можно примен€ть только дл€ защиты цепей, где нет внешних линий, т.е. приход€щих на объект извне, которые могут подвергатьс€ грозовым воздействи€м, или если в цепи не ожидаетс€ коммутационных или наведЄнных (индуцированных) перенапр€жений, которые превыс€т стойкость ”«»ѕ. »сточником таких перенапр€жений могут быть р€дом проход€щие силовые линии или оборудование с большими токами (пусковые, рабочие или токи к.з.).

4.3 ¬ остальных случа€х дл€ защиты цепей с большими сопровождающими токами рекомендуетс€ примен€ть ”«»ѕ силовых цепей класса испытаний II на основе варисторов. ”«»ѕ при этом подключаетс€ на вводе в объект (здание, блок-бокс, шкаф и т.п.) внешней линии.

ƒл€ двухпроводной цепи рекомендуетс€ ”«»ѕ серии √—¬2-*/40 2+0 (—) (рис. 6). ”«»ѕ данной серии можно подобрать по номинальному напр€жению цепи.

TN029_6

–исунок 6 Ч —хема защиты на основе √—¬2-60/40 2+0 (—) дл€ цепи (24 ¬ DC) с большим сопровождающим током

ƒл€ изолированных цепей, где недопустимы утечки на землю или есть контроль изол€ции, рекомендуетс€ применить “-образную схему защиты дл€ изолированных цепей, собранную на основе ”«»ѕ серии √—¬2-*/40 2+0 (—) и √—√2-230/20 (—) (рис. 7).

TN029_7

–исунок 7 Ч “-образна€ схема защиты изолированной цепи 24 ¬ DC с большим сопровождающим током на основе √—¬2-60/40 2+0 (—) и √—√2-230/20 (—)

”«»ѕ серии √—¬2-*/40 2+0 (—) так же подбираетс€ по номинальному напр€жению цепи.

4.4 “ак как ”«»ѕ класса II устанавливаетс€ при вводе в объект внешней линии, возможна ситуаци€, когда защищаемое оборудование находитс€ на удалении более 10 м от этого места (по длине проводников). ¬ этом случае защищаемое оборудование оказываетс€ вне зоны защитного рассто€ни€ ”«»ѕ и на него могут воздействовать колебани€ или блуждающие волны, вызванные разр€дными импульсами (остаточное напр€жение ”«»ѕ на вводе или источники помех на самом объекте), а также индуктивностью проводников и Ємкостью самого защищаемого оборудовани€ (√ќ—“ – ћЁ  61643-12-2011). јмплитуда этих волн может оказатьс€ опасной дл€ чувствительного оборудовани€. ѕоэтому может понадобитс€ дополнительна€ ступень защиты Ц ”«»ѕ класса III серии √—ƒ3-*/IT, включаемый к клеммам защищаемого оборудовани€ или в непосредственной близости от него (рис. 8).

TN029_8

–исунок 8 Ч ƒвухступенчата€ схема защиты

Ќоминальное напр€жение √—ƒ3-*/IT при этом должно соответствовать номинальному напр€жению ”«»ѕ первой ступени защиты (на вводе в объект).
 огда цепь не имеет внешних линий, т.е. все участки цепи наход€тс€ внутри объекта (внутренние линии), то при прот€жЄнных внутренних лини€х (дес€тки метров), и/или когда внутри объекта есть источники импульсных перенапр€жений (силовые линии, коммутационные процессы силового оборудовани€), дл€ чувствительного оборудовани€ может понадобитьс€ защита. ƒл€ этих целей рекомендуетс€ ”«»ѕ класса III серии √—ƒ3-*/IT, включаемое непосредственно возле защищаемого оборудовани€ или к его клеммам (рис. 9).

TN029_9

–исунок 9 Ч «ащита чувствительного оборудовани€ с помощью ”«»ѕ класса III серии √—ƒ3-*/IT

Ќоминальное напр€жение √—ƒ3-*/IT при этом должно соответствовать номинальному напр€жению линии (в диапазоне от 24 до 230 ¬).

Ћитература:

1. √ќ—“ IEC 61643-21-2014 ”стройства защиты от перенапр€жений низковольтные. „асть 21. ”стройства защиты от перенапр€жений, подсоединЄнные к телекоммуникационным и сигнализационным сет€м. “ребовани€ к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний.
2. √ќ—“ – 53539-2009. ”стойчивость коммутационного оборудовани€ электросв€зи к перенапр€жени€м и сверхтокам. ќбщие технические требовани€.
3. –екомендаци€ ћ—Ё-“ (ITU-T) K.12. ’арактеристики газоразр€дных трубок, предназначенных дл€ защиты установок электросв€зи.
4. “ехнические материалы јќ Ђ’акельї.

  • ƒата публикации: 01.03.2024
  • 402
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150