Элементы ограничения импульсного напряжения типа ЭОН

Введение

Разработка модулей типа ЭОН выполнена с целью комплектации устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), а также для их установки на сетевых вводах источников вторичного электропитания (ИВЭ) и источников бесперебойного питания (ИБП).

Первое применение ЭОН выполнено в сетевых защитных модулях типа СЗМ-АС-3,0-220 (ОКР «Сезам-1», выполненная в АО «НИИ вычислительных комплексов им. М.А. Карцева» [1]). Модули СЗМ-АС-3,0-220 представляют собой многофункциональные УЗИП с диапазоном длительностей ограничиваемых импульсов от единиц микросекунд до единиц миллисекунд, что является их существенным отличием от широко представленных на мировом рынке силовой электроники УЗИП, регламентирующих ограничение напряжения импульсов длительностью 50 или 350 мкс. Коммутационные и преднамеренные силовые электромагнитные воздействия в соответствии со стандартами [2, 3] могут создавать сетевые импульсы с длительностью до 20 мс при амплитудах до 10 кВ.

Перечень разработанных модулей ЭОН со справочными данными представлен в таблице 1. В обозначения модулей введены номинальные уровни напряжения ограничения (кВ) – U_{о ном}, при номинальных амплитудах импульсов тока (кА) – I_{и ном}, значения которых принимаются как многократно допустимые при импульсе 8/20 мкс.

Выбранный ряд ЭОН обеспечивает возможность выполнения требования стандарта [4] по ограничению максимально допустимой амплитуды импульсного напряжения на выходе УЗИП на уровне не более 500 В. В таблице 1 также приведены средние значения падения напряжения на ЭОН при токе в 1 мА и максимально допустимые напряжения сети переменного тока (действующие значения). При установке ЭОН в сетях постоянного тока максимально допустимое напряжение сети должно быть менее падения напряжения на ЭОН при 1 мА.

На рисунке 1 приведены осциллограммы импульсов тока и напряжения ограничения модуля типа ЭОН-0,90-0,5, использованного в изделии СЗМ-АС-3,0-220.

Модули разработаны в двух модификациях: без информационных выводов об их состоянии и с информационными выводами. Во второй модификации к обозначению модуля добавляется индекс «И». Модули также разделяются на ЭОН с возможностью их установки с параллельным соединением и для отдельного включения в аппаратуру. В первом случае к обозначению модуля добавляется индекс «П».

Модули ЭОН содержат печатную плату с варисторами, элементами тепловой и электрической перегрузок, установленную в пластиковый корпус, герметично залитый компаундом. Габаритные размеры модулей – 32 × 27 × 21 мм (без выводов), масса – не более 25 г. Максимальная рассеиваемая мощность – 2 Вт. На рисунке 2 приведена фотография модуля.

Разброс напряжений относительно уровней U_{о ном} и U_пн составляет не более ±10%. Температурный коэффициент напряжения на ЭОН не превышает ±2% в интервале –5…+40°С.

На рисунке 3 показаны усреднённые вольт-амперные характеристики ЭОН в диапазоне токов от 20 до 2000 А, измеренные при импульсе тока 8/20 мкс.

Энергетические параметры модулей ЭОН

Для варисторов фирмы EPCOS и других производителей даются значения максимальной энергии абсорбции, определяемой при токе с длительностью 1 или 2 мс. В таблице 2 приведены экспериментальные величины предельной энергии ЭОН W_{эон пред}, которые могут привести к выходу ЭОН из строя, при длительности импульсов тока t_и от 20 до 10 000 мкс.

Значения предельной энергии ЭОН при предельных амплитудах импульсов тока I_{и пред} и напряжения ограничения U_{о пред} определяются из соотношения:

W_{эон пред} = k_фи × U_{о пред} × I_{и пред} × t_и,

где k_фи – коэффициент формы импульса, равный 1,0 для прямоугольного импульса и 0,7 – для экспоненциального импульса.

На рисунках 4 и 5 приведены экспериментальные зависимости предельных амплитуд импульсов тока и напряжения ограничения от длительности импульсов.

Необходимо отметить, что значения предельных параметров в таблице 2 и на рисунках 4 и 5 приведены для одиночного импульса. При нескольких импульсах, в зависимости от периода повторения T_и, величина W_{эон пред} существенно снижается. При этом минимальное значение T_и не должно превышать W_{эон пред} / Р_макс, где Р_макс = 2 Вт – максимальная рассеиваемая мощность модуля ЭОН.

При многократных импульсных воздействиях на варисторные элементы происходит деградация структуры варистора, приводящая к снижению уровня напряжения ограничения. При достижении уровнем амплитуды напряжения сети напряжения ограничения через ЭОН протекает ток, нагревающий варисторный элемент и разрушающий его с возможностью взрыва и пожара. Для исключения отмеченных явлений ряд производителей устанавливает термопредохранители. Такая защита применена и в модулях ЭОН.

В качестве второй защиты от возможного взрыва варистора при мощной кратковременной электрической перегрузке в ЭОН использованы быстродействующие плавкие вставки.

Применение двух видов защиты исключает взрывоопасность изделия с «эффектом гранаты». При появлении воздействий, существенно превосходящих по энергии W_{эон пред}, модуль ЭОН обеспечивает «мягкий взрыв» и пожаробезопасность быстрым отключением варисторного элемента, а также за счёт выбора негорючих материалов корпуса и заливочного компаунда. На рисунке 6 приведена фотография ЭОН после воздействия импульса с превышением энергии W_{эон пред} в несколько раз.

Параллельное включение модулей ЭОН

При параллельном включении защитных варисторных устройств крайне важна неравномерность распределения токов через них. Разность токов в ограничительных элементах свыше 50% от номинального тока, как правило, приводит к интенсивной деградации и выходу их из строя.

Эксперименты с модулями ЭОН, проверенными при номинальном токе I_{и ном}, при разбросе значений напряжения U_о менее 5% показали, что при параллельном соединении таких ЭОН со средним расчётным импульсным током через каждый ЭОН, равным I_{и ном}, неравномерность распределения токов находится в пределах 25%. Модулям ЭОН, удовлетворяющим условию разброса значений напряжения U_о менее 5%, добавляется в обозначение индекс «П».

Применение в УЗИП параллельно включаемых ЭОН, как это показано в [1], имеет ряд преимуществ по сравнению с построением УЗИП на основе одного мощного варистора. В настоящее время на рынке силовой электроники популярны варисторы фирмы EPCOS. По сравнению с широко используемыми мощными блочными варисторами этой фирмы, например, типа В80К320, применение большого числа ЭОН позволяет в значительной степени решить задачу горячего резервирования элементов устройства ограничения сетевых перенапряжений.

Наличие большого количества параллельно включённых ЭОН с использованием в них встроенных предохранителей на единицы ампер позволяет исключить «вторичные перенапряжения» в сети, имеющие место при применении УЗИП с установкой на входе для защиты варисторов общего предохранителя с током срабатывания в сотни ампер, при разрыве которого «вторичные перенапряжения» могут быть соизмеримы с перенапряжениями, приходящими из сети.

Использование ЭОН с индексом «И» позволяет следить за количеством вышедших из строя модулей. На рисунке 7 приведена схема контроля состояний ЭОН, где А1…АN – модули ЭОН с силовыми (1, 2) и информационными (3, 4) выводами, VD1…VD(N+1) – маломощные диоды, R1, R2 – измерительные резисторы, У1 – пороговое устройство. При рабочем состоянии ЭОН через диоды приходит ток на измерительные резисторы. Отсутствие вышедших из строя ЭОН – максимальное напряжение на измерительных резисторах. При снижении уровня напряжения на резисторах до заданного значения, соответствующего определённому числу вышедших из строя ЭОН, срабатывает пороговое устройство, формируя в УЗИП, ИВЭ, ИБП индикацию и при необходимости сигнал на защищаемую радиоэлектронную аппаратуру.

Заключение

Модули типа ЭОН предназначены для применения как на сетевых вводах источников вторичного и бесперебойного питания, так и в устройствах защиты от мощных импульсных перенапряжений типа УЗИП с возможностью параллельного соединения значительного числа ЭОН, обеспечивающего «горячее резервирование» и, как следствие, повышение показателей надёжности изделий, выполняемых с использованием модулей ЭОН.

Диапазон напряжений ограничения предлагаемого набора модулей ЭОН составляет от 1000 до 400 В при амплитудных значениях импульсов тока от десятков ампер до 1000 А, что позволяет создавать УЗИП с напряжением ограничения менее 1000 В, а также выполнять требование ГОСТ Р 56115-2014 по ограничению преднамеренных силовых импульсных перенапряжений на уровне не более 500 В.

Энергия возможного разрушения модулей ЭОН при максимальной длительности импульса 10 мс составляет около 400 Дж, что обеспечивает построение УЗИП, соответствующих ряду требований ГОСТ Р 52863-2007 по испытаниям на устойчивость к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям.

Информационные выводы, предусмотренные в модификации ЭОН, дают возможность формировать в изделиях УЗИП, ИВЭ, ИБП сигналы о состоянии ЭОН, сообщающие о необходимости проведения ремонта изделия.

Схемотехнические и конструкторско-технологические решения, принятые при создании модулей ЭОН, обеспечивают высокие показатели взрыво- и пожаробезопасности.

Модули ЭОН, являясь импортозамещающими изделиями, рекомендуются к применению в устройствах, решающих задачи импортозамещения.

Литература

1. Колосов Валерий, Кириллов Александр. Сетевой защитный модуль СЗМ-АС-3,0-220. Современные технологии автоматизации. 2016. №2.
2. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М. Стандартинформ. 2014.
3. ГОСТ Р 52863-2007. Защита информации. Автоматизированные системы в защищённом исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям. Общие требования. М. Стандартинформ. 2008.
4. ГОСТ Р 56115-2014. Защита информации. Автоматизированные системы в защищённом исполнении. Средства защиты от преднамеренных силовых электромагнитных воздействий. Общие требования. М. Стандартинформ. 2015.