Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №1

Weidmuller: система защиты от импульсных перенапряжений

Митрофанова Наталья


Немецкая фирма Weidmuller Interface (www.weidmueller.de) — мировой лидер по качеству и номенклатуре комплектующих элементов для автоматизации промышленных объектов и инсталляции зданий. Она хорошо известна как производитель клемм, коннекторов и электромонтажного инструмента высочайшего класса. Кроме того, одним из основных направлений деятельности фирмы является производство недорогих электронных модулей для защиты от импульсных перенапряжений.

Интерес к этой теме не случаен. Вместе с началом применения электричества на производстве и в жилых домах возникла проблема импульсных помех. Все мы видели искажения изображения на экране телевизора, когда соседи включают дрель, и встречались с таким бытовым понятием, как «вышибает пробки» во время грозы. Все это самые простые примеры воздействия кратковременных выбросов напряжения — импульсных помех. На современном автоматизированном предприятии рядом находятся силовые электрические машины, электрогенераторы, компьютеры, датчики, кабели с сигналами электропитания и шины передачи цифровых данных, каждый из которых производит свое электромагнитное поле, создающее наведенный заряд в соседних чувствительных электронных приборах и может вывести их из строя. Но самые разрушительные последствия может иметь удар молнии, наводящей кратковременный импульс огромной энергии в цепях электроразводки зданий. Решению проблемы было положено начало в 1989 году вместе с принятием международной Директивы по электромагнитной совместимости 89/336/EEC, наложившей ограничения на уровни излучения электромагнитных помех.

Защита от перенапряжений входит в концепцию электромагнитной совместимости, что было законодательно закреплено во многих странах. Это вызвало к жизни целую отрасль по производству устройств защиты от импульсных помех и грозозащиты.

Статистика говорит, что, например, в Германии одна треть отказов электроники вызвана воздействием перенапряжения, что одновременно на нашей планете случается до 2000 гроз, а только в России 7% всех пожаров в жилых домах происходит от попадания молний.

Необходимость установки системы защиты от импульсных помех, в том числе и от ударов молний, очевидна, когда речь идет о складах боеприпасов и взрывчатых веществ, на нефте- и газоперерабатывающих заводах. Очень важно установить ее на промышленных предприятиях, где это предписано ПУЭ (Правилами устройства электроустановок) и стандартами ГОСТ. Но, к сожалению, для частных домов и коттеджей в российских инструкциях еще не является обязательной установка системы грозозащиты и защиты от перенапряжений. Такая необязательность имеет высокую цену. При ударе молнии наведенные импульсные помехи могут повредить компьютерную сеть, дорогие электрические и электронные приборы, может пострадать человек. Установка системы грозозащиты, стоимость которой неизмеримо ниже потерь, принесенных одним ударом молнии, исключит риск.Иначе чем мы отличаемся от людей, живших 200 лет назад и пытавшихся защититься от грозы беспрерывным колокольным звоном?

Что такое перенапряжение?

Перенапряжением является уровень прикладываемого к прибору или системе напряжения, превышающего предписываемый стандартом, при котором возможно нарушение изоляции или работоспособности устройства за определенный период времени.

Здесь мы будем рассматривать перенапряжение как импульсные помехи со временем нарастания фронта менее единиц миллисекунд. Основными причинами их возникновения являются:

  • молнии, возникающие при грозе;
  • переходные процессы при переключении;
  • электростатический разряд;
  • неисправное оборудование.

Грозовые разряды (молнии) несут в себе токи порядка 200 кА. При ударе молнии в атмосфере создается канал ионизированного воздуха, по которому происходит разряд. Длительность импульса может достигать 1–500 мкс, а напряжение — 100 кВ. Как правило, 90% энергии отводится внешними громоотводами, а 10% попадает в электрические цепи здания, что может повлиять на электрические или электронные приборы как прямым воздействием тока, так и через наведенные потенциалы.

Переходные процессы при переключении встречаются в жизни намного чаще, чем разряды молний. Например, в обычной сети электропитания переменного тока при переключении силовых приборов или короткогозамыкания возникает очень быстрое изменение тока со временем нарастания фронта импульса менее единиц микросекунд. В системах с реактивной нагрузкой это вызывает переходные процессы, ведущие к возникновению перенапряжения в виде высокочастотных колебаний или высоковольтных пиков напряжения.

