Меню

Ограничитель при малом напряжении

Что такое ограничитель перенапряжения и как он работает?

Одним из наиболее опасных аварийных режимов в электрических сетях является импульсный скачек напряжения при атмосферных разрядах, перехлесте линий или коммутационных операциях. Эта величина значительно опережает нарастание импульсного тока и воздействует на изоляцию электрооборудования и других устройств, поэтому классические автоматы и другие защиты, реагирующие на изменение номинального тока, против нее не эффективны.

Значение перенапряжения может в разы превышать номинальную рабочую величину, поэтому такое явление подвергает опасности все оборудование и элементы сети. Для предотвращения значительных убытков и последующих затрат на восстановление в электроустановках используются ограничители перенапряжения (ОПН).

Устройство и принцип действия

Конструктивно ограничитель перенапряжения включает в себя полупроводниковый элемент с нелинейной величиной сопротивления. Как правило, в роли таких элементов выступают вилитовые диски, изготовленные на основе оксидов цинка с включением в из состав тех или иных примесей. Снаружи диски закрываются защитной рубашкой, а на концах имеют электрические выводы, один из которых подводится к защищаемой электрической сети, а второй заземляется. Пример частного варианта устройства ограничителя перенапряжения представлен на рисунке 1 ниже:

Работа ОПН схожа с обычным варистором, отличительной особенностью ограничителя являются некоторые различия с характеристикой варистора в части проводимости и скорости нарастания. Принцип действия ограничителя перенапряжения заключается в его нелинейной вольт-амперной характеристике (ВАХ). Это означает, что при номинальном напряжении сопротивление варисторов достаточно большое и ток через них не протекает – его сопротивление изоляции соизмеримо с изоляцией кабелей, изоляторов и электрических приборов.

В рабочем режиме при возникновении грозовых разрядов или других высоковольтных импульсов сопротивление нелинейных резисторов внутри ограничителя резко снижается. Как правило, эта величина приближается к нулю или несоизмеримо меньше сопротивления сети и всех подключенных к ней приборов. Поэтому при коммутационных или грозовых перенапряжениях ток разряда протекает только через ограничитель перенапряжения на землю, чем и обеспечивается защита электрооборудования.

Пределы срабатывания ограничителя перенапряжений на разряды молний или другие импульсные перенапряжения определяются его ВАХ.

Как видите из рисунка 2, при работе ограничителя перенапряжения до 600В, протекающий через него ток будет равен нулю. Как только это значение пересечет отметку в 600В, сопротивление резко уменьшиться и протекающий ток увеличиться до сотен и тысяч ампер.

Здесь кривая характеристики представлена тремя участками:

  • 1 – область нулевых или сверхмалых токов;
  • 2 – область средних токовых нагрузок;
  • 3 – область максимального тока.

Применение

Ограничитель перенапряжения применяется для предотвращения нарастания перенапряжения на электрическом оборудовании с последующим переводом импульса разряда на землю.

Широкое применение нелинейных ограничителей распространено в линиях электропередач, где они выступают в роли молниезащиты, а сами провода являются молниеприемниками. В промышленных целях ограничители перенапряжения используются для защиты различных электрических аппаратов и персонала, к примеру, на тяговых и трансформаторных подстанциях, распределительных устройствах и т.д. В бытовых устройствах ОПН применяются для установки в электрических щитках на вводе в здание или для защиты какого-либо ценного оборудования.

Виды ОПН

В связи с большим спектром решаемых задач ограничители перенапряжения подразделяются на несколько видов, которые отличаются по таким параметрам:

  • Класс напряжения – рабочая величина, на которую рассчитан ограничитель, разделяется на устройства до 1кВ и выше, как правило, номинал напряжения соответствует стандартному значению электрических параметров сети (6, 10, 35 кВ).
  • Материал рубашки – определяет тип изоляции наружного слоя, наиболее часто используются фарфоровые или полимерные модели.
  • Класс защищенности – определяет возможность установки или на открытой части, или только внутри помещения.
  • Количеству элементов или фаз – число ограничителей перенапряжения зависит от числа защищаемых фаз и величины питающего их напряжения.
Читайте также:  Заряд акб таблица по напряжению

Так для каждой из фаз в электроустановке может устанавливаться отдельная колонка или одна для всех. Также следует отметить, что в электроустановках на 110 кВ и более ОПН для одной фазы может собираться из нескольких однотипных элементов, к примеру, из трех на 35 кВ.

В зависимости от причин возникновения перенапряжения в сети устройство защиты должно выстраиваться в соответствии с требованиями стандартов:

  • ГОСТ Р 50571.18-2000 – от возможных перенапряжений в низковольтных сетях при замыканиях по высокой стороне.
  • ГОСТ Р 50571.19-2000 – от скачков, образованных воздействием молнии и возникающих в результате переключения электроустановок.
  • ГОСТ Р 50571.20-2000 – от перенапряжений генерируемых электромагнитными воздействиями.

Комбинация нескольких видов позволяет выстраивать многофункциональные или ступенчатые ограничители.

