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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Proteção de fontes de alimentação contra descargas atmosféricas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Proteção de equipamentos contra operação de emergência da rede A fim de proteger os equipamentos dos impulsos induzidos por descargas atmosféricas, o fornecimento de energia aos dispositivos de telecomunicações e segurança, bem como aos sistemas de videovigilância, onde não pode ser desligado devido às condições de operação, é realizado de acordo com os requisitos e , via de regra, fontes de alimentação ininterruptas com dispositivos de proteção de rede integrados. Mas e quem, por exemplo, deixa ligado em sua dacha um equipamento que notifica o proprietário sobre a penetração de pessoas não autorizadas no território controlado? Para reduzir a probabilidade de danos ao dispositivo de segurança durante uma tempestade, sua fonte de alimentação deve ser complementada com alguns elementos que atenuam drasticamente os pulsos de alta tensão na rede, que chamaremos de interferência de rede. A eficácia da supressão de tal interferência pelos mesmos elementos é diferente. Isso implica o primeiro recurso - o dispositivo de proteção deve ser multiestágio A segunda característica do projeto de um dispositivo de proteção é a necessidade de um condutor com potencial zero, "terra", nele. Esta condição é fácil de encontrar em apartamentos modernos onde a fiação é feita de acordo com um circuito de três fios ("fase" (L), "zero" (N), "terra de proteção" (PE)). Se a rede de alimentação não tiver aterramento de proteção, você mesmo terá que criar um loop de aterramento ou aceitá-lo. essa supressão de interferência não será eficaz o suficiente. É satisfatório se a interferência do fio da fase for desviada para zero, é bom - do fio da fase e separado do fio neutro para o fio terra é excelente - do fio da fase separadamente para o fio neutro e para o fio terra , e também do fio neutro para o fio terra. Para atenuar a interferência poderosa de longo prazo gerada por descargas atmosféricas, são usados centelhadores a vácuo e cheios de gás como absorvedores de energia de pulso. Segundo as estatísticas, a parcela dessa interferência é de aproximadamente 20%. Os 80% restantes são de curto prazo, que são efetivamente suprimidos por capacitores paralelos ao circuito protegido e elementos de barreira em série - bobinas. Um método combinado também é usado, quando a interferência poderosa é atenuada por elementos absorvedores (limitadores de tensão) conectados em paralelo e os de baixa potência são reduzidos em série. As características generalizadas dos supressores de tensão mais comuns usados em dispositivos de proteção são apresentadas na tabela:
Os pára-raios a gás podem ser usados em versões de dois e três eletrodos, dependendo do projeto do dispositivo de proteção - dois fios ou três fios. Em termos de confiabilidade de operação e corrente máxima de pulso, esse limitador de tensão supera todos os outros (Fig. 1). Este é um recipiente cilíndrico com eletrodos de descarga em suas extremidades, preenchido com um gás inerte. A desvantagem do pára-raios é sua resposta mais lenta em comparação com outros elementos de proteção, devido à necessidade de um determinado intervalo de tempo para a ionização do gás.
Considere um centelhador de três eletrodos T23-A230X com um diâmetro de 8 e um comprimento de 10 mm. Apesar de um tamanho tão pequeno, este elemento de proteção permite uma corrente de descarga de pico em múltiplos pulsos únicos 8/20 μs (front/fall) até 20 kA ou suporta uma corrente de descarga alternada de 1 e uma frequência de 10 Hz por 50 s. Tal eficiência de proteção é assegurada pelo projeto especial do pára-raios, ilustrado na Fig. 1. No estado inicial, sua resistência ultrapassa 10 ohms. Quando a tensão no gap de descarga cria uma intensidade de campo elétrico capaz de causar ionização de gás, ocorre uma descarga elétrica, como resultado da qual a resistência do gap de centelha diminui drasticamente. No final do pulso, o gás inerte recupera suas propriedades isolantes. A tensão de ruptura do intervalo de descarga é determinada pelo tamanho e design dos eletrodos e pelas propriedades do gás de enchimento - composição e pressão. Um revestimento composto especial dos eletrodos e um isolador de cerâmica entre eles ativa sua emissividade. A forma de anel do eletrodo central permite maximizar o aproveitamento da superfície dos eletrodos finais 1 e 2, proporcionando uma grande corrente de descarga sem erosão das superfícies condutoras de corrente. Para