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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Schutz von Stromversorgungen vor Blitzschlag. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Schutz der Ausrüstung vor dem Notbetrieb des Netzwerks Zum Schutz der Geräte vor durch Blitzentladungen verursachten Impulsen erfolgt die Stromversorgung von Telekommunikations- und Sicherheitsgeräten sowie von Videoüberwachungssystemen, bei denen sie aufgrund der Betriebsbedingungen nicht abgeschaltet werden kann, gemäß den Anforderungen und in der Regel unterbrechungsfreie Stromversorgungen mit eingebauten Netzschutzgeräten. Was aber sollen diejenigen tun, die beispielsweise eingeschaltete Geräte auf ihrer Datscha zurücklassen und den Eigentümer über das Betreten des kontrollierten Gebiets durch Unbefugte informieren? Um die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Sicherheitsgeräts während eines Gewitters zu verringern, muss seine Stromversorgung durch einige Elemente ergänzt werden, die Hochspannungsimpulse im Netzwerk, die wir im Folgenden als Netzwerkstörungen bezeichnen, stark abschwächen. Die Wirksamkeit der Unterdrückung solcher Störungen durch dieselben Elemente ist unterschiedlich. Dies impliziert das erste Merkmal – die Schutzeinrichtung muss mehrstufig sein Das zweite Merkmal des Designs einer Schutzvorrichtung ist die Notwendigkeit, einen Leiter mit Nullpotential, „Erde“, zu haben. Diese Bedingung ist in modernen Wohnungen, in denen die elektrische Verkabelung nach einer Dreileiterschaltung („Phase“ (L), „Null“ (N), „Schutzerde“ (PE)) erfolgt, leicht einzuhalten. Wenn das Stromversorgungsnetz über keine Schutzerdung verfügt, müssen Sie entweder selbst eine Erdungsschleife erstellen oder diese in Kauf nehmen. dass die Störunterdrückung nicht wirksam genug sein wird. Es ist zufriedenstellend, wenn Störungen vom Phasendraht zum Neutralleiter umgeleitet werden, gut – vom Phasendraht und getrennt vom Neutralleiter zum Erdungsdraht, ausgezeichnet – vom Phasendraht getrennt zum Neutralleiter und zum Erdungsdraht, und auch vom Nullpunkt zum Erdungskabel. Um dauerhaft starke Störungen durch Blitzentladungen zu dämpfen, werden Vakuum- und Gasableiter als Impulsenergieabsorber eingesetzt. Statistiken zeigen, dass der Anteil solcher Störungen etwa 20 % beträgt. Die restlichen 80 % sind kurzfristiger Natur und werden durch Kondensatoren parallel zum geschützten Stromkreis und in Reihe geschaltete Barrierenelemente – Drosseln – effektiv unterdrückt. Eine kombinierte Methode wird auch verwendet, wenn starke Störungen durch parallel geschaltete absorbierende Elemente (Spannungsbegrenzer) und leistungsschwächere Elemente – in Reihe – gedämpft werden. Verallgemeinerte Eigenschaften der am häufigsten in Schutzgeräten verwendeten Spannungsbegrenzer sind in der Tabelle aufgeführt:
Gasableiter können je nach Ausführung der Schutzeinrichtung – Zweileiter oder Dreileiter – in Zwei- und Drei-Elektroden-Ausführung eingesetzt werden. In puncto Betriebssicherheit und maximalem Impulsstrom ist dieser Spannungsbegrenzer allen anderen überlegen (Abb. 1). Dabei handelt es sich um einen zylindrischen Zylinder mit Entladungselektroden an den Enden, der mit einem Inertgas gefüllt ist. Der Nachteil der Funkenstrecke ist ihre geringere Betriebsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Schutzelementen, was auf die Notwendigkeit eines bestimmten Zeitintervalls für die Gasionisierung zurückzuführen ist.
