Защита приборов и средств автоматизации от высоковольтных импульсов напряжения

Необходимость защиты

Отрицательными последствиями воздействия высоковольтных импульсов напряжения, возникающих в электропроводке систем автоматизации, являются сбои в функционировании, выход из строя приборов и аппаратных средств нижнего уровня систем, выполненных с применением чувствительных микропроцессорных компонентов и интегральных схем. Причинами возникновения высоковольтных импульсов напряжения являются не только электромагнитные импульсы разрядов молний, но и «всплески» напряжения, возникающие в результате различных переходных процессов в аппаратуре или наводимые в цепях приборов электромагнитным импульсом искусственного происхождения за счёт излучений от высоковольтных линий электропередач, сетей электрифицированных железных дорог, электросварочных аппаратов и т.п. Последствия для организаций, эксплуатирующих оборудование, которое подверглось подобному воздействию, могут быть очень серьёзными, так как простой системы, определение места повреждения и повторный ввод в эксплуатацию приводят к огромным материальным затратам.

Для защиты электроустановок от грозовых перенапряжений, возникающих при прямых ударах молнии, применяются молниеотводы, молниеотводные сетки, направляющие ток разряда по магистрали заземления, вентильные разрядники [1]. С этой же целью используется и клетка Фарадея, которая обеспечивает металлическим шкафам с установленной аппаратурой постоянную высокую проводимость на пути тока разряда к земле в обход чувствительной аппаратуры и рассеивание нежелательных токов по многочисленным цепям заземления. В результате разряды нейтрализуются ещё до того, как они пройдут в опасной близости от защищаемой аппаратуры.

Тем не менее для незащищённых электронных систем сохраняется опасность неожиданного уничтожения, так как сверхмощные пики напряжения являются разовыми труднопредсказуемыми явлениями, выявляемыми лишь специальным сложным измерительным оборудованием [2]. Например, в Германии ежегодно фиксируется около 700 000 грозовых разрядов. Они представляют основную угрозу для незащищённых территориально распределённых промышленных объектов и систем передачи сигналов. К подобным объектам в первую очередь относятся нефте- и газопроводы, очистные сооружения, резервуарный парк, разгрузочные терминалы нефтеналивных танкеров и др.

Наведённые токи — источник наибольшей опасности

В идеальном случае в результате разряда молнии молниеотвод направляет всю энергию разряда в точку нулевого потенциала через свой заземлитель. Длительность разряда молнии составляет всего лишь около 0,3 мс при среднем значении силы тока 45 кА и напряжения до 400 MB (400 000 000 В!).

В табл. 1 приведены типовые параметры разряда молнии [3].

Впрочем, наибольшую опасность представляет не прямое воздействие энергии, которая отводится через заземляющее устройство на землю, а нарастание тока и напряжения за чрезвычайно короткое время и возникающие в результате физические эффекты взаимной связи. В молниевом канале скорость нарастания напряжения составляет 12 кВ, а значения тока – до 200 кА за микросекунду. Быстрое изменение тока и его высокое значение приводят к наводке в рядом размещённой электропроводке вторичных токов до 5 кА с напряжением до 10 кВ. Так как электропроводка систем автоматизации выполняется кабелями и проводами, проложенными на большие расстояния, последствия от таких наводок и размеры подвергаемых опасности зон оказываются значительными. Например, высоковольтные высокочастотные импульсы, наведённые в проводниках датчика, способны воздействовать не только на датчик, но и через его входные цепи на систему управления, выполненную с применением чувствительных микропроцессорных устройств, для разрушения которых достаточно энергии от единиц до сотни микроджоулей. Возможные последствия варьируются от разрушения датчика до повреждения входных узлов и даже всей системы управления.

Эффективная защита для цепей контрольно-измерительного оборудования

Специалисты фирмы Pepperl+Fuchs предлагают приборы, обеспечивающие эффективную защиту аппаратных средств систем автоматизации от импульсных грозовых (молниевых) и коммутационных перенапряжений. Модуль защитного устройства состоит из газонаполненного разрядника и ограничителя напряжения: газонаполненные искровые разрядники отводят значительный ток в землю, полупроводниковые ограничители напряжения ограничивают напряжение до допустимого уровня. Данные устройства применяются для защиты входных цепей шкафов управления, а также для защиты цепей связанного электрооборудования, установленного непосредственно в технологической зоне. Эти модули отличаются простотой установки, небольшими габаритными размерами, способностью проводить импульсный ток величиной до 10 кА и длительным сроком службы. Защитные барьеры от разрядов молнии могут быть также установлены в искробезопасных цепях (ИБЦ) и непосредственно во взрывоопасных зонах класса 2 для защиты аппаратных средств нижнего уровня систем автоматизации. Поэтому существуют варианты исполнения защитных устройств для гальванически изолированных искробезопасных и искроопасных цепей, а также для барьеров искрозащиты на стабилитронах.

Защитные устройства для сигнальных линий

Модули защиты от грозовых перенапряжений (Surge Protection Barrier — SPB) фирмы Pepperl+Fuchs предназначены для обеспечения безопасности оборудования, подключённого к линиям измерения и управления. SPB уменьшают высоковольтные напряжения, наводимые разрядами молнии, посредством ограничения напряжения до безопасного уровня и отводят разрушительные импульсы тока через магистраль заземления. Эти достаточно гибкие защитные устройства могут устанавливаться как в залах управления (диспетчерских), так и непосредственно на технологическом оборудовании.

Модули обеспечивают защиту от несимметричных (между проводом и корпусом) и симметричных (между проводами) наведённых напряжений и гарантируют непрерывность технологического процесса.

Защитные устройства серии FS-LB выполнены в корпусах из высоколегированной стали. Они ввинчиваются в корпуса приборов и устройств нижнего уровня систем автоматизации и имеют исполнения c разнообразными типами резьбы (рис. 1). Защитное устройство можно ввинтить в свободный кабельный ввод на защищаемом приборе, а три его провода присоединить к соответствующим контактным площадкам в клеммном отсеке (рис. 2). 

Устройства серии K-LB конструктивно выполнены в корпусах шириной 12,5 мм с зажимами и предназначены для защиты систем управления и модулей, установленных в шкафах (рис. 3).

Можно выделить следующие технические характеристики и особенности модулей серии K-LB:

• импульсный ток (рис. 4), пропускаемый при срабатывании, составляет 10 кА (8/20 мкс) в соответствии с CCITT и IEC 60060-1 (защитное устройство Category C);

• модули применяются для всех типов цепей измерения и управления;

• до двух каналов в одном корпусе;

• простая и быстрая установка;

• соединительный зажим для проводов с площадью поперечного сечения до 2,5 мм²;

• монтаж на DIN-рельс и соединение через него с магистралью заземления;

• пригодны для размещения в диспетчерских и непосредственно на технологической установке (на нижнем уровне систем автоматизации);

• сертифицированы для применения в искробезопасных цепях; изоляция между искробезопасной цепью и заземлёнными частями электрооборудования не менее 500 В;

• являются самовосстанавливающимися и не требуют текущего технического обслуживания.

Электрические параметры модулей серий K-LB и F*-LB представлены в табл. 2.

Для тестирования защитных устройств, применяются стандартные испытательные импульсы. Эффективность защитных устройств оценивается по мощности рассеивания и уровню ограничения напряжения. Форма и параметры испытательных импульсов определены в стандартах IEC 60060-1/ DIN VDE 0432, part 2 (рис. 5) и в ГОСТ 50007-92 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии».

Основными токовыми параметрами защитных модулей являются номинальный импульсный разрядный ток (ISN) и максимальный импульсный ток (ISmax): под первым понимают максимальное значение тока, импульс которого имеет форму в соответствии с требованиями перечисленных стандартов (8/20 мкс) и который может протекать через защитное устройство 5 раз в течение 30 с без его повреждения, а под вторым — максимальное значение тока с такой же формой импульса (8/20 мкс), но который может пройти через защитное устройство только однократно без его повреждения.

На рис. 6 приведены электрические схемы устройств серий K-LB-*30 и K-LB-*30G, из которых видно, что в качестве защитных компонентов в данных изделиях применяются газонаполненные разрядники и полупроводниковые ограничители напряжения. Импульсный дроссель используется как искусственная линия задержки, что обеспечивает последовательное срабатывание ограничителей напряжения от более мощных (газонаполненных разрядников) до менее мощных (полупроводниковых ограничителей).

Порядок применения модулей SPB для защиты выносных устройств систем автоматизации иллюстрирует рис. 7. 

Защитные устройства для применения во взрывоопасных зонах

В качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями часто применяются специальные защитные барьеры, которые состоят из шунтирующих стабилитронов и последовательно включённых резисторов и предохранителей [4]. Однако барьеры могут быть выведены из строя высоковольтными импульсами напряжения, наводимыми в цепях электрооборудования грозовыми разрядами или промышленными (коммутационными) помехами. Эффективным решением для их защиты от наведённых импульсов напряжения и бросков тока является применение модулей SPB [5]. Эти модули должны быть установлены на отдельной монтажной рейке и подключены к барьерам искрозащиты через соединители, которые предназначены для коммутации цепей устройств, размещённых во взрывоопасных зонах.

Так как модули SPB являются простым электрооборудованием [4], то установкой их во взрывоопасной зоне можно также защитить чувствительные приборы и средства нижнего уровня систем автоматизации, размещённые во взрывоопасных зонах класса 2. Часто в подобных случаях целесообразно применять модули SPB во взрывозащищённом или пожаробезопасном исполнении.

