|
|
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:
|