Электростатический разряд (ESD) возникает при освобождении заряда, накопленного при трении. Заряд может достигать десятков тысяч вольт. Такой импульс может вывести из строя, например, электронную микросхему при ее пайке, если монтажник не надел на руку заземляющий браслет.

Компоненты для построения устройств защиты от импульсного перенапряжения

Основным принципом защиты от перенапряжения является подавление импульсной помехи длительностью менее единиц микросекунд. Для этого нужно, чтобы защитное устройство имело время реакции меньше длительности импульса перенапряжения, поглощало его энергию в количестве, достаточном для устранения его воздействия на систему, имело остаточное напряжение, близкое к номинальному значению напряжения защищаемой цепи.

В устройствах защиты от перенапряжения фирма Weidmuller использует три типа электронных приборов. Это газоразрядное устройство, варистор и суппрессор-диод (рис. 1).

Рис. 1
Рис. 1

Газоразрядное устройство содержит трубку, заполненную аргоном или неоном и имеющую электроды, сделанные из специального сплава. Все это помещено в стеклянный или керамический корпус. Когда к такому устройству прикладывается высокое импульсное напряжение со скоростью около 1 кВ/мкс, в трубке возникает разряд. Чем меньше скорость нарастания фронта, тем выше должно быть напряжение, «зажигающее» разряд. Через такое устройство может проходить ток до 100 кА. Несмотря на отличную способность снижать напряжение, газоразрядник имеет время реакции от сотен наносекунд до единиц микросекунд, что в десятки раз медленнее по сравнению с металлооксидными варисторами. Эти электронные приборы по своей сути являются резисторами с сопротивлением, зависящим от приложенного напряжения, изготавливаются из оксида цинка и имеют форму диска. При повышении напряжения выше номинального варисторы в течение 25 нс резко повышают сопротивление, ограничивая сигнал до величины остаточного напряжения порядка ста вольт. Такие приборы способны работать с током до 40–80 кА. Недостатком варисторов является их старение после каждого разряда, что сокращает время службы прибора до нескольких лет. Его емкость составляет более 1000 пФ и не позволяет использовать варисторы для защиты сигналов с частотой выше 100 кГц. В таких случаях лучшим решением является применение быстродействующего суппрессор-диода. Он работает по принципу стабилитрона, но отличается от него скоростью переключения, лежащей в пикосекундном диапазоне, и способностью пропускать ток до 200 A.

Каждый из описанных приборов не является идеальным подавителем помехи, поэтому в устройствах защиты от перенапряжения фирмы Weidmuller используются комбинации этих электронных приборов.

Когда импульс перенапряжения с амплитудой 10 кВ и скоростью нарастания фронта порядка 1 кВ/мкс поступает на вход схемы, изображенной на рис. 2, он вызывает разряд в газоразрядной трубке, который снижает амплитуду импульса до 600–700 В. Варистор снизит напряжение до 100 В. При проходе через суппрессор-диод амплитуда снижается до 35 В. Последовательность срабатывания этих устройств определяется индуктивностями. Если фронт импульса перенапряжения на входе системы пологий, то есть скорость его нарастания меньше 1 кВ/мкс, то разряда в газоразрядной трубке не возникает, а импульс перенапряжения подавляется следующими ступенями защиты — варистором и суппрессор-диодом.

Рис. 2
Рис. 2

Защита цепей электропитания

В системе защиты от перенапряжений, предлагаемой фирмой Weidmuller, объектом защиты от перенапряжения являются цепи электропитания, контрольно-измерительные линии и сети передачи данных внутри здания (завода, жилого дома, учреждения и т. д.). Поэтому принципы и средства внешней защиты в этой статье не рассматриваются.

Основным принципом защиты цепей электропитания является разделение всех приборов по классу изоляции согласно национальным стандартам и на зоны защиты. Зона защиты характеризуется наличием полностью замкнутого экранированного контура, который обеспечивает эквипотенциальное заземление. Например, это может быть металлический фасад здания или металлическая арматура стен. Линии электропитания, пересекающие этот контур, должны быть защищены. Внутри этой зоны могут быть устроены зоны защиты следующего, более низкого, уровня. Смысл этого разделения в том, что не нужно, например, каждый станок индивидуально защищать от прямого удара молнии. Достаточно разделить все приборы на группы и защитить каждую группу соответственно.

