Содержание
- 1 Нормативное сопровождение применения УЗИП
- 2 Принцип работы УЗИП
- 3 Элементы, применяемые в УЗИП
- 4 Схемы включения элементов УЗИП
- 5 Примеры использования УЗИП в оборудовании связи
- 6 Полезные ссылки
Нормативное сопровождение применения УЗИП
По итогам вышеописанной ситуации в мире стандартов, можно выделить два основных направления в применении УЗИП
- Устройства защиты электрических сетей и электрооборудования при прямом или косвенном воздействии грозовых или иных переходных перенапряжений. Данные устройства предназначены для подсоединения к силовым цепям переменного тока частотой 50-60 Гц или постоянного тока и к оборудованию с номинальным напряжением до 1000 В (действующее значение) или 1500 В постоянного тока.
- Устройства для защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), применяемых для защиты систем телекоммуникации и сигнализации, например цепей передачи данных, голосовой связи и аварийной сигнализации. Все эти системы могут подвергаться прямому или индукционному воздействию грозовых или коммутационных эффектов. Эти эффекты проявляются в виде перенапряжений или сверхтоков, достаточно высокого уровня.
В это статье рассмотрим элементы УЗИП, которые встречаются в зависимости от применения. Практически все встречающиеся элементы описаны, некоторые – универсальные, некоторые, как например, термокатушка и угольный разрядник встречаются только в системах защиты внешних линий связи. Некоторые элементы, такие как защитный автоматический выключатель, которые применяются только в системах защиты электрических сетей – не упомянуты. Статья будет дорабатываться, очень возможно, что разбита на разные части.
Принцип работы УЗИП
Удар в один из проводников питания оборудования:
Защита от перенапряжения на питающих проводниках:
Элементы, применяемые в УЗИП
Базовые элементы защиты по функциональному предназначению делятся на два вида:
- Защита по напряжению, от перенапряжения
- Защита по току, защита от сверхтоков
Защита по напряжению, от перенапряжения
Угольный разрядник, газонаполненный разрядник, супрессор
Защита по току, защита от сверхтоков
Термокатушка, плавкий предохранитель, PTC-термистор (позистор)
Угольный разрядник [защита от перенапряжения]
Представляет собой два брусочка из прессованного угля (щётки двигателей и генераторов постоянного тока абсолютно такие же), между которыми помещается перфорированный изолятор. При перенапряжении, возникающем в цепи между брусочками угля проскакивает искровой зазряд. Одна сторона угля прилегает к проводу защищаемой цепи, другая сторона – к проводнику соединённого с заземлением. Импульс перенапряжения благополучно “утекает” в “землю”.
На схемах обозначается так:
Термокатушка [защита по току]
Корпус термокатушки изготавливается из латуни или методом холодной высадки. Внутри находится стержень в латунной втулке. Стержень и втулка изнутри покрыты легкоплавким припоем (залужены). Вокруг втулки намотана спираль из нихромового провода (как в электрических плитках). При протекания тока выше номинала, указанного на термокатушки, спираль разогревает латунную втулку и штырёк пружинка выталкивает наружу, штырёк, выскочив освобождает ламель на громполосе, последняя в свою очередь разрывает цепь линии и соединяют её с заземляющей шиной. Термокатушку можно назвать по праву первым восстанавливаемым предохранителем. Достаточно нагреть штырёк паяльником, вдавить внутрь втулки, подождать когда припой остынет, и катушка как новая ! 🙂 Самый большой недостаток термокатушки – высокая инерционность. Часто бывало, пока сработает, защищаемое оборудование сгорало. К счастью, это оборудование в основном было электромеханическое, но с обновлением на новое – цифровое, это было очень серьезной проблемой.
На схемах термокатушка обозначается так: 
Плавкий предохранитель [защита по току]
Всем хорошо знакомый элемент защиты по току. При превышении допустимого тока внутри перегорает калиброванная проволочка. Корпуса предохранителей могут быть стеклянными, пластиковыми (как в автомобилях), керамическими, другого негорючего изолирующего материала. Могут иметь гигантские и миниатюрные размеры. Плавкие предохранители – одноразового действия срабатывания. После перегорания их либо меняют целиком, либо заменяют калиброванную проволоку внутри на точно такую же из ремкомплекта.
На схеме обозначается следующим образом: 
Варистор [защита от перенапряжения]
Варистор, Varistor (Variable Resistor) так и переводится – изменяющееся сопротивление. Если возник импульс перенапряжения, варистор из-за нелинейности характеристики уменьшает своё сопротивление (от сотен МОм до десятков Ом ) практически до нуля, то есть создаёт короткое замыкание (КЗ) в цепи питания. Нагрузка шунтируется, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла в варисторе. Варистор не обладает инерцией, поэтому после «срезания» импульса он мгновенно снова приобретает очень большое сопротивление. Если импульс перенапряжения был слишком долгий и мощный, а защита по току не сработала, то варистор выходит из строя.
А вот так варистор обозначается на принципиальных схемах: 
Английская буква U рядом с наклонной чертой указывает на то, что сопротивление электронного компонента зависит от напряжения. На схемах варистор обозначается RU или VR
NTC-термисторы и позисторы.
По зависимости изменения сопротивления от температуры терморезисторы делят на два типа:
- NTC-термисторы;
- PTC-термисторы (они же позисторы).
NTC-термистор [защита от перенапряжения]
Своё название NTC-термисторы получили от сокращения NTC – Negative Temperature Coefficient, или “Отрицательный Коэффициент Сопротивления”. Особенность данных термисторов в том, что при нагреве их сопротивление уменьшается. Кстати, вот так обозначается NTC-термистор на схеме:
Как видим, стрелки на обозначении разнонаправлены, что указывает на основное свойство NTC-термистора: температура увеличивается (стрелка вверх), сопротивление падает (стрелка вниз). И наоборот.
На практике встретить NTC-термистор можно в любом импульсном блоке питания. Например, такой термистор можно обнаружить в блоке питания компьютера. На схемах обозначается буквами RT или NTC.
Позистор. PTC-термистор. [защита по току]
Термисторы, сопротивление которых при нагреве растёт, называют позисторами. Они же PTC-термисторы (PTC – Positive Temperature Coefficient, “Положительный Коэффициент Сопротивления”).
Условное графическое обозначение (УГО) в принципиальных схемах:
На схемах обозначается буквами PTC. На фотографии виден пропил между ножками позистора. Это сделано для того чтобы приложенное высокое напряжение (например, в случае удара молнии) не смогло на печатной плате в виде искры миновать позистор, в этом случае вся энергия скачка напряжения сконцентрируется в элементе, его сопротивление резко вырастит и опасный ток не уйдёт в защищаемое оборудование.
Супрессор [защита от перенапряжения]
Этот элемент, в отличии всех описанных в этой статье – является полупроводником, а если конкретней – диодом. В зарубежной документации этот диод называется TVS-диод (Transient Voltage Suppressor). Очень часто TVS-диоды называют по маркам производителей: TRANSIL, INSEL.
В отечественной документации этот элемент называют Полупроводниковый ограничитель напряжения (ПОН), Ограничительный стабилитрон, Диодный предохранитель или Супрессор. Супрессор – так и мы будем его называть.
У супрессора ярко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда электрического импульса превысит паспортное напряжение для конкретного типа диода, то он перейдёт в режим лавинного пробоя. То есть супрессор ограничит импульс напряжения до нормальной величины, а “излишки” уходят на корпус (землю) через диод. Супрессо как диод может быть односторонний (работа при постоянном токе), либо двусторонним (работа при переменном токе). Последний режим самый универсальный, практически для защиты такие только и выпускают.
На схемах обозначается так:
Разрядник [защита от перенапряжения]
Разрядник является самым старым, надёжным, недорогим, эффективным (эпитеты можно продолжать долго) элементом защиты от перенапряжения. Конструкция всех разрядников нацелена на то чтобы обеспечить искровой пробой опасного потенциала между его электродами. Из сказанного выше можно смело предположить, что разрядники применяются при экстремальных бросках напряжения, в подавляющем большинстве случаев это молния и статическое электричество.
Разрядники служат для ограничения атмосферных перенапряжений, воздействующих на воздушные и кабельные линии, подстанции, оборудование в помещении (статика). Основным элементом разрядника является искровой промежуток ИП, отделяющий рабочий провод от заземления. Проходящая волна высокой амплитуды вызывает срабатывание искрового промежутка, который срезает волну перенапряжения.
В функцию разрядника входит не только ограничение волны перенапряжения, но и гашение дуги, вызванной протекающим через искровой промежуток вслед за импульсным пробоем током.
На фото – свеча зажигания, самый яркий пример работы разрядника. Мы видим открытый разрядник, искровой промежуток (ИП), изолятор и электрод. Разряд проходит от электрода на корпус свечи (читай – корпус автомобиля). Абсолютно так же работают разрядники для защиты от перенапряжения, так же изнашиваются электроды, регулируется искровой зазор, производится замена при деградации электродов или изоляции.
В защищаемом оборудовании от высоковольтных разрядов атмосферного электричества применяют открытые разрядники в виде выполненных на печатной плате медных дорожек. Пожалуй, это единственное место, где мы можем увидеть именно открытый разрядник. Открытые вентильные разрядники промышленной энергетики мы пропустим. Во всех остальных случаях разрядники выполняются в герметичном корпусе.
Ещё один пример открытого разрядника – угольный разрядник, который описан в этой теме.
Корпус герметичного разрядника – цилиндрический. Материал корпуса – стекло или керамика. Самые первые разрядники имели стеклянный прозрачный корпус, внутри создавался вакуум. Современные корпуса – керамические, внутри инертный газ (аргон, ксенон, криптон, неон, гелий). В инертной среде электроды живут дольше, условия для разряда – лучше, поэтому искровой промежуток можно уменьшить.
В зависимости от корпуса, разрядники в керамическом корпусе:
Разрядники в стеклянных корпусах:
Разрядники с двумя выводами предназначены для защиты одного проводника (один вывод присоединяется к проводнику, другой к земле).
Разрядники с тремя выводами защищают двухпроводную линия, к примеру, телефонную абонентскую. Средний провод подключается к заземлителю.
Схемы включения элементов УЗИП
Все основные схемы электрической защиты станционного оборудования от посторонних воздействий со стороны линейного тракта, предлагаемые отечественными и зарубежными изготовителями, и использующие разрядники, варисторы и терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (позисторы), можно условно разделить на две основные группы:
- схемы с «традиционным» (так называемым «прямым») включением элементов защиты, при котором на линейном входе модуля защиты устанавливаются между жилами и «землёй» элементы защиты по напряжению (разрядники, варисторы) и на станционном выходе в жилы последовательно включаются элементы токовой защиты (позисторы, плавкие вставки).
- схемы с обратным (так называемым «инверсным») включением элементов защиты, при котором на линейном входе модуля защиты в жилы последовательно включаются элементы токовой защиты (позисторы), а на станционном выходе модуля защиты устанавливаются между жилами и «землёй» элементы защиты по напряжению (разрядники).
У каждой схемы есть свои преимущества и недостатки, у нас повсеместно применяется схема “Прямое включение”.
Несколько лет назад в кроссах для защиты абонентских линий в качестве УЗИП использовались так называемые “Громполосы”. Кое где “Громполосы” существуют и по сей день, например, на действующих учрежденческих УАТС, в вооружённых силах. Термокатушка и Угольный разрядник, рассмотренные в этой теме, являются элементами УЗИП в этой схеме.
Схема КРОСС с “Громполосами”, термокатушками и угольными разрядниками выглядела так:
После замены декадно шаговых АТС на цифровые, в качестве УЗИП стали использовать решение немецких разработчиков KRONE. На данный момент практически всё кроссовое оборудование и УЗИП кроссов является продуктом этой фирмы. После замены старых “Громполос” на УЗИП Кроне, схема стала выглядеть так:
Как видим, изменения коснулись только кросса. На линиях и у абонентов мало, что изменилось. В кабельных ящиках были убраны магазины с грозоразрядниками, предохранители, т.к. вносили ощутимые потери для технологии xDSL, абоненты избавились от громоздких АЗУ (абонентских защитных устройств). Наиболее продвинутые абоненты стали использовать современные АЗУ, что позволило защитить не только свое оборудование, но и линию АТС.
Примеры использования УЗИП в оборудовании связи
Полезные ссылки
Защита оборудования от импульсных перенапряжений и коммутационных помех
УЗИП грозозащите не синоним