雷からの電源の保護。スキーム、説明

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電源を雷から保護します。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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雷放電によるインパルスから機器を保護するため、動作条件により電源を切ることができない通信機器やセキュリティ機器、ビデオ監視システムなどへの電源供給は、要件に応じて行われ、原則としてネットワーク保護装置を内蔵した無停電電源装置が使用されます。

しかし、例えば、管理区域への無許可の人物の侵入を所有者に通知する装置のスイッチを入れたままダーチャに置いたままにする人はどうなるでしょうか？雷雨時のセキュリティデバイスの損傷の可能性を減らすために、その電源には、ネットワーク内の高電圧パルスを急激に減衰させるいくつかの要素を追加する必要があります。これをネットワーク干渉と呼びます。

同じ要素によるこのような干渉の抑制効果は異なります。これは、最初の特徴、つまり保護装置が多段階である必要があることを意味します。

保護装置の設計の XNUMX 番目の特徴は、その中にゼロ電位の導体、つまり「接地」が必要であることです。この条件は、配線がXNUMX線回路（「位相」（L）、「ゼロ」（N）、「保護アース」（PE））に従って行われる現代のアパートで簡単に満たすことができます。電源ネットワークに保護接地がない場合は、自分で接地ループを作成するか、それに同意する必要があります。干渉抑制が十分に効果的ではない可能性があります。相線からの干渉がゼロにそらされれば満足です。これは良好です。相線から、中性線から個別に接地線まで、相線から個別に中性線および接地線へ、また中性線から接地線までが優れています。

雷放電によって発生する長期にわたる強力な干渉を減衰するために、真空およびガス充填スパークギャップがパルスエネルギー吸収体として使用されます。統計によると、そのような干渉の割合は約 20% です。残りの 80% は短期的なもので、保護回路に並列のコンデンサと直列のバリア要素であるチョークによって効果的に抑制されます。並列に接続された吸収素子（電圧リミッター）によって強力な干渉を減衰させ、低電力の干渉を直列に低減する場合には、組み合わせた方法も使用されます。

保護装置で使用される最も一般的な電圧サプレッサーの一般的な特性を表に示します。

ガス封入避雷器は、保護装置の設計 (1 線式または XNUMX 線式) に応じて、XNUMX 電極バージョンと XNUMX 電極バージョンで使用できます。動作の信頼性と最大パルス電流の点で、このような電圧リミッタは他のものを上回ります（図XNUMX）。円筒形の容器の両端に放電電極があり、不活性ガスが封入されています。アレスタの欠点は、ガスのイオン化に一定の時間が必要なため、他の保護素子に比べて応答が遅いことです。

電源の雷保護
図。 1

直径 23、長さ 230 mm の 8 電極スパークギャップ T10-A8X を考えてみましょう。このような小型サイズにもかかわらず、この保護素子は、複数の単一パルス 20/20 μs (フロント/フォール) で最大 1 kA のピーク放電電流を許容するか、または 10 の交流放電電流と 50 Hz の周波数に 1 秒間耐えます。このような保護効率は、図 10 に示す避雷器の特別な設計によって確保されています。初期状態では、その抵抗は XNUMX オームを超えています。

放電ギャップ内の電圧がガスのイオン化を引き起こす電界強度を生成すると、放電が発生し、その結果、スパークギャップの抵抗が急激に減少します。パルスの終わりに、不活性ガスは絶縁特性を取り戻します。放電ギャップの絶縁破壊電圧は、電極のサイズと設計、および充填ガスの特性 (組成と圧力) の両方によって決まります。電極の特殊な複合コーティングと電極間のセラミック絶縁体により、放射率が向上します。中心電極のリング形状により、端部電極 1 および 2 の表面を最大限に利用することができ、通電面を侵食することなく大きな放電電流を提供できます。

急峻なフロント（1 kV/μs 以上）による干渉に応答する遅延を補償するために、通常、多段保護装置の避雷器にはバリスタと保護ダイオードが追加され、電気ネットワークにインパルスノイズが出現した最初の瞬間に、インパルスノイズのエネルギーの一部を迂回させます。

金属酸化物バリスタは、対称ツェナーダイオードに似ています。印加電圧の特定のしきい値を超えると、素子の抵抗が急激に低下します。バリスタの分類電圧は、主電源電圧の最大振幅を少なくとも 5% 超えなければなりません。たとえば、主電源電圧 220 V の 20% (264 V) の最大許容増加は、振幅 374 V に相当します。したがって、バリスタの分類電圧は少なくとも 393 V である必要があります。多くの工業的に製造された保護装置と同様に、標準分類電圧 390 V のバリスタを使用する場合、このパラメータの許容される技術的誤差により、バリスタが損傷する危険性があります。バリスタは、破壊することなく吸収できる特定の制限パルスエネルギーによっても特徴付けられます。

この特性には蓄積の性質があります。これは、デバイスがパラメータを劣化させることなく、特定の最大許容エネルギーの単一パルス、またはより低いエネルギーの特定の数のパルスを吸収できることを意味します。たとえば、直径 20 mm の金属酸化物バリスタは、最大許容エネルギー 410 J のパルス、または 10 J のエネルギーのパルス 40 個を吸収します。バリスタが約束されたリソースを使い果たすと、分類電圧はわずかに増加し、その後の各パルスで急激に減少し始め、その結果、バリスタは「焼き切れ」ます。したがって、外観に劣化（塗装の黒ずみ）がわずかでも現れたら交換する必要があります。欠点は、閉ネットワークフィルター内にあるバリエータの技術的状態を監視する必要があることです。

保護ダイオード (過渡電圧抑制回路) は、ツェナーダイオードと同様、印加電圧が開放電圧を超えて増加すると、非常に急速に導通します。このようなデバイス、特にリードレスデバイスの応答時間は、わずか数ピコ秒です。もちろん、リード線とリード線のインダクタンスによってダイオードの速度は低下しますが、それでも、使用される電圧リミッタの中で最高の速度のままです。ユニポーラ保護ダイオードと対称的な電流電圧特性を持つ保護ダイオードがあり、AC 回路で追加の整流ダイオードなしで使用できます。非常に高い電流では、ガスで満たされたスパークギャップとは対照的に、保護ダイオードで発生する電気的破壊は不可逆的になります。この要素は置き換える必要があります。国内外の電力網における高電圧インパルスを保護するために工業的に製造された装置は、承認された国際規格の要件に準拠する必要があります。国際電気標準会議 (IEC) の一般に受け入れられている用語に従って、保護クラスは I、II、III に分類されます。

クラス I デバイスは、建物の入口の電力メーター前の電気ネットワークを保護するように設計されています。このような装置の主な要素は、電気ショックを受けた表面に広がる電流を考慮すると、直撃雷に相当する、パルスあたり最大 150 kA の強力な雷放電を中和できる真空避雷器とガス封入避雷器です。

クラス II デバイスは、階および作業場の配電盤のインパルスノイズを減衰します。このようなデバイスで最も一般的に使用される保護素子はバリスタです。

クラス III デバイスは、消費電流が 16 A 以下で個々のデバイスを保護するように設計されています。これらは通常、保護ダイオードで実行されます。

もちろん、無線機器を安全に操作するために、ユーザーはカントリーハウスやアパートの配信ネットワークにそのような産業用機器を装備することができますが、そのようなソリューションの実装は財政的に難しい場合があります。ネットワーク保護デバイスを独自に製造する方がはるかに安価になります。

避雷装置の要件と実際の実装方法に関する現代のアイデアの分析に基づいて、著者は多段保護装置を開発しました。その図を図に示します。 2.

電源の雷保護
図。 2

デバイスは、電源プラグを使用してネットワークに接続されます。 XP1 は接地接点付き。ヒューズリンク FU1、FU2 は、ソケット XS1 に接続され、最大 1 kW の負荷向けに設計されており、それらの存在により保護装置の信頼性が大幅に向上し、保護装置に使用されている他の要素の寿命が延びます。短期的な干渉は避雷器 F1 をトリガーできませんが、チョーク L2 ～ L4 によって弱められ、保護ダイオード VD1 によって吸収されます。このような干渉の減衰には、ネットワークケーブルに装着されたフェライトシリンダーによっても大きく貢献し、その結果としてインダクター L1 が形成されます。コンデンサ C1 は最終的に、対称的な短期間の主電源干渉、不平衡な C2 と C3 を抑制します。

雷放電によって発生する継続的なネットワーク干渉の前線の抑制は、主に保護ダイオード VD1 とバリスタ RU1 ～ RU3 によって行われます。 250 ns 後、スイッチがオンになったスパークギャップ F1 によってそれ自体への干渉が除去され、ヒューズ FU1、FU2 が作動して、重大な結果が発生するまで装置の電源が主電源から切断されます。

ネットワークフィルターの保護素子によって散逸されるインパルスノイズのエネルギーは熱の形で放出され、素子の温度は200℃以上に達することがあります。したがって、火災安全上の理由から、装置の本体は金属のみで作られなければなりません。ハウジングをプラグのアース接点からの電線に接続します。 XP1 は、フィルターハウジングへのネットワークケーブルの入力のすぐ近くで実行されます。ソケット XS1 は、デバイスのプリント基板の図面に示されている対応するパッドに短いワイヤで接続されています (図 3)。

電源の雷保護
図。 3

ボードの写真を図に示します。四。

電源の雷保護
図。 4

プリント基板は、厚さ 1,5 mm の片面フォイルグラスファイバーでできています。基板上のプリント導体の接地保護要素をはんだで剥がして断面積を増やし、高さ 1 ～ 1,5 mm のローラーを作成します。ネットワークケーブルは、断面積が少なくとも 1 mm2 のワイヤで使用されます。その上にフェライトシリンダーが載せられています。 K18 * 9x30 mm (図 4 の左側に表示)。外国のメーカーは、このようなシリンダーをケーブルに取り付けて、さまざまなデバイスをコンピューターに接続します。

インダクタ L2 と L3 は、折り畳まれた 2 つの環状磁気コア上にそれぞれ直径 1 mm の PEV-27 ワイヤが巻かれています。 MP 15 パーマロイからの KP6>140-28mm 巻線は層間絶縁なしで完全な 14 層で実行され、著者は湿気防止のためにエナメルでコーティングされた既製のチョークを使用しました。磁気回路を使用することもできます。パソコンのATスイッチング電源の多巻線チョークからK12>XNUMX～XNUMXmm。

チョーク L4 は M28NM フェライト製の K15-10-2000mm リング上で実行されます。磁気回路の鋭利な部分をヤスリで丸くし、ニスを塗った布やフッ素樹脂テープで絶縁します。各巻線には 15 巻のワイヤが含まれています。直径 2 mm の PEV-1 は、設計上の理由により、リード線をプリント基板に接続する便宜上、一方の巻線が他方の巻線に使用される方向と逆方向に巻かれています。この場合、磁気回路の流入電流と流出電流によって生成される磁場は相互に補償され、それによって磁気飽和が排除されます。インダクタが正しく実行されているかどうかは、そのインダクタンスを測定することでチェックできます。この設計では、各巻線のインダクタンスは 270 µH です。巻線の出力端を接続して入力インダクタンスを測定すると、10 μH を超えることはありません。

バリスタ RU1-RU3 - SIOV S20K420。これらは、直径 20 mm で分級電圧 420 V の他の金属酸化物で置き換えることができます。極端な場合には、同じ直径で分級電圧 430 V の酸化亜鉛 (たとえば、メーカーの 20 つによって MYG431K1 とマークされている) を使用することもできます。 K3-78シリーズの高電圧コンデンサC2～CXNUMX。

1,5KE440CA 対称保護ダイオードは、XNUMX つの同じユニポーラ保護ダイオード (CA インデックスなし) またはその類似物で置き換えることができます。この場合、保護装置に主電源電圧と保護ダイオードの状態を示すインジケーターを追加することをお勧めします。

デバイスの動作中、特に雷雨の日の後は、定期的にデバイスの技術的状態を監視し、リソースを使い果たした要素を適時に交換する必要があります。

著者: Kosenko S.

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