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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Protección de fuentes de alimentación contra rayos. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Protección del equipo contra la operación de emergencia de la red. Para proteger los equipos de los impulsos inducidos por las descargas de rayos, la alimentación de los dispositivos de telecomunicaciones y seguridad, así como de los sistemas de videovigilancia, donde no se pueda apagar por las condiciones de funcionamiento, se realiza de acuerdo con los requisitos y , por regla general, fuentes de alimentación ininterrumpida con dispositivos de protección de red incorporados. Pero, ¿qué pasa con aquellos que, por ejemplo, dejan encendido un equipo en su casa de campo que notifica al dueño de la penetración de personas no autorizadas en el territorio controlado? Para reducir la probabilidad de daño al dispositivo de seguridad durante una tormenta eléctrica, su fuente de alimentación debe complementarse con algunos elementos que atenúan bruscamente los pulsos de alto voltaje en la red, lo que llamaremos interferencia de red. La efectividad de la supresión de tal interferencia por los mismos elementos es diferente. Esto implica la primera característica: el dispositivo de protección debe ser de varias etapas. La segunda característica del diseño de un dispositivo de protección es la necesidad de un conductor con potencial cero, "tierra", en él. Esta condición es fácil de cumplir en los apartamentos modernos donde el cableado se realiza de acuerdo con un circuito de tres hilos ("fase" (L), "cero" (N), "tierra protectora" (PE)). Si la red de suministro no tiene conexión a tierra de protección, entonces tendrá que crear un bucle de tierra usted mismo o aceptarlo. que la supresión de interferencias no será lo suficientemente eficaz. Es satisfactorio si la interferencia del cable de fase se desvía a cero, es bueno - del cable de fase y por separado del cable neutro al cable de tierra es excelente - del cable de fase por separado al cable neutro y al cable de tierra , y también del cable neutro al cable de tierra. Para atenuar las interferencias potentes a largo plazo generadas por descargas de rayos, se utilizan descargadores de chispas llenos de vacío y gas como absorbedores de energía de pulso. Según las estadísticas, la proporción de dicha interferencia es de aproximadamente el 20%. El 80% restante son a corto plazo, que son efectivamente suprimidos por condensadores paralelos al circuito protegido y elementos de barrera en serie: estranguladores. También se utiliza un método combinado, cuando las interferencias potentes se atenúan mediante elementos absorbentes (limitadores de tensión) conectados en paralelo, y los de baja potencia se reducen en serie. Las características generales de los supresores de tensión más comunes utilizados en dispositivos de protección se presentan en la tabla:
Los pararrayos llenos de gas se pueden utilizar en versiones de dos y tres electrodos, según el diseño del dispositivo de protección: dos o tres hilos. En términos de confiabilidad de operación y corriente de pulso máxima, dicho limitador de voltaje supera a todos los demás (Fig. 1). Se trata de un recipiente cilíndrico con electrodos de descarga en sus extremos, lleno de un gas inerte. La desventaja del pararrayos es su respuesta más lenta en comparación con otros elementos de protección, lo que se debe a la necesidad de un cierto intervalo de tiempo para la ionización del gas.
Considere un espacio de chispa de tres electrodos T23-A230X con un diámetro de 8 y una longitud de 10 mm. A pesar de su pequeño tamaño, este elemento de protección permite una corriente de descarga de pico en múltiples pulsos únicos 8/20 μs (frente/caída) hasta 20 kA o soporta una corriente de descarga alterna de 1 y una frecuencia de 10 Hz durante 50 s. Tal eficiencia de protección está garantizada por el diseño especial del pararrayos, que se ilustra en la Fig. 1. En el estado inicial, su resistencia supera los 10 ohmios. Cuando el voltaje en el espacio de descarga crea una fuerza de campo eléctrico capaz de causar la ionización del gas, se produce una descarga eléctrica, como resultado de lo cual la resistencia del espacio de chispas disminuye bruscamente. Al final del pulso, el gas inerte recupera sus propiedades aislantes. El voltaje de ruptura del espacio de descarga está determinado tanto por el tamaño y el diseño de los electrodos como por las propiedades del gas de llenado: composición y presión. Un recubrimiento compuesto especial de los electrodos y un aislante cerámico entre ellos activa su emisividad. La forma de anillo del electrodo central permite maximizar el uso de la superficie de los electrodos extremos 1 y 2, proporcionando una gran corriente de descarga sin erosión de las superficies portadoras de corriente. Para compensar el retraso en la operación debido a la interferencia con un frente escarpado (1 kV/μs o más), los pararrayos en los dispositivos de protección multietapa generalmente se complementan con varistores y diodos protectores, que desvían parte de la energía del ruido impulsivo en el momento inicial de su aparición en la red eléctrica. Un varistor de óxido de metal es similar a un diodo zener simétrico: cuando se excede un cierto valor umbral del voltaje aplicado, la resistencia del elemento cae bruscamente. La tensión de clasificación del varistor debe superar la amplitud máxima de la tensión de red en al menos un 5 %. Por ejemplo, el aumento máximo permitido en la tensión de red de 220 V en un 20 % (264 V) corresponde a una amplitud de 374 V. Por lo tanto, la tensión de clasificación del varistor debe ser de al menos 393 V. Si utiliza un varistor, como en muchos dispositivos de protección fabricados industrialmente, con una tensión de clasificación estándar de 390 B, debido al error tecnológico permisible de este parámetro, existe el riesgo de que se dañe. Por lo tanto, es mejor usarlo con un voltaje de clasificación ligeramente más alto.El varistor también se caracteriza por una cierta energía de pulso limitante, que puede absorber sin destruirse. Esta característica tiene la propiedad de acumulación. Esto significa que el dispositivo es capaz de absorber un solo pulso con cierta energía máxima permitida o un cierto número de pulsos con una energía más baja sin degradar los parámetros. Por ejemplo, un varistor de óxido de metal con un diámetro de 20 mm absorbe un pulso con una energía máxima permitida de 410 J o 10 pulsos con una energía de 40 J. Después de que el varistor se queda sin el recurso prometido, su voltaje de clasificación aumentará ligeramente , y luego, con cada pulso posterior, comenzará a disminuir bruscamente, como resultado, el varistor se "quemará" . Por lo tanto, debe ser reemplazado a la menor manifestación externa de degradación (oscurecimiento de la pintura). La necesidad de monitorear el estado técnico del variador ubicado dentro de un filtro de red cerrado es su desventaja. Los diodos de protección (supresores de voltaje transitorio), como los diodos zener, se vuelven conductores extremadamente rápido cuando el voltaje aplicado aumenta por encima del voltaje de apertura. El tiempo de respuesta de un dispositivo de este tipo, especialmente uno sin cables, es de solo unos pocos picosegundos. Por supuesto, la inductancia de los conductores y cables conductores reduce la velocidad del diodo, pero sigue siendo la más alta entre los limitadores de voltaje utilizados. Existen tanto diodos de protección unipolares como aquellos con una característica simétrica de corriente-voltaje, lo que les permite usarse sin diodos rectificadores adicionales en circuitos de CA. Con una corriente muy alta, a diferencia de un espacio de chispas lleno de gas, la ruptura eléctrica que se produce en el diodo protector se vuelve irreversible. Este elemento debe ser reemplazado. Los dispositivos de fabricación industrial para la protección contra impulsos de alta tensión en la red eléctrica, tanto en nuestro país como en el extranjero, deben cumplir con los requisitos de las normas internacionales aprobadas. Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), y según la terminología generalmente aceptada se dividen en clases de protección I, II y III. Los dispositivos de clase I están diseñados para proteger la red eléctrica en la entrada del edificio frente al medidor de electricidad. Los elementos principales de tales dispositivos son pararrayos de vacío y gas capaces de neutralizar descargas de rayos potentes de hasta 150 kA por pulso, lo que corresponde a un rayo directo, teniendo en cuenta la corriente que se propaga sobre la superficie sujeta a una descarga eléctrica. Los dispositivos de clase II atenúan el ruido impulsivo en los cuadros de distribución de plantas y talleres. El elemento de protección más utilizado en este tipo de dispositivos es el varistor. Los dispositivos de clase III están diseñados para proteger dispositivos individuales con un consumo de corriente de no más de 16 A. Por lo general, se realizan en diodos de protección. Por supuesto, para la operación segura de los equipos de radio, el usuario puede equipar la red de distribución de energía en una casa de campo o apartamento con tales dispositivos industriales, pero la implementación de tal solución puede ser financieramente difícil. Será mucho más barato fabricar dispositivos de protección de red de forma independiente. Sobre la base del análisis de las ideas modernas sobre los requisitos para los dispositivos de protección contra rayos y los métodos para su implementación práctica, el autor ha desarrollado un dispositivo de protección de etapas múltiples, cuyo diagrama se muestra en la fig. 2.
El dispositivo se conecta a la red mediante un enchufe eléctrico. XP1 con contacto de puesta a tierra. Los cartuchos fusibles FU1, FU2 están diseñados para una carga de hasta 1 kW, conectados al enchufe XS1, su presencia aumenta significativamente la confiabilidad del dispositivo de protección y prolonga la vida útil de otros elementos utilizados en él. La interferencia a corto plazo, incapaz de activar el pararrayos F1, será debilitada por los choques L2-L4 y absorbida por el diodo protector VD1. Una contribución significativa a la atenuación de dicha interferencia también la realiza un cilindro de ferrita colocado en el cable de la red, como resultado de lo cual se forma un inductor L1. El condensador C1 finalmente suprime la interferencia de red simétrica a corto plazo, desequilibrada: C2 y C3. La supresión del frente de interferencias continuas de la red generadas por descargas de rayos se produce principalmente por el diodo de protección VD1 y los varistores RU1-RU3. Después de 250 ns, el espacio de chispas F1 encendido elimina la interferencia y los fusibles activados FU1, FU2 desconectan la fuente de alimentación del equipo de la red hasta que se producen consecuencias críticas. La energía del ruido impulsivo disipada por los elementos protectores en el filtro de red se libera en forma de calor, mientras que la temperatura de los elementos puede alcanzar los 200 °C o más. Por lo tanto, por razones de seguridad contra incendios, el cuerpo del dispositivo debe ser solo de metal. Conexión de la carcasa al cable desde el contacto de puesta a tierra del enchufe. XP1 se realiza en las inmediaciones de la entrada del cable de red en la carcasa del filtro. El zócalo XS1 está conectado por cables cortos a las almohadillas correspondientes indicadas en el dibujo de la placa de circuito impreso del dispositivo (Fig. 3).
Una foto del tablero se muestra en la fig. cuatro
La placa de circuito impreso está hecha de lámina de fibra de vidrio de un lado de 1,5 mm de espesor. Los elementos protectores de puesta a tierra del conductor impreso en el tablero se pelan con soldadura para aumentar el área de la sección transversal, creando un rodillo de 1 ... 1,5 mm de altura. El cable de red se utiliza con cables con una sección transversal de al menos 1 mm2. Se le coloca un cilindro de ferrita. K18 * 9x30 mm (mostrado a la izquierda en la Fig. 4). Los fabricantes extranjeros instalan dichos cilindros en cables para conectar varios dispositivos a una computadora. Los inductores L2 y L3 están enrollados con alambre PEV-2 con un diámetro de 1 mm cada uno en dos núcleos magnéticos anulares plegados juntos. KP27>15-6 mm de permalloy MP 140. El bobinado se realiza en dos capas completas sin aislamiento entre capas, el autor usó chokes prefabricados recubiertos con esmalte para protección contra la humedad. También puede utilizar un circuito magnético. K28>14-12 mm de un estrangulador de devanados múltiples en una fuente de alimentación conmutada AT de una computadora. Choke L4 se realiza en un anillo K28-15-10mm hecho de ferrita M2000NM. Los bordes afilados del circuito magnético se redondean con una lima y luego se aíslan con tela barnizada o cinta fluoroplástica. Cada uno de los devanados contiene 15 vueltas de alambre. PEV-2 con un diámetro de 1 mm, por razones de diseño, para la conveniencia de conectar los cables a la placa de circuito impreso, uno de los devanados se enrolla en la dirección opuesta a la utilizada para el otro devanado. En este caso, los campos creados por las corrientes entrantes y salientes en el circuito magnético se compensarán mutuamente y, por lo tanto, se excluirá la saturación magnética. La correcta ejecución del inductor se puede comprobar midiendo su inductancia. En este diseño, la inductancia de cada devanado es de 270 µH. Si conecta los extremos de salida de los devanados y mide la inductancia de entrada, no superará los 10 μH. Varistores RU1-RU3 - SIOV S20K420. pueden ser sustituidos por otros de óxido metálico de 20 mm de diámetro y tensión de clasificación de 420 V. En casos extremos, se puede utilizar óxido de zinc del mismo diámetro con tensión de clasificación de 430 V, marcado, por ejemplo, con uno de los fabricantes como MYG20K431. Condensadores de alto voltaje C1 - C3 - de la serie K78-2. El diodo protector simétrico 1,5KE440CA puede ser reemplazado por dos unipolares iguales (sin el índice CA) o sus análogos. En este caso, es recomendable complementar el dispositivo de protección con un indicador de la tensión de red y el estado de los diodos de protección. Durante el funcionamiento del dispositivo, es necesario periódicamente, especialmente después de días de tormenta, monitorear el estado técnico del dispositivo y reemplazar los elementos que han agotado su recurso de manera oportuna. Autor: Kosenko S.
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