С.А. Сухоруков
Разрядники бывают разные
В статье приводятся результаты испытаний грозозащитных разрядников зарубежного производства. Показано, что все испытанные разрядники являются одноразовыми изделиями, разрушающимися при импульсных воздействиях, намного ниже паспортных характеристик. Анализируются ошибки в конструкции разрядников, способствующие их ускоренному разрушению. Критикуется ряд положений стандарта МЭК 62305-1-2006. Критикуется ряд рекламных утверждений в отношении разрядников зарубежного производства, которые неприемлемы на практике. Даны основные сведения о конструкции и принципах работы разрядников с большим ресурсом работы, разработанных ЗАО «ЭМСОТЕХ».
Грозозащитный разрядник, грозовой разряд, МЭК 62305-1-2006
Побудительным мотивом для написания настоящей статьи послужил ряд статей рекламного характера, в которых известные в России специалисты по грозовым явлениям активно продвигают на отечественный рынок грозозащитные разрядники зарубежного производства. Не обладающие достаточными знаниями в области грозозащиты низковольтных сетей энергетики отечественных предприятий могут положиться на мнение авторитета и интегрировать в системы электроснабжения совершенно непригодные для российских условий эксплуатации грозозащитные устройства зарубежного производства. К каким последствиям это может привести – мы показали на примере аварии, описанной в [1]. Возможно, авторитетные специалисты не испытывали самостоятельно рекламируемые ими разрядники, а положились на их каталожные технические характеристики. Результаты наших исследований позволяют утверждать, что для проверенных нами разрядников западного производства каталожные технические характеристики завышены многократно, а иностранные разрядники являются одноразовыми изделиями, разрушающимися еще в ходе развития начальной стадии грозового разряда (а в одном ударе молнии разрядов может быть несколько).
В схеме грозозащиты без разрядников обойтись можно, но сложно и дорого. Это обязательный элемент системы молниезащиты сооружений, зданий и расположенного в них электронного оборудования. При выборе разрядников для защиты современного электронного и электротехнического оборудования необходимо ориентироваться на значения импульсных токов вплоть до 100 кА, а для обеспечения нормального функционирования оборудования в условиях грозы желательно при таких токах иметь остаточное напряжение менее 1 кВ. Необходимы специальные искровые низковольтные сильноточные разрядники, способные быстро закоротить пораженную разрядом молнии линию электропитания на землю и создать путь с низким сопротивлением для тока разряда молнии.
Заграница заполнила отечественный рынок разрядниками, их тысячи типов, различных фирм, с подробными красочными каталогами и рекомендациями по выбору. Однако на своем примере ЗАО «ЭМСОТЕХ» убедилось, что при выборе разрядников следует ориентироваться на известное изречение: «Гладко было на бумаге, да забыли про овраги».
Так ли хороши импортные разрядники?
На протяжении многих лет ЗАО «ЭМСОТЕХ» покупало ежегодно тысячами блочные разрядники разных типов, преимущественно фирмы Phoenix Contact, и применяло их в комплексных помехозащитных изделиях, производимых предприятием. Для купленных разрядников осуществлялся сплошной входной контроль напряжения срабатывания и тока утечки и выборочный контроль всех характеристик. Результаты выборочного контроля показывали явное несоответствие заявленных фирмой-производителем характеристик, они были значительно завышены.
Отрицательный опыт работы с импортными блочными разрядниками привел к тому, что специалисты ЗАО «ЭМСОТЕХ» стали с большой осторожностью относиться к характеристикам разрядников, декларируемых их производителями. Была выполнена НИР по проверке характеристик разрядников большинства иностранных фирм, имеющих на рынке России хорошо организованные сбытовые сети, и ведущих активную рекламную деятельность в Интернете. Оказалось, что, не смотря на наличие сертификатов, подтверждающих соответствие разрядников требованиям ГОСТ Р 51992-2002 [2] по результатам испытаний в специализированных лабораториях, большинство из проверенных нами разрядников различной конструкции имеют многократно завышенные характеристики и являются одноразовыми изделиями.
Для примера, при импульсных воздействиях на импортные разрядники наблюдались следующие дефекты:
Разрядник HS45 фирмы Hakel (60 кА):
- при воздействии током в 92 раза, а зарядом в 8464 раза меньше допустимого значения появлялись незначительные механические повреждения (смещение изолирующих колец), пользователем такие дефекты не диагностируются;
- при воздействии током в 6 раз, а зарядом в 36 раз меньше допустимого значения появились необратимые механические повреждения, пользователем такие дефекты не диагностируются;
- при воздействии током в 1,2 раза, а зарядом в 3,5 раза меньше допустимого значения произошло полное разрушение разрядника, сочетанное с недопустимым электрическим режимом работы (перекрытие выводов);
- для перенапряжения 10/5000 мкс время срабатывания увеличилось в 120 раз.
Разрядник DB 1 255 Н фирмы DEHN (50 кА):
- для перенапряжения 1/50 мкс, при кратности перенапряжения 2…3, время срабатывания в 30…70 раз больше паспортного значения.
