Газоразрядники принцип действия - Electrik-Ufa.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Газоразрядники принцип действия

Газовые разрядники на защите от импульсных перенапряжений

Газоразрядники или разрядники для защиты от перенапряжений с газовым наполнением обозначаются термином GDT (Gas Discharge Tube). По количеству электродов они разделяются на две группы: двухэлектродные и трёхэлектродные.

рис. а). двухэлектродный и б). трёхэлектродный ионные разрядники с газовым наполнением (условное обозначение по международным стандартам)

При срабатывании элемента защиты происходит закорачивание входа устройства и стекание тока перегрузки на землю. Принцип работы газоразрядника можно сравнить с электронным ключом, срабатывающий при возникновении разности потенциалов между его электродами выше заданного значения. Широко используются разрядники для защиты от перенапряжений электронных цепей, когда некритичны такие показатели как скорость срабатывания и точность значений напряжения. Любой разрядник должен иметь собственное заземление, иначе использование их будет бесполезным.

При эксплуатации электронного спутникового оборудования (или любого другого радиотехнического) периодически могут возникать перегрузки по току и напряжению, изначальная природа которых обусловлена влияниями внешних электромагнитных импульсов. Они могут быть в виде электромагнитных сигналов, идущих от мощных радаров, электростатические разряды, мощного грозового разряда и др. (естественного и искусственного происхождения). Большие перегрузки могут исходить от неисправной цепи электропитания какого-либо оборудования.

Конструкция элемента газоразрядника представляет собой керамическую ёмкость (трубку или в виде “таблетки”), заполненная инертным газом, закрытая с двух сторон металлическими электродами. Обычно разрядник трудно заметить в электронной цепи защищаемого устройства. При его срабатывании происходит короткое замыкание электродов и ток перегрузки уходит на землю. Не просто так его сравнивают с электронным ключом , который срабатывает при превышении заданных значений разности потенциалов между его электродами. Это приводит к увеличению кинетической энергии свободных электронов, образованию новых ионов и электронов, – ток между электродами начинает расти и разрядник переходит в режим “тлеющего разряда” (на несколько микросекунд). Если напряжение будет дальше возрастать, то начнётся лавинное размножение электронов, вызывая при этом газовый разряд. В зависимости от конструкции разрядника длительность пробоя продолжается десятки наносекунд (причём ток возрастает скачками), а разность потенциалов между электродами падает. Для разных типов газовых разрядников значение напряжения разряда будет примерно равным 10В-80В (от тока практически зависеть не будет). При возникновении импульса перенапряжения разрядник закорачивается и импульс уходит на землю, тем самым защищая оборудование от вывода из строя. Для отвода разряда молнии от антенны устанавливают молниеотводы с контуром заземления, который берёт весь разряд на себя и отводит в землю.

Рис. Схема подключения двухэлектродного газоразрядника в цепь между спутниковой антенной и ВЧ оборудованием (ресивер)

После режима пробоя значение напряжения на электродах уменьшается до начального уровня и процесс идёт в обратном направлении. При длительном влиянии перегрузок (примерно 1-10 секунд) внутри разрядника начинается горение электрической дуги, из-за чего он может выгореть и дальнейшее его использование будет невозможным (разрядник требуется заменить). Этого можно избежать с помощью дополнительной механической термозащиты.

рис. Трёхэлектродные газоразрядники с термозащитой в виде металлической пластины (скобы)

Конструкция термозащиты представляет собой специальный металлический зажим (или скобу), который крепится к корпусу разрядника легкоплавким припоем. После нагрева и достижения определённой температуры происходит закорачивание между собой электродов металлическим зажимом. Далее срабатывают остальные защитные элементы схемы.

Широкое применение помимо двухэлектродных получили и разрядники, имеющие три электрода (трёхэлектродные), корпус которых состоит из двух объединённых между собой двухэлектродных разрядников с одним общим электродом. Такая конструкция способна обеспечить контроль симметричных цепей одновременно, при этом исключая перекос фаз и снижая перепад значений напряжений между линиями до безопасного уровня.

Газоразрядники (GDT): основные параметры и характеристики

Газоразрядники характеризуются статическим напряжением срабатывания (этот параметр обычно указывается в технической документации), номинальное DCBD, Vdcbd – возникает зажигание разрядника, вызванное напряжением постоянного тока.

Максимальное динамическое напряжение срабатывания (Vimpuls, Mis) – импульсное напряжение достигает максимального пикового значения и происходит пробой разрядника (в пределах значений 100В/мкс и 1кВ/мкс – крутизна фронта нарастающих линейных импульсов напряжения).

