1.3. Классический состав защитного каскада

На рис. 1.2 показана примерная трехступенчатая схема защиты цепи электроснабжения постоянным током 24 В DC от перенапряжений. Защищающий диод характеризуется отличными коммутационными параметрами (скоростью срабатывания и повторяемостью величины уровня ограничения), однако смонтированный самостоятельно может быть поврежден и обычно сам требует защиты. Его монокристаллическая структура не способна противостоять энергетически сильным воздействиям перенапряжений.

В качестве поддержки ветви с диодом использована предыдущая ступень защиты на базе ZnO варистора, который способен отвести в землю значительно большую энергию, чем диод. С целью правильной координации защитных параметров диод и варистор разделены специальным элементом L2 (в этом случае применена индуктивность). Благодаря этому, когда в процессе ограничения перенапряжения диодом потечет ударный ток, то на зажимах варистора появится напряжение

где: di/dt – скорость нарастания импульносо тока (тока перенапряжения).

Подбирая надлежащим образом значение индуктивности L₂ можно управлять напряжением на варисторе, чтобы он уложился в процесс ограничения перенапряжений до того момента как диод подвергнется повреждению.

Аналогичная ситуация имеет место в каскаде разрядник – варистор. Известно, что включение в работу разрядника, благодаря его отличным энергетическим параметрам увеличивает способность отведения разрушительной энергии перенапряжений через защитное устройство. Элемент L₁ подбирается таким образом, чтобы относительно медленно включающийся разрядник стал действовать прежде, чем будут превышены критические параметры варистора.

Каскадная схема, представленная на рис. 1.2 позволяет в рассматриваемом примере соединить очень большую скорость действия относительно чувствительного защищающего диода со способностью отведения очень больших ударных токов через разрядник и варистор, которые характеризуются однако значительно высшими уровнями ограничения по напряжению и более медленным срабатыванием.

В результате, на защищенный вход приходит волна перенапряжения с контролированным, безопасно малым значением максимальной энергии (меньшим относительно уровня стойкости по напряжению защищаемого оборудования), а решающая часть энергии нежелательного перенапряжения отводится в землю и рассеивается в рабочем пространстве самих защитных элементов. Объединение преимуществ разных типов защитных элементов в устройствах защиты позволяет значительно расширит диапазон их применения.

1.4. Классификация ограничителей перенапряжений

Устройства для ограничения перенапряжений, используемые в распределительных сетях низкого напряжения (до 1000 В) внутри строительных объектов содержат как минимум один нелинейный элемент и, согласно нормативным требованиям должы быть подвергнуты испытаниям класса I, II или III.

С точки зрения различных характеристик ограничителей перенапряжений, определяемых во время их ударных испытаний, эти устройства разделяются на:

Ограничители перенапряжений класса I (ранее класс B) – требуемые защитные свойства для этой группы гарантируют ограничители перенапряжений на основе газового разрядника, на электродах которого при возникновении скачка перенапряжения наступает искровой проскок, переходящий в дуговой разряд. В ограничителях этого типа значение сниженного напряжения равно напряжению срабатывания и зависит от скорости нарастания ударного напряжения. Значения номинального ударного тока, который может многократно протекать через систему ограничителей перенапряжений класса I, не вызывая их повреждения, соответствуют значениям силы тока, который может возникать в естественных условиях во время грозы (в соответствие с требованиями норм по молниезащите). Типичный уровень защиты ограничителей класса I по напряжению не превышает значения 4000 В.

Ограничители перенапряжений класса II (ранее класс С) – характеризуют уровень защиты по напряжению, соответствующий I или II категории ударной стойкости (соответственно 2500 В и 1500 В). Рекомендованной формой токов разряда номинального I_n и максимального I_max , используемых для испытания ограничителей класса II, является импульс с временем возрастания фронта 8 мкс и с временем продолжительности до полуспада 20 мкс. Значения тока I_n , который может многократно протекать через ограничитель класса II, не вызывая его повреждения, чаще всего выбираются со следующего ряда значений: 2,5; 3,0; 5,0; 10; 15 и 20 кА. Для производства ограничителей перенапряжений класса II чаще используются полупроводниковые элементы – варисторы.

Ограничители перенапряжений класса III (ранее класс D) – уровень защиты по напряжению это обычно 1500 В, 1200 В или 1000 В. Подвергаются испытаниям класса III, выполняемым комбинированным ударом: по напряжению 1,2/50 мкс и затем токовым 8/20 мкс. Наибольшие значения тестируемого напряжения составляет 20 кВ 1,2/50 мкс, а тестируемого тока – 10 кА 8/20 мкс. Обеспечивают защиту устройств от последствий прямых, близких и удаленных атмосферных разрядов (несколько сотен метров от объекта), от индуцируемых перенапряжений в оборудовании внутри строительных объектов, а также от коммутационных перенапряжений, возникающих в электрическом оборудовании внутри строительного объекта.

В естественных условиях не возможно исключить прямые удары молнии в строительные объекты или разряды происходящие в ближайшем соседстве с ними. Этот факт приводит к тому, что в электрических устройствах ограничители перенапряжений класса III часто взаимодействуют с ограничителями классов I и II, образуя многоступенчатые защитные системы. Принципиальная схема включения последовательных ступеней ограничителей показана на рис. 1.1.

Основные свойства ограничителей разных классов, а также примерные места их монтажа представлены в таблице 1.1.