Тема: Элементная база и схемы защиты аппаратуры связи и автоматики от перенапряжений

Разрядники используются в схемах защиты автоматики и связи ка первом и втором каскадах защиты.

Первый каскад защиты снижает перенапряжения до сотен и нескольких тысяч вольт.

Второй каскад защиты снижает перенапряжения до 80-150 В.

Разрядники

· газонаполненные стеклянные

· металлокерамические - новые разработки.

Полупроводниковые и нелинейные элементы защиты используются в качестве третьего и четвёртого каскада защиты, эти элементы снижают перенапряжения до десятков вольт, при этом используется их ВАХ. В качестве этих элементов применяют диодные ограничители, стабилитроны, динисторы и варисторы.

Рассмотрим их условно-графические изображения и ВАХ.

Диоды, стабилитроны, динисторы имеют несимметричную ВАХ, поэтому в схемах используется встречно-параллельное включение этих элементов. В отличие от этих элементов варисторы имеют симметричную ВАХ.

Так как ВАХ варистора симметричная, он может быть использован для защиты аппаратуры от импульсных перенапряжений разной полярности.

Варисторы изготавливаются из окиси кремния (марка СН-1) и из окиси цинка (СН-2). Их отличие – в разной величине тока утечки: СН-1 имеет больший ток утечки, чем СН-2. Большой ток утечки вызывает нагрев элементов и ухудшает работу схемы в целом, поэтому в настоящее время все схемы защиты строят на СН-2.

Заземлители (заземляющие устройства)

Разрядники первого и второго каскада защиты, как правило, соединяются с заземлителем. Через заземляющие устройства протекает ток, который выравнивает потенциалы линии и заземлителя. Напряжение на линии будет зависеть от тока по закону:

Эпюры напряжений в линии

1. Линия имеет заземлители

Перенапряжение наблюдаются по концам, то есть там, где включена аппаратура.

2. Линия не имеет заземлителя ни с одной стороны

3. Линия имеет заземлитель только с одной стороны

Этот вариант наиболее опасный: происходит несимметричное включение. U_max в два раза больше, чем U_max для изолированной по краям линии (вариант 1).

Приводит к резкому возрастанию напряжения – возможно при неодновременном срабатывании разрядников.

Классификация заземляющих устройств:

1. Рабочее

2. Защитное

3. Линейно-защитное

4. Измерительное

Рабочее заземляющее устройство служит для организации цепи, где в качестве одного из проводов используется земля

Пример: организация дистанционного питания аппаратуры связи по системе “провод-земля”.

Защитное заземляющее устройство подключается не к токоведущим частям аппаратуры и линии.

Пример: часто защитное заземление подключается к корпусу стоек, шкафов аппаратуры. Разрядники в этом случае своими электродами соединяются также с корпусом аппаратуры, а значит и с защитным заземляющим устройством.

Линейно-защитное заземление подключается к металлическим покровам кабеля, то есть к оболочке и броне кабеля. Устраивается на линейном участке. Основное назначение линейно-защитного заземления: 1) Увеличение защитного действия металлопокровов от электромагнитного влияния; 2) к линейно-защитному заземлению подключаются малогабаритные разрядники, использующиеся для защиты изоляции кабеля.

Измерительные заземлители служат для выполнения контрольных, проверочных, регламентных измерений сопротивлений заземления.

Для определения сопротивления заземления собирается трёхэлектродная схема. С помощью этих трёх электродов организуется тыловая и потенциальная цепи.

После проведения измерений сопротивление R_з сравнивается с нормой, но известно, что R_з зависит от удельного сопротивления земли (R_з®r_з); чем больше r_з, тем больше R_з.

Нормы приводят в зависимости от удельного сопротивления r_з:

rз, Ом·м	Rз не более, Ом
до 100
101…300
301…500
501…1000

Если величина R_з не укладывается в нормы, тогда устраивают контура заземлений, которые состоят из совокупности заземлителей.

Используются при наличии грунтов с однородным строением земли (r_з не изменяется).

При прохождении магистрали по неоднородным грунтам:

По исследованиям около 64% кабельных магистралей проходит по грунтам с неоднородным строением земли. В этом случае используются линейные заземлительные устройства. Эти устройства располагают в слое земли с меньшим удельным сопротивлением, для чего проводят измерения удельного сопротивления различных слоёв земли.