Betrachten wir eine Drei-Elektroden-Funkenstrecke T23-A230X mit einem Durchmesser von 8 und einer Länge von 10 mm. Trotz dieser geringen Abmessungen ermöglicht dieses Schutzelement einen Spitzenentladestrom in mehreren Einzelimpulsen von 8/20 μs (Flanke/Abfall) bis zu 20 kA oder hält einem Wechselentladestrom von 1 und einer Frequenz von 10 Hz für 50 s stand. Diese Schutzwirkung wird durch die spezielle Konstruktion des Ableiters gewährleistet, die in Abb. 1 dargestellt ist. Im Ausgangszustand beträgt sein Widerstand mehr als 10 Ohm. Wenn die Spannung in der Entladungsstrecke eine elektrische Feldstärke erzeugt, die eine Ionisierung des Gases bewirken kann, kommt es zu einer elektrischen Entladung, wodurch der Widerstand der Funkenstrecke stark abnimmt. Am Ende des Impulses stellt das Inertgas seine isolierenden Eigenschaften wieder her. Die Durchbruchspannung der Entladungsstrecke wird sowohl durch die Größe und Gestaltung der Elektroden als auch durch die Eigenschaften des Füllgases – Zusammensetzung und Druck – bestimmt. Eine spezielle Verbundbeschichtung der Elektroden und des dazwischen liegenden Keramikisolators aktiviert deren Emissionsvermögen. Die Ringform der Mittelelektrode ermöglicht eine maximale Nutzung der Oberfläche der Endelektroden 1 und 2 und sorgt für einen großen Entladestrom ohne Erosion stromführender Oberflächen. Um die Ansprechverzögerung durch Störungen mit steiler Front (1 kV/µs oder mehr) zu kompensieren, werden Ableiter in mehrstufigen Schutzgeräten üblicherweise durch Varistoren und Schutzdioden ergänzt, die einen Teil der Energie der impulsförmigen Störung am Eingang absorbieren erster Moment seines Auftretens im Stromnetz. Ein Metalloxid-Varistor ähnelt einer symmetrischen Zenerdiode – wenn ein bestimmter Schwellenwert der angelegten Spannung überschritten wird, sinkt der Widerstand des Elements stark. Die Klassifizierungsspannung des Varistors muss die maximale Amplitude der Netzspannung um mindestens 5 % überschreiten. Beispielsweise entspricht die maximal zulässige Erhöhung der Netzspannung von 220 V um 20 % (264 V) einer Amplitude von 374 V. Daher muss die Klassifizierungsspannung des Varistors mindestens 393 V betragen. Wenn Sie einen Varistor verwenden, Wie bei vielen industriell gefertigten Schutzgeräten besteht bei einer Norm-Klassifizierungsspannung von 390 B aufgrund des zulässigen technologischen Fehlers dieses Parameters die Gefahr einer Beschädigung. Daher ist es besser, ihn mit einer etwas höheren Klassifizierungsspannung zu verwenden. Der Varistor zeichnet sich außerdem durch eine bestimmte maximale Impulsenergie aus, die er zerstörungsfrei aufnehmen kann. Dieses Merkmal hat die Eigenschaft der Akkumulation. Dies bedeutet, dass das Gerät ohne Verschlechterung der Parameter in der Lage ist, einen einzelnen Impuls mit einer bestimmten maximal zulässigen Energie oder eine bestimmte Anzahl von Impulsen mit niedrigerer Energie zu absorbieren. Beispielsweise absorbiert ein Metalloxid-Varistor mit einem Durchmesser von 20 mm einen Impuls mit einer maximal zulässigen Energie von 410 J oder 10 Impulse mit einer Energie von 40 J. Nachdem der Varistor seine vorgesehene Ressource erschöpft hat, steigt seine Klassifizierungsspannung leicht an. und dann beginnt er mit jedem weiteren Impuls stark abzunehmen, was zur Folge hat, dass der Varistor „durchbrennt“. Daher muss es bei der geringsten äußerlichen Beschädigung (Verdunkelung des Lacks) ausgetauscht werden. Nachteilig ist die Notwendigkeit, den technischen Zustand des Variators im Inneren eines geschlossenen Überspannungsschutzes zu überwachen Transient-Voltage-Suppressor-Dioden werden wie Zenerdioden extrem schnell leitend, wenn die angelegte Spannung über die Ein-Aus-Spannung ansteigt. Die Reaktionszeit eines solchen Geräts, insbesondere eines leitungslosen Geräts, beträgt nur wenige Pikosekunden. Natürlich