Характеристики и описание используемых в работе ограничителей перенапряжений.

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Новосибирский государственный технический университет

Лаборатория электромагнитной совместимости

Лабораторная работа №2

Исследование характеристик

устройств защиты

от импульсных перенапряжений

Новосибирск 2009

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Исследование характеристик устройств защиты

От импульсных перенапряжений»

Цель работы

Изучение характеристик устройств защиты от импульсных перенапряжений, применяемых в фильтрах импульсных помех, экспериментальное определение емкости варистора и снятие его вольтамперной характеристики.

Содержание работы

1. Ознакомиться с принципами работы устройств защиты от импульсных перенапряжений.

2. При помощи генератора импульсных помех и осциллографа получить осциллограммы напряжений и токов на исследуемых элементах.

3. Используя полученные осциллограммы, определить: напряжение срабатывания, рассеиваемую энергию, емкость элемента.

4. Сравнить полученные значения с паспортными характеристиками.

5. Составить отчет, содержащий полученные осциллограммы и результаты расчетов. Объяснить полученные результаты и сформулировать выводы по работе.

Основные понятия и положения

Надежность работы технических средств, применяемых в электроэнергетике, во многом определяется качеством питающих электрических сетей, в которых могут иметь место перенапряжения длительностью от сотен миллисекунд до нескольких секунд, провалы напряжения длительностью до десятков миллисекунд, пропадания (отсутствие напряжения более одного периода) и так далее.

Особенно опасны высоковольтные импульсы амплитудой до нескольких киловольт и длительностью от десятков наносекунд до сотен микросекунд. Именно они могут приводить к серьезным сбоям электронной аппаратуры и выходу ее из строя, а также быть причиной пробоя изоляции проводов и даже их возгорания.

Импульсы напряжения могут наводиться электромагнитными импульсами искусственного происхождения от передающих радиостанций, высоковольтных линий электропередач, сетей электрифицированных железных дорог, электросварочных аппаратов, они могут быть естественного происхождения и наводиться мощными грозовыми разрядами. Они могут создаваться статическим напряжением, разряд которого достигает 25 кВ. Высоковольтные импульсы способны возникать и в самой аппаратуре при ее функционировании в результате переходных процессов, при срабатывании электромагнитов, размыкании контактов реле, коммутации реактивных нагрузок и так далее. Наибольшую угрозу представляют импульсы, возникающие при отключении индуктивной нагрузки.

По указанным причинам технические средства должны быть защищены от высоковольтных импульсных помех. Чтобы аппаратура могла быть сертифицирована, она должна пройти проверку на устойчивость к воздействию импульсных помех. Например, ГОСТ Р 51317.4.4-99 (МЭК 61000-4-4-95) [3] распространяется на электротехнические, электронные и радиоэлектронные изделия и устанавливает требования и методы их испытаний на устойчивость к наносекундным импульсным помехам (НИП).

В настоящее время для защиты от внешних импульсных воздействий применяются различные виды экранировки, RC- и LC-фильтры, газоразрядные приборы (разрядники) и полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН). К сожалению, разрядники не обладают необходимым быстродействием, а быстродействующие ПОН, с высокой нелинейностью вольтамперной характеристики (ВАХ) не способны рассеивать большую мощность из-за малого объема p-n-перехода. Это обуславливает резкое уменьшение допустимого тока в импульсе, протекающем через прибор.

Схема типового ступенчатого фильтра импульсных помех показана на рис. 1. Первая ступень – разрядник (FV), вторая – варистор (VDR), включенные каскадом через сопротивления R.

Рис. 1. Схема каскадного фильтра импульсных помех

Дополнительно фильтр может содержать стабилитрон, катушки индуктивности, конденсаторы для лучшей фильтрации ВЧ помех.

Разрядник представляет собой устройство из двух токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При существенном повышении напряжения между пластинами возникает дуговой разряд, обеспечивающий сброс высоковольтного импульса на землю.

По исполнению разрядники делятся на: воздушные, воздушные многоэлектродные и газовые. В газовом разряднике дуговая камера заполнена инертным газом низкого давления. Благодаря этому их параметры мало зависят от внешних условий (влажность, температура, запыленность и т.д.), кроме этого газовые разрядники имеют экстремально высокое сопротивление (около 10 ГОм) и малую емкость, что позволяет их применять для защиты высокочастотных устройств до нескольких ГГц.

Варистор - резистивный элемент с резко выраженной нелинейной ВАХ и поликристаллической структурой из наиболее популярного для этих целей оксида цинка (ZnO). Их отличительной особенностью является резко выраженная зависимость сопротивления от приложенного к ним напряжения. Варисторы используются для стабилизации и защиты электронного оборудования от перенапряжений, преобразования частоты и напряжения, а также регулирования в системах автоматики.

Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.

Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности λ — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению R_d:

где U и I — напряжение и ток варистора.

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.

Варистор выбирается исходя из допустимой поглощаемой энергии и максимально допустимого напряжения. На рис. 2 показана типичная ВАХ варистора.

Недостатком варисторов является их значительная емкость, исключающая их применение в высокочастотных цепях.

Рис. 2. ВАХ варистора.

Широкое применение в электроэнергетике нашли ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) - электрические аппараты, предназначенные для защиты оборудования систем электроснабжения от коммутационных и грозовых перенапряжений. Основным элементом ОПН также является нелинейный резистор – варистор. Высоковольтные ОПН представляют собой набор последовательно включенных варисторов.

Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока). Стабилитрон предназначен для работы в режиме стабилизации, т.е. при протекании через него определенного тока он обеспечивает практически постоянное напряжение на своих выводах.

Полупроводниковые диодные ограничители напряжения фиксируют заданный уровень напряжения на защищаемом устройстве. При превышении рабочего напряжения происходит обратимый лавинный пробой диода, он переходит в состояние с низким динамическим сопротивлением. В этом состоянии диодный ограничитель отводит импульсный ток перегрузки от защищаемого объекта и поглощает выбросы напряжения, превышающие напряжение пробоя. Время реакции на перенапряжение составляет несколько наносекунд (зависит от конструкции), импульсный ток — до сотен ампер, импульсная мощность — более 1 кВт, фиксируемое напряжение — 3…400 В, емкость — менее 50 пФ. Диодные ограничители допускают большие импульсные токи, чем стабилитроны и имеют более широкий диапазон рабочих напряжений.

Характеристики и описание используемых в работе ограничителей перенапряжений.

1. Разрядник фирмы EPCOS марки ЕС350Х.

Рис. 3. Разрядники фирмы EPCOS

Характеристики разрядника:

Напряжение пробоя (постоянное) 230 В±15%

Напряжение пробоя импульсное 100 В/мкс, не более 500 В / 550 В

Напряжение пробоя импульсное 1 кВ/мкс не более 600 В / 700 В

Импульсный разрядный ток 8/20 мкс 5 кА

Единичный импульсный разрядный ток 8/20 мкс 10 кА

Разрядный ток 50 Гц, 1 с 5 А

Разрядный ток 50 Гц, 9 циклов 20 А

Сопротивление изоляции, не менее 10 ГОм

Емкость, не более 1 пФ

Диапазон рабочих температур –40 — +90 °С

2. Разрядник Р-350.

Разрядник Р-350 представляет собой стеклянный баллон с двумя электродами, заполненный аргоном. Разрядник предназначен для защиты линий и аппаратуры связи от перенапряжений, а также для грозозащиты. Климатическое исполнение УХЛ.

Основные электрические параметры разрядника Р-350

Наименование параметра, единица измерения	Норма
Наименование параметра, единица измерения	Не менее	Номинал	Не более
Напряжение пробоя (амплитудное значение при частоте 50 Гц), В Сопротивление изоляции, МОм Амплитуда импульса тока, А Емкость между электродами, пФ Время восстановления пробоя, мин Разрядный ток, А Продолжительность разряда, с	310 5000 - - - - -	350 - - - - - -	390 - 3 10 0,5 3 2

3. Ограничитель ОПН-0,4/0,24-10( I )

ОПН-0,4/0,24-10(I) – ограничитель перенапряжения нелинейный для защиты изоляции электрооборудования сетей 0,4 кВ производства ЗАО «Феникс-88» (г. Новосибирск). Климатическое исполнение УХЛ1. Внешний вид и размеры ОПН показаны на рис. 4.

Рис. 4. Размеры ОПН-0,4/0,24-10.

Характеристики ОПН-0,4/0,24-10:

Класс напряжения сети – 0,4 кВ действ.

Длительное рабочее напряжение промышленной частоты – 0,24 кВ действ.

Номинальный разрядный ток – 10 кА

Энергоемкость ограничителя – 650 Дж.

Амплитуда выдерживаемого импульса 4/10 мкс – 40 кА.

Масса, не более – 0,1 кг.

Варистор марки FNR 20 K 331.

Варистор FNR 20K 331 используется для стабилизации и защиты электронного оборудования от перенапряжений, преобразования частоты и напряжения, а также регулирования в системах автоматики. Внешний вид варистора и его основные характеристики приведены ниже.

Рис. 5. Внешний вид варистора FNR 20K331.

Характеристики варистора:

Классификационное напряжение – 330 В при токе 1 мА.

Максимальная поглощаемая энергия – 150,0 Дж

Максимальная емкость – 1400 пФ на частоте 1 кГц.

5. Диод ограничительный 1.5КЕ350А. Является защитным диодом для защиты цепей от импульсных выбросов напряжения. Внешний вид диода и его основные характеристики приведены ниже.