Захист обладнання від грози

Грозовий розряд (блискавка) є різновидом іскрового розряду в електричному полі атмосфери при довжині іскри в кілька кілометрів. Причиною виникнення блискавок є утворення великого об'ємного електричного заряду. Звичайним джерелом блискавок є грозові хмари, що несуть у собі скупчення позитивних і негативних електричних зарядів у верхній і нижній частинах хмари і великі електричні поля, що утворюють навколо цієї хмари. Хоча можливі інші причини.

Утворення об'ємних зарядів різної полярності у хмарі пов'язане з конденсацією внаслідок охолодження та виникнення при цьому позитивних та негативних іонів та подальше поділ заряджених крапель під впливом теплових повітряних потоків.

Коли градієнт потенціалу в будь-якій точці хмари досягає критичного для ізоляційних властивостей повітря значення, тут починається блискавка. Оскільки у хмарі, зазвичай, утворюється кілька ізольованих друг від друга скупчень однойменних зарядів, більшість грозових розрядів є серію окремих імпульсів.

Дуже спрощено грозове електричне поле можна подати у вигляді статичного поля та поля випромінювання (у свою чергу, що складається з індукційної та радіаційної складових).

При зміні відстані статична складова змінюється обернено пропорційно кубу відстані, а складові поля випромінювання – назад квадрату відстані (індукційна) та лінійно – назад відстані (радіаційна).

Тому на відстані до блискавки ближче 20 ÷ 30 км переважає статична складова, а великих відстані (100 км і більше) – переважно полі випромінювання.

Мірою захисту є виключення впливу статичного заряду. Це досить простозробити з огляду на досить повільний характер наростання рівня напруженості електричного поля (50 ÷ 300 м·с). Для цього достатньо поставити резистор для стікання струмів паралельно до входу приймача або ще краще дросель. Причому величину індуктивності дроселя необхідно вибирати мінімально можливою (для забезпечення стікання статистично наведених струмів, що мають максимальну швидкість наростання), але достатню для контрольованих сигналів.

Поле випромінювання у найпростішому випадку можна у вигляді короткого імпульсу струму, у випадку має коливальний характер, тобто короткого радіоімпульсу. За рахунок малої тривалості такого імпульсу (30 ÷ 150 м·с) спектр такого випромінювання дуже широкий, а в межі, якщо розглядати його як дельта-функцію, має взагалі нескінченно широкий рівномірний енергетичний спектр.

Крім грозових імпульсів у реальних умовах експлуатації електронного обладнання в його ланцюгах можуть виникнути різні види електричних навантажень, створювані електромагнітними імпульсами штучного походження (за рахунок випромінювання радіопередаючих пристроїв, високовольтних ліній передачі, мереж електрифікованих залізниць тощо), а також за рахунок внутрішніх перехідних процесів в устаткуванні під час її функціонування (наприклад, при перемиканнях індуктивних навантажень) та електростатичних розрядів ЕСР.

Розглянемо основні причини виходу устаткування з експлуатації під час грози.

1. Утворення статичної електрики на кабелях та апаратурі внаслідок впливу нерухомих зарядів, накопичених у грозовій хмарі.

Найбільш схильні до впливу статичних зарядів повітряні лінії. Причому значний заряд може також накопичуватися в суху погоду взимку та влітку."піщаних хуртовин".

Основний метод захисту – забезпечення відведення статичної електрики за допомогою заземлення екрану та (або) провідної траверси та установки на обох кінцях кабелю розрядників. Тут перше місце виходить правильність виконання заземлення і надійність розрядників, яких пред'являються високі вимоги щодо відведення значного струму.

2. Наведення в кабельній системі імпульсів високої напруги, що виникають внаслідок впливу потужного електричного поля, породженого грозовими розрядами.

Якщо лінія високої напруги (ЛВН), що застосовується, не екранована, в результаті впливу потужної електромагнітної хвилі на кожному кроці скрутки наводиться невелика напруга, в межах декількох мілівольт. Якщо ЛВН виготовлена ідеально і площа контурів однакова, наведена сумарна ЕРС близька до нуля. Реально ж крок скручування далеко не однаковий, тому повної взаємної компенсації елементарних ЕРС не відбувається, і чим довше кабель, тим вищою може бути напруга між провідниками однієї пари в результаті електромагнітного імпульсу, створюваного блискавкою. Ця напруга може досягати кількох сотень вольт.

Основний метод захисту – екранування, встановлення на кінцях кабелю пристроїв захисту, що вирівнюють потенціали, при яких максимальна напруга між будь-якими двома проводами в кабелі не перевищує 7 ÷ 10 В. Потенціал, що перевищує сотні вольт щодо землі, знижує розрядник.

3. Кидки напруги мережі живлення. Це причина, що досить часто зустрічається, виходу з ладу обладнання «цілком». У мережі 220 В нерідко відбуваються кидки напруги до кількох тисяч вольт. Причини цього – спрацювання запобіжників на підстанції, розряд блискавки, перешкоди від інших сильних споживачів енергії.

Традиційні методи захисту – підвищення надійності штатних джерел живлення, застосування джерел безперебійного живлення та захисту від підвищення напруги в мережі.

4. Зміна потенціалу заземлювальних пристроїв. Воно виникає при близькому розряді блискавки на поверхню землі.

Основна причина виходу з ладу апаратури – велика різниця потенціалів на заземлювальних шинах устаткування, встановленого значною відстані друг від друга. У цьому випадку кабельними лініями з метою входів/виходів протікає дуже великий струм, що зрівнює, який руйнує електронне або електричне обладнання. Мінімізувати втрати в цьому випадку можна, суворо дотримуючись правила монтажу заземлювальних пристроїв.

Для захисту ланцюгів обладнання від впливу електричних навантажень можуть використовуватися різноманітні методи, основними з яких є конструкційні, структурно-функціональні, схемотехнічні.

Конструкційні способи захисту включають: раціональне розташування і монтаж компонентів, екранування, заземлення та ін.

Група структурно-функціональних методів включає: раціональний вибір принципу дії обладнання та вибір використовуваних стандартів передачі сигналів та ін.

Схемотехнічні методи включають пасивну і активну захист. Найбільш ефективним засобом захисту обладнання від впливу ЕМІ є активний захист.

Основним елементом схем активного захисту є розрядники, металоокисні варистори, TVS (transient voltage supressor) – тиристори та TVS – діоди, які називаються у вітчизняній літературі «супресорами», «напівпровідниковими обмежувачами напруги» (ПОН) або «діодами для придушення перехідних процесів» (ППН ) (таблиця 3.1).

Таблиця 3.1. Порівняння елементівактивного захисту від перенапруг

Елемент захисту	Перевага	Недоліки	Приклади використання
Розрядник	- Високе значення допустимого струму; - Низька ємність; - Високий опір ізоляції; - Висока напруга виникнення розряду.	- Низька довговічність та надійність; - Значний час спрацьовування; - Ланцюг, що захищається, шунтується, після проходження імпульсу.	Первинний захист телекомунікаційних силових ланцюгів. Перший ступінь комбінованого захисту.
Варістор	- Високе значення допустимого струму; - низька ціна; – широкий діапазон робочих струмів та напруг;	- Обмежений термін служби; - Висока напруга обмеження; - Висока власна ємність;	Вторинний захист. Захист силових ланцюгів та автомобільної електроніки.

Продовження таблиці 3.1

– скрутність поверхневого кріплення.	Захист електронних компонентів безпосередньо на ПП. Перший і другий ступінь комбінованого захисту.
TVS-діод	- Низькі рівні напруги обмеження; - Висока довговічність та надійність; - Широкий діапазон робочих напруг; - Висока швидкодія; - Низька власна ємність;	– відносно висока вартість;	Вторинний захист; Захист від перехідних електричних процесів. Кінцевий ступінь у комбінованих захисних пристроях.
- Ідеально підходить для поверхневого монтажу; - Низьке значення номінального імпульсного струму; - Ідеальний для захисту напівпровідникових компонентів на ПП;
TVS-тиристор	- Не схильний до деградації; - Висока швидкодія; - Високий керуючий струм.	- Обмежувальний діапазон робочих напруг; -ланцюг, що захищається, шунтується після проходження імпульсів	Первинний та вторинний захист у телекомунікаційних ланцюгах

Для захисту обладнання використовують модуль грозозахисту (ГЗ), який обмежує амплітуду імпульсу, що впливає, і тим самим запобігає в більшості випадків вихід з ладу мережевого обладнання.

Багато виробників пристроїв грозозахисту для придушення імпульсу синфазної перешкоди використовують лише іскрові розрядники, знижуючи тим самим собівартість продукції. Проте знижується надійність роботи устаткування.

- напруга спрацьовування розрядника залежить від тривалості напруги, що додається до нього. Чим коротший імпульс, тим вище пробивна напруга розрядника, на постійному та імпульсному струмі може перевищувати 300%;

- час спрацьовування порівняно з фронтом грозового імпульсу, отже, при спрацьовуванні розрядника обладнання проходить короткий імпульс, тривалістю порядку однієї мікросекунди;

- спостерігається тимчасова нестабільність розрядних характеристик під час експлуатації розрядників внаслідок ерозії електродів, часткової втрати вакууму;

- при спрацьовуванні розрядників виникають значні перенапруги в розташованих поблизу індуктивних елементах (що узгоджують трансформатори, дроселі та інше).