Фарфоровые

Достаточно распространенным вариантом являются ограничители коммутационных перенапряжений с фарфоровым корпусом. Такие модели отличаются своими эксплуатационными параметрами, так как керамика невосприимчива к воздействию солнечной радиации, а находящийся внутри вентильный разрядник практически не зависит от температуры внешней среды.

Также весомым преимуществом этих ограничителей является большая механическая прочность на сжатие и разрыв, благодаря чему их можно использовать и в качестве опорной конструкции. Но фарфоровые ОПН характеризуются сравнительно большим весом, а также представляют значительную угрозу в случае разрыва, так как осколки фарфора поражают близлежащие здания и могут травмировать персонал.

Полимерные

С развитием химической отрасли и распространением полимеров в качестве диэлектриков они значительно вытеснили фарфоровые ограничители. Полимерные ОПН представляют собой устройства с рубашкой из каучука, винила, фторопласта или других подобных материалов.

Полимерные ограничители куда боле устойчивы к воздействию влаги, отличаются меньшим весом и большей взрывобезопасностью, так как в случае разрушения корпуса избыточным давлением внутри колонки, рубашка повреждается по линии разлома, но не разлетается острыми осколками. Значительным преимуществом полимерных моделей является их устойчивость к динамическим нагрузкам.

К недостаткам полимерных ОПН относится способность к накоплению пыли и прочих засорителей на поверхности диэлектрика, которые со временем приводят к повышению пропускной способности, увеличению тока утечки и пробою изоляции. Также полимеры боятся солнечной радиации и температурных колебаний в окружающей среде.

Одноколонковые

Такие ограничители перенапряжения представляют собой один конструктивный элемент с нелинейным сопротивлением. Число полупроводниковых дисков в них набирается в соответствии с категорией защищаемой электроустановки. В зависимости от количества и типа осаживающейся на поверхности пыли и засорителей, одноколонковые ОПН подразделяются по классам от II до IV согласно градуировке ГОСТ 9920.

Многоколонковые

В отличии от предыдущих устройств борьбы с коммутационными перенапряжениями, эти средства защиты высоковольтного оборудования имеют несколько колонок, модулей или блоков, объединяемых в одну систему. Данный вид ОПН характеризуется большей надежностью по отношению к защищаемым объектам, так как способен реагировать и на одиночные, и на дифференциальные перенапряжения.

Технические характеристики

При выборе конкретной модели ограничителя перенапряжения обязательно учитываются такие параметры устройства:

  • Время срабатывания – характеризует скорость открытия полупроводникового элемента ограничителя после нарастания напряжения.
  • Рабочее напряжение – определяет величину электрической энергии, которую ОПН может выдерживать без нарушения работоспособности в течении любого промежутка времени.
  • Номинальное повышенное напряжение – значение рабочей величины, которое ОПН способен выдерживать в течении 10 секунд, также нормируется совместно с остаточным напряжением, которое остается в сети.
  • Ток утечки – возникает как результат приложения напряжения к ограничителю перенапряжения и определяется его омическим сопротивлением или параметрами резисторов. В исправном состоянии этот параметр составляет сотые или тысячные доли ампер, перетекающие по рубашке и полупроводнику от источника к проводу заземления.
  • Разрядный ток – величина, образующаяся при импульсных скачках, в зависимости от источника перенапряжения разделяется на атмосферные, электромагнитные и коммутационные импульсы.
  • Устойчивость к току волны перенапряжения – определяет способность сохранять целостность всех элементов конструкции в аварийном режиме.
Читайте также:  Сдерживающее напряжение что это такое

Обслуживание и диагностика ОПН

В процессе эксплуатации ограничители перенапряжения не являются одноразовым элементом. Поэтому могут многократно производить операции перевода импульсного разряда на заземляющую шину автоматически. Из-за особенностей протекания и величины перенапряжения ОПН может утрачивать заводские параметры, снижать эффективность работы до полного выхода со строя. Для предотвращения подобных ситуаций они подвергаются периодической проверке в процессе эксплуатации, которая регламентируется п.2.8.7 ПТЭЭП. При этом проверяется:

  • Сопротивление – не менее раза в 6 лет, измеряется при помощи мегаомметра.
  • Ток проводимости – проверяется только при условии снижения предыдущего параметра.
  • Пробивное напряжение и герметичность проверяются только после заводского ремонта или при приемке в эксплуатацию на заводе. Самостоятельно электроснабжающими и эксплуатирующими организациями такие меры диагностики для ограничителей не производятся.
  • Тепловизионные измерения должны выполняться в соответствии с регламентом изготовителя или местными планово-предупредительными ремонтами.

Также в процессе эксплуатации может выполняться внешний осмотр устройства на наличие подгаров, сколов, загрязнения или других дефектов в изоляции.

Источник



Ограничитель тока нагрузки с низким падением напряжения

Linear Technology LT1636

У большинства распространенных ограничителей тока падение напряжения слишком велико для современных низковольтных систем. В статье предлагается схема с очень незначительным падением напряжения, в большей степени отвечающая сегодняшним требованиям.