compensar o atraso na operação devido à interferência com uma frente íngreme (1 kV/μs ou mais), os pára-raios em dispositivos de proteção de vários estágios são geralmente complementados com varistores e diodos de proteção, que desviam parte da energia do ruído de impulso em o momento inicial de sua aparição na rede elétrica. Um varistor de óxido de metal é semelhante a um diodo zener simétrico - quando um determinado valor limite da tensão aplicada é excedido, a resistência do elemento cai drasticamente. A tensão de classificação do varistor deve exceder a amplitude máxima da tensão de rede em pelo menos 5%. Por exemplo, o aumento máximo permitido na tensão de rede de 220 V em 20% (264 V) corresponde a uma amplitude de 374 V. Portanto, a tensão de classificação do varistor deve ser de pelo menos 393 V. Se você usar um varistor, como em muitos dispositivos de proteção fabricados industrialmente, com tensão de classificação padrão de 390 B, devido ao erro tecnológico permissível desse parâmetro, existe o risco de danificá-lo. Portanto, é melhor usá-lo com uma tensão de classificação ligeiramente superior.O varistor também é caracterizado por uma certa energia de pulso limitadora, que pode absorver sem destruição. Esta característica tem a propriedade de acumulação. Isso significa que o dispositivo é capaz de absorver um único pulso com uma certa energia máxima permitida ou um certo número de pulsos com uma energia menor sem degradar os parâmetros. Por exemplo, um varistor de óxido metálico com um diâmetro de 20 mm absorve um pulso com uma energia máxima permitida de 410 J ou 10 pulsos com uma energia de 40 J. Depois que o varistor esgotar o recurso prometido, sua tensão de classificação aumentará ligeiramente , e a cada pulso subseqüente começará a diminuir drasticamente, como resultado, o varistor irá "queimar" . Portanto, deve ser substituído à menor manifestação externa de degradação (escurecimento da pintura). A necessidade de monitorar a condição técnica do variador localizado dentro de um filtro de rede fechado é sua desvantagem. Os diodos de proteção (Supressor de Tensão Transiente), como os diodos zener, tornam-se condutores extremamente rápidos quando a tensão aplicada aumenta acima da tensão de abertura. O tempo de resposta de tal dispositivo, especialmente um sem chumbo, é de apenas alguns picossegundos. Obviamente, a indutância dos condutores e fios condutores reduz a velocidade do diodo, mas ainda assim permanece a mais alta entre os limitadores de tensão usados. Existem tanto diodos de proteção unipolares quanto aqueles com característica simétrica de tensão-corrente, o que permite que sejam usados sem diodos retificadores adicionais em circuitos CA. Em uma corrente muito alta, em contraste com um centelhador preenchido com gás, a falha elétrica que ocorre no diodo de proteção torna-se irreversível. Este elemento deve ser substituído. Os dispositivos de fabricação industrial para proteção contra impulsos de alta tensão na rede elétrica, tanto em nosso país quanto no exterior, devem atender aos requisitos de normas internacionais aprovadas. Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), e de acordo com a terminologia geralmente aceita, são divididos em classes de proteção I, II e III. Os dispositivos de classe I são projetados para proteger a rede elétrica na entrada do prédio em frente ao medidor de eletricidade. Os principais elementos de tais dispositivos são pára-raios a vácuo e a gás capazes de neutralizar descargas elétricas poderosas de até 150 kA por pulso, o que corresponde a um raio direto, levando em consideração a corrente que se espalha pela superfície submetida a um choque elétrico. Os dispositivos de classe II atenuam o ruído de impulso em quadros de distribuição de andares e oficinas. O elemento de proteção mais comumente usado em tais dispositivos é o varistor. Os dispositivos da classe III são projetados para proteger dispositivos individuais com um consumo de corrente não superior a 16 A. Eles geralmente são executados em diodos de proteção. Obviamente, para a operação segura do equipamento de rádio, o usuário pode equipar a rede de distribuição em uma casa de campo ou apartamento com esses dispositivos industriais, mas a implementação de tal solução pode ser financeiramente difícil. Será muito mais barato fabricar independentemente dispositivos de proteção de rede. Com base na análise de ideias modernas sobre os requisitos para dispositivos de proteção contra raios e métodos para sua implementação prática, o autor desenvolveu um dispositivo de proteção de vários estágios, cujo diagrama é mostrado na fig. 2.