Минимальное гарантированное статическое напряжение срабатывания (MDCS, Vmdcs) – минимальное значение статического напряжения, при котором разрядник срабатывает на протяжении всего срока эксплуатации.

Напряжение горения дуги (AV, Varc) – напряжение, возникающее между электродами разрядника, в режиме прохождения через него тока пробоя.

Максимальное значение импульса тока разряда (MSR, limpulse) – кратковременное предельное значение импульсного тока. После воздействия этого тока газоразрядный элемент останется в исправном (рабочем) состоянии (указывается значение тока при тесте с отношением времени нарастания ко времени спада 8/20мкс, 10/350мкс).

Номинальный импульсный ток разряда (IDC) – ток, проходящий через разрядник в режиме пробоя (при этом воздействие этого тока газоразрядник может выдерживать многократно в соответствии с техническими характеристиками).

Максимальный переменный ток разряда (ADS, lac) – ток переменный, проходящий через разрядный элемент и воздействие которого разрядник может многократно выдерживать (в соответствии с техническими характеристиками).

Время пробоя разрядника (ARTT) – это промежуток времени, за который между электродами изменяется значение напряжения от максимального динамического до напряжения горения дуги.

Ток в режиме тлеющего разряда (GATC) –значение тока во временном промежутке зажигания и пробоя.

Время срабатывания газоразрядника (PVST) – временной интервал от точки начала зажигания до точки начала пробоя.

Эксплуатационный ресурс газоразрядника (SL) – это количество срабатываний газоразрядного элемента и значений импульсного тока, проходящего через него, после которых не гарантируется выдача рабочих характеристик (указываются в тех. документации).

Конструкция трёхэлектродного газового разрядника с термической защитой (термопредохранителем).

рис. Газовый трёхэлектродный разрядник с защитой (термопредохранителем)

Термопредохранитель является дополнением к газоразряднику и выполнен в виде металической пластинки (скобы), которая при перегреве деформируется и замыкает общий вывод и выводы L (L1, L2) между собой, при этом ток начинает проходить вне газового промежутка.

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) газоразрядника можно представить в виде нескольких уровней рабочих участков.

рис. ВАХ газоразрядника

Участок низких напряжений (1). Если возникнет хотя бы незначительное напряжение между общим выводом электрода и одним из выводов L(L1 или L2), то из-за сверхнизкой электропроводимости инертного газа ток через газоразрядник не потечёт. После того, как достигнется напряжение срабатывания значение тока начнёт расти.

Возникновение тлеющего разряда (2). Происходит ионизация молекул газа после достижения напряжения срабатывания (лавинообразно возрастает число носителей заряда). Незначительный ток начинает протекать через промежуток, заполненный газом (при этом напряжение падает до уровня значения напряжения тлеющего разряда).

Тлеющий разряд (3). Дальнейшее увеличение тока приводит к незначительному увеличению напряжения между электродами.

Возникновение электрической дуги (4). Если мощность, поступаемая от внешнего источника достаточно большая, то при возрастании тока сверх предела энергия поля станет достаточной для преодоления заряженными частицами пути от электродов L (L1 и L2) к общему электроду без потери энергии. Значение напряжения резко уменьшается и возникает электрическая дуга – устойчивый проводящий канал.

Дальнейшее возрастание тока (5) происходит без роста значения напряжения.

Разрядники

Разрядник – это пассивное электрическое устройство, у которого при определенном значении приложенного напряжения пробивается искровой промежуток и ограничивает перенапряжения в установке.

1. Разрядник, его назначение, принцип действия

Разрядники представляют собой защитные аппараты. Они предназначены для защиты изоляции электрооборудования от перенапряжений.
Разрядник состоит из двух электродов и дугогасительного устройства.

Один из электродов закрепляют на защищаемой цепи, второй электрод заземляют. Пространство между этими двумя электродами называется искровым промежутком. При определенном значении напряжения между электродами искровой промежуток пробивается и снимает перенапряжение с защищаемого участка цепи.

После пробоя импульсом искровой промежуток становится достаточно ионизированным, чтобы фазные напряжения нормального режима могли пробиться, в связи с этим возникает короткое замыкание. Задача дугогасительного устройства — в наиболее короткие сроки устранить это до того, как сработают устройства защиты.

Принцип действия разрядников. В конструкции разрядников предусмотрен воздушный зазор в перемычке, который соединяет фазы линии электропередач и заземляющий контур. При номинальной величине напряжения цепь в перемычке разорвана. В случае грозового разряда в результате перенапряжения в ЛЭП происходит пробой воздушного зазора, происходит замыкание цепи между фазой и землей и импульс высокого напряжения напрямую уходит в землю.

