Home / Почва / Разрядники в сравнении с ОПН (УЗПН). Основные различия

Разрядники в сравнении с ОПН (УЗПН). Основные различия

Устройство и принцип работы газового разрядника

Принцип работы газового разрядника построен на использовании газового пробоя. Его возникновение показано на примере трехвыводного трубчатого газового разрядника (рисунок 2а). Такой разрядник представляет собой керамическую колбу с инертным газом. Колба герметично запечатана. Внутренняя часть электродов (L1, L2, общего) имеет особую форму, которая призвана сформировать электрическое поле. В ряде случаев разрядники снабжены дополнительным термопредохранителем (Failsafe Clip), его работа описана ниже.

Рис. 2. Принцип работы и устройство газового разрядника

Рис. 2. Принцип работы и устройство газового разрядника

Условную ВАХ газоразрядника можно разделить на несколько участков (рисунок 2б).

  • Участок 1 (участок низких напряжений). Если между общим выводом и одним из выводов L (L1 или L2) приложено незначительное напряжение, то ток через разрядник не потечет из-за сверхнизкой электропроводности инертного газа. Увеличение напряжения не сопровождается ростом тока до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение срабатывания.
  • Участок 2 (возникновение тлеющего разряда). При достижении напряжения срабатывания энергия электрического поля оказывается достаточной для того, чтобы произошла ионизация молекул газа. Происходит лавинное нарастание числа носителей заряда. Через газовый промежуток начинает протекать незначительный ток, а напряжение падает до значения напряжения тлеющего разряда.
  • Участок 3 (тлеющий разряд). При дальнейшем увеличении тока напряжение между электродами незначительно увеличивается.
  • Участок 4 (возникновение электрической дуги). Если мощность внешнего источника достаточно велика, то, при росте тока свыше определенного предела энергия поля оказывается достаточной для того, чтобы заряженные частицы преодолели путь от электродов L к общему электроду без потерь энергии. Устанавливается устойчивый проводящий канал – электрическая дуга. Напряжение резко падает.
  • Участок 5. Дальнейшее увеличение тока происходит без роста напряжения.

Если после возникновения дуги снять внешнее напряжение, то проводящее состояние газового промежутка сохраниться до тех пор, пока накопленная энергия не будет поглощена и число свободных носителей не придет в норму. Данный процесс достаточно сильно затянут во времени. Большая инерционность газоразрядника является одним из основных его недостатков.

Для защиты разрядника от перегрева и разрушения используется особое корпусное исполнение с дополнительным термопредохранителем (Failsafe Clip). Термопредохранитель представляет собой металлическую пластину, которая работает как термостат. Если в процессе работы происходит перегрев общего вывода, то перегретый термопредохранитель деформируется и замыкает общий вывод и выводы L между собой. Ток начинает протекать вне газового промежутка. Таким образом, разрядник оказывается защищенным от перегрева и разрушения.

Разрядники в сравнении с ОПН (УЗПН). Основные различия

Достаточно сложный механизм работы разрядника – причина большого числа приводимых производителем в документации специфических параметров.

Разрядники формируют альтернативный путь для разряда (импульсного перекрытия) на удалении от изолятора и обеспечивают отключение сопровождающего тока, возникающего вслед за импульсным перекрытием. У длинно-искровых разрядников разряд развивается по внешней поверхности рабочего элемента – кабеля, у мультикамерных – в камерах между электродами внутри силиконовой оболочки. В обоих случаях основная энергия выделяется снаружи устройства.

ОПН (УЗПН) представляет собой колонку из варисторов, заключенных в полимерную оболочку. Варистор обладает нелинейной вольтамперной характеристикой, это означает, что при повышении приложенного к нему напряжения, его сопротивление резко уменьшается. Таким образом при срабатывании, импульсный ток протекает внутри ОПН, а как только приложенное к нему напряжение снижается, он «закрывается».

Особенности характеристик GDT

Из описанных выше конструктивных отличий, вытекают и отличия в характеристиках и испытаниях. Для разрядников самое главное – это правильный путь разряда и обеспечение координированного срабатывания с защищаемой изоляции, при этом пропускная способность настолько велика, что ее проверка выходит на второй план, как и ограничение перенапряжения.

А вот у ОПН, главное обеспечить тепловое равновесие варисторов, так как при протекании по ним тока выделяется большое количество энергии, а также исключить перекрытие вдоль колонки варисторов. Отсюда испытания прямоугольным импульсом, импульсами 8/20 мкс, а также появление такой характеристики, как рассеиваемая энергия. И конечно, ОПН обязан обеспечивать ограничение перенапряжения.

Разрядники и ОПН разрабатывались для разных целей, принципы действия данных устройств различны, а потому и сферы их успешного применения отличаются – там, где хорошо справляется с задачей разрядник, ОПН может “спасовать”, справедливо и обратное.

ОПН и УЗПН чувствительные к перегреву. Тогда как разрядники устойчивы к длительному воздействию повышенных температур и сохраняют свою работоспособность, даже если разогреваются до температуры выше рабочего диапазона. ОПН и УЗПН не устойчивы к прямому удару молнии. В свою очередь разрядники способны выдержать воздействии энергии импульса прямого удара молнии, сохранив работоспособность.

В РДИ и РМК основная часть разряда проходит снаружи аппарата, и поэтому они могут пропустить без повреждений гораздо большие импульсные токи (токи молнии), чем УЗПН. При индуктированных перенапряжениях, это различие несущественно, но ВЛ 6-20 кВ, хоть и редко, могут подвергаться прямым ударам молнии, в этом случае УЗПН могут повреждаться.

Основными параметрами газоразрядников являются статическое и динамическое напряжение срабатывания, номинальный и импульсный ток разряда, напряжение во включенном состоянии (напряжение дуги), сопротивление изоляции, собственная емкость в состоянии покоя, параметры эксплуатационного ресурса. Каждый из параметров нуждается в особом пояснении.

Как было показано выше, пробой представляет собой многоступенчатый растянутый во времени процесс. Возникновение лавины, время пролета ионов между электродами – все это требует времени. По этой причине, если входное напряжение нарастает достаточно быстро, то к моменту включения разрядника напряжение достигнет достаточно большого значения. Чем выше скорость нарастания, тем больше будет напряжение, при котором включится разрядник (рисунок 3).

Рис. 3. Зависимость напряжения срабатывания от скорости нарастания входного импульса

Рис. 3. Зависимость напряжения срабатывания от скорости нарастания входного импульса

Чтобы учесть эту особенность, в документации указывается несколько напряжений пробоя для различных скоростей нарастания входного напряжения.

Статическое напряжение срабатывания/включения (DC Breakdown), В, определяет напряжение срабатывания при медленной скорости нарастания импульса. Обычно используется скорость нарастания 100 В/с.

Динамическое напряжение срабатывания/включения (Impulse Breakdown), В, определяет напряжение срабатывания при высокой скорости нарастания импульса. Обычно используется скорость нарастания 100 В/мкс и 1 кВ/мкс.

Предлагаем ознакомиться  Агератум посадка и уход фото когда сеять семена

Напряжение дуги (Arc Voltage или On State Voltage), В – напряжение горения дуги. Фактически, эта характеристика определяет, насколько сильно разрядник может ограничить входную помеху. Данный параметр приводится для конкретного минимального значения протекающего тока.

Рис. 1. Категории и серии газоразрядников производства компании Littelfuse

Напряжение тления (Glow Voltage), В – вспомогательная характеристика, указывающая значение напряжения тлеющего разряда. Этот параметр имеет большое значение при маломощных помехах, которые не способны сгенерировать дугу разрядника.

Ток возникновения дуги (Glow to arc transition current), А. Как было показано выше, переход от тлеющего разряда к электрической дуге требует протекания минимального тока. По сути, данный параметр оказывается вспомогательным.

Номинальный ток разряда (Nominal Discharge Current), А – номинальное значение тока разряда, который разрядник может выдерживать без разрушения.

Номинальный ток импульсного разряда (Nominal Impulse Discharge Current), А. Традиционно указывается для вполне конкретных типов импульсов (8/20 мкс, 10/350 мкс и так далее). Чем короче импульс – тем большее значение токов способен выдерживать разрядник.

Значения разрядных токов тесно связаны с параметрами эксплуатационного ресурса. К сожалению, разрядники не являются «вечными» приборами. С течением времени они выходят из строя – разрушаются электроды, ухудшаются параметры инертного газа. Чем мощнее уровень блокируемых ими помех, тем скорее GDT приходит в негодность.

Эксплуатационный ресурс (Surge Life), количество срабатываний, указывает число срабатываний при заданных параметрах импульсов и разрядных токов.

Собственная емкость в состоянии покоя (Capacitance), пФ – емкость разрядника в выключенном состоянии.

Сопротивление изоляции (Insulation Resistance), Ом, определяет токи утечки в выключенном состоянии. Значение сопротивления разрядников составляет десятки ГОм,

Емкость GDT достаточно мала (единицы пФ), а сопротивление изоляции составляет десятки ГОм. Таким образом, одно из основных достоинств газоразрядников заключается в том, что они не влияют на параметры защищаемых цепей.

Рассмотрение принципа работы и основных параметров газоразрядников позволяет сделать выводы об их плюсах и минусах.

Говоря о достоинствах и недостатках газовых разрядников, имеет смысл сравнивать их с другими ограничивающими элементами: MOV/MLV-варисторами и TVS-диодами.

Высокое значение напряжения срабатывания и напряжения дуги. Данные значения напряжений для GDT лежат в диапазоне от десятков до сотен вольт. Таким образом, использование только GDT для защиты низковольтных цепей затруднительно. Варисторы и TVS-диоды позволяют ограничивать помехи на уровне от единиц вольт.

Зависимость напряжения срабатывания от скорости нарастания импульса. Очевидно, что данная особенность может оказаться критической. Разрядник может еще не включиться, а защищаемое оборудование успеет выйти из строя. Для варисторов и супрессоров данная зависимость не является такой сильной.

Рис. 4. Вольт-секундная характеристика газоразрядника CG5145

Рис. 4. Вольт-секундная характеристика газоразрядника CG5145

Низкое быстродействие. Как было показано выше, на возникновение дуги требуется значительное время. По этой причине защищаемые цепи должны выдерживать воздействие помехи до тех пор, пока GDT не включиться. Для характеристики этой особенности в документации приводят вольт-секундную характеристику (рисунок 4). Она дает представление о быстродействии прибора и процессах развития разряда в целом. По быстродействию MOV/MLV и TVS значительно превосходят GDT.

Длительный период восстановления. После снятия воздействующего импульса восстановление газового разрядника происходит достаточно долго. Это связано с необходимостью рассеивания запасенной энергии, уменьшением числа ионизированных молекул и электронов. Восстановление TVS происходит гораздо более быстрыми темпами и связано с процессами рекомбинации носителей.

Ограниченный срок службы. Возникновение дуги в обязательном порядке приводит к разрушению электродов, ухудшению параметров используемого газа. Срок службы TVS-диодов при отсутствии катастрофических помех практически ни чем не ограничен.

Однако, несмотря на эти особенности, которые необходимо учитывать, GDT имеют существенные достоинства, которые делают их незаменимыми в целом ряде случаев.

Возможность защиты от высоковольтных импульсов. Разрядники имеют возможность выдерживать импульсы напряжений амплитудой до десятков кВ.

Возможность защиты от помех высокой мощности. GDT способны выдерживать мощные импульсы с токами до нескольких тысяч ампер даже при малых габаритах.

Низкая емкость и большое сопротивление изоляции. При подключении GDT не оказывает влияния на электрические характеристики защищаемой линии. Малая емкость не вносит задержку в распространение сигнала, а большое сопротивление не оказывает большого влияния на токи утечки.

Подводя итог, можно сделать вывод о том, что GDT, варисторы и TVS-диоды не могут полноценно взаимно заменять друг друга. Для защиты от мощных помех GDT оказываются незаменимыми. Однако для защиты низковольтных цепей одних лишь разрядников будет недостаточно.

Для комплексной защиты низковольтных линий применяют каскадное включение различных защитных приборов (рисунок 5).

Рис. 5. Каскадное включение защитных приборов

Рис. 5. Каскадное включение защитных приборов

При таком включении основную мощную помеху подавляет GDT. Стоит помнить, что перечисленные ограничители имеют различное быстродействие. По этой причине недостаточно простого параллельного включения приборов. Необходимо создание резистивных или индуктивных линий задержек. В противном случае при возникновении мощной помехи первым выйдет из строя TVS, за ним варистор, а разрядник еще не успеет включиться.

Предлагаем ознакомиться  Картофель берлинка описание сорта фото

Среди приложений GDT основными являются:

  • низкоскоростные интерфейсы телекоммуникационного оборудования (модемы, факсы и так далее);
  • среднескоростные телекоммуникационные интерфейсы (T1/E1/J1/DS1, T3/E3/DS3);
  • высокоскоростные интерфейсы (USB 2.0/3.0, HDMI, eSATA, DisplayPort, DVI, IEEE 1394);
  • линии Ethernet 10/100/1000 BASE-T;
  • приемные тракты антенн ВЧ-ресиверов;
  • коммерческие приложения (IP-камеры, DVR-рекодеры);
  • медицинское портативное и стационарное оборудование;
  • мощные линии питания (источники питания, входные линии питания оборудования) и другое.

Компания Littelfuse выпускает газоразрядники для всех перечисленных областей применения. Все GDT Littelfuse можно разделить на четыре категории: малой и средней мощности, средней и большой мощности, повышенной мощности, с большим уровнем напряжения срабатывания. Рассмотрим их более подробно.

Разрядники средней и большой мощности

К разрядникам малой и средней мощности производства Littelfuse относятся следующие серии: CG5, SL0902A, SL1002A, SL1003A, SL1010A, SL1011A. Их объединяет относительно небольшое значение токов разряда и миниатюрное исполнение (рисунок 6, таблица 1).

Рис. 6. Разрядники малой и средней мощности

Рис. 6. Разрядники малой и средней мощности

Таблица 1. Параметры разрядников малой и средней мощности

Наименование Типовое статическое напряжение включения, В Ном. ток разряда, А Пиковый ток при 8/20 мкс, кА Макс. емкость, пФ U дуги, В Диапазон рабочих темпера-тур, °С Число выводов Исполнение
Mini Tube SMD Аксиаль-ные выводы Радиаль-ные выводы Установка в держатель
CG5 90…600 5 5 1,5 -40…90 2
SL0902A 90…600 5 5 1,5 2
SL1002A 75…600 5 5 1,2 15 2
SL1003A 90…500 10 10 1,2 10…35 3
SL1010A 90…470 5 1,5 10 3
SL1011A 75…600 5 5 1,5 20 2

Серия SL0902A имеет статическое напряжение включения от 90 В и номинальный ток разряда 5 А. Доступно два типа корпусного исполнения – трубчатое (MiniTube) и для поверхностного монтажа (SMD). По сути, SMD-версия имеет аксиальные формованные выводы.

Серия CG5 имеет аналогичные параметры и отличается наличием дополнительного корпусного исполнения с неформованными аксиальными выводами.

SL1002A отличается более широким диапазоном статического напряжения ограничения, который начинается с 75 В. Кроме того, представители серии имеют самую низкую емкость – 1,2 пФ.

Серия SL1003A имеет наибольшее, в данной категории, значение номинального тока разряда – 10 А, при этом пиковый ток достигает 10 кА. Данные разрядники имеют трехвыводное исполнение и могут быть использованы для защиты двух линий одновременно.

SL1010A также является трехвыводным разрядником и может защищать две линии. Особенностью данной серии можно считать наименьшее значение напряжения дуги – всего 10 В.

Существует возможность заказа GDT серий SL1003A и SL1010A с термопредохранителем (FailSafe version).

SL1011A имеет стандартные для данной категории параметры тока разряда, напряжений и емкости. Для защиты от импульсов большей мощности следует обратить внимание на модификацию SL1011B.

Серии GDT производства Littelfuse средней и большой мощности отличаются увеличенными значениями токов разряда по сравнению с описанным выше типом газоразрядников (рисунок 7, таблица 2) Большинство из этих серий можно заказать с термопредохранителем.

Рис. 7. Разрядники средней и высокой мощности

Рис. 7. Разрядники средней и высокой мощности

Таблица 2. Параметры разрядников средней и высокой мощности

Наименование Типовое статическое напряжение включения, В Ном. ток разряда, А Пиковый ток при 8/20 мкс, кА Макс. емкость, пФ U дуги, В Диапазон рабочих темпера-тур, °С Число выводов Исполнение
Mini Tube SMD Аксиаль-ные выводы Радиаль-ные выводы Установка в держатель
SL1122A 90…260 10 10 100…270 10…35 -40…90 3
SL1021A 90…600 10 10 1,5 3
SL1024A 90…600 10 10 1,5 3
PMT8 90…400 10 20 1,5 3
SL1011B 75…350 10 10 1,5 20 2
SL1411A 75…600 10 10 1,5 20 2
PMT3 90…500 20 20 1,5 3
CG/CG2 75…1000 20 20 1,5 15 2

Серия SL1011B имеет параметры, схожие с SL1011A, и большие значения номинального тока разряда – 10 А.

SL1122A отличается наименьшим диапазоном значением напряжений срабатывания – до 260 В. При этом, напряжение дуги принимает наименьшее значение среди серий данной категории и составляет 10 В. Недостатком SL1122A можно считать большую собственную емкость от 100 пФ. Возможен заказ данных GDT с термопредохранителем.

Серии SL1021A, SL1024A и PMT8 имеют схожие параметры и одинаковые трехвыводные корпусные исполнения: с радиальными выводами и для поверхностного монтажа. Однако представители PMT8 имеют повышенное значение пиковых разрядных токов – до 20 кА (импульсы 8/20 мкс). Доступны версии с термопредохранителем.

Предлагаем ознакомиться  Как выглядит растение молочай

PMT3 обладает номинальным током разряда 20 А и импульсным током до 20 кА. Это – рекордные значения для данной категории. Для PMT3 также доступна версия с термопредохранителем.

Серии CG/CG2 также имеют высокие значения разрядных токов. Кроме того, напряжение дуги для CG/CG2 нормировано и составляет 15 В.

Серия SL1411A имеет типовые показатели токов и нормированное напряжение дуги 20 В.

Газоразрядники повышенной мощности

Разрядники сверхвысокой мощности обладают повышенными значениями тока импульсного разряда (рисунок 8, таблица 3).

Рис. 8. Разрядники сверхвысокой мощности

Рис. 8. Разрядники сверхвысокой мощности

Таблица 3. Параметры разрядников сверхвысокой мощности

Наименование Типовое статическое напряжение включения, В Ном. ток разряда, А Пиковый ток при 8/20 мкс, кА Макс. емкость, пФ Диапазон рабочих температур, °С Число выводов Исполнение
Mini Tube SMD Аксиаль-ные выводы Радиаль-ные выводы Установка в держатель
SL1021B 90…600 10 20 1,5 -40…90 3
SL1024B 90…600 10 20 1,5 3
SL1026 275…700 10 20 2,5 2

Характеристики серий SL1021B и SL1024B аналогичны сериям SL1021A и SL1024A, но ток импульсного разряда для них составляет 20 кА.

Серия SL1026 отличается особым корпусным исполнением и предназначена для установки в специальный держатель (Type 1053 Holder). Благодаря ему, замена газоразрядника становится достаточно простой задачей. SL1026, в силу большой мощности и возможности простого технического обслуживания, могут применяться в особо ответственных приложениях.

Разрядники с высоким напряжением срабатывания

К категории газоразрядников с высоким напряжением срабатывания относятся серии AC и CG3, выпускаемые в корпусе с аксиальными выводами (рисунок 9, таблица 4).

Рис. 9. Разрядники высокой мощности

Рис. 9. Разрядники высокой мощности

Таблица 4. Параметры разрядников высокой мощности

Наименование Типовое статическое напряжение включения, В Ном. ток разряда, А Пиковый ток при 8/20 мкс, кА Макс. емкость, пФ Диапазон рабочих температур, °С Число выводов Исполнение
Mini Tube SMD Аксиаль-ные выводы Радиаль-ные выводы Установка в держатель
AC 285…600 5 5 1,5 -40…90 2
CG3 1000…7500 5 1,5 2

Серия AC оптимальна для работы в составе промышленных и бытовых двух- и трехфазных сетей переменного тока. Для данной серии статическое напряжение включения начинается с 285 В.

CG3 применяется в специфических приложениях, чье напряжение срабатывания должно быть более 1000 В. Максимальное значение данного параметра для представителей серии составляет 7500 В.

Номенклатура GDT производства компании Littelfuse достаточно обширна, что может привести к трудностям при выборе подходящего компонента. Однако для выбора наиболее оптимального газоразрядника можно воспользоваться достаточно простым алгоритмом, который описан ниже. Кроме того, многие серии имеют особенности, которые определяют их оптимальные области применения.

Области применения и алгоритм выбора газоразрядников Littelfuse

При необходимости выбора оптимального разрядника в первую очередь следует обратиться к рекомендациям самой компании Littelfuse по применению различных серий. В большинстве случаев каждая серия имеет вполне определенные области применения (таблица 5).

Таблица 5. Области применения газоразрядников Littelfuse

Наименование Области применения
CG5 Высокоскоростные интерфейсы USB 2.0/3.0, HDMI, eSATA, DisplayPort, DVI, IEEE 1394, приемные тракты антенн ВЧ-ресиверов, Ethernet: 10/100/1000BASE-T
SL0902A
SL1002A Среднескоростные интерфейсы телекоммуникационного оборудования: ADSL, XDSL, T1/E1/J1/DS1, T3/E3/DS3, Ethernet: 10/100/1000BASE-T, промышленная автоматизация, домашняя электроника
SL1003A
SL1010A
SL1011A/B
SL1411A
SL1122A Среднескоростные интерфейсы телекоммуникационного оборудования: ADSL, XDSL, системы безопасности
SL1021A/B Среднескоростные интерфейсы телекоммуникационного оборудования: ADSL, XDSL, системы безопасности, Ethernet: 10/100/1000BASE-T, сплиттеры
SL1024A/B
PMT8 Репитеры, модемы, телефонные линии, тестовое оборудование телефонных линий
PMT3
CG/CG2 Высокоскоростные интерфейсы: USB 2.0/3.0, HDMI, eSATA, DisplayPort, DVI, IEEE 1394, приемные тракты антенн ВЧ-ресиверов, Ethernet: 10/100/1000BASE-T
SL1026 Телекоммуникационное оборудование, базовые сотовые станции, промышленное оборудование с вращающимися компонентами
AC Защита линий питания переменного тока
CG3 Защита мощных источников питания и входных линий питания мощных потребителей

Если предполагается использование GDT в специфической области, то следует обратиться к формализованному алгоритму, состоящему из следующих шагов:

  • определить уровень допустимых помех и разрядов, который может выдерживать защищаемое оборудование;
  • определить номинальное напряжение защищаемой линии;
  • определить максимально допустимое постоянное напряжение защищаемой линии;
  • по заданным параметрам выбрать разрядник:
    • максимальное динамическое напряжение срабатывания не должно превышать уровень допустимых помех (шаг 1);
    • статическое напряжение срабатывания должно быть ниже уровня допустимых помех (шаг 1);
    • статическое напряжение срабатывания должно быть больше максимально допустимого постоянного напряжения защищаемой линии.

Очевидно, что в большинстве случаев выполнить данные требования достаточно сложно. В этом случае необходимо применять каскадирование защитных устройств (рисунок 4).

Заключение

Газовые разрядники имеют достоинства, которые делают их незаменимыми для защиты от мощных помех. При этом наиболее эффективную защиту удается получить при совместном применении различных ограничительных компонентов: GDT, MOV/MLV-варисторов и TVS-диодов.

Компания Littlefuse выпускает множество серий газоразрядников:

  • малой мощности (с токами разряда от 5 А), средней мощности (с токами разряда от 10 А), большой мощности (с импульсными токами разряда до 20 кА);
  • с высоким напряжением срабатывания – 285…7500 В;
  • с различными корпусными исполнениями: для монтажа в отверстия, для поверхностного монтажа и установки в держатель;
  • с дополнительным термопредохранителем (Failsafe Clip).

Многообразие серий и характеристик газоразрядников производства компании Littlefuse позволяет применять их в составе телекоммуникационного, промышленного, медицинского, коммерческого оборудования.

Check Also

Жареные баклажаны как грибы на зиму

Содержание1 Самые вкусные баклажаны как грибы на зиму в банках2 Быстро маринованные баклажаны «как грибы»3 …

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector