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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Protezione degli alimentatori dai fulmini. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Protezione delle apparecchiature dal funzionamento di emergenza della rete Al fine di proteggere le apparecchiature da impulsi indotti da scariche di fulmini, l'alimentazione ai dispositivi di telecomunicazione e sicurezza, nonché ai sistemi di videosorveglianza, ove non possa essere disattivata a causa delle condizioni operative, viene eseguita in conformità con i requisiti e , di norma, gruppi di continuità con dispositivi di protezione della rete integrati. Ma che dire di chi, ad esempio, lascia accesa nella propria dacia un'apparecchiatura che avvisa il proprietario dell'ingresso di persone non autorizzate nel territorio controllato? Per ridurre la probabilità di danni al dispositivo di sicurezza durante un temporale, la sua alimentazione deve essere integrata con alcuni elementi che attenuano bruscamente gli impulsi ad alta tensione nella rete, che chiameremo ulteriormente interferenza di rete. L'efficacia della soppressione di tale interferenza da parte degli stessi elementi è diversa. Ciò implica la prima caratteristica: il dispositivo di protezione deve essere multistadio La seconda caratteristica del design di un dispositivo di protezione è la necessità di un conduttore con potenziale zero, "terra", al suo interno. Questa condizione è facile da soddisfare negli appartamenti moderni in cui il cablaggio è realizzato secondo un circuito a tre fili ("fase" (L), "zero" (N), "terra di protezione" (PE)). Se la rete di alimentazione è priva di messa a terra protettiva, dovrai creare tu stesso un circuito di terra o accettarlo. che la soppressione delle interferenze non sarà sufficientemente efficace. È soddisfacente se l'interferenza del filo di fase viene deviata a zero, va bene - dal filo di fase e separatamente dal filo di neutro al filo di terra è ottimo - dal filo di fase separatamente al filo di neutro e al filo di terra , e anche dal filo neutro al filo di terra. Per attenuare le potenti interferenze a lungo termine generate da scariche di fulmini, spinterometri riempiti di vuoto e gas vengono utilizzati come assorbitori di energia a impulsi. Secondo le statistiche, la quota di tale interferenza è di circa il 20%. Il restante 80% è a breve termine, che viene effettivamente soppresso da condensatori paralleli al circuito protetto e da elementi di barriera in serie - induttanze. Viene utilizzato anche un metodo combinato, quando le interferenze potenti vengono attenuate da elementi assorbenti (limitatori di tensione) collegati in parallelo e quelle a bassa potenza vengono ridotte in serie. Le caratteristiche generali dei soppressori di tensione più comuni utilizzati nei dispositivi di protezione sono presentate nella tabella:
Gli scaricatori a gas possono essere utilizzati nelle versioni a due e tre elettrodi, a seconda del design del dispositivo di protezione: a due o tre fili. In termini di affidabilità di funzionamento e massima corrente di impulso, un tale limitatore di tensione supera tutti gli altri (Fig. 1). Si tratta di un contenitore cilindrico con elettrodi di scarica alle estremità, riempito con un gas inerte. Lo svantaggio dello scaricatore è la sua risposta più lenta rispetto ad altri elementi protettivi, dovuta alla necessità di un certo intervallo di tempo per la ionizzazione del gas.
Considera uno spinterometro a tre elettrodi T23-A230X con un diametro di 8 e una lunghezza di 10 mm. Nonostante le dimensioni così ridotte, questo elemento di protezione consente una corrente di scarica di picco in più impulsi singoli 8/20 μs (fronte/caduta) fino a 20 kA o resiste a una corrente di scarica alternata di 1 e una frequenza di 10 Hz per 50 s. Tale efficienza di protezione è assicurata dal design speciale dello scaricatore, illustrato in Fig. 1. Nello stato iniziale, la sua resistenza supera i 10 ohm. Quando la tensione nello spinterometro crea un'intensità di campo elettrico in grado di provocare la ionizzazione del gas, si verifica una scarica elettrica, a seguito della quale la resistenza dello spinterometro diminuisce drasticamente. Al termine dell'impulso, il gas inerte riacquista le sue proprietà isolanti. La tensione di rottura del gap di scarica è determinata sia dalle dimensioni e dal design degli elettrodi sia dalle proprietà del gas di riempimento - composizione e pressione. Uno speciale rivestimento composto degli elettrodi e un isolante ceramico tra di loro attiva la loro emissività. La forma ad anello dell'elettrodo centrale consente di massimizzare l'uso della superficie degli elettrodi terminali 1 e 2, fornendo una grande corrente di scarica senza erosione delle superfici che trasportano corrente. Per compensare il ritardo nel