- при воздействии током в 5 раз меньше допустимого значения наблюдались пропуски разрядов, что свидетельствовало о наличии существенных повреждений в разряднике с разрывом электрической цепи;
- видимое снаружи состояние разрядника после испытаний удовлетворительное, после вскрытия металлической капсулы было выявлено полное разрушение разрядника с расплавлением деталей его конструкции.
Самый плохой из испытанных нами капсулированных разрядников, изготовителем его параметры завышены раз в десять.
Разрядник SP 120 фирмы Hager (50 кА):
- при допустимых импульсных воздействиях электродная система и изоляторы разрушились, материал, из которого они сделаны, расплавился и его каплями заполнен объем капсулы, изменились в сторону ухудшения все основные параметры.
Разрядник типа FLT 100-260 фирмы Phoenix Contact (100 кА):
- разрушился при воздействии разряда с током, амплитуда которого в 2,5 раза, а заряд в 7 раза меньше допустимого значения;
- при слабых воздействиях выявилось нестабильное поведение разрядника, когда импульсное напряжение пробоя менялось в несколько раз;
- три воздействия, амплитуда которых была в 2,5 раза меньше допустимой, увеличили зазор между электродами разрядника в 5 раз;
- при каждом из таких воздействий провода медные многожильные сечением 25 мм2, оконцованные латунной гильзой, обжатой немецким фирменным инструментом (фирмы Phoenix Contact), затянутые в стальную клемму разрядника с калиброванным моментом, выдергивались электродинамическими усилиями с двух сторон блока разрядника.
Разрядник FLT 35-260 фирмы Phoenix Contact (35 кА):
- при воздействиях допустимым током и зарядом в 2,7 раза меньше допустимого значения была разорвана на части пластмассовая оболочка разрядника.
Испытания, проведенные в лаборатории ЗАО «ЭМСОТЕХ», показали, что разрядники работают без механических повреждений пластмассовой оболочки, если максимальный импульсный разрядный ток принимать в 7 раз ниже значения, заявленного фирмой Phoenix Contact.
Разрядник FLT 5-400 фирмы Phoenix Contact (25 кА):
- для перенапряжения 10/5000 мкс время срабатывания увеличилось в 170 раз;
- при воздействии с зарядом в 50-60 раза меньше допустимого разрядник получил необратимые повреждения (сильная металлизация и частичное разрушение перегородки между электродами), после которых его статическое пробивное напряжение снизилось с 4 кВ до 1 кВ, и не возрастало даже после механической очистки перегородки от металлизирующей ее поверхность пленки;
- при воздействии допустимым разрядным током и зарядом в 2,6 раза меньше допустимого разрядник получил механические повреждения (оторвалась перегородка, фиксирующая зазор между электродами, и разлетелся на части ее пластмассовый держатель).
Управляемый разрядник FLT-PLUS-CTRL-1,5 фирмы Phoenix Contact (50 кА):
- при воздействии током в 1,5 раза, а зарядом в 3,5 раза меньше допустимого значения, разрядник взорвался, разрушился корпус, испарились соединительные проводники от электродов к печатной плате схемы управления.
Для иллюстрации результатов испытаний на фотографиях рис. 1 показана начинка импортных разрядников до и после испытаний. Для сравнения на рис. 2 показано состояние до и после испытаний разрядника РГЗН-3/25-220 ЗАО «ЭМСОТЕХ» на допустимый разрядный ток 25 кА (10/350 мкс) - в ходе испытаний разрядник 10 раз подвергался допустимому воздействию разрядным током 25 кА; дополнительно показан разрядник того же типа, выдержавший 10 разрядов с током 60 кА (то есть при энергии в 5…6 раз больше допустимой). Отметим, что самые мощные разрядники РГЗН-3/100-220 на допустимый разрядный ток 100 кА (10/350 мкс) прошли испытания 10-ю разрядами током 500 кА и после этого сохранили работоспособность.
Рис. 1. Импортные разрядники до и после испытаний:
1.1. Управляемый разрядник FLT-PLUS-CTRL-1,5 фирмы Phoenix Contact (50 кА).
1.2. Разрядник HS45 фирмы Hakel (60 кА).
1.3. Разрядник DB 1 255 Н фирмы DEHN (50 кА).
Рис. 2. Разрядник РГЗН-3/25-220 ЗАО «ЭМСОТЕХ» (25 кА) до и после испытаний 10-ю разрядами током
25 кА (10/350 мкс) и 10-ю разрядами током 60 кА (10/350 мкс).
Разницу в состоянии импортных и отечественного разрядника после испытаний можно не комментировать. Результаты испытаний отражают одно из основных положений советской школы конструирования: «Запас карман не тянет». Поэтому ЗАО «ЭМСОТЕХ» и дает гарантии на разрядники, эквивалентные сроку службы электрооборудования защищаемого объекта. У западных фирм подход иной – проектировать элементы защиты с ограниченным сроком службы, частая диагностика и последующая замена элементов приносит большой доход.