verringert die Induktivität der Leitungen und Leitungsdrähte die Leistung der Diode, dennoch bleibt sie die höchste unter den verwendeten Spannungsbegrenzern. Es gibt sowohl unipolare Schutzdioden als auch solche mit symmetrischer Strom-Spannungs-Kennlinie, wodurch sie ohne zusätzliche Gleichrichterdioden in Wechselstromkreisen eingesetzt werden können. Bei sehr hohen Strömen wird im Gegensatz zu einem Gasableiter der in der Schutzdiode auftretende elektrische Durchschlag irreversibel. Dieses Element muss ersetzt werden. Industriell hergestellte Geräte zum Schutz vor Hochspannungsimpulsen im Stromnetz im In- und Ausland müssen den Anforderungen anerkannter internationaler Normen entsprechen. Die International Electrotechnical Commission (IEC) unterscheidet nach allgemein anerkannter Terminologie die Schutzklassen I, II und III. Geräte der Klasse I dienen dem Schutz des Stromnetzes am Gebäudeeingang vor dem Stromzähler. Die Hauptelemente solcher Geräte sind Vakuum- und gasgefüllte Ableiter, die starke Blitzentladungen von bis zu 150 kA pro Impuls neutralisieren können, was einem direkten Blitzeinschlag entspricht, wenn man die Stromausbreitung über die einem Stromschlag ausgesetzte Oberfläche berücksichtigt. Geräte der Klasse II dämpfen Impulsgeräusche in Boden- und Werkstattverteilern. Das in solchen Geräten am häufigsten verwendete Schutzelement ist ein Varistor. Geräte der Klasse III dienen dem Schutz einzelner Geräte mit einer Stromaufnahme von maximal 16 A. Sie werden in der Regel mit Schutzdioden hergestellt. Natürlich kann der Benutzer für den sicheren Betrieb von Funkgeräten das Stromverteilungsnetz in der Datscha oder in der Wohnung mit solchen Industriegeräten ausstatten, aber die Umsetzung einer solchen Lösung kann finanziell schwierig sein. Es wird viel günstiger sein, Netzwerkschutzgeräte selbst herzustellen. Basierend auf einer Analyse moderner Vorstellungen über die Anforderungen an Blitzschutzgeräte und Methoden zu deren praktischer Umsetzung hat der Autor ein mehrstufiges Schutzgerät entwickelt, dessen Diagramm in Abb. dargestellt ist. 2.
Der Anschluss des Geräts an das Netzwerk erfolgt über einen elektrischen Stecker. XP1 mit Schutzkontakt. Die Sicherungseinsätze FU1, FU2 sind für eine Belastung von bis zu 1 kW ausgelegt und werden an die Buchse XS1 angeschlossen. Ihr Vorhandensein erhöht die Zuverlässigkeit der Schutzvorrichtung erheblich und verlängert die Lebensdauer der anderen darin verwendeten Elemente. Kurzfristige Störungen, die den Ableiter F1 nicht auslösen können, werden durch die Drosseln L2-L4 gedämpft und durch die Schutzdiode VD1 absorbiert. Auch ein auf dem Netzwerkkabel platzierter Ferritzylinder trägt wesentlich zur Dämpfung solcher Störungen bei, die zur Bildung der Drossel L1 führen. Schließlich werden symmetrische kurzzeitige Netzstörungen durch den Kondensator C1, asymmetrische durch C2 und C3 unterdrückt. Die durch Blitzentladungen erzeugte Dauernetzstörung wird vor allem durch die Schutzdiode VD1 und die Varistoren RU1-RU3 unterdrückt. Nach 250 ns leitet die eingeschaltete Funkenstrecke F1 die Störung auf sich selbst um und die ausgelösten Sicherungseinsätze FU1, FU2 trennen die Stromversorgung des Gerätes vom Netz, bis kritische Folgen eintreten. Die Energie des Impulsrauschens, die von den Schutzelementen im Netzwerkfilter abgeleitet wird, wird in Form von Wärme abgegeben und die Temperatur der Elemente kann 200 °C oder mehr erreichen. Aus Brandschutzgründen darf das Gerätegehäuse daher nur aus Metall bestehen. Verbinden des Gehäuses mit dem Kabel vom Erdungskontakt des Steckers. XP1 wird in unmittelbarer Nähe des Einganges des Netzwerkkabels in das Filtergehäuse durchgeführt. Die XS1-Buchse wird mit kurzen Drähten an die entsprechenden Kontaktpads angeschlossen, die auf der Leiterplattenzeichnung des Geräts angegeben sind (Abb. 3).