funzionamento dovuto all'interferenza con un fronte ripido (1 kV/μs o più), gli scaricatori nei dispositivi di protezione multistadio sono solitamente integrati con varistori e diodi protettivi, che deviano parte dell'energia del rumore impulsivo a il momento iniziale della sua comparsa nella rete elettrica. Un varistore di ossido di metallo è simile a un diodo zener simmetrico: quando viene superato un determinato valore di soglia della tensione applicata, la resistenza dell'elemento diminuisce bruscamente. La tensione di classificazione del varistore deve superare l'ampiezza massima della tensione di rete di almeno il 5%. Ad esempio, l'aumento massimo consentito della tensione di rete di 220 V del 20% (264 V) corrisponde a un'ampiezza di 374 V. Pertanto, la tensione di classificazione del varistore deve essere di almeno 393 V. Se si utilizza un varistore, come in molti dispositivi di protezione prodotti industrialmente, con una tensione di classificazione standard di 390 B, a causa dell'errore tecnologico consentito di questo parametro, esiste il rischio di danneggiamento. Pertanto, è meglio usarlo con una tensione di classificazione leggermente superiore.Il varistore è inoltre caratterizzato da una certa energia di impulso limitante, che può assorbire senza distruzione. Questa caratteristica ha la proprietà dell'accumulazione. Ciò significa che il dispositivo è in grado di assorbire un singolo impulso con una certa energia massima consentita o un certo numero di impulsi con un'energia inferiore senza degradare i parametri. Ad esempio, un varistore di ossido di metallo con un diametro di 20 mm assorbe un impulso con un'energia massima consentita di 410 J o 10 impulsi con un'energia di 40 J. Dopo che il varistore ha esaurito la risorsa impegnata, la sua tensione di classificazione aumenterà leggermente , e quindi ad ogni impulso successivo inizierà a diminuire bruscamente, di conseguenza il varistore si "brucerà" . Pertanto, deve essere sostituito alla minima manifestazione esterna di degrado (scurimento della vernice). La necessità di monitorare le condizioni tecniche del variatore situato all'interno di un filtro a rete chiusa è il suo svantaggio. I diodi di protezione (soppressore di tensione transitoria), come i diodi zener, diventano conduttivi molto rapidamente quando la tensione applicata aumenta al di sopra della tensione di apertura. Il tempo di risposta di un tale dispositivo, in particolare uno senza piombo, è solo di pochi picosecondi. Naturalmente, l'induttanza dei conduttori e dei conduttori riduce la velocità del diodo, ma rimane comunque la più alta tra i limitatori di tensione utilizzati. Esistono sia diodi di protezione unipolari che quelli con una caratteristica corrente-tensione simmetrica, che consente loro di essere utilizzati senza diodi raddrizzatori aggiuntivi nei circuiti CA. A una corrente molto elevata, a differenza di uno spinterometro pieno di gas, la rottura elettrica che si verifica nel diodo di protezione diventa irreversibile. Questo elemento deve essere sostituito. I dispositivi prodotti industrialmente per la protezione contro gli impulsi ad alta tensione nella rete elettrica, sia nel nostro paese che all'estero, devono essere conformi ai requisiti delle norme internazionali approvate. International Electrotechnical Commission (IEC) e, secondo la terminologia generalmente accettata, sono suddivise in classi di protezione I, II e III. I dispositivi di classe I sono progettati per proteggere la rete elettrica all'ingresso dell'edificio di fronte al contatore elettrico. Gli elementi principali di tali dispositivi sono scaricatori a vuoto ea gas in grado di neutralizzare potenti scariche di fulmini fino a 150 kA per impulso, che corrisponde a un fulmine diretto, tenendo conto della corrente che si diffonde sulla superficie soggetta a scossa elettrica. I dispositivi di classe II attenuano il rumore impulsivo nei quadri di piano e di officina. L'elemento protettivo più comunemente utilizzato in tali dispositivi è il varistore. I dispositivi di classe III sono progettati per proteggere i singoli dispositivi con un consumo di corrente non superiore a 16 A. Di solito vengono eseguiti su diodi di protezione. Naturalmente, per il funzionamento sicuro delle apparecchiature radio, l'utente può dotare la rete di distribuzione dell'energia in una casa di campagna o in un appartamento di tali dispositivi industriali, ma l'implementazione di tale soluzione potrebbe essere finanziariamente difficile. Sarà molto più economico produrre in modo indipendente dispositivi di protezione della rete. Sulla base dell'analisi delle idee moderne sui requisiti per i dispositivi di protezione contro i fulmini e sui metodi per la loro implementazione pratica, l'autore ha sviluppato un dispositivo di protezione a più stadi, il cui schema è mostrato in fig. 2.