Почему характеристики импортных разрядников занижены?
Подозревать ведущие фирмы мира в солидарном завышении характеристик разрядников ради рекламы было бы проявлением неуважения к конкурентам, такая позиция в основе своей деструктивна. Импортные разрядники разрушаются при импульсных воздействиях по иной причине.
Немногим специалистам в области грозозащиты известны серьезные разногласия между отечественной и зарубежной научной школой изучения молнии в отношении методов испытания грозозащитных устройств, основанные, прежде всего, на возможности технической реализации имитаторов разряда молнии.
При разработке имитаторов разряда молнии отечественная научная школа исходит из того, что разряд молнии инициируется эквивалентным источником тока, имеющим большое внутреннее сопротивление. В современных работах [3] принимается оценка сопротивления канала разряда порядка 300 Ом, основанная на волновом характере протекания процессов при разряде молнии. Источник тока молнии при испытаниях моделируется емкостным накопителем, который позволяет за короткий промежуток времени отдать большую импульсную мощность испытуемому элементу грозозащиты. Емкостному накопителю при его зарядке через высоковольтный выпрямитель передается заряд Q=CU (Ас), соответствующий имитируемой фазе разряда молнии, и этот заряд при разрядке емкостного накопителя через формирующие цепи передается испытуемому устройству грозозащиты. Простейшая формирующая цепь состоит из последовательного сопротивления, снижающего зависимость параметров разряда от сопротивления испытуемого разрядника, схема имитатора показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема имитатора с прямым разрядом емкостного накопителя.
Производители импортных разрядников испытывают их на своих имитаторах по стандарту МЭК 62305-1-2006 [4]. Однако в имитаторе по этому стандарту, формирующему тока разряда молнии с формой волны 10/350 мкс, емкостному накопителю (емкостью 20 мкФ) при зарядке от высоковольтного выпрямителя передается заряд Q=CU (Ас) в десятки раз меньше того «расчетного заряда», который приведен в стандарте. Начальный заряд нужен только на время 10 мкс, когда через разрядник заряжается энергией катушка индуктивности, затем емкостной накопитель замыкается управляемым ключом, и катушка индуктивности формирует спад тока длительностью 350 мкс, схема имитатора показана на рис. 4. При этом заряд Q, протекающий через разрядник, рассчитывается теоретически и оказывается в десятки раз больше начального заряда емкостного накопителя. У имитатора по такой схеме нарушается энергетический режим испытаний, в результате чего к разряднику подводится энергия намного меньше той, которая возникает при разряде молнии. Условия испытания разрядников на имитаторах по МЭК оказываются намного мягче, чем при прямом разряде емкостного накопителя, как принято в отечественной школе грозозащиты. Однако отечественные имитаторы с прямым разрядом емкостного накопителя намного дороже, чем имитаторы по стандарту МЭК 62305, поэтому последние получили более широкое распространение.
Рис. 4. Схема имитатора по стандарту МЭК 62305.
ЗАО «ЭМСОТЕХ» имеет в лаборатории оба типа имитаторов. На имитаторе по стандарту МЭК 62305 импортные разрядники проходят испытания и их экспериментальные характеристики в основном соответствуют паспортным характеристикам (несоответствие проявляется, например, по времени срабатывания). Однако при испытаниях на имитаторе с прямым разрядом емкостного накопителя, при тех же значениях пикового тока и ступенчатом нарастании его амплитуды, все проверенные импортные разрядники разрушились.
Но нельзя все беды импортных разрядников относить исключительно на условия испытаний. В большинстве изученных нами конструкций импортных разрядников содержатся серьезные ошибки, свидетельствующие о недостаточном понимании их разработчиками физических процессов, происходящих в разрядниках.
Один из ярких примеров – управляемый разрядник FLT-PLUS-CTRL-1,5 фирмы Phoenix Contact, который при испытаниях взорвался с разрушением корпуса и испарением проводников, идущих от схемы управления к поджигающему электроду. Конструкция этого разрядника показана на рис. 5, а схема взаимодействия электромагнитных сил – на рис. 6.
На схеме рис. 6 электроды разрядника обозначены «Р», по токоподводам к ним протекает ток разряда молнии «I».
Задачка для студентов: Определить, в каком из направлений - «А» или «В» будет двигаться дуга импульсного тока между электродами разрядника.
Рис. 5. Конструкция управляемый разрядник FLT-PLUS-CTRL-1,5 фирмы Phoenix Contact.
Рис. 6. Схема взаимодействия электромагнитных сил в разряднике.
Ответ: в соответствии с «Правилом левой руки» дуга импульсного тока между электродами разрядника будет двигаться в направлении «А», где расположена печатная плата с электроникой схемы управления, перекроет ее выводы разрядом и разрушит корпус разрядника. В правильно спроектированном разряднике электромагнитные силы должны обеспечивать движение дуги импульсного тока «I» в направлении «В», растягивая ее на «рогах» электродов и загоняя в дугогасительную решетку.
