Катодни отводители
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8, 2006
Предназначение, технологии, избор и правила за инсталиране
Пренапреженията са сред основните причини за повреждане на скъпоструващо електронно оборудване, което води до сериозни материални загуби. Пренапреженията се генерират от мълнии, превключващи операции в енергийната мрежа, или паразитни смущения. Известно е, че безопасната, надеждна и ефективна работа на предприятията от всички индустриални области зависи от автоматизираните системи за мониторинг, контрол и управление, както и от захранващите електрически мрежи. Излизането на захранващите и управляващите системи от строя би могло да доведе не само до сериозни материални загуби, но и до катастрофални последици. Загубите поради престой, ремонт, загуби на информация, загуби на продукция често са сериозни и в материално изражение и то в пъти по-големи от стойността на повреденото оборудване.
Във свят, в който се използват все повече електронни системи, чувствителността на електронното оборудване непрекъснато се увеличава паралелно с нарастването на сложността на енергийните и комуникационните мрежи, вследствие на което ролята на защитите от пренапрежение става все по-важна. Поради процеса на миниатюризация на електронните изделия, модерното оборудване в момента е по-чувствително към пренапрежения. Според резултатите от проучване, направено от една от водещите в световен мащаб застрахователни компании, около 60% от повредите в битовата електронна апаратура се дължат на пренапрежения. Защитата от пренапрежение осигурява първо ниво на защита за цялото електрическо оборудване на входната точка на захранващите и информационни линии.
Оценка на риска от мълнии
От гледна точка на пренапреженията, най-голяма опасност за електронното оборудване представлява прякото попадение на мълния. Често енергийният стрес, предизвикан от нея, е най-важния параметър при избор на катоден отводител. Сред най-важните характеристики на мълниите е тяхната амплитуда. Тя не зависи от географското местонахождение. На фиг. 1 в графичен вид са показани резултатите от мащабно проучване, проведено от Френския институт по метеорология, състоящо се в измерване амплитудите на повече от 5.4 млн. мълнии във Франция за периода 1995 до 2004 г. Графиката представя обобщената кумулативна честота на мълниите във функция от тяхната амплитуда. Подобни резултати би следвало да се предполагат и за България.
Параметърът, който се определя за всяка страна поотделно, е средногодишният брой на мълниите Ng. Параметърът Ng се дефинира като интензивност на мълниеносната дейност (средногодишен брой на мълниите на 1 кв.км.) и се получава посредством измерване. В случай че отсъстват достатъчно сериозно изследвания по темата, параметърът Ng математически би могъл да се изчисли посредством следната зависимост - Ng » 0.1 Td, където Td е интензивност на мълниеносната дейност в часове за годината (в съответствие с Наредба 8/2004 г. за Мълниезащитата на сгради, външни съоръжения и открити пространства). Оценката на риска от мълния се осъществява посредством специфична Ng карта. На фиг. 2 е показана Ng картата за България.
Комутации в енергийната преносна мрежа
Превключването на прекъсвачи, трансформатори, мотори, индуктивности, както и рязка промяна на товарите води до много бърза промяна на тока (di/dt) и генерира преходни напрежения. В сравнение с пренапреженията, генерирани от мълнии, тези пренапрежения съдържат по-малко енергия, но възникват по-често. Те са вредни, тъй като се генерират директно във фазовите проводници. Отличават се с кратка продължителност, стръмна форма на вълната и голяма амплитуда (до няколко киловолта) и водят до преждевременно стареене на електронното оборудване.
Предназначение на катодните отводители
Катодните отводители са предназначени за защита на електрическите системи и консуматори от преходни пренапрежения и импулсни токове, породени от мълнии или комутации в мрежата. Преходното пренапрежение представлява напреженов връх с кратка продължителност (по-кратка от милисекунди), чиято амплитуда може да достигне стойности, в пъти по-големи от номиналното напрежение. Електрическото и електронното оборудване се характеризират с устойчивост спрямо преходните пренапрежения (диелектрическа якост), тъй като съдържат изолация на фазите спрямо нулата или земята. Стойностите на тази изолация може да варират от няколкостотин волта за чувствително електронно оборудване до няколко киловолта за електрически мотори.
Без инсталиран катоден отводител, пренапрежението достига електрическия уред. Ако устойчивостта на пренапрежение на уреда е премината, се получава пробив в изолацията и целият токов импулс преминава през него. На фиг. 4 са илюстрирани двете функции на катодния отворител - отвеждне на токовия импулс към земя и ограничаване на пренапрежението.
Всеки катоден отводител съдържа поне един нелинеен елемент (варистор или искрова междина). По време на нормална работа (отсъствие на пренапрежения), катодният отводител не трябва да оказва влияние върху системата, към която е инсталиран. Той поддържа изолацията между фаза и земя. Когато възникне пренапрежение, катодният отводител намалява импеданса си за няколко наносекунди и отвежда импулса. Пренапрежението е ограничено до допустима стойност за последващото електрическо оборудване. След отвеждането на импулса, катодният отводител възстановява своя висок импеданс.
Симулиране на мълнии
С цел разработване и изпитване на надеждни и сигурни катодни отводители стандартно са въведени две форми на вълни, с които се симулират ефектите от пряко и индиректно попадение на мълния или комутационно пренапрежение. Продължителната вълна (10/350 ms) се използва за симулиране на пряко попадение на мълния и свързаната с него голяма енергия. В ролята на източник на ток от мълнии се смята генератор, който генерира токови вълни 10/350. Посредством краткотрайна вълна (8/20 ms) се представя непряко попадение, комутационно пренапрежение или паразитни интерференции.
Катодни отводители с искрова междина или газоразрядна тръба
Съществуват различни видове катодни отводители, сред най-широко разпространените от които са устройствата, съдържащи искрова междина или газоразрядна тръба. Представляват защитни устройства, които превключват напрежението. Характерно за тях е, че имат висок импеданс при липса на пренапрежение. При поява на пренапрежение, импедансът им рязко спада до 0.1 - 1 W за период от около 100 ns. Тези устройства се характеризират с прекъсната напрежено-токова характеристика.
Искровата междинна или газоразрядната тръба се изпълняват с два електрода, като първият е свързан към едната фаза, а вторият към земя. Искровата междина прекъсва остатъчния ток в дъгогасителната камера. След като пренапрежението е разредено през катодния отводител, електрическото захранване продължава да генерира ток, който поддържа електрическата дъга (остатъчен ток). Дъгогасителната камера изгасява дъгата. Ако дъгата не се загаси, то токът достига стойност на късо съединение и горестоящият предпазител се стопява.
Главна характеристика на искровата междина е капацитетът й да издържа на висока енергия от пряко попадение. По тази причина се използват главно за катодни отводители Тип 1 и комбиниран тип (Тип 1+2).
Катодни отводители с метално-оксиден варистор
Варисторите са нелинейни елементи с непрекъсната напрежено-токова характеристика. Катодните отводители, базирани на варистори, ограничават напрежението. Характерно за тях е, че имат висок импеданс при липса на пренапрежение (през тях протича ток на утечка). Техният импеданс намалява за продължителен период от време, при поява на пренапрежение. При приложено пренапрежение, нормалното съпротивление на варистора (1 MW) ще падне под 1 W за няколко наносекунди.
Характерно за варисторите е, че не притежават остатъчен ток, докато катодните отводители, изработени на базата на искрови междини, включват елементи, които прекъсват остатъчния ток (т.е. дъгогасителните камери).
Комбиниран тип катоден отводител
Представляват защитни устройства, които съчетават превключващи напрежението компоненти и ограничаващи напрежението компоненти. Като технология комбинираният тип катодни отводители са базирани на искрови междини и варистори. Характеризират се с голяма енергия от мълния (Тип 1) и в същото време предлагат добро (ниско) ниво на защита (Тип 2). Сред спецификите им е способността да издържат вълни 10/350 (пряко попадение на мълния) и вълни 8/20 (непряко попадение, комутационно пренапрежение).
Избор на катоден отводител
Изборът на катоден отводител се базира на критерии, които се оценяват при определяне на риска от мълнии. Основни критерии, които следва да се вземе предвид при оценяване на риска от директно или индиректно попадение, включват финансовия аспект, породен от разрушенията и/или загубите от престой. Дори приложения, при които защитата не е задължителна, използването й е препоръчително, тъй като нулев риск не съществува и тя винаги ще бъде полезна.
Техническите характеристики, на основата на които се прави изборът на катоден отводител, са:
l
Ниво на защита по напрежение (Up);l
Максимален разряден капацитет Iimp и Imax (10/350 или 8/20 импулсна вълна);l
Система на заземяване;l
Работно напрежение(Uc, Ut);l
Допълнителни възможности (изваждаем индикатор за изчерпване, безопасен резерв, дистанционна сигнализация).Двата параметъра на напрежението U
c и Ut на катодния отводител се избират с оглед изпълнение на следното условие. Катодният, отводител в комбинация със защитаващия го предпазител, да издържи безпроблемно временно пренапрежение, без да промени свойствата или функционалността си. Изборът на Iimp и Imax на катодния отводител за защита от директно попадение от мълния се базира на разрядния капацитет на катодния отводител. Той се определя от неговите електрически характеристики и трябва да се избира според нивото на риск.Принцип на координация
След определяне характеристиките на входящия катоден отводител, защитата трябва да се комплектова с един или повече допълнителни катодни отводители. Входящият катоден отводител не би могъл да осигури ефективна защита за цялата инсталация. Необходимо е да се обърне внимание на факта, че ако дължината на кабела след входящия катоден отводител надвишава 10 м, е възможно остатъчното напрежение да се удвои. Затова се налага в случай на комбинирано използване катодните отводители да се координират. Прието е, координация да се изисква, когато входящият катоден отводител не би могъл да осигури нужното ниво на защита по напрежение Up, както и когато входящият катоден отводител е на повече от 10 м спрямо защитаваното оборудване.
Инсталиране на катодните отводители
Главният катоден отводител се инсталира веднага след главното изключващо (прекъсвач или разединител) устройство на инсталацията. Необходимо е катодният отводител да бъде съвместим с допустимото напрежение на оборудването, което ще бъде защитавано; да се намира в близост до оборудването, което ще бъде защитавано, и да бъде координиран с другите катодни отводители.
Катодните отводители трябва да бъдат защитени от горестояща защита от късо съединение и дефектнотокова защита за защита от индиректен допир.
Мероприятия за огранича-ване на пренапреженията
С цел ограничаване на пренапреженията е необходимо да се избягват затворени контури, разположени на големи площи, както и съвпадащи трасета за слаботокови и силнотокови проводници. Добре би било да се избягва и кръстосване на снопове проводници, както и да се предвиждат достатъчно големи разстояния между тях. Необходимо е също така да се отчита присъствието на уреди или инсталации, които генерират пренапрежения. Да се анализира местоположението им по отношение на чувствителното оборудване и да се осигури достатъчно разстояние и/или да се инсталира катоден отводител.
Препоръчително е използването на екранирани кабели и оборудване. За да се избере правилно защитата от пренапрежение, е необходимо да се вземат предвид системите на заземяване на сградата. Не по-малко важно е да се изберат правилно защитните устройства на катодните отводители. За предпочитане са дефектнотокови защити селективен тип за защита от индиректен допир, с цел избягване на лъжливи изключвания.
Терминология при катодни отводители
Катоден отводител - Устройство, предназаначено да ограничава преходно пренапрежение и да отвежда токове и мълнии към земя.
Вълна 1.2/50 - Стандартизирана пренапрежителна вълна, която се добавя към стандартното мрежово напрежение. Използва се от производителите на електроуреди за тестване на изделията. Вълна 8/20 - Токова вълна, която преминава през уредите, когато са обект на пренапрежение (ниска енергия). Вълна 10/350 - Токова вълна, която преминава през уредите, когато са обект на пренапрежение, дължащо се на пряко попадение от мълния.
Катоден отводител Тип 1 - предназначен e да отвежда енергия, породена от пренапрежение, сравнимо по мощност с това от пряко попадение от мълния. Защитните устройства от Тип 1 се тестват стандартно с вълна 10/350.