O dispositivo está conectado à rede usando um plugue elétrico. XP1 com contato de aterramento. Os fusíveis FU1, FU2 são projetados para uma carga de até 1 kW, conectados ao soquete XS1, sua presença aumenta significativamente a confiabilidade do dispositivo de proteção e prolonga a vida útil de outros elementos nele utilizados. A interferência de curto prazo, incapaz de acionar o pára-raios F1, será enfraquecida pelas bobinas L2-L4 e absorvida pelo diodo protetor VD1. Uma contribuição significativa para a atenuação de tal interferência também é feita por um cilindro de ferrite desgastado no cabo de rede, como resultado de um indutor L1 formado. O capacitor C1 finalmente suprime a interferência de rede simétrica de curto prazo, desequilibrada - C2 e C3. A supressão da frente de interferência de rede contínua gerada por descargas atmosféricas ocorre principalmente pelo diodo de proteção VD1 e varistores RU1-RU3. Após 250 ns, o centelhador F1 ligado remove a interferência para si mesmo e os fusíveis acionados FU1, FU2 desconectam a fonte de alimentação do equipamento da rede elétrica até que ocorram consequências críticas. A energia do ruído de impulso dissipada pelos elementos de proteção no filtro de rede é liberada na forma de calor, enquanto a temperatura dos elementos pode atingir 200 ° C ou mais. Portanto, por razões de segurança contra incêndio, o corpo do dispositivo deve ser feito apenas de metal. Conectando o invólucro ao fio do contato de aterramento do plugue. O XP1 é realizado nas imediações da entrada do cabo de rede na carcaça do filtro. A tomada XS1 é conectada por fios curtos aos pads correspondentes indicados no desenho da placa de circuito impresso do aparelho (Fig. 3).
Uma foto da placa é mostrada na fig. 4.
A placa de circuito impresso é feita de fibra de vidro de folha unilateral de 1,5 mm de espessura. Os elementos de proteção de aterramento do condutor impresso na placa são descascados com solda para aumentar a área da seção transversal, criando um rolo de 1 ... 1,5 mm de altura. O cabo de rede é usado com fios com seção transversal de pelo menos 1 mm2. Um cilindro de ferrite é colocado nele. K18 * 9x30 mm (mostrado à esquerda na Fig. 4). Fabricantes estrangeiros instalam esses cilindros em cabos para conectar vários dispositivos a um computador. Os indutores L2 e L3 são enrolados com fio PEV-2 com diâmetro de 1 mm cada em dois núcleos magnéticos anulares dobrados juntos. KP27>15-6mm de permalloy MP 140. O enrolamento é realizado em duas camadas completas sem isolamento de camada intermediária, o autor usou bobinas prontas revestidas com esmalte para proteção contra umidade. Você também pode usar um circuito magnético. K28>14-12mm de uma bobina multienrolamento em uma fonte de alimentação comutada AT de um computador. O Choke L4 é executado em um anel K28-15-10mm feito de ferrita M2000NM. As bordas afiadas do circuito magnético são arredondadas com uma lima e depois isoladas com pano envernizado ou fita fluoroplástica. Cada um dos enrolamentos contém 15 voltas de fio. PEV-2 com diâmetro de 1 mm, por questões de projeto, para comodidade de conexão dos condutores à placa de circuito impresso, um dos enrolamentos é enrolado no sentido contrário ao utilizado para o outro enrolamento. Neste caso, os campos criados pelas correntes de entrada e saída no circuito magnético serão compensados mutuamente e a saturação magnética é assim excluída. A execução correta do indutor pode ser verificada medindo sua indutância. Neste projeto, a indutância de cada enrolamento é de 270 µH. Se você conectar as extremidades de saída dos enrolamentos e medir a indutância de entrada, ela não excederá 10 μH. Varistores RU1-RU3 - SIOV S20K420. eles podem ser substituídos por outros de óxido metálico com diâmetro de 20 mm e tensão de classificação de 420 V. Em casos extremos, você pode usar óxido de zinco do mesmo diâmetro com tensão de classificação de 430 V, marcado, por exemplo, por um dos fabricantes como MYG20K431. Capacitores de alta tensão C1 - C3 - da série K78-2. O diodo de proteção simétrico 1,5KE440CA pode ser substituído por dois dos mesmos unipolares (sem o índice CA) ou seus análogos. Nesse caso, é aconselhável complementar o dispositivo de proteção com um indicador da tensão da rede e da integridade dos diodos de proteção. Durante o funcionamento do aparelho, é necessário periodicamente, principalmente após dias de trovoada, monitorar o estado técnico do aparelho e substituir os elementos que esgotaram seus recursos em tempo hábil. Autor: Kosenko S.
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