Суха, мой друг, теория везде, а древо жизни пышно зеленеет ! И.В. Гете, Фауст ч.1, пер. И. Холодковского
О чем и зачем эта статья
При приемке ОТК и контроле исправности процессе эксплуатации устройств защиты от импульсных помех измеряют: статическое напряжение пробоя разрядников, классификационное напряжение пробоя варисторов, напряжение пробоя полупроводниковых элементов (защитных диодов, супрессоров). Эти функции реализованы в тестерах и приборах для проверки УЗИП.
В т.н. двуккаскадных схемах устройств защиты для оборудования связи и передачи данных в первом каскаде используются разрядники и во втором полупроводниковые элементы. Как измерять их параметры, нужно ли это делать, а если нужно, то когда – делюсь своим мнением. Для тех, кого тема УЗИП, и измерения их параметров интересна, в конце приведены ссылки на статьи и видео.
В тестерах УЗИП, применяемых для контроля параметров устройств защиты [1, 2], при приемке ОТК [3] и в процессе эксплуатации [4] реализованы функции измерения статического напряжения пробоя разрядников, классификационного напряжения варисторов и напряжения пробоя полупроводниковых элементов.
Для измерения этих параметров используется линейно возрастающее (со скоростью 100 – 1000 В/с) напряжение. Но в том случае, если возрастающее испытательное напряжение подается на параллельно подключенные разрядник и супрессор (или варистор, как вариант), то измерить параметры обеих элементов таким образом невозможно. Во второй части статьи дается ответ на вопрос – как это сделать, и нужно ли.
Как работает двухкаскадная схема
Сравним типовые схемы, используемые в устройствах защиты оборудования проводной связи, в которых реализована только защита от синфазных (продольных) и импульсных перенапряжений, т.е. провод-земля. В качестве элементов защиты используются газонаполненные разрядники, в схеме №2 – дополнительно к ним супрессоры. В каждый провод для защиты от сверхтоков включены полимерные позисторы (многократные предохранители). В схеме №2 позисторы также разделяют каскады, увеличивая (после срабатывания супрессоров) приложенное к разряднику сопротивление, ускоряя т.о. его срабатывание.
Схема №1 – однокаскадная. Статическое напряжение пробоя разрядника – 400 В, в каждый провод включены многократные предохранители (полимерные позисторы) с номинальным током 80 мА и сопротивлением порядка 20 Ом.
Схема №2 - двухкаскадная. Получается добавлением в схему №1 защитных диодов (супрессоров) с напряжением пробоя 510 В.
На рисунке ниже показаны наложенные друг на друга осциллограммы импульса формы 10/700 мкс в соответствии с рекомендациями [5], и срабатывания устройств защиты по схемам №1 и №2.
Осциллограммы
а) начало импульса формы 10/700 мкс, амплитуда примерно 1,5 кВ.
б) форма импульса на выходе схемы №1 (однокаскадной)
в) форма импульса на схеме №2 (двухкаскадной)
г) после срабатывания разрядника напряжение на выходе схем №1 и №2 одинаково (равняется напряжению между электродами при дуговом разряде, в данном случае порядка 20 В).
На шкале напряжений показаны значения;
1 – статическое напряжение пробоя разрядника (400 В)
2 - напряжения пробоя супрессора (510 В)
3 - напряжение пробоя разрядника при воздействии фронта импульса (900 В)
Два каскада защиты схемы №2 (разрядник и супрессор) должны быть правильно координированы:
- после срабатывания супрессора напряжение на разряднике превышает его статическое напряжение срабатывания;
- площадь под кривой срабатывания (т.е. энергия помехи) у двухкаскадной схемы должны быть меньше, чем у однокаскадной.
Как правильно координировать двухкаскадную схему
Для простоты рассмотрим схему защиты одного провода в трех вариантах:
- вариант 1 (разрядник и супрессор подключены параллельно);
- вариант 2 (разрядник и супрессор разделены активным сопротивлением – резистором или позистором);
- вариант 3 (разрядник и супрессор разделены дросселем - чтобы не рассматривать еще один вариант активным сопротивлением пренебрегаем).
Для параллельного включения (вариант 1) это достигается тем, что напряжение пробоя супрессора больше ( с некоторым запасом), чем статическое напряжение пробоя разрядника.
Для случаев, когда каскады разделены активным сопротивлением (вариант 2) или индуктивностью (вариант 2) в неравенство добавляются значения падения напряжения на резисторе и дросселе соответственно.
Для активного сопротивления значение тока выбирается исходя из параметров супрессора, при индуктивном сопротивлении учитывается скорость нарастания импульса.
Это не точный расчет, но дающий хорошие результаты на практике, как при испытаниях с использованием стандартных импульсов, так и при эксплуатации.
Например, в устройствах серии Commeng DIP-485 во втором каскаде используются супрессоры с напряжением пробоя меньшим, чем напряжение пробоя разрядников. Схема используется без изменений с 2003 года (тогда УЗИП назывались ExPro DI-485). Координация каскадов рассчитывалась для амплитуды импульса 1 кА и длине фронта 10 мкс. За все годы эксплуатации десятков тысяч устройств нам известен только один случай выхода из строя (пробоя супрессора), связанный с проведением сварочных работ на объекте. Каким образом происходило воздействие – неизвестно, но очевидно, что параметры помех далеки от использованных при расчете схемы (наводки от ударов молнии).
Долго не выкладывал написанную уже написанную часть статьи, потому что лень было писать вторую. Давайте так: если наберется хотя бы десяток лайков и пара комментариев от заинтересованных читателей, то напишу и выложу.
Список литературы
3. Моисеева В.Н. Применение приборов «Искра» в отделе технического контроля. Производство электроники: оборудование, технологии, материалы. №4, 2006 https://www.commeng.ru/upload/iblock/3c1/comm000016.pdf
4. Проверка УЗИП в процессе эксплуатации: чем, зачем, как и когда. «Первая миля», №№ 2, 5, 6 – 2024
5. Recommendation K.44 ITU-T. Resistibility tests for telecommunication equipment exposed to overvoltages and overcurrents.
ВИДЕО по теме
Применение устройства испытания (тестера) элементов и модулей защиты Commeng ISKRA в ОТК
Устройство испытания элементов и устройств защиты от импульсных перенапряжений Commeng ISKRA