Ограничитель перенапряжения

Термины «ограничитель перенапряжения» (SPD) и «ограничитель импульсных перенапряжений» (TVSS) относятся к электрическим устройствам, которые обычно устанавливаются в распределительных щитах, системах управления, коммуникационных и других промышленных системах для защиты от скачков напряжения, включая вызванные ударами молнии. Упрощённые версии этих устройств иногда устанавливают на входе в жилые дома для защиты бытовых электроприборов^[2].

В цепях переменного тока импульс перенапряжения — это кратковременное явление продолжительностью обычно от 1 до 30 микросекунд с возможной амплитудой свыше 1 000 вольт. Удар молнии по линии электропередачи может вызвать скачок в тысячи вольт. Отключение двигателя также может дать всплеск свыше 1 000 вольт. Импульсы перенапряжения могут разрушать изоляцию проводки и выводить из строя электронные устройства: лампы, зарядные устройства, модемы, телевизоры и другую бытовую электронику.

Подобные всплески могут возникать и на телефонных и дата-линиях, если к ним по ошибке подключают линии электропитания или в них попадает молния, либо при прохождении этих линий вблизи кабелей с всплеском.

Длительные перенапряжения (секунды, минуты и часы), вызванные, например, повреждением трансформатора или обрывом нейтрали, ограничители импульсов не поглощают. Такие продолжительные перенапряжения могут повредить ограничители во всём здании. Даже десятки миллисекунд могут оказаться слишком продолжительными. В этих случаях применяют предохранители или реле перенапряжения, но они срабатывают не всегда.

Проводка здания добавляет электрическое импеданс, ограничивая амплитуду импульса, доходящую до оборудования^[3]. Чем длиннее проводка между вводом в здание и нагрузкой, тем ниже ток всплеска.

Категории нагрузки:

• Категория A — расстояние более 18 метров, допустимый импульс: 6 кВ/0,5 кА.
• Категория B — 9-18 м, 6 кВ/3 кА.
• Категория C — менее 9 м, 20 кВ/10 кА^[4].

Удлинительный кабель, смотанный в бухту, может увеличить эффективную длину и импеданс^[5].

Ограничитель импульсов перенапряжения работает, ограничивая величину напряжения, которую может получить электрическое устройство, либо блокируя, либо закорачивая ток для снижения напряжения ниже безопасного порога. Блокировку реализуют с помощью индуктивностей, тормозящих резкие изменения тока, а короткое замыкание — с помощью конденсаторов, искровых промежутков, разрядных трубок, полупроводников Зенера и металлооксидных варисторов (MOV), все они пропускают ток при превышении определённого напряжения^[6]. В некоторых ограничителях совмещают несколько этих элементов.

При коротком замыкании линии закорачиваются между собой или притягиваются к целевому уровню (например, MOV), что вызывает значительный ток. Энергия всплеска рассеивается в линиях, заземлении или самом ограничителе. Если всплеск длительный или мощный, устройство может быть разрушено.

Домашние ограничители могут быть встроены в сетевые фильтры или внешние устройства на электропанели. Защита реализуется между всеми тремя проводами (фаза, ноль, земля), чтобы скомпенсировать сложные ситуации, например удары молнии.

Некоторые бытовые ограничители снабжены портами для Ethernet, кабельного ТВ и телефонной линии, чтобы защитить их от внешних скачков^[7].

TVS-диоды (ограничители перенапряжения) могут реагировать на сверхбыстрые всплески быстрее, чем MOV и разрядные трубки. Это делает их полезными для защиты от кратковременных перенапряжений, вызванных как внешними, так и внутренними причинами (молнией, коммутацией двигателей)^[8].

Диоды подавления перенапряжения применяются для защиты линий передачи данных или сигнальных цепей. TVS на базе MOV применяются для защиты бытовой электроники и инженерных сетей, поглощая импульсы энергии до промышленных уровней.