В разрядник DB 1 255 Н фирмы DEHN та же ошибка. Идея, заложенная в его конструкцию, оригинальна – грозовым разрядом инициируется дуга в миниатюрном плазматроне, затем длинная дуга стабилизируется, обжимаясь собственным полем. Однако в такой схеме плазменный столб устойчив при осесимметричной конструкции, она в разряднике именно такая, но после упаковки разрядника в красивый блочный пластмассовый корпус появилась петля тока, которая выгибает дугу в плазмотроне, в результате чего она касается деталей разрядника, и, как плазменный резак, превращает начинку разрядника в расплавленное месиво.
Ряд отечественных лабораторий, проверявших импортные разрядники, получили аналогичные результаты.
Иногда в рекламных материалах зарубежных производителей разрядников их характеристики завышаются настолько, что объяснить их появление можно только непониманием их авторами основных положений МЭК 62305, касающихся вопросов энерговыделения в разрядном промежутке. Проиллюстрируем это утверждение примером.
Специалисты, отвечавшие при разработке стандарта МЭК 62305 за приложение D.4.1.2, обращают внимание разработчиков разрядников на то, что заряд электрического тока разряда молнии, прошедший через сопротивление плазмы разрядного промежутка грозозащитного разрядника, может выделять на нем опасную для разрядника энергию
W=uacQ,
где uac - падение напряжения между катодом и анодом, В; Q – заряд, Ас.
В первом приближении, можно принять, что приводимое в каталогах по разрядникам падение напряжения на разряднике при протекании максимального импульсного тока (напряжение защиты) равно падению напряжения между катодом и анодом электродной системы разрядника Uр= uac.
Интересно оценить, какую энергию могут рассеять разрядники, если принимать на веру значения заряда и напряжения защиты, приводимые в каталожных данных.
В таблице приведен расчет энергии, которая может выделиться в разрядном промежутке, если ориентироваться на каталожные данные разрядников (на примере каталога грозозащитных устройств фирмы Hakel 2009 года, с. 22-24). Для сравнения в таблице приведено количество меди или вольфрама (у них одинаковая теплота испарения 4600 Дж/г), которое может испариться в разряднике при одном разряде, и количество тротила (энергия взрыва около 4000 Дж/г), взрыв которого эквивалентен значению энергии в разряднике, рассчитанному по каталожным данным.
|
Тип разрядника |
HS45 |
HS100 |
HZ110 |
|
Заряд, Ас |
30 |
50 |
55 |
|
Напряжение защиты, кВ |
1,3 |
2 |
2,5 |
|
Энергия, кДж |
39 |
100 |
137,5 |
|
Сколько грамм меди может испарить энергия в разрядном промежутке |
8 |
22 |
30 |
|
Скольким граммам тротила эквивалентна энергия в разрядном промежутке |
10 |
25 |
34 |
Оценить полученные расчетные значения энергии в тротиловом эквиваленте можно по следующим данным: в известной гранате типа Ф-1 «лимонка» содержится 50-60 грамм тротила, радиус разлета осколков ее чугунного корпуса до 200 метров. Вряд ли пластмасса корпусов блочных разрядников прочнее чугуна, скорей всего каталожные данные по допустимому электрическому заряду завышены раз в 10.
Вот и верь после этого рекламе…
Автор намеренно в значительной степени упрощает описание особенностей формирования переходных процессов в разрядниках, чтобы специалисты могли понять их с опорой на классическую теорию электричества. На самом же деле емкостной электрический разряд совершенно непохож на разряд катушки индуктивности, потому что в первом случае цепь замкнута через нечто, похожее на токи смещения, а во втором случае – через токи проводимости. Возможно, что наиболее скоростная (практически безынерционная) фаза передачи электрического заряда с электрода на электрод разрядника протекает еще до того, как возник видимый глазу искровой разряд, но это свойство присуще только емкостному разряду, а импортные разрядники испытываются на установках, создающих индуктивный разряд. Об этих новых явлениях, имеющих, как мне представляется, значение для теории и практики ЭМС, мы намерены рассказать в последующих статьях.
Хотелось бы обратить внимание специалистов на некоторые из распространенных заблуждений в отношении разрядников, формируемых рекламой западных производителей. К их числу относятся следующие утверждения:
1. Особенно хороши управляемые разрядники с низким порогом срабатывания, вплоть до значений менее 1 кВ.
2. Разрядники могут гасить дугу сопутствующего тока также хорошо, как автоматические выключатели и предохранители.
3. Искровые разрядники можно без потерь в качестве грозозащиты заменить так называемыми «Варисторными разрядниками».
4. Лучшие разрядники – с угольными электродами.
5. Лучшие разрядники могут пропустить ток разряда молнии в десятки кА, и применять их можно в шкафах с предохранителями на номинальный ток в десятки А.
Почему нельзя верить этим рекламным утверждениям, относящимся к разрядникам?
1. Особенно хороши управляемые разрядники с низким порогом срабатывания, вплоть до значений менее 1 кВ.
Чем вызвана необходимость в применении управляемых разрядников с низким порогом срабатывания (обычно 0,9…1,5 кВ)? Основная схема применения разрядников в схемах грозозащиты электронного оборудования – двухступенчатая, показана на рис. 7. Первая ступень – разрядник, вторая ступень – варистор, селективность их срабатывания обеспечивается развязывающим дросселем (либо отрезком кабеля).
Рис. 7. Двухступенчатая схема защиты с разделительным дросселем.
В схеме разрядник срабатывает при возникновении грозового перенапряжения и отводит ток разряда молнии на землю, варистор ограничивает до безопасного уровня импульс перенапряжения до момента пробоя разрядника, а дроссель на короткое время не дает варистору зашунтировать перенапряжение и тем самым обеспечивает срабатывание разрядника. Если варистор ограничивает импульсное перенапряжение до 1 кВ, а разрядник срабатывает при 4 кВ, то индуктивность дросселя должна быть такой, чтобы на нем возникало падение импульсного напряжения не менее 3 кВ. Если перенапряжение нарастает медленно, то приходиться увеличить индуктивность дросселя, но моточные элементы дороги, да и размеры их велики. Такие дроссели сложно выполнить в конструктивах, предназначенных для монтажа на DIN-рейки. А разрядники производят в основном «корпусировщики», то есть фирмы, специализирующиеся на производстве пластмассовых корпусов и упаковке в них различных устройств. Дроссель с большой индуктивностью, большим номинальным и импульсным током в пластмассовый корпус не упаковать. Конструкторская мысль западных производителей разрядников пришла к идее применения управляемых разрядников, напряжение срабатывания которых было бы ниже напряжения ограничения варисторов, и тогда варистор и разрядник срабатывали бы сами по себе, что позволяет исключить дроссель из схемы грозозащиты. Однако «У каждой медали есть оборотная сторона».
Грозовые импульсные перенапряжения с амплитудой до 10…30 кВ, при которых срабатывают неуправляемые
разрядники с напряжением пробоя 4 кВ, возникают несколько раз в год. Столько же раз будут возникать короткие замыкания в электроустановке, обусловленные срабатыванием разрядников.
Коммутационные импульсные перенапряжения с амплитудой в единицы кВ возникают гораздо чаще. В сетях электропитания предприятий коммутационные перенапряжения с амплитудой более 1 кВ возникают ежедневно, порою при каждом включении и выключении оборудования. Соответственно, существенно возрастает вероятность срабатывания управляемых
разрядников, например, с напряжением пробоя 0,9 кВ. Каждое срабатывание разрядника – это короткое замыкание в сети электропитания. В результате применение управляемых разрядников с низкими порогами срабатывания приводит к возрастанию количества провалов напряжения, сопутствующих им перенапряжений при восстановлении напряжения, и росту числа отключений цепей потребителей из-за срабатывания максимально-токовой защиты электроустановок. Жизнь энергетика предприятия может превратиться в сплошной кошмар.
2. Разрядники могут гасить дугу сопутствующего тока также хорошо, как автоматические выключатели и предохранители.
Предохранители или автоматические выключатели изначально разрабатываются, как токоограничивающие устройства защиты, которые в силу особенностей своей конструкции стремятся как можно быстрее отключить аварийную цепь. При коротких замыканиях с максимальной кратностью они отключают ток короткого замыкания за время, меньшее 10 мс (полпериода для частоты тока 50 Гц). Грозозащитный разрядник классической конструкции по внешним признакам системы электродов, формирующих дугу сопутствующего тока, как бы похож на автоматический выключатель, но физика явлений на электродах кардинально различается. Например, разрядник может иметь роговидные электроды, по форме напоминающие контакты в автоматическом выключателе, и может иметь дугогасящую (деионизирующую) решетку, такую же, как в автоматическом выключателе. Однако для того, чтобы ограничить ток короткого замыкания, контакты в автоматическом выключателе под действием пружинного механизма быстро расходятся на большие расстояния, дуга растягивается механически и действием электромагнитных сил принудительно загоняется в дугогасящую решетку, в которой, по определению, и гаснет.
В разряднике все иначе.
Во-первых, в разряднике контакты (электроды) неподвижны, поэтому дуга механически не растягивается, и начальный межэлектродный зазор (около 1 мм) может быть перекрыт как перенапряжением при обрыве дуги, так и облаком ионизированной плазмы, из-за этого процесс гашения дуги может затянуться во времени.
Во-вторых, в разряднике электромагнитные силы могут и не способствовать выдуванию дуги из разрядного промежутка (мы имели возможность в этом убедиться на примере неудачной конструкции разрядников фирмы Phoenix Contact), а действовать в диаметрально противоположном направлении, задувая дугу в маленький зазор, предназначенный не для гашения дуги, а для формирования начального искрового разряда.
