VG – технология CITEL на защите оборудования по цепям питания переменного тока

В устройствах защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), предназначенных для защиты оборудования по цепям питания переменного тока 220/380В, используются два элемента, основанные на разных физических принципах. Первый элемент основан на искровом разряде в газообразной среде. Линеаризованная вольт-амперная характеристика искрового промежутка или разрядника показана на Рис. 1.

Рисунок 1.  Линеаризованная вольт-амперная характеристика разрядника.

                Чтобы лучше понять особенности работы устройств защиты, основанных на этом принципе, проведем эксперимент. Возьмём разрядник и подключим его к испытательной установке, на которой можно плавно менять напряжение и ток. Начнём плавно поднимать напряжение на электродах разрядника и фиксировать ток через него. До какого-то определенного напряжения, называемого статичес- ким напряжением пробоя, тока практически нет, но после превышения этого напряжения через разрядник начинает идти ток, определяемый мощностью нашей установки или токоограничением. До уровня тока примерно в 1-1,5 А напряжение на электродах разрядника будет от 60 до 100 В. Это режим тления, который используется в газоразрядных лампах дневного света, а дроссель служит там для ограничения тока на уровне, необходимом для яркого горения лампы. Но так как импульсы тока могут иметь амплитуду в десятки килоампер, нас этот  режим не интересует. При увеличении тока через разрядник, загорается дуга и наша система переходит в другой режим – режим горения дуги. У этого режима есть свои особенности, а именно – напряжение на электродах практически не зависит от тока. И напряжение это маленькое, всего 20-25 В. А так как мощность, выделяемая в разряднике, равна произведению тока на напряжение, то маленькое падение напряжения позволяет пропускать очень большой ток без перегрева и теплового разрушения устройства. После того, как дуга зажглась, напряжение на разряднике практически перестаёт зависеть от тока и составляет от 15 до 30В в. Для того, чтобы этот ток прекратился, необходимо либо снизить напряжение ниже напряжения на электродах разрядника, либо уменьшить ток до уровня ниже тока гашения дуги (т.е. меньше 1 А). Из этого следуют три важных вывода: 
1) До уровня статического напряжения пробоя искровой промежуток или разрядник является практически идеальным изолятором и не имеет тока утечки.
2) Разрядник может пропускать через себя очень большие токи при сравнительно небольшой выделяемой на нём энергии.
3) При срабатывании разрядника возникшая в нём электрическая дуга практически закорачивает не только импульс перенапряжения, но и цепь электропитания, к которой этот разрядник подключен. То есть после прохождения импульса перенапряжения возникает сопровождающий ток If, поддерживаемый самой системой электропитания (фактически ток КЗ для системы электро-питания, в которую включен разрядник). Обычно этот ток прекращается при прохождении волны переменного напряжения через ноль. Осциллограммы, иллюстрирующие это явление, показаны на Рис. 2. Тестируемый разрядник подключен к сети переменного тока 220 В 50 Гц. Синим цветом изображена осциллограмма напряжения на клеммах разрядника, а красным показано среднеквадратичное значение тока через разрядник. От 0 до 5 мс ток через разрядник равен 0, а напряжение соответствует параметрам сети. В момент времени 5 мс в систему подается микросекундный импульс перенапряжения. Сам импульс на осциллограмме не виден, так как развертка выставлена на частоту 50 Гц. Зато очень хорошо видно, что происходит в сети после окончания микросекундного импульса. Напряжение в точках присоединения разрядника падает, а ток через разрядник возрастает. При этом напряжение равно сумме падений напряжения на самом разряднике и подсоединительных проводах, а ток близок к току короткого замыкания сети в точке подключения разрядника. Этот сопровождающий импульс ток прекращается только при переходе напряжения сети через 0.

Рисунок 2.  Осциллограмма сопровождающего тока

                Исторически сложилось так, что самое первое и самое простое устройство защиты, работающее по этому принципу – открытый воздушный искровой промежуток. Устройство простое и дешёвое, но обладает рядом серьезных недостатков. Так как напряжение пробоя такого промежутка зависит от многих внешних факторов, таких как расстояние между электродами, химический состав газа между ними, давление газа, наличие в газе разного рода аэрозолей, характеристика поверхностей электродов, между которыми происходит пробой и т.д., то параметры напряжения пробоя получаются очень нестабильными. Чтобы исключить часть этих негативных факторов, искровой промежуток поместили в оболочку, тем самым создав закрытый искровой промежуток или разрядник. Стабильность несколько увеличилась, но напряжение пробоя осталось всё равно достаточно большим, так как обычный воздух при нормальном атмосферном давлении обладает хорошими изоляционными свойствами и плохо пробивается. Уменьшать расстояние между электродами можно только до определенного предела, так как возникают проблемы с гашением дуги и надёжностью всего устройства. В дальнейшем для уменьшения напряжения пробоя стали использовать специальные триггерные устройства поджига, которые заставляют дугу быстрее зажигаться, но при этом не мешают её гашению. Решение интересное, но оно значительно усложняет конструкцию и уменьшает надёжность системы, так как триггер поджига сам подвергается воздействию высоковольтного импульса.

Но можно пойти и другим путем – сделать оболочку вокруг искрового промежутка герметичной и заполнить её специальной смесью газов под пониженным давлением, да ещё и поверхности электродов покрыть специальным составом, обладающим хорошей электронной эмиссией. Получится газовый разрядник, имеющий стабильные параметры и нужное напряжение срабатывания. Но и у этой конструкции есть свои недостатки. Искра в газовом разряднике хорошо зажигается, но плохо гаснет. Поэтому он не может сам гасить большие сопровождающие токи. В связи с этим газовые разрядники используются в основном для подключения между нейтралью и землей, где не может быть больших сопровождающих токов.

Внешний вид разрядников производства CITEL показан на Рис. 3 и 4.

Рисунок 3.  Маломощные газовые разрядники

Рисунок 4.  Мощные газовые разрядники CITEL

Второй элемент, используемый в устройствах защиты от импульсных перенапряжений, это варистор. Внешний вид варисторов показан на Рис. 5. Физически это специальная керамика, обладающая нелинейной электрической вольт-амперной характеристикой. Варисторные блоки имеют два металлических вывода, а сверху покрыты специальным компаундом с высокой электрической прочностью.

Рисунок 5.   Оксидно-цинковые варисторы

Вольт-амперная характеристика оксидно-цинкового варистора приведена на Рис. 6. Варистор не является идеальным изолятором, и, будучи подключенным к напряжению питания 220 В, имеет некоторый ток утечки. При максимально допустимом рабочем  напряжении Uc варистор имеет ток утечки около 1мА. При подъёме напряжения выше этого значения варистор переходит на другую ветвь характеристики, где его ток значительно увеличивается при незначительном увеличении напряжения на его зажимах. Таким образом, всю лишнюю энергию, которая попала в сеть и может поднять напряжение до опасного уровня, варистор пропускает через себя. В отличие от разрядника, напряжение на варисторе не падает, а поднимается, причём тем выше, чем больше через него ток.

Рисунок 6.  Вольт-амперная характеристика варистора

Из этой характеристики видно, что:

Во-первых, варистор не имеет сопровождающего тока, т.к. при прохождении импульса и возврате напряжения к уровню ниже Uc он автоматически переходит на другую ветвь характеристики и ток через него уменьшается до тока утечки.

Во-вторых, энергия, выделяемая на варисторе при прохождении импульса тока, значительно больше, чем при прохождении того же импульса через разрядник.

В-третьих, варистор имеет некоторый ток утечки, который    вызывает постоянный подогрев варистора, что, в свою очередь, способствует его старению и дальнейшему увеличению тока утечки. Поэтому срок службы варистора, находящегося под напряжением, ограничен даже при отсутствии импульсов перенапряжения.

Чтобы исключить сопровождающий ток и ток утечки, а также уменьшить остаточное напряжение и выделяемую на устройстве энергию, фирмой CITEL была разработана технология VG, при которой варистор и разрядник соединены последовательно, а характеристики этих устройств специально подобраны (Рис. 7).

Рисунок 7.  Принципиальная схема VG-технологии

Рисунок 8.  Конструкция VG-технологии

При этом варистор исключает сопровождающий ток, разрядник исключает ток утечки, а их совместная работа уменьшает остаточное напряжение и энергию, выделяющуюся на УЗИП. Таким образом, VG-технология объединяет в себе достоинства обоих физических принципов, уменьшая или совсем устраняя недостатки. Фотография такой конструкции показана на Рис. 8. Примерами таких устройств могут служить УЗИП CITEL серий DS250VG-300 (Рис. 9) и DS130VG-230 (Рис. 10) класса (1+2+3) и DS40VG-230 класса (2+3) (Рис. 11).

 Рисунок 9. DS250VG-300            Рисунок 10. DS130VG-230              Рисунок 11. DS40VG-230

Благодаря применению VG-технологии УЗИП CITEL обладают сроком службы, значительно превышающем срок службы обычных варисторных УЗИП, а их характеристики обеспечивают соответствие сразу нескольким классам испытаний. Так УЗИП серии DS250VG-300 соответствует сразу всем трем классам испытаний, предусмотренных ГОСТом. На практике это означает, что установив такой УЗИП во вводной щит, где необходим первый класс, мы надежно защищаем оборудование, стоящее внутри здания на расстоянии как минимум 20 метров по кабелю без установки дополнительных устройств 2-го и 3-го классов.