MOV может перегреться, если перенапряжение длится достаточно долго для нагрева, но не до уничтожения устройства, из-за чего может возникнуть пожар^[9][10].

Многие сетевые фильтры имеют элементарную защиту от перенапряжения, обозначаемую соответствующей маркировкой. Однако в странах без регулирования могут встречаться устройства с пометкой «surge/spike protector», фактически не обеспечивающие защиту.

Сильные всплески (молния) могут гаситься как на столбах предприятиями энергоснабжения, так и на входе в дом общим ограничителем. Последний заметно дороже простого фильтра и обычно требует профессиональной установки.

Разрядник (ограничитель перенапряжения, SPD, TVSS) применяют для защиты оборудования в системах передачи и распределения электрической энергии. Для сравнения изоляционных материалов используется импульсное соотношение: ограничитель должен иметь низкое импульсное соотношение, чтобы перенапряжения направлялись в заземление.

Ограничитель подключают к проводнику перед входом в защищаемое устройство, а также к земле; при всплеске перенапряжения энергия выводится на заземление. Чаще всего используют варисторы с резко различающимся сопротивлением при разных напряжениях.

Ограничители не рассчитаны на прямой удар молнии, а лишь на индуцированные ею или коммутацией всплески^[11]. Молния, попадая в землю, создаёт токи, распространяющиеся по подземным коммуникациям, что также может вызвать импульсы.

Классические данные по минимальным молниеносным всплескам внутри зданий: 10 кА (на основе передачи 20 кА по линии и разделения пополам). Однако в отдельных случаях возможны всплески до 200 кА.

Для длинных линий чаще всего ставят ограничители на обоих концах. Исключение — на стороне электростанции, где оборудование более устойчиво.

• Ограничитель низковольтный — для низковольтных сетей, защиты трансформаторов, обмоток электроприборов
• Распределительный ограничитель — для 3, 6 и 10 кВ, защиты трансформаторов и оборудования подстанций
• Ограничитель станционный (обыкновенный клапанный) — для 3-220 кВ в трансформаторных и коммуникационных системах
• С магнитным дутьём станционный — для 35-500 кВ
• Для вращающихся машин с магнитным дутьём — для защиты изоляции генераторов и моторов
• Линейный с магнитным дутьём — для более 330 кВ
• Ограничитель на постоянный ток — защита изоляции оборудования в DC-системах
• Ограничитель для нейтрали — защита нейтрали трансформаторов и моторов
• Ограничитель на стеклянной трубке — для проводов электростанций
• Вставной сигнал-защитник — для скрученных пар линий в коммуникациях
• Высокочастотный ограничитель — для микроволновых, базовых станций, спутников и др.
• Розеточный — для защиты конечного оборудования
• Линейный — для модемов, телефонов, факсов, цепей управления
• Сетевой — для серверов, рабочих станций и интерфейсов
• Коаксиальный — для защиты радиосистем

К наиболее существенным эксплуатационным характеристикам для ограничителей переменного тока и устройств защиты линий передачи данных относят:

Это уровень входного напряжения, при котором начинается работа защитных элементов внутренней схемы^[12]. Меньшее значение обеспечивает лучшую защиту, но приводит к снижению общего срока службы устройства. Для 120 Вольт принятое нормативное значение — 330 Вольт. Эффективность защиты зависит и от свойств защищаемого оборудования — механо- и электроприводы обычно не повреждаются, а чувствительные электронные (зарядки, лампы, компьютеризированная бытовая техника) — подвержены деградации.

Стандарт Underwriters Laboratories (UL)^[13] определяет на США условия безопасного использования ограничителей, где третье издание UL 1449 стало обязательным после сентября 2009 (для новых защитников).

Джоулевый рейтинг — это максимальная энергия, которую может поглотить защитник (обычно на MOV). Хорошие защитники выдерживают свыше 1 000 Дж и ток 40 000 А. При превышении номинала MOV перегорает и выходит из строя. Чем меньше внутренних линий и ниже их сопротивление, тем больше джоулей требуется.

Каждая сработка MOV немного снижает его рабочий порог; после множества импульсов он может начать проводить — греть, плавиться, иногда — вызывать пожар. Поэтому современные устройства оснащаются термопредохранителями и индикаторами состояния.

Джоулевый рейтинг часто используют для сравнения устройств на MOV, хотя он не всегда отражает реальную способность защищать: некоторые производители ставят группы MOV, увеличивая суммарную цифру, но на практике отдельные элементы могут выйти из строя раньше. Обычно указывается «эффективная» ёмкость защиты с понижением на 20 % от номинала^[14][15].

Ограничители не реагируют мгновенно, типовое время отклика — несколько наносекунд. Однако сами всплески обычно медленнее, чем наносекунды, поэтому современные устройства подавляют наиболее опасную часть сигнала^[16].

Медленные схемы защиты (газовые разрядники) часто сочетают с быстродействующими (MOV, TVS) для оптимального эффекта^[17].

Среди стандартов проведения испытаний и применения ограничителей:

• IEC 61643-11, 61643-21, 61643-22 — низковольтные устройства защиты электропитания и коммуникационных линий
• EN 61643-11, 61643-21, 61643-22
• Технические спецификации Telcordia Technologies
• ANSI/IEEE C62.xx
• UL 1449
• AS/NZS 1768

Также применяются стандарты испытаний систем на устойчивость к выбросам: IEC 61000-4-2 (ЭСР), 61000-4-4 (всплески), 61000-4-5 (импульсы).

Ни один из стандартов не гарантирует абсолютную защиту — их дизайн основан на типовых условиях испытаний.

Системы подавления высоковольтных всплесков включают как минимум один из подходов:^[18][19] монолитные (один компонент) или комбинированные схемы.

Основной элемент дешёвых ограничителей переменного тока. Варистор изготавливают из прессованного оксида цинка; он начинает проводить при превышении рабочей пороговой величины^[20]. Варисторы склонны к деградации при частых срабатываниях, после чего их порог падает вплоть до сетевого напряжения, что грозит возгоранием. Современные устройства разрывают цепь при перегреве варистора термопредохранителем и сигнализируют о выходе из строя^[15].

TVS-диоды способны срабатывать в пределах пикосекунд, но способны поглотить сравнительно малую энергию. За счёт быстродействия широко применяются в коммуникационных цепях, где часто встречаются короткие, но не слишком мощные всплески.

Тиристоры (например, Trisil, SIDACtor) часто используют в crowbar-цепях для быстрого отвода перенапряжения, их срабатывание аналогично ионизированному разрядному промежутку.

Газоразрядные трубки содержат замкнутый газ, который начинает проводить ток при достижении определённого напряжения. Способны выдерживать значительные токи, но требуют времени (до десятков наносекунд) на ионизацию газа, вследствие чего часть импульса всё же проходит к нагрузке. Требуют осторожности в схемах с постоянным током. Благодаря малой ёмкости их применяют на высокочастотных линиях связи^[21].

Редко применяются; рассчитаны на долгий срок службы в высокоэнергетических цепях постоянного тока.

Классическая технология защиты телефонных цепей (на открытом воздухе); расстояние между электродами определяет напряжение пробоя. Из-за чувствительности к влажности и открытого пламени применяют с осторожностью.

Используются для ограничения тока короткого замыкания и предотвращения перенапряжения^[22][23].

В промышленности практикуется вынос ограничителей в специальные модули для защиты управляющей электроники и минимизации последствий разрушения самих устройств.

Используются в ВЧ трактах для узкополосной фильтрации; эффективны на частотах выше 400 МГц, в том числе в Wi-Fi и радиосвязи.

Технология основана на каскаде индуктивностей, конденсаторов и резисторов, образующих фильтр низких частот. В отличие от варисторных решений энергию всплеска здесь не шунтируют на землю, а рассеивают в виде тепла или возвращают после фильтрации.