Очень часто возникает необходимость ограничения тока источника питания, для чего, как правило, используются устройства, состоящие из датчика тока, схемы управления и проходного транзистора. Датчиком тока может служить простой низкоомный резистор. Поскольку падающее на нем напряжение пропорционально току нагрузки, это напряжение можно использовать для управления током, идущим через проходной транзистор.

Пример подобной схемы ограничителя с низкоомным резистором RSENSE в качестве датчика тока показан на Рисунке 1 [1]. До тех пор, пока падение напряжения на резисторе меньше примерно 0.6 В, открыт только транзистор T1. Как только ток нагрузки достигает значения, при котором напряжение на RSENSE превышает 0.6 В, открывается транзистор T2. Ток базы T1, управляемый транзистором T2, уменьшается и, как следствие, ток эмиттера T1 падает.

Рисунок 1. Простой, повсеместно используемый ограничитель тока
состоит из токоизмерительного резистора (как правило,
низкоомного), схемы управления и проходного транзистора.

Однако эта простая схема имеет серьезный недостаток, обусловленный падением напряжения на элементах устройства. В активном режиме ограничителя напряжение насыщения транзистора T1 составляет около 1 В, а на резисторе RSENSE падает примерно 0.6 В. Суммарное падение напряжения равно приблизительно 1.6 В. Поэтому, если ограничитель подключен к источнику питания +5 В, нагрузке достанется лишь порядка 3.4 В, что в низковольтных схемах абсолютно неприемлемо.

Читайте также:  Как снять напряжение с вилки

Альтернативная схема основана на регуляторе напряжения LM317, используемом в режиме ограничения тока. Однако и в этом случае на схеме падает порядка 2 В. Еще в одной схеме, описанной в [2], в качестве проходного устройства используется P-канальный MOSFET, затвор которого управляется усиленным падением напряжения на RSENSE. На этой схеме падает всего 0.6 В.

Ограничитель тока, схема которого показана на Рисунке 2, отличается очень низким падением напряжения и не мешает работе низковольтных схем. Схема рассчитана на минимальное входное напряжение 5 В, а максимальное значение зависит от выбора нескольких компонентов. Падение напряжение на токоизмерительном резисторе 0.1 Ом дифференциально усиливается микросхемой IC1. Напряжение питания +5 В подается на микросхему с регулятора на стабилитроне D1.

Рисунок 2. Преимуществом этой более сложной схемы ограничителя тока перед
предыдущей является намного более низкое падение напряжения, что
очень важно при работе с низковольтными источниками питания.

Для возможности изменения порога ограничения тока коэффициент усиления микросхемы регулируется подстроечным резистором R5. Выход микросхемы IC1 управляет сопротивлением сток-исток низкопорогового MOSFET Q2, а ток стока Q2 управляет током светодиода оптоизолированного драйвера MOSFET VOM1271.

При небольшом токе нагрузки падение напряжения на RSENSE мало, и выходное напряжение IC1 остается более низким, чем порог включения транзистора Q2. В результате через светодиод драйвера MOSFET протекает ток, создающий на его выходе напряжение около 8 В – достаточно высокое для того, чтобы полностью открыть транзистор Q1. Когда ток нагрузки достигает значения, при котором открывается транзистор Q2, напряжение затвор-исток транзистора Q1 падает, и ток нагрузки уменьшается.

Схема испытывалась с источником питания +12 В и мощным 100-омным переменным резистором в качестве нагрузки. С помощью подстроечного резистора R5 порог ограничения тока был установлен на уровне чуть выше 1 А. В процессе плавного уменьшения сопротивления нагрузки от максимального значения измерялись напряжения на Q1, RSENSE и нагрузке (Рисунок 3). Для токов нагрузки от 0.25 А до 1.3 А падения напряжений на транзисторе Q1 и на Q1+RSENSE составляли 0.09 В и 0.235 В, соответственно.

Рисунок 3. Изменения падения напряжений на нагрузке, на транзисторе Q1 и
на Q1+RSENSE в зависимости от тока нагрузки имеют
относительно плоский характер.

При максимальном токе нагрузки 1.3 А на резисторе RSENSE падает 0.145 В, что вносит существенный вклад в общее падение напряжения. Чтобы снизить падение напряжения еще больше, нужно уменьшить сопротивление резистора RSENSE. Увеличенный по вертикали масштаб позволяет увидеть характер зависимости падения напряжения на транзисторе Q1 и на Q1+RSENSE от тока нагрузки (Рисунок 4). Когда ток нагрузки превышает установленный порог, схема переключается в режим прогрессирующего ограничения тока.

Рисунок 4. Увеличенный по вертикали масштаб напряжений на транзисторе Q1 и
на Q1+RSENSE позволяет более отчетливо увидеть действие
прогрессирующего ограничения тока, происходящего, когда ток
нагрузки превышает установленный порог.

Этот ограничитель тока предназначен для использования в низковольтных приложениях начиная с +5 В. Для расширения диапазона входных напряжений резистор R6, ограничивающий ток через стабилитрон, можно заменить стабилизатором постоянного тока и выбрать транзистор Q1 с бóльшими значениями допустимого напряжения и тока. Полностью собранный ограничитель можно поместить в корпус и использовать его как трехвыводное устройство (Рисунок 5).

Источник