Если r₁< r₂.

Сокращение трудозатрат.

Схемы защиты аппаратуры связи и автоматики от перенапряжений

Разработка схем защиты зависит от следующих факторов:

1. Элементная база аппаратуры (реле, полупроводники, )

2. Вид передаваемой информации – аналоговая, цифровая, уплотнённые (неуплотнённые) цепи.

3. Разновидность линейного сооружения – воздушные линии, симметричный кабель, высокочастотный кабель, коаксиальная линия, волновод.
Схема защиты состоит из совокупности разрядников, плавких вставок (предохранитель), нелинейных сопротивлений, полупроводниковых элементов и заземлителей.

Рассмотрим пример схем защиты и принцип действия.

Схема защиты состоит из разрядника Р-35, сопротивления заземления, плавких вставок и линейного трансформатора.

Работа схемы: в связи с различным временем срабатывания Р-35 разрядных промежутков Р₁ и Р₂ вначале пробивается (срабатывает) один из них, например Р₁. Через Р₁ будет проходить ток, затем сработает Р₂.

Недостаток этой схемы–неодновременность срабатывания Р₁ Р₂ приводит к появлению опасных волн перенапряжения в двухпроводных цепях, которые трансформируются линейным трансформатором и поступают на вход аппаратуры. Эти волны будут вызывать импульсы перенапряжений. Для устранения этого недостатка применяют дренажные и запирающие катушки.

Дренажная катушка - устраняет неодновременность срабатывания

Запирающая катушка - препятствует проникновению в двухпроводную цепь мешающих напряжений.,

Лекция № 13

недостатки этой схемы:

· используется дренажная и запирающая катушки для защиты высокочастотной аппаратуры приводит к изменению ёмкостной и индуктивной составляющих нагрузок кабельной линии, особенно на ВЧ;

· применение одного газонаполненного разрядника Р35 приводит к значительному времени запаздывания срабатывания разрядника, а это сказывается при использовании в схемных решениях автоматики и связи полупроводников и, особенно, микросхем.

Из-за этих недостатков приведённая схема используется для аппаратуры, работающей в тональном диапазоне частот.

При использовании ВЧ аппаратуры автоматики и связи в состав схем защиты должны входить полупроводниковые элементы:

1. диодные ограничители,

2. стабилитроны,

3. динисторы,

4. варисторы.

Эти элементы имеют нелинейную ВАХ и повышенное быстродействие. В качестве примера приведём схему защиты усилителя ВЧ связи с помощью динистора (т.н. динисторная защита).

Данный фрагмент схемы защиты аппаратуры позволяет обеспечить защиту ВЧ усилителя от импульсных напряжений, возникающих в двухпроводных кабельных цепях за счёт наличия газонаполненного разрядника Р-4 и встречно-параллельного включения динисторов КН102А.

ВАХ динисторного блока

Защита от положительных и отрицательных волн перенапряжений.

Любая схема защиты должна иметь каскад, который бы защищал элементы аппаратуры от перенапряжений относительно земли.

Для этой цели используют вывод от средней точки линейного трансформатора служебной связи.

Разрядник Р-34, включается между средней точкой линейного трансформатора служебной связи и землёй. Данный разрядник одновременно защищает двухпроводную цепь, в которую включены ВЧ усилитель и аппаратуру служебной связи от перенапряжений.

В этой схеме имеются три каскада защиты:

1. Самый грубый: на разрядниках Р-34, для которого U_сраб=1500±100 В; срабатывает относительно корпуса или заземлителя. Все потенциалы обнуляются при срабатывании, все опасные токи стекают в заземлитель.

2. Выполнен на разряднике Р-4, Uсраб=100±20 В. Разрядник устраняет перенапряжение между проводами (“провод-провод”).

3. Чувствительный и быстродействующий – снижает перенапряжения до десятков вольт, в зависимости от типа используемых динисторов.

Такая схема может быть использована и применяется в эксплуатации в настоящее время для ограничения перенапряжений, возникающих в кабельных линиях при использовании аппаратуры ВЧ связи.