Согласно такому принципу защита от перенапряжения имеет три уровня (рис. 3). Защита от молний с уровнем до 6 кВ располагается на входном распределительном щите, сразу после главных предохранителей. После счетчика электроэнергии на электрощите располагаются устройства защиты с уровнем 4 кВ. Примером может служить распределительный щиток, расположенный на каждом этаже жилого дома. Защита же электрического оборудования и электронных приборов с уровнем 2,5 кВ размещается непосредственно рядом с защищаемым объектом. Например, компьютер включается в розетку со встроенной защитой.

Рис. 3
Рис. 3

Все устройства для защиты от перенапряжения соответствуют международному стандарту CEI IEC61643-1, принятому в 1998 году, который определяет уровни защиты как классы I, II и III.

Устройства, классифицированные по первому классу, срабатывают в самых экстремальных условиях — при прямом попадании молнии, при токах не менее 20 кА. Стандарт предписывает тестовое время нарастания фронта импульса тока 10 мкс, а время спада импульса до половины значения — 350 мкс. В технической документации это обозначается как характеристика кривой импульса 10/350 мкс.

Фирма Weidmuller предлагает устройства первого класса для молниезащиты (рис. 4) PU 1 TSG+, которые содержат газоразрядную трубку и могут пропускать ток 50 кА при уровне напряжения защиты 0,9 и 1,5 кВ и времени реакции менее 100 нс. PU 1 TSG пропускает ток 35 кA, срабатывает при 0,9 и 1,5 кВ; время реакции менее 1 мкс. Все эти приборы содержат электронную схему управления, которая при возникновении импульса перенапряжения сразу же зажигает разряд в трубке, тем самым снижая порог защиты и уменьшая время реакции. Обе модели работают в диапазоне температур от –40 до +85 °С, имеют индикатор исправности электронного блока и сертифицированы согласно стандартам UL и KEMA.

Рис. 4
Рис. 4

Существуют также устройства защиты первого класса, содержащие мощные варисторы (рис. 5). Для четырехпроводных систем электроразводки, например, TN-ТТ с объединенными нейтральным проводом и землей (L1-L3, PEN) предназначены блоки PU 3 B (230/400 В, 20 кА). Они содержат сменные модули с дисплеями индикации. При прохождении импульса перенапряжения индикатор меняет цвет с зеленого на красный. При визуальном осмотре сработавшие съемные модули заменяются. Блоки имеют два выхода соединения с землей для увеличения скорости отвода тока. Модель PU 3 BR имеет встроенное реле для фиксации состояния варистора при удаленном контроле результатов диагностики системы. Для пятипроводных систем разводки электропитания, например, TN-TS с раздельными линиями нейтрали и земли (L1-L3, PE, N), применяются блоки с четырьмя съемными модулями PU 4 B(BR) (230/400 В 25 кА). Все устройства крепятся на рейку TS35 и устанавливаются внутри корпуса или на распределительном щите.

Рис. 5
Рис. 5

Устройства защиты от перенапряжения, принадлежащие ко второму классу, применяются в цепях разводки электропитания. Для однополюсного подключения стандарт предписывает тестовый ток 15 кА и характеристику кривой тестового импульса 8/20 мкс, а для 3- и 4-полюсного подключения — 100 кА и 8/20 мкс соответственно.

В номенклатуре фирмы имеется широкий спектр блоков типа PU x C(CR) (рис. 6), содержащих от 1 до 4 съемных модулей с различными комбинациями варисторов и встроенными реле для работы с напряжениями 115, 230, 470 В. Модели PU 4 C TT предназначены специально для применения в четырехпроводной системе типа TN-ТТ и содержат оранжевый модуль, содержащий газоразрядник для подключения между нейтральным проводом и землей.

Рис. 6
Рис. 6

Устройства третьего класса предназначены для защиты оборудования: компьютеров, машин, станков. Тестовое напряжение составляет 20 кВ, ток — 10 кА, характеристика импульса 8/20 мкс.

Серия приборов для защиты от перенапряжения третьего класса PU D (рис. 7) служит для защиты низковольтного оборудования и электронных приборов от наведенных потенциалов и переключений в сети. PU D устанавливаются после PU C непосредственно перед защищаемым прибором. Уровень защиты цепей — до 16 А. К устройствам защиты III класса относят также и переходники типа PU D ZS (рис. 8) для цифрового и аналогового телефонного оборудования, а также телефонные розетки для аналогового и ISDN-сигналов (рис. 9).

