Нелинейные и линейные элементы УЗИП: виды, принцип работы и отличия

Линейные и нелинейные элементы УЗИП

Элементы УЗИП ограничивают кратковременный выброс напряжения и направляют импульсный ток по безопасному пути. В одном устройстве могут работать варистор, разрядник, TVS-диод, резистор, конденсатор и дроссель. Одни элементы УЗИП резко меняют сопротивление, другие фильтруют помехи и согласуют защитные ступени.

Какие компоненты входят в УЗИП

Устройство УЗИП зависит от назначения: силовая сеть, линия связи и автоматика требуют разных решений. Типовая схема УЗИП включает:

• защитные элементы УЗИП — варисторы, разрядники и полупроводниковые ограничители;
• фильтрующие элементы — конденсаторы, резисторы и индуктивные компоненты;
• терморасцепитель, предохранитель, индикатор состояния и контакты сигнализации.

Элементы УЗИП не взаимозаменяемы: их сочетание определяет допустимый ток, уровень защиты и скорость реакции.

Линейные и нелинейные компоненты

Линейные элементы в рабочем диапазоне не меняют свои параметры скачком. К ним относятся резистор, конденсатор и дроссель. Резистор ограничивает ток, конденсатор отводит высокочастотную составляющую помехи, а индуктивность дросселя препятствует быстрому изменению тока. Эти компоненты не срабатывают по порогу напряжения, а фильтруют импульс и согласуют защитные ступени.

Нелинейные элементы меняют проводимость в зависимости от приложенного напряжения. Нелинейные компоненты УЗИП работают как элементы защиты от перенапряжений: в штатном режиме почти не влияют на цепь, а при импульсе ограничивают напряжение или переключаются в проводящее состояние. Эти элементы УЗИП включают металлооксидный варистор, искровой разрядник, газовый разрядник и защитный диод типа TVS. Супрессор — распространённое название такого диода.

Линейные и нелинейные элементы УЗИП решают разные задачи. Первые фильтруют и координируют ступени, вторые выполняют ограничение импульсного напряжения и отвод импульсного тока.

Варистор

Металлооксидный варистор — нелинейный элемент, сопротивление которого уменьшается с ростом напряжения. Его вольт-амперная характеристика двусторонняя и практически симметрична относительно начала координат, поэтому варисторные элементы ограничивают импульсы обеих полярностей. Такие элементы УЗИП обычно изготавливают на основе оксида цинка: при рабочем напряжении их сопротивление велико, а во время импульса проводимость возрастает.

Принцип работы варистора состоит в ограничении, а не полном «срезании» выброса. Напряжение на нём растёт вместе с импульсным током, поэтому ограничитель перенапряжения выбирают и по уровню защиты при заданном испытательном токе.

Основные характеристики варистора:

• максимальное длительно допустимое напряжение AC или DC;
• классификационное напряжение при установленном измерительном токе;
• номинальный и максимальный импульсные токи заданной формы;
• напряжение ограничения, энергоёмкость и допустимое число импульсов;
• ⦁ ёмкость, диапазон температур и ток утечки варистора.

Сильные импульсы, длительные перенапряжения и перегрев изменяют характеристики варистора. Ток утечки растёт, поэтому такие элементы УЗИП снабжают тепловым отключением. Ресурс защитных элементов зависит от амплитуды и количества импульсов, рабочего напряжения и температуры.

Разрядники

Разрядник содержит электроды, разделённые изолирующей средой. Искровой разрядник может иметь воздушный промежуток, а газовый разрядник — герметичную газонаполненную камеру. После пробоя возникает дуговой канал с низким сопротивлением.

Принцип работы разрядника относится к коммутирующему типу: в нормальном режиме он изолирует цепь, а при перенапряжении проводит ток. После импульса дуга должна погаснуть, а изоляция — восстановиться.

Основные характеристики разрядника — статическое и импульсное напряжения пробоя при заданной скорости нарастания, допустимые разрядные токи для нормированных форм импульса, напряжение дуги, сопротивление изоляции, ёмкость и ресурс. Элементы УЗИП этого типа нельзя сравнивать вне условий испытания: время срабатывания разрядника зависит от крутизны фронта, а при её увеличении растёт динамическое напряжение пробоя. Поэтому быстродействие защитных элементов сопоставляют при одинаковой скорости нарастания напряжения и с учётом индуктивности соединений.

TVS-диоды

TVS-диод — защитный диод для лавинного ограничения кратковременных перенапряжений. В российской практике термин супрессор обычно обозначает именно TVS-компонент, тогда как понятие «защитный диод» шире. Однонаправленный диод применяют преимущественно в цепях постоянного тока, двунаправленный — в переменных и двуполярных линиях.

Эти элементы УЗИП выбирают по максимальному рабочему напряжению, напряжению пробоя при измерительном токе, напряжению ограничения при пиковом токе, импульсной мощности и ёмкости. Полупроводниковые элементы TVS обеспечивают малое время реакции и низкий уровень ограничения, но обычно уступают разряднику по допустимому импульсному току. Поэтому более энергоёмкие элементы УЗИП устанавливают на предыдущей ступени, а TVS — возле чувствительного входа.

Резистивные и реактивные компоненты

Линейные компоненты УЗИП не заменяют основной ограничитель, но эти элементы помогают согласовать защитные ступени:

• резистор ограничивает ток, разряжает ёмкость, задаёт режим индикации или вместе с конденсатором образует RC-цепь;
• конденсатор шунтирует высокочастотную составляющую помехи, если его напряжение, импульсный ток и класс безопасности соответствуют цепи;
• дроссель препятствует быстрому изменению тока и создаёт развязку между защитными ступенями;
• индуктивность проводников и катушек влияет на распределение напряжений при крутом фронте импульса.

В составе защиты эти элементы УЗИП обеспечивают подавление импульсных помех и координацию каскадов. Дроссель не должен насыщаться, конденсатор — пробиваться, а резистор — перегреваться.

Как работает многоступенчатая защита

Совместная работа варистора и разрядника требует энергетической координации. Варистор ограничивает фронт, а падение напряжения на развязывающем резисторе или дросселе способствует пробою разрядника. При пробое межэлектродного промежутка значительная часть импульсного тока начинает протекать через разрядник. В сигнальных цепях похожая схема УЗИП сочетает газоразрядный элемент, развязку и TVS-диод.

Процесс проходит последовательно:

1. Фронт импульса достигает TVS-диода или варистора, и ограничивающая ступень начинает проводить ток.
2. Напряжение на развязывающем элементе повышает потенциал на разряднике до уровня динамического пробоя.
3. После зажигания дуги основная часть тока отводится через разрядник к системе уравнивания потенциалов.
4. После импульса дуга гаснет, компоненты восстанавливают высокое сопротивление, а при неисправности модуль отключается терморасцепителем.

Остаточное напряжение УЗИП измеряют на выводах при импульсном токе. У оборудования оно может быть выше из-за индуктивных падений на проводниках. Поэтому элементы УЗИП подключают проводниками минимальной длины: чем длиннее соединение, тем больше индуктивное падение напряжения во время импульса.

Сравнение варистора и разрядника

Главное отличие варистора от разрядника — характер перехода. Варистор начинает ограничение без стадии искрового пробоя, но имеет ток утечки и стареет. Разрядник до пробоя обеспечивает гальваническую развязку и отводит значительную энергию, однако его порог зависит от крутизны фронта, а после зажигания возможен сопровождающий ток.

Как выбирают компоненты

Выбор элементов для УЗИП начинают с параметров защищаемой системы:

1. рабочее и максимально длительное напряжение, род тока и схему заземления;
2. ожидаемые формы и амплитуды импульсов, требуемый класс испытаний;
3. допустимый уровень напряжения на оборудовании;ожидаемые формы и амплитуды импульсов, требуемый класс испытаний;
4. ток короткого замыкания, возможность сопровождающего тока и требования к резервной защите;
5. температуру, частоту импульсов, допустимые утечки и условия замены модуля.

На заключительном этапе элементы УЗИП проверяют на энергетическую координацию: остаточное воздействие после первой ступени не должно превышать допустимые импульсный ток и энергетическую стойкость следующей. При каскадном включении элементы УЗИП разделяют кабелем расчётной длины или развязывающим дросселем по данным изготовителя. Для элементов УЗИП сопоставляют максимальное длительное рабочее напряжение Uc и стойкость к временным перенапряжениям TOV с параметрами сети, а In, Imax или Iimp — с расчётным импульсным током. Уровень напряжения защиты Up сравнивают с импульсным выдерживаемым напряжением оборудования Uw. При этом индуктивные элементы и соединительные проводники создают дополнительное падение напряжения ΔU = L·di/dt, поэтому сумма Up + ΔU в точке подключения оборудования должна оставаться ниже Uw. Дополнительно проверяют совместимость модуля УЗИП с резервным аппаратом защиты, работу теплового разъединителя и допустимый ток короткого замыкания в месте установки; коммутационные элементы должны прерывать сопровождающий ток и восстанавливать электрическую прочность. Элементы УЗИП после испытаний заданным числом импульсов должны сохранять нормируемые параметры и не иметь признаков опасного перегрева.