Датчики стоят на агрегатах, а преобразователи – везде: в щитах, шкафах, специальных боксах с высоким IP и так далее (см. рис. 1). При проверке выясняется, что, к примеру, конвертер «ток 4…20 мА в напряжение 0…10 В», вышел из строя. Недолго думая, его просто заменяют на новый. И так из раза в раз – не часто, но регулярно.
Что же произошло? Почему после долгой безотказной работы вышел из строя надёжный прибор с гальванической развязкой выходных цепей и цепей питания? А выводит его из строя часто именно «пуля». Только «пуля» высоковольтная и очень короткая – от единиц до десятков микросекунд. Такую и осциллографом-то не сразу поймаешь. Если входной каскад при этом сгорел – ещё полбеды. Бывает хуже – когда он не сгорел, а «подгорает», то есть конвертер продолжает имитировать работу, и даже из «зелёной» зоны может не выходить, но о линейности характеристики можно забыть. Это самый затратный по времени случай ремонта измерительного канала – не сразу найдёшь, где притаилась неисправность. А ведь из года в год измерительные цепи становятся всё более чувствительными, а диапазоны входных напряжений АЦП – всё меньше.
Откуда взялось это самое перенапряжение? Оно может, например, индуктивным или ёмкостным путём навестись на измерительный тракт от силовых цепей мощного электрооборудования там, где они проходят рядом. Перенапряжение в силовых цепях, как правило, рождается в моменты пуска (большой пусковой ток) или отключения (всплески самоиндукции) электроагрегатов. Найти точку «передачи» помехи в большом машинном зале, где много электромоторов или генераторов в цепях разной мощности и проходит огромное количество измерительных и питающих кабелей, – это «шаманство». И самое сложное при этом поиске – нестабильность появления скачков фатальной для измерительных цепей амплитуды. Дело в том, что включение/выключение агрегатов может происходить в разные моменты времени относительно амплитуды питающей волны в сети (в момент перехода через ноль или на пике полуволны), а перенапряжение может появляться, например, лишь в моменты одновременного включения нескольких агрегатов (наибольший пусковой ток). Следовательно, перенапряжение – это неудачное для измерительного оборудования стечение обстоятельств.
Что можно предпринять в таком случае? Перепроложить кабели или переразместить измерительное оборудование? Нередко это утопия! Остаётся один вариант – защитить от перенапряжения выходные цепи датчиков, входные цепи преобразователей и линии связи преобразователей с центральными измерительными блоками. Для защиты всех этих цепей от высоковольтных коротких «пуль» и существует специально спроектированное оборудование – устройство защиты от импульсного перенапряжения (УЗИП).
Включается УЗИП непосредственно в цепи аналоговых и цифровых сигналов, не внося никаких изменений в параметры цепей передачи сигнала. Работает УЗИП очень просто. При появлении в защищаемой цепи нарастающего фронта перенапряжения (с первых наносекунд!), внутренняя схема УЗИП сразу начинает работать как ограничитель напряжения, уменьшая своё внутреннее сопротивление и беря на себя всю мощь разрушительного импульса.
Рассмотрим работу простейшего УЗИП на примере защиты двухпроводного канала измерения температуры. Будем считать (и это наиболее частый вариант), что мы изначально не знаем, в каком месте измерительной цепи располагается «антенна» (кусочек проводника), которая ловит помеху, приводящую к перенапряжению. Следовательно, УЗИП должно расположиться максимально близко к «чувствительным к перенапряжению» местам цепи: выходу датчика и входу преобразователя.
В рассматриваемом варианте (см. рис. 2) УЗИП состоит из супрессора VD1 и газового разрядника. ВАХ супрессора примерно такая же, как у симметричного стабилитрона, но обладает высокой (наносекундной) скоростью реакции и имеет очень малую внутреннюю ёмкость. Газовый же разрядник обладает высокой скоростью реакции, малой ёмкостью, но несколько плавающим порогом срабатывания, который зависит от формы переднего фронта импульса помехи. Пока на выводах супрессора напряжение меньше порогового, он не проводит электрического тока (его сопротивление велико и не влияет на измерения). Как только напряжение высоковольтной помехи в цепи достигает порогового уровня (уровня защиты), супрессор уменьшает своё сопротивление, стабилизируя амплитуду помехи на безопасном для измерительных цепей уровне. Если же амплитуда помехи превышает даже порог срабатывания газового разрядника, то весь ток помехи проходит сквозь разрядник, не доходя до чувствительных цепей.
Какие цепи следует защищать таким образом? Если мощные агрегаты работают в одном помещении с чувствительным измерительным оборудованием, то рекомендуется уже на стадии проектирования закладывать УЗИП во все чувствительные цепи.
Все ли УЗИП состоят из газовых разрядников и супрессоров? Основу современных УЗИП составляют газовые разрядники, варисторы и супрессоры. Внут-ренние схемы УЗИП зависят от типа интерфейса, который они защищают от перенапряжения: иногда достаточно одного супрессора, а иногда в схеме УЗИП стоят все три элемента защиты. При этом основная задача УЗИП – защитить чувствительные устройства от помехи, но никак не влиять на параметры измерительной цепи.
Какие типы интерфейсов можно защитить с помощью УЗИП? В каталоге устройств защиты от перенапряжений компании Weidmüller перечислены 98 типов только низковольтных интерфейсов, для которых имеются УЗИП [1], например: 0(4)…20 мА; 0…10 В; Hart; PT 100; PT 1000; RS-232; RS-422 (V.11); RS-422A (V.11, X.27); RS-423A; RS-449; TTL; TTY; ARCNET (Plus); ASI; ASI; BITBUS; BLN; CAN-Bus; CANopen; C-BUS; C-Bus; CC-LINK; Data Highway (Plus), DH+; DATEX P; Device Net; Dupline / Miniplex; E1; EIB; ET 200; Ethernet Cat.6; Ethernet Cat.5; FIPIO / FIPWAY; Genius I/O Bus; HDSL; IEC-BUS; Interbus; LON™ (Works); LON™ TP/XF 78; LUXMATE-Bus; M-Bus; MOD-Bus; MODBUS(-PLUS); MPI Bus; N1 LAN; N2 Bus (P-Bus); P-NET; Procontic CS31; Procontic T200; Profi bus; Profi bus DP; Profi bus DP/FMS; Process Bus, Panel Bus; RACKBUS; SDLC; SDSL; SecuriLan-LON™-Bus; SINEC L1; Sinec L2; SINEC L2 DP; Token Ring; TP/FTT 10+TP/LPT10; ADSL; ADVANT; HDSL; SHDSL; T-DSL; телефонный аналоговый; VDSL; X.21/X.24, X.25/X.31.
С появлением новых интерфейсов задачи их защиты будут также актуальны. И желательно, чтобы специалисты проектных институтов не обходили эту тему стороной: чтобы предъявить претензии разработчику, заложившему в схему преобразователь без УЗИП, нужно воссоздать то самое стечение обстоятельств, благодаря которому конвертер вышел из строя. Искусственно это, зачастую, повторить невозможно, поэтому и говорят: «пуля пролетела».
Литература
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