Рис. 7
Рис. 7
Рис. 8
Рис. 8
Рис. 9
Рис. 9

Примеры инсталляции системы защиты цепей электропитания в промышленном здании и в типовом жилом доме показаны на рис. 10–11. Цифры рядом со значками молнии обозначают класс устройства защиты.

Рис. 10
Рис. 10
Рис. 11
Рис. 11

Как правило, система защиты от перенапряжения закладывается на этапе проектирования дома. Правильное планирование конструкции здания и электроразводки позволяет снизить цену системы защиты. Очень важным элементом защитной системы является правильное заземление. На рисунках видно, что оно представляет собой замкнутый контур, включая громоотвод на крыше и проводник максимально возможной площади под зданием. На разных уровнях заземление соединяется с арматурой стен, создавая везде единый эквипотенциальный контур. Уровень сопротивления земляной цепи по российским стандартам не должен превышать 10 Ом. За рубежом этот показатель составляет 2–8 Ом. Для этого площадь поперечного сечения штыря, идущего в землю, увеличивают до тех пор, пока не будет достигнут нужный уровень сопротивления земляной цепи. Для уменьшения сопротивления в землю также вкапывается медный лист, чтобы увеличить площадь контакта с землей. Если сопротивление земли будет недостаточно малым, вся система защиты от перенапряжения не будет работать, поскольку не будет обеспечен достаточный отвод тока, часть которого уйдет в цепи электропитания, повреждая электрооборудование и приборы.

Защита от перенапряжения контрольно-измерительных линий

Современные технологии автоматизации производства представляют собой широкое поле для внедрения систем защиты от перенапряжения для контрольно-измерительных линий. Здесь выявляются наиболее критичные участки, повреждения на которых могутпривести к самым тяжелым последствиям. Например, на тепловой электростанции уровень температуры в огромных башнях-охладителях измеряется датчиком. Сигнал от датчика идет по длинным проводам в здание, где происходит сбор информации для обработки в контроллере. И около датчика, и около контроллера ставится защита от перенапряжения. Настоящей мечтой автомобилистов является реально действующая за рубежом система защиты сигналов управления светофорами на базе PU 2 C.

В отличие от зонной концепции защиты цепей электропитания, система защиты контрольно-измерительных линий базируется на типе защищаемого сигнала.

Некоторые исполнительные устройства требуют управления дискретным сигналом. Например, переключатели, входы контроллеров управления, фотоэлектрические барьеры, датчики положения, шаговые двигатели, др. Обычно такие сигналы имеют общий относительный потенциал, который может подсоединяться или не подсоединяться к потенциалу земли. Защита таких схем, соединенных с земляным потенциалом, содержит газоразрядник, варистор и суппрессор-диод, разделенные индуктивностями. Weidmuller предлагает применять в таких случаях устройства типа MCZ, DKU, EGU, LPU. В схемы, не соединенные с земляным потенциалом, между общим потенциалом и земляным устанавливается газоразрядное устройство. Рекомендуемая схема защиты — LPU.

Аналоговые сигналы нуждаются в защите при осуществлении измерений. Например, двухпроводные токовые петли или сигналы напряжения, не имеющие общего относительного потенциала, такие, как токовая петля 0(4)…20 мА, требуют защиты обеих линий. При температурных измерениях, например, с помощью PT100 RTD, защищаются все три или четыре используемые провода. Обычно используется защита газоразрядниками и суппрессор-диодами (рис. 12).

Рис. 12
Рис. 12

Weidmuller предлагает самый широкий спектр защитных устройств почти для всех случаев, встречающихся на практике,— MCU OVP CL, DK5U, DK6U, LPU, EGU 3 и EGU 4 для токовых петель, RSU 6 А, RSU 10 A.

Пожалуй, самыми интересными являются устройства защиты серии MCZ OVP, выполненные в виде клемм для установки на монтажную шину (рис. 13). Их ширина составляет всего 6 мм, в них применяется пружинный зажим для присоединения проводников сечением до 1,5 мм2. Они напрямую заземлены на шину, что ускоряет монтаж. В серию входят устройства с полным набором компонентов — газоразрядником, варистором и суппрессор-диодом, разделенными индуктивностями. Есть также и устройства с одиночными элементами, они дополняют серию и предоставляют полную гибкость при разработке компактной системы защиты.

