Доклад

"Электромагнитная совместимость технических средств пожарной автоматики"


Устройство защиты пусковых элементов средств пожаротушения от грозовых импульсных помех УЗГП-1

     Устройство позволяет уменьшить энергию наведенных грозовых импульсных помех до значений, не позволяющих самопроизвольный запуск пусковых элементов (пиропатронов, нагревателей и т.п.).
      Коэффициент подавления энергии помехи, измеренный на устройстве защиты -не менее 6.
      Коэффициент подавления энергии помехи, измеренный на защищаемом устройстве (эквиваленте пиропатрона с сопротивлением около 20 Ом) -не менее 1000.
      Вносимое параллельное сопротивление в пусковую линию на холостом ходу (пиропатрон отключен) - не менее 200 мОм.
      Вносимое последовательное сопротивление в пусковую линию -не более 0,2 Ом.
      Испытания производились на специализированном стенде. Величина испытательной энергии на незащищенном устройстве составляла 11Дж, на устройстве защиты около 1,6Дж. Время воздействия импульса испытательного генератора - 20 мкс. Вторичный импульс в цепи защищаемого устройства по результатам замеров составлял около 400 мкс. Напряжение испытательного генератора на холостом ходу - 4000В.

Физика возникновения грозовых импульсов больших энергий в длинных линиях питания и передачи информации.

1.Характеристики импульсов воздействия.

     При грозовых разрядах в длинных линиях возникают импульсы больших энергий. Длительность таких импульсов может составлять от 1мкс до 700мкс и более. Величина напряжения - от сотен вольт до десятков киловольт. В результате длительных изучений различными лабораториями мира были получены усредненные параметры импульсов грозовых разрядов. На линиях электропередач и телефонии длиной, измеряемой километрами, возможны грозовые импульсы величиной до 20-25кВ с током до 10 кА. В более коротких линиях, измеряемых сотнями метров, могут быть наведены импульсы до 6 кВ с током до 3-х кА. В линиях, проходящих внутри зданий, могут наводиться импульсы с напряжением до 6 кВ и током до 500А. Усредненный разрядный импульс составляет по времени 8/20 мкс. Среднестатистический спектр излучения грозового разряда лежит в области частот 2-8 кГц.

2.Каналы попадания грозовой импульсной энергии в цепи питания и передачи данных.

     Основным каналом попадания импульсов в цепи питания и передачи информации является индуктивный канал. Этот канал образуется путем распространения магнитных и электрических силовых линий от проводящего ствола молнии.
      Другим каналом попадания могут являться емкостные связи между проводами, проходящими внутри здания, и шинами молниезащиты, проходящими параллельно этим проводам. Особенно опасен этот канал при прямом попадании молнии в защитные шины молниезащиты.
     Третьим каналом проникновения может быть земляной растекающийся потенциал. Он возникает в подземных кабелях при близком разряде молнии в поверхность земли. Основной причиной выхода аппаратуры из строя в этом случае является большая разность потенциалов на заземляющих шинах оборудования, установленного на значительном расстоянии друг от друга и от точки грозового разряда. При стремлении цепей оборудования уравновесить свои потенциалы по кабельным линиям и цепям входов/выходов могут протекать очень большие токи. Эти токи могут разрушить электронное или электрическое оборудование.

3.Цепи проникновения импульсов в электронное и электрическое оборудование.

     По каналам проникновения импульсы попадают в цепи проникновения и оттуда на элементы и внутренние структуры оборудования. Основных цепей проникновения -3.
     Первая цепь - это цепь питания 220В. Импульсы электромагнитной энергии попадают на входной трансформатор. Если перед входным трансформатором нет цепей защиты, специальных фильтров или сетевых кондиционеров, то помеха через трансформаторные и емкостные связи попадает на внутренние элементы аппаратуры.
      Вторая цепь - цепь питания постоянным током. Во многих случаях оборудование ОПС, теленаблюдения и телекоммуникаций питается от источников резервного питания, удаленного от оборудования на десятки и сотни метров. В этом случае, как уже было описано, в подобных цепях в грозу возникают импульсы больших энергий. Они без особых препятствий могут попадать на внутренние структуры аппаратуры.
     Третий путь проникновения - прямо по информационным путям оборудования. В аппаратуру ОПС и пожарной автоматики импульсы больших энергий попадают из шлейфовых и пусковых цепей. В шлейфовой цепи, как правило, установлен оконечный резистор. Многие монтажные организации ошибочно полагают, что шлейфовый резистор способен ограничить наведенный импульс, а в каких то случаях и спасти оборудование. В этом случае думают, что резистор сгорает и, как предохранитель разрывает шлейфовую цепь.
     На самом деле, в момент воздействия импульса, величиной от 2х кВ и выше, происходит лавинообразный пробой угольного слоя резистора с выходом из строя всего, что находится за резистором. Причем, этот процесс носит нелинейный характер, и после разрушения резистивной пленки ток, отнюдь не уменьшается, а увеличивается.
      При последующих воздействиях импульсов резистор ведет себя как газовый или воздушный разрядник с резким увеличением тока в момент разряда и никоим образом не защищает оборудование!
     Указанное заблуждение очень устойчиво и в него часто впадают даже специалисты крупных и известных российских фирм.

4.Способы защиты оборудования.

     Защитные элементы Основным способом защиты является применение специальных защитных устройств, которые ограничивают по амплитуде электрические импульсы помех и частично поглощают энергию этих импульсов. Основная часть энергии при подключении устройств защиты на обоих концах линии превращается в тепловую энергию, рассеивающуюся при импульсных всплесках на подводящих проводах.
     Простейшими устройствами защиты являются газовые и воздушные грозоразрядники, варисторы, специальные диоды TVS.
     К сожалению, применение этих устройств, как самостоятельных устройств защиты, в большинстве случаев не эффективно по нескольким причинам.
     Газовые грозоразрядники способны ограничивать напряжения величиной 10-30кВ до 20-30В. Токи, текущие через разрядник, могут достигать при этом до десяти килоАмпер. Но скорость срабатывания этих устройств невелика (от нескольких десятых до единиц микросекунд), что может привести к разрушению микроструктур защищаемых устройств.
     Металлооксидные варисторы гораздо быстрее ограничивают выбросы напряжения (единицы наносекунд), но, к сожалению, величина остаточного напряжения на них может в несколько раз превышать предельно допустимое. Это объясняется тем, что на варисторах остается зависимость величины напряжения от величины протекающего тока.
     TVS-диоды - самые быстрые элементы защиты (единицы наносекунд), но токи, которые могут протекать через них при срабатывании, невелики и составляют не более 200А.
     Таким образом, универсальных устройств защиты не бывает. Для хорошей защиты (токи единицы или десятки кА, скорость -единицы наносекунд) необходимо применять комбинацию вышеуказанных устройств.
     Необходимо также учитывать, что защитные элементы при прохождении через них значительных токов деградируют. Деградация разрядников приводит к увеличению их сопротивления при разряде, потому что разрушаются их электроды и специальные внутренние покрытия электродов. Поэтому с каждым разрядом разрядники теряют часть своих защитных способностей.
     Варисторы и TVS диоды деградируют с уменьшением своего внутреннего сопротивления и, в конце концов, замыкают защищаемую линию.
     Эти свойства также вынуждают применять каскадную защиту с элементами разных принципов действия

5. Заключение.

     В заключении хотелось бы предупредить, что при разработке и проектировании систем грозозащиты необходимо пользоваться специальным оборудованием (генераторами импульсов в соответствии с ГОСТами и НПБ) и оборудованием для наблюдения и измерения временных характеристик, а не полагаться только на интуицию и знания электротехники. Смею Вас заверить, что при коротких временах воздействиях высоковольтных импульсов все может происходить не так, как мы привыкли видеть и предполагать при работе с низкими напряжениями. А лучше обратитесь к специалистам с опытом работы в этом направлении.

С уважением,
Ефимов Владимир Дмитриевич.
Тел. (3512)-33-29-25, e-mail:

 

(с) astra-st group 2002 г.