2. Типы разрядников

Различают такие типы разрядников:

  • Воздушный
  • Газовый
  • Вентильный
  • Магнитовентильный
Читайте также:  Вентиляция выставочного зала нормы

3. Воздушный разрядник закрытого и открытого типа (трубчатый разрядник)

Имеет вид полихлорвиниловой трубки, которая предназначена для гашения дуги. На каждом конце разрядника имеется по одному электроду (рис.1). К одному электроду подведено заземление, а другой установлен на незначительном расстоянии от защищаемого участка.

Рисунок 1 – Структурная схема воздушного разрядника

4. Газовый разрядник

Газовые разрядники представляют собой компоненты, заполненные инертным газом (рис.2). Корпус разрядника изготовлен в виде керамической трубки, концы которой закрыты металлическими пластинами и выступают в роли электродов.

Рисунок 2 – Структурная схема газового разрядника

5 Вентильный разрядник

Состоит из двух основных частей: многократный искровой промежуток и рабочий резистор, состоящий из последовательно набранных вилитовых дисков (рис.3). Оба этих основных элемента соединены между собой последовательно.

Рисунок 3 – Структурная схема вентильного разрядника

6. Магнитовентильный разрядник (рвмг)

В состав магнитовентильного разрядника входят несколько блоков, соединенных последовательно (рис.4). В каждом блоке имеются единичные искровые промежутки, которые последовательно соединены, а также постоянные магниты. Все элементы блока размещаются в цилиндре из фарфора.

Рисунок 4 – Структурная схема магнитовентильного разрядника

7. Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН)

В этом разряднике отсутствуют искровые промежутки(рис.5). Конструкция активной части ограничителя включает в себя последовательный набор варисторов.

Рисунок 5 – Структурная схема ограничителя перенапряжений

8. Выбор разрядников

Основные параметры разрядников: класс пропускной способности, наиболее длительное допустимое рабочее напряжение, уровни остающихся напряжений при коммутационных и грозовых импульсах, номинальное напряжение, величина тока срабатывания противовзрывного устройства, номинальный разрядный ток, длина пути утечки внешней изоляции.

Выбор разрядников производится исходя из назначения, конструктивного исполнения, требуемого уровня ограничения перенапряжений, схемы сети и ее параметров.

9. Технические характеристики разрядников

Выделяют такие основные технические характеристики разрядников:

  • Класс напряжения цепи;
  • Наибольшее допустимое напряжение;
  • Пробивное напряжение при частоте 50 Гц в сухом состоянии и под дождем;
  • Импульсное пробивное напряжение при предразрядном времени от 2 до 20 мкс;
  • Остающееся напряжение при волне 8 мкс;
  • Ток утечки;
  • Токовая пропускная способность;
  • Длина пути утечки внешней изоляции;
  • Допустимое натяжение проводов;
  • Высота;
  • Масса ограничителя.

10. Обозначения разрядников

Таблица 1 – Обозначения разрядников на схемах

НаименованиеОбозначение
Разрядник. Общее обозначение.
Разрядник трубчатый
Разрядники вентильный и магнитовентильный
Разрядник шаровой
Разрядник роговой
Разрядник угольный
Разрядник электрохимический

11. Разрядники 6 КВ, 10 КВ, 35кВ, 110 кВ, 220 кВ

Основные характеристики разрядников 6-220 кВ приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 – Технические характеристики разрядников 6 кВ, 10 кВ

ПараметрЕдиница измеренияРВО-6 НРВО-10 Н
Класс напряжения сетикВ610
Наибольшее допустимое напряжениекВ7,512,7
Пробивное напряжение при частоте 50 Гц
в сухом состоянии и под дождём:
не менеекВ1626
не болеекВ1930,5
Импульсное пробивное напряжение при
предразрядном времени от 2 до 20 мкс, не более
кВ3248
Остающееся напряжение при волне 8 мкс, не более:
с амплитудой тока 3000АкВ2543
с амплитудой тока 5000АкВ2745
Ток утечки, не болеемкА66
Токовая пропускная способность:
20 импульсов тока волной 16/40 мкскА5,05,0
20 импульсов тока прямоугольной волной длительностью 2000 мксА7575
Длина пути утечки внешней изоляции, не менеесм1826
Допустимое натяжение проводов, не менееН300300
Высота, не болеемм294411
Масса, не болеекг3,14,2

Таблица 3 – Технические характеристики разрядников 35кВ, 110 кВ, 220 кВ

Из чего состоит разрядник?

Сейчас в наше время разрядники распространены повсеместно. Поэтому вопросы о разрядниках стали актуальными. Но на большинстве сайтов информация очень сложная и непонятная. Эта статья очень проста в понимании. Из неё вы узнаете: что такое разрядник, принцип работы, устройство и виды разрядников.

В современной электронике довольно часто возникают сильные всплески напряжения. Перенапряжения могут сильно повлиять на электрические устройства, работающие при нормальных условиях, даже если они кратковременны. Причиной этого может стать плохая коммутация электрических цепей, слабая изоляция, резонансные помехи. Причины бывают, как и внутренние, так и внешние. Атмосферные разряды гроз могут стать внешней причиной перенапряжения.

Для предохранения от перенапряжения раньше применялись только громоотводы. Сейчас с высоким развитием современной электроники стали применяться такие замечательные устройства, как разрядники.

Содержание статьи:

Что такое разрядник?

Разрядник- это устройство, которое защищает современную электронику от высоких скачков напряжения.

С высоким развитием промышленности удалось сделать разрядники экономичными и эффективными для использования в своих целях. Сейчас в наше время использование надежной изоляции весьма дорого и неэффективно, удобнее всего, конечно же, использовать разрядники.

В узком смысле разрядники являются защитными элементами электрических цепей, без которых часто бы портились электрические приборы, изоляция ЛЭП кабелей или проводов.

Из чего состоит разрядник?

Разрядник состоит из двух основных частей: электродов и дугогасительного устройства.

Устройство разрядника в зависимости от его вида бывает разным.

Разрядник имеет прочный герметичный корпус, который предохраняет его от внешних механических повреждений. Промежуток между электродами называется искровым промежутком. Один из электродов присоединяется к защищаемому элементу электрической цепи, а другой обязательно заземляется. Без заземления разрядник бесполезен.

Важно то, что дугогасительное устройство несёт большее значение в работе разрядника, в ином случае разрядник не сможет предотвратить от фазного пробоя. Фазный пробой повлечет за собой короткое замыкание (КЗ).

На рисунке 2 показано устройство трубчатого разрядника. Он имеет прочный корпус 1, который способен выдержать большую температуру. Фланец 3, к нему присоединяется защищаемый участок электрической цепи, сам фланец является электродом разрядника. Электрод 2 подключается к заземлению. Он бывает двух видов: с регулировкой и без неё. Первый может менять размер искрового промежутка, тем самым изменяет величину пробивного напряжения.

Рис 2. Устройство трубчатого разрядника

Пробивное напряжение – это одна из главных характеристик разрядника, которая показывает напряжение, при котором в разряднике, между его электродами возникает искры, то есть разрядник пробивается. Полярность подключение к электродам 2 и 3 не имеет существенной разницы, если это разрядник переменной сети.

Дугогасительное устройство в данном случае представляет из себя корпус, который выделяет газ. Современные методы производства позволяют создавать разрядники различных характеристик.

Принцип работы разрядника

Принцип работы разрядника довольно прост, как и его устройство. При возникновение перенапряжения на электродах разрядника значительно возрастает напряжение. Если это напряжение станет больше напряжение пробоя, которое прописано в характеристике устройства, то возникнет пробой.

Между электродами проскочит искра. При этом снизится напряжение на его электродах, а в искровом промежутке ионизируется воздух. Разрядник станет пробиваться фазным напряжением и возникнет короткое замыкание.

Чтобы этого не произошло, в разряднике присутствует дугогасительное устройство. В зависимости от вида разрядника имеются различные виды дугогасительных устройств. Все разрядники подразделяются на несколько видов.

Ниже представлены основные виды разрядников.

Виды разрядников:

-Магнитовентильный разрядник (РВМГ);

-Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН);

-Трубчатые разрядники ( воздушный )

Трубчатый разрядник

Трубчатый разрядник представляет собой трубку из прочного материала. Сам материал – это различные полимеры. Самый распространённый из них – это полихлорвинил. Полихлорвинил способен вынести температуру, пригодную для данного типа разрядников.

В трубку помещены два электрода (рис 1.). Один присоединяется к защищаемому элементу, а другой заземляется. Принцип работы трубчатого разрядника довольно прост.

При напряжении пробоя образуется искра, которая ионизирует воздух. Воздух сильно нагревается, при этом идет массовое выделение газов.

Интенсивная газовая генерация гасит дугу фазного напряжения. Такое дугогасительное устройство называется продольным дутьём. Для выхода газов наружу, в разряднике имеется отверстие.

Газовый разрядник отличается от воздушного только тем, что его корпус наполняют инертным газом (аргоном или неоном). В отличие от воздушного разрядника, в газовом разряднике дугу, образованную фазным напряжением, гасят инертные газы.

В современной электронике трубчатые разрядники распространены повсеместно. Они просты по устройству и надежны. Пробивное напряжение воздушных разрядников невысокое, поэтому такие разрядники не применяются в более высоковольтной аппаратуре.

Более высокое пробивное напряжение у газовых разрядников. Они гораздо эффективнее, так как газы не вступают в реакции, тем самым продлевают жизнь электродам.

Вентильные разрядники

Вентильный разрядник состоит из набора многократно повторяющихся искровых промежутков и нелинейных сопротивлений.

Принцип работы вентильного разрядника немного другой, чем у трубчатых разрядников. Во время работы электроды искрового промежутка снимают перенапряжения, а нелинейные сопротивления(резисторы) гасят дугу фазного напряжения.

Резисторы состоят из набора вилитовых дисков. Вилит – это запеченная смесь карбида кальция с жидким стеклом. По сравнению с трубчатыми и газовыми разрядниками, вентильные разрядники имеют более высокое напряжение пробоя.

Рис 4. Вентильный разрядник

Магнитовентильный разрядник (РВМГ)

В отличие от устройства вентильного разрядника, в устройство магнитовентильного разрядника входит набор кольцевых магнитов.

Принцип работы магнитовентильного разрядника немного другой. При пробое фазным напряжением образуются дуга. Под воздействием магнитного поля магнитов дуга начинает вращаться, тем самым дуга гасится.

Рис 5. Магнитовентильный разрядник (РВМГ)

Ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН)

Ограничители перенапряжения нелинейные не имеют электродов. Они состоят из набора нелинейных полупроводниковых сопротивлений – варисторов.

Варистор – это полупроводниковый резистор, который меняет сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения. При возрастании напряжения, сопротивление варистора падает, поэтому он пропускает через себя электрический ток, тем самым снимая напряжение с защищаемого участка электрической цепи.

Варисторы в процессе работы очень сильно нагреваются, поэтому корпуса нелинейных ограничителей перенапряжения делают теплопроводными. Это позволяет отводить тепло.

Сама конструкция ОПН очень проста, поэтому это упрощает методы производства. Также у ОПН неплохие технические характеристики. Количество варисторов можно варьировать в зависимости от нужного пробивного напряжения нелинейного ограничителя перенапряжения.

Рис 6.Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН)

В заключение хочу скачать, что помимо высоковольтных разрядников, в современной электронике появились низковольтные разрядники.

Газоразрядники принцип действия

ЗАЩИТА КОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ: ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДНИКИ И САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ ПРЕДОХРАНТЕЛИ

Московский государственный институт электроники и математики (технический университет), Россия

Цель доклада ознакомить аудиторию с такими средствами защиты от перенапряжения как газовые разрядники и самовосстанавливающиеся предохранители, а также с правилами и тонкостями их применения. Иногда простые с виду вещи устроены совсем не просто, а их неправильная комбинация может только ухудшить качество изделия.

Данная тема важна, так как сегодня все, от простых людей до специалистов в области электронных изделий, сталкиваются со сбоями или выходами из строя аппаратуры, как бытовой, так и специальной. Еженедельно горящие в домах хабы и свитчи говорят о том, что производители коммуникационного оборудования до сих пор уделяют мало внимания защите своей продукции от внешних воздействий или просто пренебрегают ей. Это приводит к необходимости использовать дополнительные средства защиты, порой самодельные. В ином случае пользователи электронной техники могут потерять не только оборудование, но и дорогостоящую информацию. Моя работа нацелена помочь в правильной проектировке средств защиты и выборе компонентов. В докладе описываются причины возникновения перенапряжений, средства защиты и различия между ними, подробно рассмотрены газовые разрядники и самовосстанавливающиеся предохранители, способы координации разных ступеней защиты.

Проблема возникает из-за перенапряжений в цепях питания и передачи данных. Перенапряжение рассматривается как импульсные помехи со временем нарастания фронта менее единиц миллисекунд. Основными причинами перенапряжений и перегрузок являются:

молнии, возникающие при грозе (LEMP);

переходные процессы при переключении (SEMP);

электростатический разряд (ESD);

Грозовые разряды (молнии) несут в себе токи, достигающие 200 кА. При ударе молнии в атмосфере создаётся канал ионизированного воздуха, по которому происходит разряд. 90% энергии отводится внешними громоотводами, а 10% попадает в электрические цепи здания, что может повлиять на электрические приборы как прямым воздействием тока, так и через наведённые потенциалы. Моделируются импульсами 10/350 мкс, где 10 – время нарастания импульса до максимальной амплитуды, а 350 – время от начала волны до половины максимального значения при понижении амплитуды волны.