Рис. 13
Рис. 13

Такие «клеммы» при разряде могут отводить ток до 10 кА при характеристике импульса 8/20 мкс. Конечно, при этом монтажная шина, на которой установлено устройство, должна быть соответствующе заземлена. Уровень защиты, в зависимости от модели, составляет от 40 до 1600 В. Существуют клеммы для работы с напряжением 24, 48, 115 и 230 В, для работы с токовой петлей и дискретным сигналом, в зависимости от конфигурации.

Рис. 14
Рис. 14

Серия DK (рис. 14) отличается очень высокой защитной способностью от 30 до 950 В при минимальном объеме устройства и величине отводимого тока от 7 до 24 кА. Например, клемма DKU c трехступенчатой защитой и разделительными индуктивностями имеет длину всего 65 мм. Ширина колеблется от 6 до 12 мм в зависимости от модели. Эти защитные клеммы работают при напряжениях 24, 48, 115 и 230 В и имеют винтовой зажим для проводников сечением до 4 мм2. Модели DKU содержат трехступенчатую схему защиты и используются для работы с дискретным сигналом. DK 5 U и DK 6 U содержат два газоразрядника, два варистора и суппрессор-диод, что делает их необходимыми для защиты токовой петли. DK 4 U содержит только варистор-компоненты. Все клеммы этой серии работают при температуре окружающей среды от –25 до +60 °С.

Серия EGU (рис. 15) имеет высокую двухи трехступенчатую степень защиты при работе с токами от 1,5 А, серия RSU (рис. 16) с трехступенчатой защитой — до 10 А. В моделях обеих серий используется винтовой зажим для проводников сечением до 4 мм2, они хорошо подходят для задач автоматизации производства. Серия EGU имеет корпус, который может поворачиваться на 180° для более удобного монтажа. Серия RSU предназначена для защиты сигналов питания логических контроллеров.

Рис. 15
Рис. 15
Рис. 16
Рис. 16

Серия LPU имеет интересную особенность — электронный модуль является съемным. Он вынимается из корпуса, который одинаков для всех моделей и заказывается отдельно. Стандартный корпус SEG (рис. 15) содержит винтовые зажимы, но можно установить любые удобные — от ножевых до контактов накруткой. Модули имеют трехступенчатую систему защиты от перенапряжения и работают с токами до 1,5 А и с рядом напряжений 24, 48, 115 и 230 В. При разряде модули могут пропускать ток 6 кА, уровень защиты составляет 34–820 В в зависимости от типа устройства.

Благодаря многообразию моделей эту серию можно использовать для защиты дискретных, аналоговых сигналов 0–20 мА, схем с плавающим потенциалом, например, термопары.

Защита систем передачи данных

Задача защиты шин данных наиболее остро стоит на заводах, оснащенных промышленными сетями. Например, аналоговые данные от множества датчиков преобразуются в цифровой вид с помощью аналого-цифровых преобразователей и поступают в контроллер. После обработки данных децентрализованный контроллер должен послать эти данные на центральный диспетчерский пункт, который находится в другом цехе. Weidmuller создал защиту от перенапряжения для сетей, использующих типы интерфейсов RS232, RS422, RS485, а также для сетей LONTM (витая пара) и EIB (European Installation Bus).

Для последовательного интерфейса RS232 Weidmuller предлагает модули защиты типа ZS RS232 (рис. 17), которые состоят из суппрессор-диодов, подключенных между общим потенциалом и линиями данных. Общий потенциал соединен с землей через газоразрядник. Модуль подключается непосредственно к компьютеру. Модуль EGU 4 EG3 RS232 устанавливается прямо на монтажную шину.

Рис. 17
Рис. 17

Для защиты сигналов интерфейсов RS485/422 используются устройства защиты от перенапряжения типа LPU RS422/RS485 со съемным электронным модулем для установки на монтажную шину. RS485 в алюминиевом корпусе (рис. 18) создан специально для промышленного применения. Его рабочее напряжение составляет ±12 В, он пропускает ток до 10 кА, напряжение зажигания разряда в газоразрядной трубке — 90 В. При поступлении на вход импульса со скоростью нарастания фронта 1 кВ/мкс напряжение на выходе составляет менее 18 В, максимальная скорость передачи данных — 6 Мбит/с. Время отклика составляет менее 5 нс, рабочая температура –25...+60 °С.

Рис. 18
Рис. 18

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке