Газоразрядники принцип действия

Газовые разрядники на защите от импульсных перенапряжений

Газоразрядники или разрядники для защиты от перенапряжений с газовым наполнением обозначаются термином GDT (Gas Discharge Tube). По количеству электродов они разделяются на две группы: двухэлектродные и трёхэлектродные.

рис. а). двухэлектродный и б). трёхэлектродный ионные разрядники с газовым наполнением (условное обозначение по международным стандартам)

При срабатывании элемента защиты происходит закорачивание входа устройства и стекание тока перегрузки на землю. Принцип работы газоразрядника можно сравнить с электронным ключом, срабатывающий при возникновении разности потенциалов между его электродами выше заданного значения. Широко используются разрядники для защиты от перенапряжений электронных цепей, когда некритичны такие показатели как скорость срабатывания и точность значений напряжения. Любой разрядник должен иметь собственное заземление, иначе использование их будет бесполезным.

При эксплуатации электронного спутникового оборудования (или любого другого радиотехнического) периодически могут возникать перегрузки по току и напряжению, изначальная природа которых обусловлена влияниями внешних электромагнитных импульсов. Они могут быть в виде электромагнитных сигналов, идущих от мощных радаров, электростатические разряды, мощного грозового разряда и др. (естественного и искусственного происхождения). Большие перегрузки могут исходить от неисправной цепи электропитания какого-либо оборудования.

Конструкция элемента газоразрядника представляет собой керамическую ёмкость (трубку или в виде “таблетки”), заполненная инертным газом, закрытая с двух сторон металлическими электродами. Обычно разрядник трудно заметить в электронной цепи защищаемого устройства. При его срабатывании происходит короткое замыкание электродов и ток перегрузки уходит на землю. Не просто так его сравнивают с электронным ключом , который срабатывает при превышении заданных значений разности потенциалов между его электродами. Это приводит к увеличению кинетической энергии свободных электронов, образованию новых ионов и электронов, — ток между электродами начинает расти и разрядник переходит в режим “тлеющего разряда” (на несколько микросекунд). Если напряжение будет дальше возрастать, то начнётся лавинное размножение электронов, вызывая при этом газовый разряд. В зависимости от конструкции разрядника длительность пробоя продолжается десятки наносекунд (причём ток возрастает скачками), а разность потенциалов между электродами падает. Для разных типов газовых разрядников значение напряжения разряда будет примерно равным 10В-80В (от тока практически зависеть не будет). При возникновении импульса перенапряжения разрядник закорачивается и импульс уходит на землю, тем самым защищая оборудование от вывода из строя. Для отвода разряда молнии от антенны устанавливают молниеотводы с контуром заземления, который берёт весь разряд на себя и отводит в землю.

Рис. Схема подключения двухэлектродного газоразрядника в цепь между спутниковой антенной и ВЧ оборудованием (ресивер)

После режима пробоя значение напряжения на электродах уменьшается до начального уровня и процесс идёт в обратном направлении. При длительном влиянии перегрузок (примерно 1-10 секунд) внутри разрядника начинается горение электрической дуги, из-за чего он может выгореть и дальнейшее его использование будет невозможным (разрядник требуется заменить). Этого можно избежать с помощью дополнительной механической термозащиты.

рис. Трёхэлектродные газоразрядники с термозащитой в виде металлической пластины (скобы)

Конструкция термозащиты представляет собой специальный металлический зажим (или скобу), который крепится к корпусу разрядника легкоплавким припоем. После нагрева и достижения определённой температуры происходит закорачивание между собой электродов металлическим зажимом. Далее срабатывают остальные защитные элементы схемы.

Широкое применение помимо двухэлектродных получили и разрядники, имеющие три электрода (трёхэлектродные), корпус которых состоит из двух объединённых между собой двухэлектродных разрядников с одним общим электродом. Такая конструкция способна обеспечить контроль симметричных цепей одновременно, при этом исключая перекос фаз и снижая перепад значений напряжений между линиями до безопасного уровня.

Газоразрядники (GDT): основные параметры и характеристики

Газоразрядники характеризуются статическим напряжением срабатывания (этот параметр обычно указывается в технической документации), номинальное DCBD, Vdcbd – возникает зажигание разрядника, вызванное напряжением постоянного тока.

Максимальное динамическое напряжение срабатывания (Vimpuls, Mis) – импульсное напряжение достигает максимального пикового значения и происходит пробой разрядника (в пределах значений 100В/мкс и 1кВ/мкс – крутизна фронта нарастающих линейных импульсов напряжения).

Минимальное гарантированное статическое напряжение срабатывания (MDCS, Vmdcs) – минимальное значение статического напряжения, при котором разрядник срабатывает на протяжении всего срока эксплуатации.

Напряжение горения дуги (AV, Varc) – напряжение, возникающее между электродами разрядника, в режиме прохождения через него тока пробоя.

Максимальное значение импульса тока разряда (MSR, limpulse) – кратковременное предельное значение импульсного тока. После воздействия этого тока газоразрядный элемент останется в исправном (рабочем) состоянии (указывается значение тока при тесте с отношением времени нарастания ко времени спада 8/20мкс, 10/350мкс).

Номинальный импульсный ток разряда (IDC) – ток, проходящий через разрядник в режиме пробоя (при этом воздействие этого тока газоразрядник может выдерживать многократно в соответствии с техническими характеристиками).

Максимальный переменный ток разряда (ADS, lac) – ток переменный, проходящий через разрядный элемент и воздействие которого разрядник может многократно выдерживать (в соответствии с техническими характеристиками).

Время пробоя разрядника (ARTT) – это промежуток времени, за который между электродами изменяется значение напряжения от максимального динамического до напряжения горения дуги.

Ток в режиме тлеющего разряда (GATC) –значение тока во временном промежутке зажигания и пробоя.

Время срабатывания газоразрядника (PVST) – временной интервал от точки начала зажигания до точки начала пробоя.

Эксплуатационный ресурс газоразрядника (SL) – это количество срабатываний газоразрядного элемента и значений импульсного тока, проходящего через него, после которых не гарантируется выдача рабочих характеристик (указываются в тех. документации).

Конструкция трёхэлектродного газового разрядника с термической защитой (термопредохранителем).

рис. Газовый трёхэлектродный разрядник с защитой (термопредохранителем)

Термопредохранитель является дополнением к газоразряднику и выполнен в виде металической пластинки (скобы), которая при перегреве деформируется и замыкает общий вывод и выводы L (L1, L2) между собой, при этом ток начинает проходить вне газового промежутка.

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) газоразрядника можно представить в виде нескольких уровней рабочих участков.

рис. ВАХ газоразрядника

Участок низких напряжений (1). Если возникнет хотя бы незначительное напряжение между общим выводом электрода и одним из выводов L(L1 или L2), то из-за сверхнизкой электропроводимости инертного газа ток через газоразрядник не потечёт. После того, как достигнется напряжение срабатывания значение тока начнёт расти.

Возникновение тлеющего разряда (2). Происходит ионизация молекул газа после достижения напряжения срабатывания (лавинообразно возрастает число носителей заряда). Незначительный ток начинает протекать через промежуток, заполненный газом (при этом напряжение падает до уровня значения напряжения тлеющего разряда).

Тлеющий разряд (3). Дальнейшее увеличение тока приводит к незначительному увеличению напряжения между электродами.

Возникновение электрической дуги (4). Если мощность, поступаемая от внешнего источника достаточно большая, то при возрастании тока сверх предела энергия поля станет достаточной для преодоления заряженными частицами пути от электродов L (L1 и L2) к общему электроду без потери энергии. Значение напряжения резко уменьшается и возникает электрическая дуга – устойчивый проводящий канал.

Дальнейшее возрастание тока (5) происходит без роста значения напряжения.

Разрядники

Разрядник — это пассивное электрическое устройство, у которого при определенном значении приложенного напряжения пробивается искровой промежуток и ограничивает перенапряжения в установке.

• 1. Разрядник, его назначение, принцип действия
• 2. Типы разрядников
• 3. Воздушный разрядник закрытого и открытого типа (трубчатый разрядник)
• 4. Газовый разрядник
• 5 Вентильный разрядник
• 6. Магнитовентильный разрядник (рвмг)
• 7. Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН)
• 8. Выбор разрядников
• 9. Технические характеристики разрядников
• 10. Обозначения разрядников
• 11. Разрядники 6 КВ, 10 КВ, 35кВ, 110 кВ, 220 кВ

1. Разрядник, его назначение, принцип действия

Разрядники представляют собой защитные аппараты. Они предназначены для защиты изоляции электрооборудования от перенапряжений.
Разрядник состоит из двух электродов и дугогасительного устройства.

Один из электродов закрепляют на защищаемой цепи, второй электрод заземляют. Пространство между этими двумя электродами называется искровым промежутком. При определенном значении напряжения между электродами искровой промежуток пробивается и снимает перенапряжение с защищаемого участка цепи.

После пробоя импульсом искровой промежуток становится достаточно ионизированным, чтобы фазные напряжения нормального режима могли пробиться, в связи с этим возникает короткое замыкание. Задача дугогасительного устройства — в наиболее короткие сроки устранить это до того, как сработают устройства защиты.

Принцип действия разрядников. В конструкции разрядников предусмотрен воздушный зазор в перемычке, который соединяет фазы линии электропередач и заземляющий контур. При номинальной величине напряжения цепь в перемычке разорвана. В случае грозового разряда в результате перенапряжения в ЛЭП происходит пробой воздушного зазора, происходит замыкание цепи между фазой и землей и импульс высокого напряжения напрямую уходит в землю.

2. Типы разрядников

Различают такие типы разрядников:

• Воздушный
• Газовый
• Вентильный
• Магнитовентильный

3. Воздушный разрядник закрытого и открытого типа (трубчатый разрядник)

Имеет вид полихлорвиниловой трубки, которая предназначена для гашения дуги. На каждом конце разрядника имеется по одному электроду (рис.1). К одному электроду подведено заземление, а другой установлен на незначительном расстоянии от защищаемого участка.

Рисунок 1 – Структурная схема воздушного разрядника

4. Газовый разрядник

Газовые разрядники представляют собой компоненты, заполненные инертным газом (рис.2). Корпус разрядника изготовлен в виде керамической трубки, концы которой закрыты металлическими пластинами и выступают в роли электродов.

Рисунок 2 – Структурная схема газового разрядника

5 Вентильный разрядник

Состоит из двух основных частей: многократный искровой промежуток и рабочий резистор, состоящий из последовательно набранных вилитовых дисков (рис.3). Оба этих основных элемента соединены между собой последовательно.

Рисунок 3 – Структурная схема вентильного разрядника

6. Магнитовентильный разрядник (рвмг)

В состав магнитовентильного разрядника входят несколько блоков, соединенных последовательно (рис.4). В каждом блоке имеются единичные искровые промежутки, которые последовательно соединены, а также постоянные магниты. Все элементы блока размещаются в цилиндре из фарфора.

Рисунок 4 – Структурная схема магнитовентильного разрядника

7. Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН)

В этом разряднике отсутствуют искровые промежутки(рис.5). Конструкция активной части ограничителя включает в себя последовательный набор варисторов.

Рисунок 5 – Структурная схема ограничителя перенапряжений

8. Выбор разрядников

Основные параметры разрядников: класс пропускной способности, наиболее длительное допустимое рабочее напряжение, уровни остающихся напряжений при коммутационных и грозовых импульсах, номинальное напряжение, величина тока срабатывания противовзрывного устройства, номинальный разрядный ток, длина пути утечки внешней изоляции.

Выбор разрядников производится исходя из назначения, конструктивного исполнения, требуемого уровня ограничения перенапряжений, схемы сети и ее параметров.

9. Технические характеристики разрядников

Выделяют такие основные технические характеристики разрядников:

• Класс напряжения цепи;
• Наибольшее допустимое напряжение;
• Пробивное напряжение при частоте 50 Гц в сухом состоянии и под дождем;
• Импульсное пробивное напряжение при предразрядном времени от 2 до 20 мкс;
• Остающееся напряжение при волне 8 мкс;
• Ток утечки;
• Токовая пропускная способность;
• Длина пути утечки внешней изоляции;
• Допустимое натяжение проводов;
• Высота;
• Масса ограничителя.

10. Обозначения разрядников

Таблица 1 – Обозначения разрядников на схемах

Наименование	Обозначение
Разрядник. Общее обозначение.
Разрядник трубчатый
Разрядники вентильный и магнитовентильный
Разрядник шаровой
Разрядник роговой
Разрядник угольный
Разрядник электрохимический

11. Разрядники 6 КВ, 10 КВ, 35кВ, 110 кВ, 220 кВ

Основные характеристики разрядников 6-220 кВ приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 – Технические характеристики разрядников 6 кВ, 10 кВ

Параметр	Единица измерения	РВО-6 Н	РВО-10 Н
Класс напряжения сети	кВ	6	10
Наибольшее допустимое напряжение	кВ	7,5	12,7
Пробивное напряжение при частоте 50 Гц в сухом состоянии и под дождём:
не менее	кВ	16	26
не более	кВ	19	30,5
Импульсное пробивное напряжение при предразрядном времени от 2 до 20 мкс, не более	кВ	32	48
Остающееся напряжение при волне 8 мкс, не более:
с амплитудой тока 3000А	кВ	25	43
с амплитудой тока 5000А	кВ	27	45
Ток утечки, не более	мкА	6	6
Токовая пропускная способность:
20 импульсов тока волной 16/40 мкс	кА	5,0	5,0
20 импульсов тока прямоугольной волной длительностью 2000 мкс	А	75	75
Длина пути утечки внешней изоляции, не менее	см	18	26
Допустимое натяжение проводов, не менее	Н	300	300
Высота, не более	мм	294	411
Масса, не более	кг	3,1	4,2

Таблица 3 – Технические характеристики разрядников 35кВ, 110 кВ, 220 кВ

Разрядник- принцип работы, устройство и его виды

Сейчас в наше время разрядники распространены повсеместно. Поэтому вопросы о разрядниках стали актуальными. Но на большинстве сайтов информация очень сложная и непонятная. Эта статья очень проста в понимании. Из неё вы узнаете: что такое разрядник, принцип работы, устройство и виды разрядников.

В современной электронике довольно часто возникают сильные всплески напряжения. Перенапряжения могут сильно повлиять на электрические устройства, работающие при нормальных условиях, даже если они кратковременны. Причиной этого может стать плохая коммутация электрических цепей, слабая изоляция, резонансные помехи. Причины бывают, как и внутренние, так и внешние. Атмосферные разряды гроз могут стать внешней причиной перенапряжения.

Для предохранения от перенапряжения раньше применялись только громоотводы. Сейчас с высоким развитием современной электроники стали применяться такие замечательные устройства, как разрядники.

1. Что такое разрядник?
2. Устройство разрядника
3. Принцип работы разрядника
4. Виды разрядников:
5. Трубчатый разрядник
6. Вентильные разрядники.
7. Магнитовентильный разрядник (РВМГ)
8. Ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН).

Что такое разрядник?

С высоким развитием промышленности удалось сделать разрядники экономичными и эффективными для использования в своих целях. Сейчас в наше время использование надежной изоляции весьма дорого и неэффективно, удобнее всего, конечно же, использовать разрядники.

В узком смысле разрядники являются защитными элементами электрических цепей, без которых часто бы портились электрические приборы, изоляция ЛЭП кабелей или проводов.

Устройство разрядника

Разрядник состоит из двух основных частей: электродов и дугогасительного устройства.

Устройство разрядника в зависимости от его вида бывает разным.

Разрядник имеет прочный герметичный корпус, который предохраняет его от внешних механических повреждений. Промежуток между электродами называется искровым промежутком. Один из электродов присоединяется к защищаемому элементу электрической цепи, а другой обязательно заземляется. Без заземления разрядник бесполезен.

Важно то, что дугогасительное устройство несёт большее значение в работе разрядника, в ином случае разрядник не сможет предотвратить от фазного пробоя. Фазный пробой повлечет за собой короткое замыкание (КЗ).

Рис 2. Устройство трубчатого разрядника

Пробивное напряжение – это одна из главных характеристик разрядника, которая показывает напряжение, при котором в разряднике, между его электродами возникает искры, то есть разрядник пробивается. Полярность подключение к электродам 2 и 3 не имеет существенной разницы, если это разрядник переменной сети.

Дугогасительное устройство в данном случае представляет из себя корпус, который выделяет газ. Современные методы производства позволяют создавать разрядники различных характеристик.

Принцип работы разрядника

Принцип работы разрядника довольно прост, как и его устройство. При возникновение перенапряжения на электродах разрядника значительно возрастает напряжение. Если это напряжение станет больше напряжение пробоя, которое прописано в характеристике устройства, то возникнет пробой.

Чтобы этого не произошло, в разряднике присутствует дугогасительное устройство. В зависимости от вида разрядника имеются различные виды дугогасительных устройств. Все разрядники подразделяются на несколько видов.

Ниже представлены основные виды разрядников.

Виды разрядников:

-Трубчатый (воздушный);

-Газовый;

-Вентильный:

-Магнитовентильный разрядник (РВМГ);

-Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН);

-Трубчатые разрядники ( воздушный )

Трубчатый разрядник

Трубчатый разрядник представляет собой трубку из прочного материала. Сам материал – это различные полимеры. Самый распространённый из них – это полихлорвинил. Полихлорвинил способен вынести температуру, пригодную для данного типа разрядников.

В трубку помещены два электрода (рис 1.). Один присоединяется к защищаемому элементу, а другой заземляется. Принцип работы трубчатого разрядника довольно прост.

При напряжении пробоя образуется искра, которая ионизирует воздух. Воздух сильно нагревается, при этом идет массовое выделение газов.

Интенсивная газовая генерация гасит дугу фазного напряжения. Такое дугогасительное устройство называется продольным дутьём. Для выхода газов наружу, в разряднике имеется отверстие.

Газовый разрядник отличается от воздушного только тем, что его корпус наполняют инертным газом (аргоном или неоном). В отличие от воздушного разрядника, в газовом разряднике дугу, образованную фазным напряжением, гасят инертные газы.

В современной электронике трубчатые разрядники распространены повсеместно. Они просты по устройству и надежны. Пробивное напряжение воздушных разрядников невысокое, поэтому такие разрядники не применяются в более высоковольтной аппаратуре.

Более высокое пробивное напряжение у газовых разрядников. Они гораздо эффективнее, так как газы не вступают в реакции, тем самым продлевают жизнь электродам.

Рис 3. Трубчатый разрядник

Вентильные разрядники.

Вентильный разрядник состоит из набора многократно повторяющихся искровых промежутков и нелинейных сопротивлений.

Принцип работы вентильного разрядника немного другой, чем у трубчатых разрядников. Во время работы электроды искрового промежутка снимают перенапряжения, а нелинейные сопротивления(резисторы) гасят дугу фазного напряжения.

Резисторы состоят из набора вилитовых дисков. Вилит – это запеченная смесь карбида кальция с жидким стеклом. По сравнению с трубчатыми и газовыми разрядниками, вентильные разрядники имеют более высокое напряжение пробоя.

Рис 4. Вентильный разрядник.

Магнитовентильный разрядник (РВМГ)

В отличие от устройства вентильного разрядника, в устройство магнитовентильного разрядника входит набор кольцевых магнитов.

Принцип работы магнитовентильного разрядника немного другой. При пробое фазным напряжением образуются дуга. Под воздействием магнитного поля магнитов дуга начинает вращаться, тем самым дуга гасится.

Рис 5. Магнитовентильный разрядник (РВМГ).

Ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН).

Варистор – это полупроводниковый резистор, который меняет сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения. При возрастании напряжения, сопротивление варистора падает, поэтому он пропускает через себя электрический ток, тем самым снимая напряжение с защищаемого участка электрической цепи.

Варисторы в процессе работы очень сильно нагреваются, поэтому корпуса нелинейных ограничителей перенапряжения делают теплопроводными. Это позволяет отводить тепло.

Сама конструкция ОПН очень проста, поэтому это упрощает методы производства. Также у ОПН неплохие технические характеристики. Количество варисторов можно варьировать в зависимости от нужного пробивного напряжения нелинейного ограничителя перенапряжения.

Рис 6.Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН).

В заключение хочу скачать, что помимо высоковольтных разрядников, в современной электронике появились низковольтные разрядники.

Это позволяет радиолюбителем широко использовать такие замечательные устройства.

Газовые разрядники компании Bourns

Вряд ли среди разработчиков со стажем можно найти тех, кому никогда не приходилось решать задачу по защите схем от перенапряжений и кому не довелось в качестве решения использовать варисторы и TVS-диоды. Хотя эти компоненты применяются наиболее часто, только ими не ограничиваются средства защиты от перенапряжения. Менее известны газовые разрядники (Gas Discharge Tubes, GDT), которые предназначены для защиты цепей от мощных электрических импульсов помех. Обычно газовые разрядники применяются в системах с протяженными линиями связи, например в телекоммуникационных системах, когда часть или все оборудование находится на открытом воздухе в непосредственной близости от мощного силового электрооборудования, и в других подобных случаях.

Рис. 1. Процесс формирования дугового разряда

Принцип действия GDT-разрядников показан на рисунке 1. При превышении порогового уровня напряжения газ в разряднике ионизируется, возникает электрический пробой и дуговой разряд. При этом напряжение на разряднике резко уменьшается до безопасного уровня. Несмотря на простой принцип действия, газовые разрядники технологически сложны в изготовлении, поэтому число производителей невелико. На российском рынке работают только две компании – Bourns и Epcos, которые выпускают высококачественные разрядники.

Рис. 2. Двух- и трехэлектродные газовые разрядники

Компания Bourns производит двухэлектродные и трехэлектродные разрядники (см. рис. 2). Для защиты несимметричной линии используются двухэлектродные разрядники, которые включаются между линией и землей. Для защиты симметричной линий (например телефонной пары) удобно использовать трехэлектродные разрядники. В этом случае линии подключаются к электродам 1 и 2, а земля – к электроду 3.

Поскольку минимальное напряжение ограничения газовых разрядников довольно высоко, при защите цепей нельзя ограничиться только ими – GDT-разрядники служат лишь первым защитным барьером. Далее необходимо использовать другие компоненты для ограничения перенапряжений. В качестве примера на рисунке 3 приведено решение Bourns для защиты промышленного интерфейса RS-485. В схеме используются следующие компоненты производства Bourns:

• газовые разрядники 2017-09-SMH-RPLF;
• защита от токов короткого замыкания TBU-CA085-300-WH;
• массив TVS-диодов CDSOT23-SM712.

Разрядники 2017-09-SMH-RPLF ограничивают всплеск перенапряжения до 90 В. Защита TBU-CA085-300-WH размыкает цепь при протекании тока 450 мА (тип.), а массив TVS-диодов CDSOT23-SM712 уменьшает перенапряжение до 7,5 В. Необходимость использования газового разрядника в предварительном каскаде обусловлена тем, что TVS-диоды не позволяют ограничить напряжение высоковольтного импульса большой мощности, и большую часть мощности импульса рассеивает газовый разрядник.

Временная диаграмма работы защитного каскада, показанного на рисунке 3, приведена на рисунке 4. Напряжение на разряднике показано верхней кривой 1 синего цвета. Расположенная под ней кривая 2 показывает ток разрядника. Кривая 4 зеленого цвета отображает ток в цепи через компонент TBU-CA085-300-WH; на самой нижней кривой 4 видно, как изменяется напряжение на TVS-диодах CDSOT23-SM712.

Поскольку производственная линейка газовых разрядников Bourns довольно широка, нет возможности подробно описать характеристики всех газовых разрядников. Мы ограничимся лишь кратким перечислением основных параметров групп. Параметры разрядников определялись при стандартных испытательных импульсах 8/20 мкс и 10/350 мкс. Форма испытательного импульса показана на рисунке 5. В нашем случае длительность отрезка t1 составляет 8 мкс для импульса 8/20 мкс и 10 мкс – для импульса 10/350 мкс; длительность отрезка t2 = 20 и 350 мкс для импульсов 8/20 и 10/350 мкс соответственно. Обобщенные параметры некоторых, на наш взгляд, наиболее интересных групп газовых разрядников сведены в таблицу.

Заметим, что поскольку в таблице приведены обобщенные параметры, при выборе конкретного разрядника необходимо в справочной документации уточнить условия, при которых соблюдаются эти параметры. Следует также учитывать, что к концу срока службы напряжение срабатывания может измениться. Кроме того, газовые разрядники, в отличие, например, от TVS-диодов, имеют ограниченный ресурс срабатываний. В качестве примера приведем данные по количеству срабатываний серии газовых разрядников 2017-xx-SMH при разных импульсах тока:

• 8/20 мкс, 12000 А – 1 срабатывание;
• 8/20 мкс, 10000 А – 10 срабатываний;
• 10/350 мкс, 2500 А – 1 срабатывание;
• 10/1000 мкс, 100 А – 300 срабатываний;
• 10/1000 мкс, 10 А – 1500 срабатываний;
• переменный ток длительностью 1 с, 10 А (СКЗ) – 10 срабатываний.

Газовый разрядник – относительно инерционный прибор, поэтому напряжение срабатывания в таблице указано для определенной скорости нарастания напряжения помехи. Например, у 2017-09-SMH напряжение срабатывания при скорости нарастания помехи 100 В/с составляет 90 В, а при скорости 100 В/мкс этот параметр возрастает до 300–450 В. На всякий случай уточним, что напряжение срабатывания заметно больше напряжения дуги разряда (см. рис. 1). Для семейства 2017-xx-SMH напряжение дуги при токе 1 А не превышает 10 В.

Специально для приложений, в которых возникают мощные электромагнитные помехи с быстро нарастающим напряжением, компания Bourns производит серии быстродействующих разрядников 2020-ххТ-SM, 2030-ххТ-SM и 2031-ххТ-SM. Например, у разрядников 2020-ххТ-SM задержка срабатывания при скорости нарастания импульса помехи 1000 В/мкс составляет всего 75 нс.

Наименование газового разрядника	Размер, мм	Напряжение срабатывания, В	Импульсный ток при импульсе 8/20 мкс (ном.), кА	Ток при импульсе 8/20 мкс (макс.), кА	Ток при импульсе 10/350 мкс (макс.), кА	Емкость, пФ	Диапазон рабочей температуры, °С
SMD с технологией FLAT, серия 2017-xx-SMH	8×2	90–500	10	12	2,5	Ознакомиться со всеми товарными группами компании Bourns вы можете перейдя по ссылке

Двухэлектродные разрядники Bourns находятся в следующем разделе каталога

Трехэлектродные разрядники Bourns доступны по адресу

Ниже приведены новые позиции газовых разрядников Bourns, доступные для приобретения со склада «Промэлектроники»

О защите от перенапряжений входа блоков питания с помощью разрядников

При использовании дорогостоящего компьютерного оборудования, например, майнинг ферм, необходимо использовать качественные и высокоэффективные блоки питания. Они должны иметь надежно работающую защиту от перегрузки, коротких замыканий, перенапряжений и других неблагоприятных факторов.

В статье «О роли варисторов/терморезисторов в блоках питания» рассматривались некоторые особенности защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры с помощью элементов с нелинейным изменением сопротивления в зависимости от напряжения/температуры. В данной статье эта тема продолжает свое развитие.

Защита импульсных блоков питания от перенапряжений (surge protection) должна реализоваться на его входе, в высоковольтной части. В качественных блоках питания в качестве дополнительных защитных элементов от электрических перенапряжений (surge protective devices, SPD), кроме варисторов и терморезисторов, используются газовые разрядники.

Разрядники ZD2R400 (напряжение пробоя 400V):

Блок-схема качественного импульсного блока питания (за защиту на входе отвечает блок Fuse, EMI и Surge Protection, выход которого нагружен на Bleed resistor — стабилизирующее нагрузочное сопротивление):

Чем отличаются искровые разрядники от варисторов?

Обычно варисторы и газовые разрядники выполняют одну и ту же задачу по защите от всплесков высокого напряжения, вызванных переходными процессами при коммутации, атмосферными разрядами и другими причинами.

Пример реализации защиты импульсного блока питания от входных всплесков напряжения с помощью трех варисторов (leaded disk varistor) и двух разрядников (surge arresters):

Обозначение различных типов разрядников на электрических схемах:

1 — Разрядник без указания его типа (общее обозначение);

2 — Трубчатый разрядник;

3 — Вентильный/магнитовентильный разрядник;

5 — Пробивной предохранитель;

6 — Газовый разрядник;

7 — Трехэлектродный (управляемый) газовый разрядник;

8 — Термозащищенный газовый разрядник.

Газовые разрядники отличаются от варисторов принципом действия, хотя и выполняют похожие задачи по защите радиоэлектронных цепей от разрушительных высоковольтных импульсов (перенапряжений).

Варисторы в большинстве случаев являются метал-оксидными электронными элементами (MOV, Metal Oxide Varistor) с нелинейно уменьшающимся сопротивлением при увеличении приложенного напряжения (кроме того, существуют кремний-оксидные варисторы — SOV, Silicon Oxide Varistor). Благодаря этому полезному свойству, при всплеске напряжения, его энергия гасится на варисторе, включенном параллельно устройству/нагрузке.

Внутренняя структура метал-оксидного варистора:

Вольт-амперная характеристика метал-оксидного варистора:

Время срабатывания MOV-варистора равно наносекундам. Инертность варистора может привести к прохождению на защищаемый участок цепи большого количества энергии, способной вывести его из строя. Кроме того, варисторы подвержены старению — деградации, из-за которой со временем они работают со значительно худшими характеристиками. Деградацию варисторов сложно выявить в обычных условиях эксплуатации, поэтому она зачастую проявляется в виде выхода из строя защищаемого участка цепи при прохождении большого импульса напряжения.

При подборе MOV-варистора для конкретной конструкции нужно учитывать максимальное пиковое действующее напряжение в электрической цепи (его амплитуду). Для защиты входа устройства, включающегося в сеть нужно учитывать не действующее (среднеквадратичное или эффективное) значение переменного напряжения, которое показывает обычный вольтметр, а его максимальную амплитуду (пиковое напряжение).

Например, в сети с действующим переменным фазным напряжением Ud = 230 вольт (измеряется между фазой и нейтралью), максимальная амплитуда Um достигает значения (с учетом возможного допуска +10%):

Поэтому на входе устройств, питающихся от сети переменного синусоидального тока напряжением 220-240 вольт, нужно ставить электронные элементы рассчитанные на работу с напряжением не менее 400 вольт.

При слишком большой энергии электрического импульса, который гасится на варисторе, он сгорает. Это может произойти при долговременной подаче высоковольтного импульса и/или его очень большой амплитуде.

Фотография сгоревшего варистора:

В качественных импульсных блоках питания, кроме варисторов используются газовые разрядники или Gas-Filled Surge Arresters (SVT — разрядники, наполненные инертным газом).

В нормальных условиях разрядник имеет бесконечное сопротивление, но если напряжение между его электродами достигает определенного значения, то между ними начинает протекать ионизированный поток (так работает неоновая лампа). При дальнейшем повышении напряжения возникает электрическая дуга с образованием участка с постоянной проводимостью (пробой) с дуговым падением напряжения (arc drop).

Вольт-амперная характеристика типового газового разрядника:

Обычно в схемах с использованием разрядников избыточная энергия высоковольтного импульса гасится через цепь, образованную электрической дугой между электродами разрядника и нагрузочным сопротивлением.

Как включаются газовые разрядники в импульсных блоках питания?

Схема полноценной реализации двухступенчатой защиты от всплесков напряжения с помощью шести метал-оксидных варисторов и двух разрядников (первая ступень ограничивает напряжение в дифференциальном режиме (difference mode), а вторая — в синфазном (common mode)):

Схема, иллюстрирующая разницу между дифференциальным (differential) и синфазным (common) паразитными токами:

Упрощенная схема защиты от перенапряжений с двумя варисторами и двумя разрядниками:

Таблица значений пикового напряжения в схемах с полноценной (tradictional circuit) и упрощенной (simplified) реализацией защиты от перенапряжений (даны значения для разных развязывающих индуктивностей L1-L4):

Осцилограммы напряжений в схемах с катушками индуктивности 10 мкгн на полноценной и упрощенной схемах защиты:

а) дифференциальная часть схемы:

б) синфазная часть схемы:

Как видно из таблицы и осциллограмм, разница между пиковыми значениями напряжений в полноценной и упрощенной схемах защиты составляет единицы процентов, что не так уж много в сравнении с ценой использующихся компонентов. Поэтому на практике можно с успехом применять упрощенную схему защиты с двумя варисторами и двумя разрядниками.

Реализация защиты от перенапряжений высоковольтной части блока питания Be Quiet! Dark Power Pro 11 на 1200 ватт, где установлено четыре разрядника (на фотографии видно разрядники GT2, GT4, элементы GT1, GT3 находятся с другой стороны катушек индуктивности):

В блоке питания Be Quiet! Dark Power Pro 11 на 1200 ватт два разрядника включены параллельно входу высоковольтной части БП (GT1, GT3) и еще два — параллельно катушкам индуктивности (GT2, GT4).

Включение газового разрядника параллельно одной из катушек индуктивности используется для защиты от сатурации и всплесков напряжения, связанных с резонансным эффектом:

В дешевых БП роль разрядников, включенных параллельно катушкам индуктивности выполняют проводящие дорожки на печатной плате с зубчиками, между которыми есть небольшой зазор:

Зубчики, выполняющие роль разрядника на плате блока питания:

Теоретически, при появлении высоковольтного импульса должен происходить пробой между этими зубчиками, предохраняющий устройство от серьезных последствий.

При включении блоков питания Be Quiet! с несколькими газовыми разрядниками иногда слышен характерный треск и видны вспышки, вызванные их работой, которые иногда ошибочно воспринимаются как поломка.

Вариант схемы включения газового разрядника и трех варисторов для защиты блока питания, подключенного к однофазной сети переменного тока:

К недостаткам разрядников можно отнести очень малое гашение импульсов напряжения и долгое время, при котором сохраняется их проводящее состояние после воздействия высоковольтного импульса. В некоторых случаях оно сохраняется так долго, что они могут сгореть.

Для устранения недостатков в работе разрядника используют включение дополнительных фильтров с супрессорными диодами, быстродействующих реле и т. д.

Пример реализации схемы входной цепи БП средней/высокой мощности с защитой от высоковольтных импульсов (цепи фаза-фаза и фаза-земля) с помощью SVP-разрядника GT1, MOV-варисторов V1-V3 и TVS-диодов D1-D3 (супрессорных):

Высоковольтные разрядники: виды и назначение

В электрических сетях довольно часто наблюдается появление импульсных всплесков напряжения, вызванных различными причинами. Несмотря на то, что такие перенапряжения носят кратковременный характер, они способны вызвать пробой изоляции с последующим коротким замыканием. Одним из вариантов предотвращения негативных последствий могло бы стать использование более надежной изоляции, однако этот способ значительно увеличивает стоимость всего оборудования. Поэтому наиболее оптимальным вариантом стали разрядники. Основной функцией этих устройств является ограничение перенапряжений в электрических сетях и установках.

1. Общее устройство и принцип работы
2. Технические характеристики газовых разрядников
3. Виды разрядников
4. Трубчатый разрядник
5. Вентильный разрядник
6. Магнитовентильный разрядник
7. Ограничитель перенапряжения нелинейный

Общее устройство и принцип работы

Высокочастотное оборудование защищается не только молниеотводами, но и с помощью высоковольтных разрядников. Каждый из них состоит из двух основных частей – электродов и устройства для гашения дуги.

Один из электродов устанавливается на защищаемую цепь, а к другому подводится заземление. Между ними образуется пространство, известное как искровой промежуток. Когда напряжение достигает определенного значения, наступает пробой искрового промежутка между двумя электродами. За счет этого с защищаемого участка цепи снимается перенапряжение. Основным техническим требованием, предъявляемым к разряднику, является определенный уровень гарантированной электрической прочности в условиях промышленной частоты. То есть, при нормальном режиме работы сети разрядник не должен пробиваться.

После пробоя в действие вступает дугогасительное устройство. Под действием импульса повышается ионизация искрового промежутка, в результате чего пробивается фазное напряжение, действующее в нормальном режиме. Оно приводит к короткому замыканию и срабатыванию защитных устройств на этом участке. Основной задачей дугогасительного устройства как раз и является скорейшее устранение замыкания, до срабатывания средств защиты.

Широкое распространение получили конструкции газовых разрядников. В их состав входит коаксиальный элемент с незначительным разрядным промежутком, и патрон с выводом на землю. В промежутке между ними выполняется установка газоразрядного элемента в форме таблетки, заключенного в стеклянную или керамическую оболочку и оборудованного электродами с каждой стороны. Внутреннее пространство оболочки заполнено газом – аргоном или неоном.

В случае перенапряжения происходит срабатывание защиты: под действием высокой температуры в разряднике наступает резкое падение сопротивления. После этого образуется дуговой разряд с напряжением около 10 вольт. Каждый такой разрядник оборудуется собственным заземлением, в противном случае он будет бесполезен.

Во всех газовых разрядниках центральная жила коаксиального кабеля и первый электрод соединяются между собой. Второй электрод соединяется с заземленным корпусом разрядника. Когда через устройство проходит высокий импульс с большим напряжением, происходит пробой разрядника и центральная жила кабеля в течение короткого времени шунтируется на землю. Наблюдается существенное падение значения тока, до состояния гашения дуги, после чего наступает размыкание, то есть прибор находится в непроводящем режиме.

Газоразрядная трубка считается одноразовой деталью разрядника, требующая замены после каждого срабатывания.

Технические характеристики газовых разрядников

Каждый газовый разрядник обладает специфическими электрическими свойствами и техническими характеристиками.

• Номинальный импульсный ток разряда. Технические требования, предъявляемые к разряднику, определяют его способность выдерживать определенное значение импульсного тока. Отклонение от нормы имеет допустимые пределы, определяемые требованиями. Номинальное значение тока всегда указано в технической спецификации конкретного устройства.
• Емкость и сопротивление изоляции. Данные параметры достигают, соответственно, свыше 10 гОм и менее 1 пФ, что делает такие устройства буквально незаменимыми при использовании в той или иной сети.
• Статическое напряжение срабатывания. Данным параметром определяется тип разрядника, установленного в защитном устройстве. Его значение равно напряжению, достаточному для зажигания разрядника, при условии медленного возрастания величины напряжения.
• Динамическое напряжение срабатывания. Эта величина является своеобразным пределом, когда наступает быстрый рост напряжения, при котором происходит срабатывание газового разрядника.

Виды разрядников

Трубчатый разрядник

Изготовлен в виде полихлорвиниловой трубки, предназначенной для гашения дуги. На каждом конце разрядника имеется по одному электроду. К одному электроду подводится заземление, а другой устанавливается на незначительном расстоянии от защищаемого участка.

Регулировка этого расстояния осуществляется в зависимости от величины напряжения на участке. В случае возникновения перенапряжения, возникает пробой сразу в двух местах – между обоими электродами и между разрядником и защищаемым участком. Действие пробоя приводит к возникновению в трубке интенсивной газогенерации, а продольное дутье, образующееся в выхлопном отверстии, вполне способно погасить электрическую дугу.

Вентильный разрядник

Конструкция включает две основные части: многократный искровой промежуток, состоящий из нескольких однократных элементов и рабочий резистор, представляющий собой последовательно набранные вилитовые диски. Оба основных элемента последовательно соединены между собой. Рабочий резистор обеспечивается герметичной защитой от внешней среды, в связи со свойствами вилита изменять свои характеристики при повышенной влажности. При появлении перенапряжения возникает пробой многократного искрового промежутка.

Рабочий резистор выполняет задачу снижения тока до такой величины, чтобы ее могли свободно погасить искровые промежутки. Сопротивление вилита является нелинейным, оно снижается по мере увеличения силы тока. Данное свойство дает возможность пропускать больше тока при уменьшении падения напряжения. Основным достоинством разрядников этого типа считается бесшумное срабатывание при отсутствии выбросов газа или пламени.

Магнитовентильный разрядник

В его состав входят несколько блоков, соединенных последовательно, с магнитными искровыми промежутками и вилитовыми дисками. В каждом блоке имеются единичные искровые промежутки, соединенные последовательно, и постоянные магниты. Все элементы блока размещаются в фарфоровом цилиндре. Во время пробоя в единичных промежутках возникает дуга. На нее воздействует поле, создаваемое кольцевыми магнитами, заставляя вращаться с высокой скоростью. В результате, гашение дуги происходит гораздо быстрее, чем в других типах вентильных разрядников.

Ограничитель перенапряжения нелинейный

В этом разряднике отсутствуют искровые промежутки. Конструкция активной части ограничителя включает в себя последовательный набор варисторов. Именно на их свойствах основан принцип работы всего устройства, поскольку проводимость варисторов находится в зависимости от прилагаемого напряжения.

Виды заземления и их назначения

Трансформаторы тока назначение и принцип действия

Контактор КМИ: назначение и принцип работы

УЗО: Назначение, причины срабатывания, подключение УЗО