Переходные процессы при переключении встречаются в жизни намного чаще. Например, в обычной сети электропитания при переключении силовых приборов или короткого замыкания возникает очень быстрое изменение тока со временем нарастания фронта импульса менее единиц микросекунд. Это вызывает перенапряжения в виде высокочастотных колебаний или высоковольтных пиков напряжения.

Электростатический разряд возникает при освобождении заряда накопленного при трении. Заряд может достигать десятков тысяч вольт. Моделируется импульсами 8/20 мкс.

Неисправность оборудования может заключаться не только в коротком замыкании внутри прибора, но и, например, в замыкании телефонного кабеля на силовые линии питания вследствие аварии. В этом случае речь идёт не столько о защите аппаратуры сколько о безопасности человека.

Для подавления перенапряжения используются газовые разрядники, варисторы, тиристорные элементы, суппрессор-диоды, предохранители, фильтры. Идеального элемента не существует. Все они имеют свои преимущества и недостатки, применяются в определённых случаях. К примеру, у варистора большая ёмкость, порядка 1000пФ, и он не может использоваться в быстродействующих цепях. Суппрессор-диоды имеют маленькую ёмкость, но не могут выдержать большую мощность. Газоразрядники способны пропустить огромные токи, но имеют низкое быстродействие и не могут достаточно защитить аппаратуру. Поэтому наилучшую защиту даёт комбинация данных элементов.

Газовые разрядники состоят из трубки, заполненной смесью аргона и неона и имеющей два или три электрода из специального сплава. Всё это помещено в стеклянный или керамический корпус. Когда к такому устройству прикладывается высокое импульсное напряжение, в трубке возникает разряд. Напряжение пробоя зависит от состава и давления газа и расстояния между электродами. Через такое устройство может проходить ток до 100 кА. Ёмкость составляет порядка 2 пФ и не создаёт помех.

Рис.1. Внешний вид газового разрядника

Их недостатками являются продолжительное время реакции – до единиц микросекунд, что в десятки раз медленнее по сравнению с варисторами, и зависимость напряжения пробоя от скорости нарастания волны импульса. Импульсное напряжение пробоя превышает постоянное напряжение пробоя к концу времени ионизации газа. Например разрядник с номинальным постоянным напряжением 230 В при скорости нарастания импульса 100 В/с может иметь напряжение воспламенения около 500 В при 1000 В/мкс и 600 В при 10 000 В/мкс (рис.2).

Рис.2. Реакция газоразрядника с напряжением 230 В

В целом можно различать четыре рабочих состояния газового разрядника:


состояние покоя: большое сопротивление между электродами;

область тления: при достижении пробоя внутреннее сопротивление быстро падает, типовое потребление тока при этом составляет 0,5 А, напряжение тления между электродами составляет около 80-100 Вольт;

область световой дуги: с увеличением тока газовый разрядник переходит из области тления в режим световой дуги, типовое напряжение горения дуги составляет 20 Вольт, разряд тока через световую дугу может составлять около 100 кА без повышения напряжения горения дуги;

гашение: при падении напряжения ниже напряжения горения световая дуга гаснет, и разрядник возвращается в нормальное состояние.

В разных схемах газовый разрядник обозначается разными графическими символами. На самом деле, в основном, все обозначения прописаны в стандартах. Отличие заключается в уточнении вида разрядника, например общее обозначение разрядников, трубчатый разрядник, разрядник с газовым наполнением.

Рис.3 Пример включения газового разрядника в схему

Основные фирмы производители: Bourns, Citel, Littelfuse, EPCOS.

Самовосстанавливающиеся предохранители используются для защиты от перегрузки по току и в качестве координирующего элемента. Их преимущество перед обычными предохранителями в том, что они не требуют замены после срабатывания, которая иногда сопряжена с трудностями и требует вызова специалистов.

Рис.4. Внешний вид самовосстанавливающегося предохранителя

Изготавливаются они из проводящего пластика, отформованного в тонкий лист с напылением электродов с обеих плоскостей. Проводящий пластик — это особое вещество, состоящее из непроводящего электрический ток кристаллического полимера и распределенных в нем мельчайших частиц технического углерода, проводящих электрический ток. Электроды гарантируют равномерное распределение энергии по всей площади поверхности, к ним крепятся проволочные или лепестковые выводы. Особенностью, которая позволяет использовать этот материал, является то, что этот проводящий пластик проявляет высокий нелинейный положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), сильная крутизна графика зависимости сопротивления от температуры и практически скачкообразное изменение сопротивления из проводящего в непроводящее. До определенной, так называемой «переходной» температуры, сопротивление предохранителя практически не возрастает. При достижении «переходной» температуры сопротивление возрастает в логарифмической пропорции.

Рис.5. ТКС самовосстанавливающегося предохранителя

Принцип работы. При комнатной температуре материал имеет кристаллическую структуру. Проводящие частицы углерода расположены в нём по границам кристаллов достаточно плотно и близко друг к другу, образуя цепочки по которым может идти электрический ток. При возникновении аварийной ситуации через предохранитель начинает течь ток, превышающий номинальный, вследствие чего температура его материала начинает расти. Температура растёт пока не достигнет так называемой температуры «фазовой трансформации», при которой происходит изменение фазового состояния полимера из кристаллического в аморфное, сопровождаемое небольшим расширением. Проводящие частицы не сжатые кристаллами полимера движутся относительно друг друга и больше не могут проводить электрический ток. Предохранитель будет находиться в высокоомном состоянии до тех пор пока не будет устранена неисправность или снято напряжение. Это объясняется небольшим током утечки через предохранитель, достаточным для поддержания его в горячем состоянии.

Преимущества подобных самовосстанавливающихся предохранителей перед другими устройствами:

-многоразовое использование в отличие от плавких предохранителей;

-отсутствие участка с отрицательным ТКС, нечувствительность к броскам напряжения и отсутствие частотной зависимости в отличии от керамического позистора;

-сохранение высокоомного состояния до устранения неисправности в отличии от циклической работы биметаллических предохранителей.

Одно из важных применений самовосстанавливающегося предохранителя – связывание первичной и вторичной защиты воедино. Здесь он исполняет роль координирующего элемента (рис.6).

Рис.6. Самовосстанавливающийся предохранитель в качестве координационного элемента

При воздействии на систему защиты мощного грозового разряда за время порядка 1 мкс срабатывает вторичная защита ( SiBar ), через 5 мкс SiBar полностью откроется и ток, протекающий через предохранители, будет возрастать. Соответственно будет увеличиваться падение напряжения на них, что приведёт к «поджигу» разрядника и срабатывания уже первичной защиты. Если предохранителей не будет, то разрядник не сможет сработать из-за малого напряжения на его электродах, создаваемого вторичной защитой. При этом через вторичную защиту, имеющую маленькую мощность, потечёт ток много выше максимально допустимого значения и длительности, что приведёт к выходу из строя элемента вторичной защиты. При этом возможно как возгорание элемента, так и выход из строя защищаемого оборудования – защита окажется полностью неэффективной.

Основные фирмы производители: Bourns, Tyco Electronics Raychem.

Вывод: важно не только правильно подобрать элементы, но и правильно их сочетать друг с другом и соединять в цепочки, иначе эффективность защиты может быть сведена к нулю.

использованы материалы журнала «Компоненты и технологии» и материалы с интернет-ресурсов компаний производителей.

Высоковольтные разрядники: виды и назначение

В электрических сетях довольно часто наблюдается появление импульсных всплесков напряжения, вызванных различными причинами: коммутацией аппаратуры, атмосферными разрядами и прочими факторами. Несмотря на то, что такие перенапряжения носят кратковременный характер, они способны вызвать пробой изоляции с последующим коротким замыканием и разрушительными последствиями.

Одним из вариантов предотвращения негативных последствий могло бы стать использование более надежной изоляции, однако этот способ значительно увеличивает стоимость всего оборудования. Поэтому наиболее оптимальным вариантом стали разрядники, назначение которых зависит от области их применения. Основной функцией этих устройств является ограничение перенапряжений в электрических сетях и установках.

Общее устройство и принцип работы

Высокочастотное оборудование защищается не только молниеотводами, но и с помощью высоковольтных разрядников. Каждый из них состоит из двух основных частей – электродов и устройства для гашения дуги.

Один из электродов устанавливается на защищаемую цепь, а к другому подводится заземление. Между ними образуется пространство, известное как искровой промежуток. Когда напряжение достигает определенного значения, наступает пробой искрового промежутка между двумя электродами. За счет этого с защищаемого участка цепи снимается перенапряжение. Основным техническим требованием, предъявляемым к разряднику, является определенный уровень гарантированной электрической прочности в условиях промышленной частоты. То есть, при нормальном режиме работы сети разрядник не должен пробиваться.

После пробоя в действие вступает дугогасительное устройство. Под действием импульса повышается ионизация искрового промежутка, в результате чего пробивается фазное напряжение, действующее в нормальном режиме. Оно приводит к короткому замыканию и срабатыванию защитных устройств на этом участке. Основной задачей дугогасительного устройства как раз и является скорейшее устранение замыкания, до срабатывания средств защиты.

Широкое распространение получили конструкции газовых разрядников. В их состав входит коаксиальный элемент с незначительным разрядным промежутком, и патрон с выводом на землю. В промежутке между ними выполняется установка газоразрядного элемента в форме таблетки, заключенного в стеклянную или керамическую оболочку и оборудованного электродами с каждой стороны. Внутреннее пространство оболочки заполнено газом – аргоном или неоном.

В случае перенапряжения происходит срабатывание защиты: под действием высокой температуры в разряднике наступает резкое падение сопротивления. После этого образуется дуговой разряд с напряжением около 10 вольт. Каждый такой разрядник оборудуется собственным заземлением, в противном случае он будет бесполезен.

Во всех газовых разрядниках центральная жила коаксиального кабеля и первый электрод соединяются между собой. Второй электрод соединяется с заземленным корпусом разрядника. Когда через устройство проходит высокий импульс с большим напряжением, происходит пробой разрядника и центральная жила кабеля в течение короткого времени шунтируется на землю. Наблюдается существенное падение значения тока, до состояния гашения дуги, после чего наступает размыкание, то есть прибор находится в непроводящем режиме.

Как правило, газоразрядная трубка считается одноразовой деталью разрядника, требующая замены после каждого срабатывания.

Технические характеристики газовых разрядников

Каждый газовый разрядник обладает специфическими электрическими свойствами и техническими характеристиками.

  • Номинальный импульсный ток разряда. Технические требования, предъявляемые к разряднику, определяют его способность выдерживать определенное значение импульсного тока. Отклонение от нормы имеет допустимые пределы, определяемые требованиями. Номинальное значение тока всегда указано в технической спецификации конкретного устройства.
  • Емкость и сопротивление изоляции. Данные параметры достигают, соответственно, свыше 10 гОм и менее 1 пФ, что делает такие устройства буквально незаменимыми при использовании в той или иной сети.
  • Статическое напряжение срабатывания. Данным параметром определяется тип разрядника, установленного в защитном устройстве. Его значение равно напряжению, достаточному для зажигания разрядника, при условии медленного возрастания величины напряжения.
  • Динамическое напряжение срабатывания. Эта величина является своеобразным пределом, когда наступает быстрый рост напряжения, при котором происходит срабатывание газового разрядника.

Виды разрядников

Трубчатый разрядник. Изготовлен в виде полихлорвиниловой трубки, предназначенной для гашения дуги. На каждом конце разрядника имеется по одному электроду. К одному электроду подводится заземление, а другой устанавливается на незначительном расстоянии от защищаемого участка.

Регулировка этого расстояния осуществляется в зависимости от величины напряжения на участке. В случае возникновения перенапряжения, возникает пробой сразу в двух местах – между обоими электродами и между разрядником и защищаемым участком. Действие пробоя приводит к возникновению в трубке интенсивной газогенерации, а продольное дутье, образующееся в выхлопном отверстии, вполне способно погасить электрическую дугу.

Вентильный разрядник. Конструкция включает две основные части: многократный искровой промежуток, состоящий из нескольких однократных элементов и рабочий резистор, представляющий собой последовательно набранные вилитовые диски. Оба основных элемента последовательно соединены между собой. Рабочий резистор обеспечивается герметичной защитой от внешней среды, в связи со свойствами вилита изменять свои характеристики при повышенной влажности. При появлении перенапряжения возникает пробой многократного искрового промежутка.

Рабочий резистор выполняет задачу снижения тока до такой величины, чтобы ее могли свободно погасить искровые промежутки. Сопротивление вилита является нелинейным, оно снижается по мере увеличения силы тока. Данное свойство дает возможность пропускать больше тока при уменьшении падения напряжения. Основным достоинством разрядников этого типа считается бесшумное срабатывание при отсутствии выбросов газа или пламени.

Магнитовентильный разрядник. В его состав входят несколько блоков, соединенных последовательно, с магнитными искровыми промежутками и вилитовыми дисками. В каждом блоке имеются единичные искровые промежутки, соединенные последовательно, и постоянные магниты. Все элементы блока размещаются в фарфоровом цилиндре. Во время пробоя в единичных промежутках возникает дуга. На нее воздействует поле, создаваемое кольцевыми магнитами, заставляя вращаться с высокой скоростью. В результате, гашение дуги происходит гораздо быстрее, чем в других типах вентильных разрядников.

Ограничитель перенапряжения нелинейный. В этом разряднике отсутствуют искровые промежутки. Конструкция активной части ограничителя включает в себя последовательный набор варисторов. Именно на их свойствах основан принцип работы всего устройства, поскольку проводимость варисторов находится в зависимости от прилагаемого напряжения.

Читайте далее: Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector