Защита от молний промышленных сетей

Во время разрядов молнии появляется сильное магнитное и электростатическое поле, а также при ударе молнии резко повышается потенциал земли в области заземления молниеотвода. Все эти явления приводят к возникновению опасных для аппаратуры напряжений на кабелях промышленных сетей и цепей питания.

Эффективной защитой кабелей от магнитного поля молнии являются стальные трубы. Для защиты от перенапряжений используются газонаполненные разрядники, варисторы, TVS-диоды и TVS-тиристоры (Transient Voltage Suppressor – подавитель переходных напряжений). Защитные элементы бывают 2-х типов: ограничивающие и шунтирующие (закорачивающие). Ограничивающие элементы стабилизируют напряжение в линии на некотором уровне, например на уровне напряжения стабилизации для ограничивающих стабилитронов (TVS-диодов). Шунтирующие элементы снижают напряжение в линии до напряжения открытого состояния защитного элемента, например до напряжения на тиристоре в открытом состоянии при защите TVS-тиристором.

В газонаполненных разрядниках при некотором напряжении начинается лавинный пробой в газе и образуется канал с плазмой, имеющий низкое сопротивление. При этом напряжение на разряднике падает, энергия наведенного молнией импульса выделяется в виде тепла в подводящих проводах, на балластном резисторе (если он имеется) и на самом разряднике. Недостатком газовых разрядников является большое время срабатывания (от 0,1 мкс до единиц микросекунд), ограниченный срок службы и низкая надежность, которая связана с возможной разгерметизацией трубки при ее нагреве. Однако газовые разрядники выдерживают очень большой ток, что делает их пригодными для выполнения первой ступени защиты, с напряжением ограничения перенапряжения обычно от 90В до 1кВ. Несмотря на низкое быстродействие, газовые разрядники способны рассеять основную часть энергии, пропуская на выход только короткий выброс в начале импульса. Поэтому совместно с газовыми разрядниками в качестве второй ступени защиты используются более быстродействующие элементы - варисторы и TVS-диоды.

Металло-окисные варисторы (MOV – Metal - Oxide Varistor) имеют форму диска, площадь которого пропорциональна допустимому току. Материалом для изготовления служит порошкообразный карбид кремния и связующее вещество (жидкое стекло, лаки, смолы). Варистор упрощенно - множеством полупроводниковых р-n-переходов, которые включены последовательно и параллельно. Поэтому сопротивление варистора падает с простом приложенного напряжения. Недостатком варисторов является сильная нестабильность напряжения срабатывания во времени и деградация параметров с каждым актом срабатывания. Напряжение срабатывания варисторной защиты лежит в диапазоне от нескольких вольт до 1,5 кВ, ток - от единиц до десятков тысяч ампер, время срабатывания составляет несколько наносекунд.

Наилучшим элементом защиты являются TVS-диоды и TVS-тиристоры, которые известны также под торговыми марками Trans Zorb, Transil, Insel.

TVS- обычный тиристор со стабилитроном в цепи управляющего электрода. При повышении напряжения на стабилитроне более напряжения стабилизации в управляющий электрод начинает протекать ток, отпирающий тиристор. Открытый тиристор выполняет роль шунтирующего элемента, понижая напряжение в защищаемой линии до 1...2 В. После окончания импульса молнии ток линии становится меньше тока удержания тиристора, и он переходит в запертое состояние. TVS-тиристоры имеют время срабатывания порядка нескольких наносекунд.

TVS-диоды имеют такую же структуру, технологию изготовления и принцип действия, как обычные стабилитроны (основаны на лавинном пробое р-n-перехода), но спроектированы специально для работы при больших токах малой длительности и имеют малую емкость обратно смещенного р-n-перехода. Благодаря монокристальной кремниевой технологии параметры TVS диодов стабильнs во времени. Время срабатывания достигает нескольких пикосекунд.

Напряжение срабатывания задается техпроцессом и лежит в диапазоне от 2,8 до 440В. Для уменьшения емкости диода, которая шунтирует промышленную сеть, последовательно с TVS-диодом включают обычный кремниевый диод с малой емкостью (около 100 пФ). При отсутствии импульсов перенапряжения оба диода заперты, поэтому линия шунтируется только емкостью диода. TVS диоды изготавливаются 2-х видов: 1-направленные и 2-направленные (симметричные), состоящие из 2-х последовательно соединенных диодов, направленных встречно. Время срабатывания у 1-направленных TVS-диодов составляет единицы пикосекунд, у 2-направленных - единицы наносекунд.

TVS-диоды и тиристоры способны рассеивать мощность до нескольких киловатт при импульсе перенапряжения длительностью до 1000 мкс, пропуская ток до тысяч ампер.

На рис.16.15 показаны 2 схемы построения цепей защиты для промышленной сети на RS-485. На рис.17.15а показана схема насимметричных TVS-диодах и 2-электродных газонаполненных разрядниках. В качестве балластного резистора могут быть использованы позисторы, которые увеличивают свое сопротивление при нагревании протекающим током.

Рис.16.15. Защита линий интерфейса RS-485 от перенапряжений

На рис. 16.15б показана аналогичная схема, но с применением несимметричных TVS-диодов и 3-электродного газонаполненного разрядника. Поскольку балластный резистор включен последовательно с линией передачи, его сопротивление стараются сделать по возможности меньшим.

Частично импульсы перенапряжения можно уменьшить с помощью фильтров на конденсаторах, однако конденсаторы часто являются недопустимо большой емкостной нагрузкой для защищаемой цепи.

Устройства защиты разных интерфейсов и цепей различаются напряжением срабатывания (ограничения). Для телефонных линий это напряжение составляет 65В, для Ethernet - 5 В, для сетей RS-485 - 7,5В.