Катоден отводител Тип 2 - предназначен да отвежда енергията, породена от пренапрежение, сравнимо по мощност с това от непряко попадение или комутационно пренапрежение. Защитните устройства от Тип 2 преминават стандартен тест с вълна 8/20 (клас 2 тест).
Up - ниво на защита по напрежение. Параметър на катодния отводител, който характеризира ограничаването на напрежението от самото устройство. Стойността му е по-голяма от най-високата стойност, получена от специални измервания.
In - номинален разряден ток. Дефинира се като стойност на върхов ток при вълна 8/20, протичаща 15 пъти през катодния отводител. Използва се, за да се определи стойността на Up на катодния отводител.
Imax - максимален разряден ток. Дефинира се като стойност на върхов ток при вълна 8/20, протичаща през катодния отводител, Imax. е по-голям от In.
Un - номинално AC напрежение на мрежата.
Uc - максимално продължително работно напрежение (IEC 61643-1). Дефинира се като максималното AC/DC напрежение, което може да бъде приложено за продължително време на катодния отводител.
Ng - представлява интензивността на мълниеносната дейност, представена като средногодишнен брой на мълниите на 1 кв.км.
Ut - устойчивост на временно пренапрежение. Дефинира се като максималното AC/DC напрежение, на което може да бъде подложен катодният отводител. Ut е по-голяма от максималното продължително работно напрежение Uc, за отбелязаното време.
Пряко и индиректно попадение на мълния
Отделяната от мълнията мощност от порядъка на няколкостотин гигавата може да предизвика разрушителен или смущаващ ефект върху електрическите мрежи на разстояние до няколко километра от точката на попадение. Последствията от мълнията зависят в голяма степен от точността на попадението й върху електронната апаратура. При пряко попадение върху външни отделно стоящи мълниеотводи (пръти, въжета) или на изолирани токоотводи, разположени на защитавания обект, съпротивлението на заземителната система ще индуктира в заземителния проводник пренапрежение от порядъка на няколко хиляди волта. От друга страна, потенциалът на фазовите проводници и нулевия проводник остава съответно 230 V и 0 V, спрямо земята. Електрическото оборудване, свързано между фазовите проводници и земята, ще се повреди и част от тока на мълнията ще протече през него (фиг. 3а). При пряко попадение върху въздушна линия голямото количество енергия, пряко влизаща в инсталацията, ще разруши електрическото или електронно оборудване, свързано към нея (фиг. 3б).
В случай на индиректно попадение на мълнията магнитното поле, предизвикано от нея, ще генерира пренапрежение във всеки затворен контур, съставен от проводници (ефект на трансформатора/магнитно куплиране). При непряко индуктивно куплиране (фиг. 3в) въздушните линии представляват затворен контур, тъй като неутралата или защитният проводник се заземяват на всеки няколко стълба. Попадение в околностите на такава линия ще генерира пренапрежение в нея. В приложения с пряко индуктивно куплиране попадение на мълния върху външни мълниеотводи на сграда ще индуктира пренапрежение в затворените контури на електрическата й мрежа (фиг. 3г).
Характеристики на мълниите
Мълнията притежава форма на вълната, която се характеризира с много рязък пик на тока и дълга опашка от излишна енергия. В допълнение към голямата амплитуда, основен проблем е много високата скорост на повишаване на тока, която води до висока стойност на напрежението, индуктирано в проводниците. Повече от 75% от разрядите на мълнии не са единични. След първичния разряд в период от 30 - 200 милисекунди следват нови разряди. Средният им брой е три, като са измервани и до 20 броя повторения.
Фронтът на тока на мълнията може да достигне до 10кА/
ms за първичен удар и дори по-високи стойности за повторни удари. Скоростта на нарастване на напрежението достига до 12 000 V/мs, повече от достатъчно да повреди дори най-устойчивите електрически вериги. За характеризиране на мълниите, в Европейския стандарт IEC 61312-1, Анекс В, е въведена вълна 10/350 за първия удар и вълна 0.25/100 за последващите. При избора на катоден отводител се взима предвид само първичният разряд, тъй като той нанася най-сериозни щети на защитното устройство.Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 6/2024