Недостаток схемы – ограниченная пропускная способность динисторов по току.

Сейчас ведутся разработки по замене динисторов на варисторы.

Защита кабельных магистралей от грозовых разрядов

При эксплуатации протяжённых кабельных магистралей от воздействия грозовых разрядов возникают следующие явления:

· пробой изоляции между жилами,

· пробой и термическое разрушение поясной изоляции,

· повреждение металлических покровов кабеля,

· мешающее воздействие на сигналы,

что требует использование дополнительных мероприятий для защиты не только аппаратуры, но и самой кабельной магистрали от токов грозы.

При защите кабеля от грозовых разрядов применяются два метода:

принцип перехвата,

принцип разветвления тока грозового разряда.

Ток грозы

среднее значение – Iср=30¼40 кА,

максимальное – Imax=220 кА.

Для этой цели прокладывается тросовая грозозащита

1. ПС-70 провод стальной, площадь сечения 70мм2

2. реже используется БСМ биметалл-сталь-медь

3. ещё реже БСА – биметалл-сталь-алюминий.

Прокладка троса зависит от местности:

1) на открытой местности – трос над магистралью

2) в лесистой местности – прорубается просека, трос укладывают “треугольником”

в непосредственной близости от рельсов – дополнительная грозовая защита не используется и трос не прокладывается, поскольку рельсы выполняют роль троса, если ширина сближения – a=20¼25 метров.

Тросовая грозозащита обеспечивает защиту кабельной магистрали от прямых попаданий тока грозы. Существуют также индуктированные воздействия тока грозового разряда. В результате индуктированных напряжений появляются множественные пробои изоляции кабеля, которые хаотично расположены по длине усилительного участка. Для локализации очагов грозового повреждения используют малогабаритные разрядники, которые включаются в соединительные муфты с определённым шагом (2¼4 км).

Разрядник Р-76 – металлокерамичский Uсраб=2100±100 В: это напряжение выбрано с целью возможности проведения измерений параметров изоляции кабеля.

Разрядники будут защищать всю магистраль от повреждения – недопущение распространения.

Определение опасности коррозии кабельных магистралей и меры защиты

Коррозия – процесс разрушения металлических покровов кабеля в процессе химического, электрического и механического воздействия.

Виды коррозии:

· химическая,

· электрическая

· механическая.

Под действием всех этих видов коррозии кабель теряет герметичность, вследствие чего резко ухудшаются электрические параметры (затухание, волновое сопротивление, первичные параметры) и передача сигналов автоматики и связи по такой магистрали становится невозможной.

Установлено, что в течение года вследствие электрокоррозии один ампер тока уносит 12 кг стали, до 36 кг свинца и до 100 кг алюминия.

Для борьбы с коррозией нужно знать свойства коррозии и методы определения опасности коррозии. Для оценки опасности коррозии кабельной магистрали при эксплуатации снимают и строят потенциальные диаграммы – график изменения потенциалов металлопокровов кабеля относительно земли или относительно рельсовой цепи.

· Анодная зона – стекание тока: ток, стекая с металлопокровов, уносит с собой частицы металла возникает коррозия.

· Катодная зона – натекание тока: не наблюдается разрушения.

Зона наибольшей опасности – анодная зона.

Построение потенциальной диаграммы возможно только при наличии уже существующей кабельной магистрали.

На стадии проектирования – нужно оценивать опасность коррозии и предусматривать мероприятия по защите. Это делается путём измерения удельного сопротивления земли

посредством трёхэлектродного метода прибором ВЭЗ, измеряющий сопротивление земли в Омм.

Существуют графики интенсивности коррозии в зависимости от удельного сопротивления земли. На графике выделяют три зоны

зона - сильная интенсивность коррозии – обязательно требуются мероприятия по защите,

зона - средняя интенсивность коррозии – рассчитывают технико-экономические показатели и затраты; в зависимости от полученных результатов решают вопрос о необходимости проводить защиту – различные виды покрытий: полимеры, битум.

Этот метод определения опасности коррозии применяется на стадии предпроектных изысканий.

Существует метод определения опасности коррозии по количеству ионов водорода, находящихся в единице объёма. Этот показатель обозначается как pH.

кция № 14