Il dispositivo è collegato alla rete tramite una presa elettrica. XP1 con contatto di messa a terra. I fusibili FU1, FU2 sono progettati per un carico fino a 1 kW, collegati alla presa XS1, la loro presenza aumenta significativamente l'affidabilità del dispositivo di protezione e prolunga la durata di altri elementi utilizzati in esso. Interferenze di breve durata, incapaci di far scattare lo scaricatore F1, saranno attenuate dalle bobine L2-L4 e assorbite dal diodo di protezione VD1. Un contributo significativo all'attenuazione di tali interferenze è dato anche da un cilindro di ferrite indossato sul cavo di rete, a seguito del quale si forma un induttore L1. Il condensatore C1 sopprime infine le interferenze di rete simmetriche a breve termine, sbilanciate - C2 e C3. La soppressione del fronte dei continui disturbi di rete generati dalle scariche dei fulmini avviene principalmente tramite il diodo di protezione VD1 ei varistori RU1-RU3. Dopo 250 ns, lo spinterometro acceso F1 rimuove l'interferenza su se stesso e i fusibili innescati FU1, FU2 scollegano l'alimentazione dell'apparecchiatura dalla rete fino a quando non si verificano conseguenze critiche. L'energia del rumore impulsivo dissipata dagli elementi protettivi nel filtro di rete viene rilasciata sotto forma di calore, mentre la temperatura degli elementi può raggiungere i 200°C o più. Pertanto, per motivi di sicurezza antincendio, il corpo dell'apparecchio deve essere realizzato esclusivamente in metallo. Collegamento dell'alloggiamento al filo dal contatto di messa a terra della spina. XP1 viene eseguito nelle immediate vicinanze dell'ingresso del cavo di rete nell'alloggiamento del filtro. La presa XS1 è collegata tramite fili corti alle corrispondenti piazzole indicate sul disegno del circuito stampato del dispositivo (Fig. 3).
Una foto della scheda è mostrata in fig. quattro.
Il circuito stampato è realizzato in lamina di vetroresina unilaterale di 1,5 mm di spessore. Gli elementi protettivi di messa a terra del conduttore stampato sulla scheda vengono pelati con saldatura per aumentare l'area della sezione trasversale, creando un rullo alto 1 ... 1,5 mm. Il cavo di rete viene utilizzato con fili con una sezione di almeno 1 mm2. Su di esso viene inserito un cilindro di ferrite. K18 * 9x30 mm (mostrato a sinistra in Fig. 4). I produttori stranieri installano tali cilindri sui cavi per collegare vari dispositivi a un computer. Gli induttori L2 e L3 sono avvolti con filo PEV-2 con un diametro di 1 mm ciascuno su due nuclei magnetici anulari piegati insieme. KP27>15-6mm da permalloy MP 140. L'avvolgimento viene eseguito in due strati interi senza isolamento interstrato, l'autore ha utilizzato strozzatori già pronti rivestiti con smalto per la protezione dall'umidità. Puoi anche usare un circuito magnetico. K28>14-12mm da un'induttanza a più avvolgimenti in un alimentatore a commutazione AT di un computer. La strozzatura L4 viene eseguita su un anello K28-15-10mm in ferrite M2000NM. Gli spigoli vivi del circuito magnetico vengono arrotondati con una lima, quindi isolati con tela verniciata o nastro fluoroplastico. Ciascuno degli avvolgimenti contiene 15 spire di filo. PEV-2 con un diametro di 1 mm, per motivi di progettazione, per comodità di collegamento dei conduttori al circuito stampato, uno degli avvolgimenti è avvolto nella direzione opposta a quella utilizzata per l'altro avvolgimento. In questo caso, i campi creati dalle correnti entranti ed uscenti nel circuito magnetico saranno reciprocamente compensati e la saturazione magnetica sarà così esclusa. La corretta esecuzione dell'induttore può essere verificata misurandone l'induttanza. In questo progetto, l'induttanza di ciascun avvolgimento è di 270 µH. Se si collegano le estremità di uscita degli avvolgimenti e si misura l'induttanza di ingresso, non supererà i 10 μH. Varistori RU1-RU3 - SIOV S20K420. possono essere sostituiti da altri in ossido di metallo con un diametro di 20 mm e una tensione di classificazione di 420 V. In casi estremi, è possibile utilizzare ossido di zinco dello stesso diametro con una tensione di classificazione di 430 V, contrassegnata, ad esempio, da uno dei produttori come MYG20K431. Condensatori ad alta tensione C1 - C3 - della serie K78-2. Il diodo di protezione simmetrico 1,5KE440CA può essere sostituito da due degli stessi unipolari (senza l'indice CA) o dai loro analoghi. In questo caso è consigliabile integrare il dispositivo di protezione con un indicatore della tensione di rete e dello stato di salute dei diodi di protezione. Durante il funzionamento del dispositivo è necessario periodicamente, soprattutto dopo i giorni di temporale, monitorare le condizioni tecniche del dispositivo e sostituire tempestivamente gli elementi che hanno esaurito la loro risorsa. Autore: Kosenko S.
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