В-третьих, электромагнитные усилия, воздействующие на дугу сопутствующего тока, очень велики, когда на сопутствующий ток накладывается большой импульсный разрядный ток. Импульсный ток выдувает дугу из узкой щели на рога с большим межэлектродным зазором, длинная дуга сопутствующего тока интенсивнее охлаждается и быстрее гасится. При малых импульсных токах дуга сопутствующего тока буквально «прилипает» к электродам разрядника и относительно слабого сопутствующего тока оказывается недостаточно для ускорения дуги до тех значений скорости, при которых она гаснет из-за охлаждения набегающим потоком воздуха.
В-четвертых, по ГОСТ 51992 в испытуемом разряднике время гашения сопутствующего тока не контролируется, лишь бы «сквозной ток был самозатухающим». Самозатухание сопутствующего тока проверяется только при максимальном его значении, а гасится сопутствующий ток хуже всего при низких значениях тока, когда малы силы, затягивающие дугу в дугогасящую решетку. Главное требование стандарта, чтобы при таких испытаниях разрядник не имел механических разрушений и на протяжении интервала охлаждения разрядника (25…30 мин.) была «достигнута тепловая стабильность».
В-пятых, одна из составляющих разряда молнии с током в сотни ампер имеет форму прямоугольного импульса (однополярного) длительностью до 0,5 с. Это постоянный ток, который гасится очень плохо и медленно, он не дает дуге сопутствующего тока частотой 50 Гц погаситься при переходе через ноль.
Поэтому разрядник вовсе не обязан дугу гасить с токоограничивающим эффектом. Погасит разрядник дугу, например, за 5 секунд, и при этом механически не разрушится и не перегреется, и хорошо, испытания по ГОСТ 51992 он выдержал. То, что при этом на защищаемом объекте из-за многократных (за грозовой сезон) коротких замыканий и связанных с ними нарушений в работе электроустановок, выйдет из строя несколько единиц оборудования – не является проблемой поставщика грозозащитных разрядников. Виноват проектант, который не предусмотрел всех нюансов систем грозозащиты и понадеялся на иностранную рекламу и громкие имена фирм. Проектант должен знать - система дугогашения в разряднике может быть очень качественной и на большой сопутствующий ток, но полностью полагаться на нее нельзя, первостепенная задача для разрядника – ток молнии отвести на землю, а дугу разрядники гасят плохо.
3. Искровые разрядники можно без потерь в качестве грозозащиты заменить так называемыми «Варисторными разрядниками».
«Варисторные разрядники», как бы их не называли, по природе своей остаются теми же варисторами, но упакованными в модули, иногда напоминающие корпуса искровых разрядников. В отличие от искровых разрядников, варисторы имеют опасно большое остаточное напряжение при протекании больших токов и не справляются с длительными импульсами. Например, остаточное напряжение самого большого варистора с диаметром активной части 80 мм на рабочее напряжение 380 В составляет единицы кВ для тока 10 кА, а импульс тока 10/350 мкс, 5 кА он в состоянии пропустить, но лишь однократно.
ЗАО «ЭМСОТЕХ» относится к числу немногих предприятий России, которые испытывали «Варисторные разрядники Strikesorb» с диаметром активной части 40 мм и 80 мм. Можем утверждать, что никаких выдающихся характеристик (кроме цены) в сравнении с обычными варисторами «Варисторные разрядники» не имеют, и попытка заменить ими грозозащитные разрядники заведомо обречена на неудачу.
4. Лучшие разрядники – с угольными электродами.
Специалистам в области разработки сильноточных разрядников для грозозащиты силовых сетей электропитания известно, что самый плохой материал для таких разрядников – уголь, а самые хорошие материалы – цинк, алюминий, олово и сплавы на их основе.
Все дело в физике явлений на электродах.
Для того чтобы разрядник быстро отреагировал на возникновение перенапряжения и замкнул пораженную молнией цепь на землю, разрядник должен иметь как можно меньшее время задержки срабатывания после возникновения на его электродах напряжения, достаточного для пробоя межэлектродного зазора. Для быстрого формирования электронной лавины и начального тока дуги надо много электронов, которые извлекаются электрическим полем из материала электрода. Цинк, алюминий, олово и сплавы на их основе имеют низкие значения работы выхода электронов, то есть полю легко извлекать из этих материалов электроны. Уголь имеет высокое значение работы выхода электронов, то есть электрическому полю трудно извлекать из него электроны, необходимая их концентрация формируется дольше, велико время задержки срабатывания. В результате разрядник может сработать уже после того, как электроника поражена перенапряжением.
После того, как разрядник сработал от перенапряжения, через него начинает протекать сопутствующий ток 50 Гц, разрядник должен его погасить.
Существует понятие критического значения тока дуги [5], при котором нагретые основания дуги на разных материалах электродов мгновенно (за 1 мкс) охлаждаются до температуры 800…850 град.К, при которой отсутствует термоэлектронная эмиссия. Основания дуги за этим переходом могут стать практически мгновенно «холодными», не испускающими электронов термоэмиссии со своей поверхности. При снижении тока дуги ниже критических значений происходит скачкообразное (мгновенное) восстановление прочности электрического промежутка при переходе тока через ноль. Высокое критическое действующее значение тока (для частоты источника тока 50 Гц, времени горения дуги 10 мс) у серебра и меди – 210 А и 165 А, а самое низкое критическое значение тока у угля – 2 А. Поэтому контакты аппаратов защиты низкого напряжения изготавливают из серебра или меди, и поэтому погасить дугу на угольных электродах намного сложнее, чем на электродах из металлов.
Истории электротехники известна «Свеча Яблочкова» в которой дуга переменного тока горела, не затухая, между параллельными стержневыми угольными электродами. Это хорошая иллюстрация «дугогасящих свойств» угольных электродов.
5. Лучшие разрядники могут пропустить ток разряда молнии в десятки кА, и применять их можно в шкафах с предохранителями на ток в десятки А.
Открываем каталог продукции фирмы DEHN, читаем: разрядник DB 1 255 Н может пропустить ток молнии 50 кА (10/350 мкс), а его способность ограничить сопутствующий ток настолько хороша, что разрядник не вызывает срабатывания предохранителя 32 А gL/gG. О том, что этот разрядник не способен пропустить такой ток молнии мы уже говорили (расплавилась начинка разрядника). Открываем рекомендации по применению продукции той же фирмы DEHN, читаем: предохранитель 32 А при токе 15 кА взрывается, а при токе 4 кА начинает плавиться его вставка и на ней дополнительно возникает падение напряжения до 2 кВ. Проверяли неоднократно: предохранитель на ток 32 А, перегорает при воздействии импульса тока более 5 кА (8/20 мкс). То есть даже при удаленных разрядах молнии, когда нет опасности для электроустановки, разрядник сработает, а следом предохранитель перегорит не из-за сопутствующего тока, а из-за импульсного тока. В результате схема защиты становится одноразовой, а возможности дорогостоящего разрядника не будут использоваться в полной мере. Если же молния попала в электроустановку, то предохранитель превращается в эквивалентный по объему кусок взрывчатки со всеми вытекающими отсюда последствиями для шкафа с электрооборудованием.
Для справки: предохранитель Курского завода типа ПП32 с отключающей способностью 100 кА, на номинальный ток 400 А, перегорает при воздействии импульса тока более 25 кА (10/350 мкс) и взрывается с разрушением корпуса при импульсном токе порядка 50 кА (слишком велика скорость выделения энергии, хотя импульсный ток в два раза меньше допустимого ударного тока). То есть даже с таким предохранителем возможности дорогостоящего разрядника не будут использоваться в полной мере.
В результате проделанной НИОКР ЗАО «ЭМСОТЕХ» было вынуждено отказаться от импорта сильноточных разрядников, и разработать для своих изделий оригинальную конструкцию разрядника [6], в наибольшей степени удовлетворяющего требованиям грозозащиты. На рис. 8 показана конструкция разрядника и фотографии серийных изделий.
Рис. 8. Конструкция разрядника ЗАО «ЭМСОТЕХ» и фотографии серийных изделий на их основе (под схемой разрядника – панель грозозащиты с датчиком тока и регистратором срабатываний разрядников; ниже – панель грозозащиты с резервированием разрядников; справа от схемы разрядника – панель грозозащиты малоэтажных интеллектуальных зданий; ниже – автоматический ввод резерва АВР-125-Г с панелью грозозащитных разрядников по основному и резервному фидерам).
В разрядника искровой разряд развивается по поверхности изоляции из диэлектрика, расположенного в зазоре между электродами. Ограниченный за счет смещения края изоляции (в глубину межэлектродного промежутка) объем в зоне начального формирования сильноточного разряда приводит к повышению давления и, соответственно, температуры металлической плазмы в зоне разряда. Горячая металлическая плазма воздействует на поверхность диэлектрика изолятора. При воздействии высоких температур, возникающих при сильноточном искровом разряде, на поверхность диэлектрика, обладающего плазмогенерирующими свойствами, например, фторопласта, возникает неметаллическая фтороводородная плазма. Слой фтороводородной плазмы оттесняет металлическую плазму от поверхности изолятора и с высокой скоростью вытесняет ее из щелевого зазора, образованного между электродами за счет смещения края изоляции. Щель работает подобно соплу реактивного двигателя, и рассчитывается аналогично. При этом из ядра формирования плазменного разряда возникает плазменный сгусток между поверхностью диэлектрика изолятора и дугой с металлической плазмой. Он выталкивает металлическую плазму из зазора в направлении от поверхности диэлектрика изолятора, а также формирует две струи фтороводородной плазмы, распространяющиеся из области высокого давления в зоне формирования плазменного сгустка, в зоны низкого давления вдоль зазора между электродами и вдоль поверхности диэлектрика изолятора. Эти две струи плазмы защищают поверхность диэлектрика изолятора, примыкающую к зоне разряда и одновременно существенно расширяют площадь пятен контакта дуги на электродах, снижая сопротивление разрядника и уменьшая нагрузку на электроды. Высокотемпературная изоляция поверхности диэлектрика изолятора с помощью фторводородной плазмы от дуги с металлической плазмой обеспечивает самоочистку поверхности диэлектрика изолятора.
Одновременно фтороводородная плазма, распространяющаяся из области высокого давления, выносит из зазора расплавленный металл электродов, не позволяя развиваться микронеровностям на поверхности электродов в зазоре. Отсутствие микронеровностей в зазоре позволяет стабилизировать напряжение срабатывания разрядника, определяемого величиной зазора.
Разряды импульсного тока сопровождаются микровзывами, уносящими за пределы разрядника часть металла электродов и часть испарившегося изолятора. Описанные процессы самоочистки поверхности изолятора и электродов разрядника позволяют повысить стабильность его работы и увеличить ресурс до значений, обеспечивающих срок службы 10-20 лет в районах с максимальной грозовой активностью.
В дальнейшем процесс развивается, как в обычных разрядниках: под действием механической силы, обусловленной взаимодействием тока и созданного им магнитного поля, дуга разряда растягивается по конической поверхности электрода и при растяжении гасится самостоятельно (за счет охлаждения) или с помощью любой из известных систем гашения дуги. Так как искровой промежуток в разряднике кольцевой формы, то независимо от формы токовой петли «Правило левой руки» выдавливает дугу в нужном направлении – от искрового промежутка в сторону дугогасящей системы. Так как электроды разрядника выполнены из материала с высоким критическим действующим значением тока, то при малых токах (сотни и тысячи ампер), когда электромагнитных сил недостаточно для того, чтобы загнать дугу в дугогасящую решетку, дуга гаснет самостоятельно. Процесс включения разрядника и гашения слаботочной дуги иллюстрируют осциллограммы на рис. 9.
Рис. 9. Осциллограммы, иллюстрирующие быстродействие и дугогасящие свойства разрядников ЗАО «ЭМСОТЕХ».
Видно, что после возникновения перенапряжения разрядник переходит в проводящее состояние за время намного меньше 100 нс, а после срабатывания разрядника от перенапряжения дуга погасла при первом переходе тока через ноль.
Высокотемпературная металлическая плазма в искровом зазоре разрядника обеспечивает ультранизкое сопротивление искрового разряда и, соответственно, низкое остаточное напряжение, не превышающее десятков и сотен вольт. У известных разрядников существует выраженная зависимость отношения импульсного напряжения срабатывания к напряжению статического пробоя, которая определяется длительностью фронта импульса напряжения. Для низковольтных разрядников импульсное напряжение пробоя может в несколько раз превышать статическое. У разрядников ЗАО «ЭМСОТЕХ» импульсное напряжение пробоя при разной крутизне фронта импульсного напряжения практически равно статическому, и даже может быть меньше него, что обеспечивает уникальные помехозащитные свойства. Во многих практических случаях эти свойства позволяют отказаться от многоступенчатых схем и обеспечить удовлетворительную грозозащиту объекта с помощью единственного элемента – разрядника. Устройства на их основе – панели грозозащиты производятся ЗАО «ЭМСОТЕХ» серийно.
Основные параметры разрядников ЗАО «ЭМСОТЕХ» и комплексных панелей грозозащиты приведены в [7], а основные рекомендации по применению и монтажу разрядников содержатся в [8]. Только эти разрядники используются на протяжении последних лет в наших изделиях, и предлагаются на рынке грозозащитных устройств, как самостоятельные изделия и в составе комплексных панелей грозозащиты.
Список литературы.
- Сухоруков С.А. Анализ грозовых поражений оборудования необслуживаемого регенерационного пункта оптоволоконной магистральной линии связи. - Технологии ЭМС. – 2011. - № 3.
- ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний. – М.: Изд-во стандартов, 2003. – 49 с.
- Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. – М.: Физматлит, 2001. – 319 с.
- IEC 62305-1-2006. Protection againt lightning. Part 1: General principles. – 2006. – 135 р.
- Таев И.С. Электрические аппараты управления (и распределительных устройств). – М.: Высш. Школа, 1969. – 444 с.
- Сухоруков С. А. Разрядник грозозащитный. Патент РФ на изобретение № 2328066. 2008.
- Защити! Помехозащитные устройства ЗАО «ЭМСОТЕХ». Каталог продукции. – Калуга, 2011. – 52 с.
- Сухоруков С.А. Грозовые и коммутационные перенапряжения в сетях электропитания. Методы защиты подстанций и потребителей. Аппаратура защиты потребителей со стороны питающих подстанций. Комплексные устройства для обеспечения качества электричества потребителей. Молниезащита и заземляющие
устройства. – Калуга, 2009. – 44 с.
ЗАО «ЭМСОТЕХ», г. Калуга