Ein Foto der Platine ist in Abb. 4 gezeigt. vier.
Die Leiterplatte besteht aus einseitig folienbeschichtetem Glasfaserlaminat mit einer Stärke von 1,5 mm. Die Leiterbahn, die die Schutzelemente auf der Platine erdet, wird mit Lot abgezogen, um die Querschnittsfläche zu vergrößern, wodurch eine 1...1,5 mm hohe Perle entsteht. Das Netzwerkkabel wird mit Leitungen mit einem Querschnitt von mindestens 1 mm2 verwendet. Darauf wird ein Ferritzylinder aufgesetzt. K18*9x30 mm (links in Abb. 4 dargestellt). Ausländische Hersteller installieren solche Zylinder an Kabeln, um verschiedene Geräte an einen Computer anzuschließen. Die Drosseln L2 und L3 sind mit PEV-2-Draht von jeweils 1 mm Durchmesser auf zwei zusammengefaltete Ringmagnetkerne gewickelt. KP27>15-6mm aus Permalloy MP 140. Die Wicklung erfolgt in zwei Volllagen ohne Zwischenschichtisolierung, der Autor verwendete vorgefertigte Drosseln, die zum Feuchtigkeitsschutz mit Emaille beschichtet sind. Sie können auch einen Magnetkreis verwenden. K28>14-12 mm von der Mehrwicklungsinduktivität im AT-Schaltnetzteil des Computers entfernt. Die L4-Drossel besteht aus einem K28-15-10-mm-Ring aus M2000NM-Ferrit. Die scharfen Kanten des Magnetkreises werden mit einer Feile abgerundet und anschließend mit lackiertem Stoff oder Fluorkunststoffband isoliert. Jede Wicklung enthält 15 Drahtwindungen. PEV-2 mit einem Durchmesser von 1 mm. Aus Designgründen ist eine der Wicklungen zur bequemeren Verbindung der Leitungen mit der Leiterplatte in der entgegengesetzten Richtung wie die andere Wicklung gewickelt. In diesem Fall kompensieren sich die durch die ein- und ausgehenden Ströme im Magnetkreis erzeugten Felder gegenseitig und eine magnetische Sättigung wird dadurch ausgeschlossen. Die korrekte Auslegung des Induktors kann durch Messung seiner Induktivität überprüft werden. Bei diesem Design beträgt die Induktivität jeder Wicklung 270 μH. Wenn Sie die Ausgangsenden der Wicklungen verbinden und die Eingangsinduktivität messen, wird diese 10 μH nicht überschreiten. Varistoren RU1-RU3 - SIOV S20K420. Sie können durch andere Metalloxidmetalle mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Klassifizierungsspannung von 420 V ersetzt werden. Als letzten Ausweg können Sie Zinkoxid mit demselben Durchmesser und einer Klassifizierungsspannung von 430 V verwenden, z. B. gekennzeichnet mit von einem der Hersteller als MYG20K431. Hochspannungskondensatoren C1 - C3 - aus der Serie K78-2. Die symmetrische Schutzdiode 1,5KE440CA kann durch zwei gleiche unipolare (ohne CA-Index) oder deren Analoga ersetzt werden. In diesem Fall empfiehlt es sich, die Schutzeinrichtung durch eine Anzeige der Netzspannung und der Funktionsfähigkeit der Schutzdioden zu ergänzen. Während des Betriebs des Gerätes ist es notwendig, regelmäßig, insbesondere nach Gewittertagen, den technischen Zustand des Gerätes zu überwachen und Elemente, deren Lebensdauer erschöpft ist, umgehend auszutauschen. Autor: Kosenko S.
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