Узип на разрядниках и варисторах : отличия в работе
Сетевые (питающие) УЗИП первого класса производства компании ОБО Беттерманн, выполняются на основе двух технологий, это УЗИП на основе газонаполненных разрядников различных типов и УЗИП на основе варисторов.
Различия в логике работы данных устройств (разрядников и варисторов) отмечены и в нормативных отечественных документах, например, в ГОСТ 51992 2011.
Данный нормативный документ, под названием «Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные». Часть 1. Устройства защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Технические требования и методы испытаний» посвящен, как следует из названия, испытаниям УЗИП, выполненных в том числе как на основе разрядников, так и на основе варисторов.
Приведем выдержки из ГОСТа:
Пункт 3.4:
УЗИП коммутирующего типа – УЗИП, которое в отсутствии перенапряжений сохраняет высокое полное сопротивление, но может мгновенно изменить его на низкое в ответ на скачок напряжения. Общим примером элементов, служащих коммутирующими устройствами, являются разрядники, газовые трубки, тиристоры (кремниевые выпрямители) и управляемые тиристоры. Такие УЗИП иногда называют «разрядниками».
Пункт 3.5:
УЗИП ограничивающего типа – УЗИП, которое в отсутствии перенапряжения сохраняет высокое полное сопротивление, но постепенно снижает его с возрастанием волны тока и напряжения. Общим примером элементов, служащих нелинейными устройствами, являются варисторы и диодные разрядники. Такие УЗИП иногда называют «ограничителями».
Разберем более подробно, чем отличается работа УЗИП приведенных выше типов на примере оборудования ОБО Беттерманн.
- Как пример «разрядника» возьмем УЗИП на основе многозазорного газонаполненного разрядника. В перечне нашего оборудования это, например, разрядники типа MCD.
- Как пример «варистора» возьмем УЗИП на основе оксидно-цинкового варистора. В перечне нашего оборудования это, например, варисторы типа V 50.
Принципиальное отличие в срабатывании УЗИП различных типов (разрядников и варисторов) объясняется тем, что у этих устройств различная вольтамперная характеристика. Вольтамперная характеристика (ВАХ) газового разряда имеет характерную S-образную форму, где нижняя область графика ВАХ соответствует темному «тихому» разряду, средняя тлеющему, а верхняя дуговому (рис. 1). Рис. 1
В результате воздействия на разрядник импульса перенапряжения в разряднике происходят следующие процессы:
- с ростом приложенного напряжения разрядник быстро проходит фазы, соответствующие темному и тлеющему разряду
- при достижении определенного напряжения на разряднике, определяемого конструкцией и иными технологическими особенностями изделия, газ (воздух) в разрядном промежутке переходит в стадию дугового разряда.
В результате этого, сопротивление промежутка резко падает, а ток через него соответственно возрастает. В дальнейшем при росте внешнего приложенного напряжения (импульс перенапряжения) напряжение горения дуги изменяется мало.
Напряжение горения дуги определяется в основном конструктивными особенностями, а также средой промежутка, в которой происходит пробой.
Таким образом, после «включения» пробоя разрядного промежутка, напряжение на нем остается, как правило, в пределах 20 – 50В.
При уменьшении амплитуды воздействующего импульса (напряжения) ниже определенной величины происходит гашение дуги и разрядник переходит в исходное состояние (Рис. 2). Рис. 2
ВАХ варистора имеет другой вид (Рис. 3).
ВАХ варистора симметрична относительно вертикальной центра координат.
Таким образом, можно рассмотреть одну половину характеристики, например, соответствующую положительным токам и напряжениям без потери качества описания процесса.
Рис. 3
Выбранная часть ВАХ представляет собой две области с разными углами наклона кривой.
Их можно описать следующим образом:
Область 1 - это область линейной зависимости тока от напряжения и соответственно постоянного (условно большого) сопротивления варистора. Это область увеличения напряжения на варисторе.
Область 2 – это переходная область нелинейной зависимости тока от приложенного напряжения. Обычно эта область находится в окрестности точки с так называемым квалификационным напряжением.
Область 3 – это область условно малого сопротивления варистора, где малому приращению напряжения следует большое приращение тока. Это область стабилизации напряжения на варисторе.
В результате импульсного воздействия на варистор, напряжение сначала нарастает в соответствии с ростом напряжения на фронте импульса.
После достижения напряжением фронта импульса области 2 начинается процесс стабилизации напряжения.
В дальнейшем при увеличении напряжения на варисторе и приходе рабочей точки в область 3 напряжение стабилизируется и мало зависит от приложенного напряжения к промежутку (Рис. 4). Рис. 4
Рис. 5
Если мы теперь на одном графике построим импульс перенапряжения (рис. 5) и кривые «работы» разрядника и варистора (Рис. 2 и Рис. 4), то мы получим графики, изображенные на Рис. 6 и 7.
На этих графиках изображена величина отводимого тока на систему уравнивания потенциалов в зависимости от времени, для разрядника (Рис. 6) и для варистора (Рис. 7).
Соответственно площадь фигуры, ограниченной двумя кривыми (Зона 1) на этих графиках, пропорциональна энергии отводимой УЗИП на систему уравнивания потенциалов.
Рис. 6
Рис. 7
Исходя из полученных результатов можно сделать очевидный качественный вывод:
Отводимая на систему уравнивания потенциалов энергия у УЗИП, выполненного на основе разрядника, всегда будет больше, чем у УЗИП, выполненного на основе варистора при прочих равных условиях. Равные условия – это одинаковое входящее воздействие (импульс перенапряжения) и одинаковые параметры защищаемой электроустановки (напряжение питания, сопротивление и т. п.).
Пиковое напряжение, то есть максимальное напряжение, прикладываемое к защищаемому оборудованию, у УЗИП на основе разрядника больше, чем у УЗИП на основе варистора. Это объясняется следующим: время срабатывания разрядника заметно больше, чем у варистора, и за это время напряжение успевает увеличиться (большая крутизна фронта импульса перенапряжения). Таким образом, вследствие большой скорости нарастания напряжения на фронте импульса у разрядника существует два напряжения срабатывания. В нормативной литературе это явление отражено следующим образом: статическое напряжение срабатывания (при медленно меняющемся сигнале) и динамическое напряжение срабатывания (при быстро меняющемся сигнале).
Энергия, приходящая на защищаемое оборудование, равна разности энергии пришедшего воздействия (импульса) и энергии отведенной УЗИП на систему уравнивания потенциалов.
На графиках эта энергия пропорциональна площади под кривой на Рис. 2 и на Рис. 4.
Таким образом, энергия, приходящая на защищаемое оборудование у УЗИП, выполненных на основе разрядника меньше чем у УЗИП выполненных на основе варистора (Зона 2 на Рис. 6 и 7) при прочих равных условиях.