Гальванически изолированные сигнальные цепи с защитными устройствами

Наиболее распространённым и эффективным способом разделения искробезопасных и искроопасных цепей является применение барьеров искрозащиты, обеспечивающих гальваническую изоляцию между искроопасными и искробезопасными цепями посредством разделительных барьеров с трансформаторной гальванической изоляцией (Transformer Isolated Barrier — TIB) [6].

Модули SPB фирмы Pepperl+Fuchs обеспечивают изоляцию между искробезопасной цепью и заземлёнными частями электрооборудования не менее 500 В переменного тока (действующее значение). Они являются идеальным защитным средством для TIB, и соединение двух таких защитных устройств (рис. 8) гарантирует двухпроводной сигнальной линии связи надёжную гальваническую изоляцию от контура заземления.

Выбор модулей серий K-LB и F*-LB для конкретных задач, включая ограничение напряжения для барьеров искрозащиты или модулей гальванической изоляции, можно сделать с помощью табл. 3.

Защитные устройства, устанавливаемые на передней панели TIB- и RPI-модулей

Защитные устройства серии P-LB выполнены специально для разделительных усилителей, модулей источников питания и выносных изолирующих устройств K-системы [6]. Они крепятся посредством защёлкивания на передней панели установленных в шкафы модулей (технология Snap-On), так что модуль и защитное устройство составляют единую конструкцию (рис. 9). 

Такая технология оправдывает себя для обеспечения простой замены устройств-ограничителей напряжения или возможности наращивания их числа в процессе эксплуатации: пользователь должен только предусмотреть свободное место для заземляющей планки и 80 мм для каждого планируемого модуля ограничителя напряжения.

Модули, устанавливаемые по технологии Snap-On, являются одним из новейших дополнений к семейству ограничителей напряжения фирмы Pepperl+Fuchs. Эти модули, применяемые в искробезопасных цепях и обеспечивающие изоляцию между искробезопасной цепью и заземлёнными частями электрооборудования до 500 В переменного тока (действующее значение), являются идеальным средством защиты от импульсов напряжения для модулей TIB и RPI (Remote Process Interface) [6]. В основе защиты — также ограничение напряжения до безопасного уровня и отвод импульсов тока на землю (рис. 10). Модули P-LB устанавливаются методом прищелкивания к защищаемым модулям.

Технические характеристики и особенности модулей серии P-LB:

• импульсный ток, пропускаемый устройством при срабатывании, составляет 10 кА (8/20 мкс) в соответствии с CCITT и IEC 60060-1 (защитное устройство Category C);

• устанавливаются непосредственно на модуле;

• соединительный зажим для проводов с площадью поперечного сечения до 2,5 мм²;

• сертифицированы для применения в искробезопасных цепях, изоляция между искробезопасной цепью и заземлёнными частями электрооборудования не менее 500 В;

• являются самовосстанавливающимися и не требуют технического обслуживания;

• быстро и просто устанавливаются.

Электрические параметры модулей серии P-LB представлены в табл. 4.

Применение данных модулей обеспечивает следующие преимущества:

• экономия монтажного пространства (рис. 11);

• сокращение общей длины электропроводки;

• сокращение числа кабельных каналов;

• снижение риска ошибочного соединения элементов системы;

• безопасное и надёжное соединение модулей;

• простота использования.

Выбор модулей серии P-LB для конкретных применений с модулями трансформаторной гальванической изоляции (TIB) или выносными средствами сопряжения с устройствами нижнего уровня систем автоматизации можно сделать с помощью данных, приведённых в табл. 5 и 6.

Заключение

Вопросы использования ограничителей перенапряжения для защиты оборудования систем автоматизации являются весьма актуальными, так как воздействие кратковременных перенапряжений, возникающих в электрических цепях от грозовых разрядов и коммутационных помех, приводит к повреждению оборудования и значительным материальным потерям из-за его простоя.

Применение комплекса защитных мер от грозовых перенапряжений, включающих заземление, установку системы выравнивания потенциалов и ограничителей перенапряжения, позволяет зачастую сэкономить значительные средства. ●

Литература

1. Правила устройства электроустановок. — СПб.: ДЕАМ, 2001.

2. Колосов В.А. Надёжность электронной аппаратуры и параметры качества электрической энергии. Устройства и системы энергетической электроники//УСЭЭ-2000: Тезисы докладов научно-технической конференции. — М.: НТФ ЭНЭЛ, 2000.

3. U..berspannungs-Schutzbarrieren- Pepperl+Fuchs Prozess Automation (Part. No. 117896 11/01 00). — Mannheim: Pepperl+Fuchs PA, 2000.

4. ГОСТ Р 51330.10–99. Электрооборудование взрывозащищённое. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь i. — Введ. 01.01.2001.

5. Feldgerate fu..r die Prozessautomation, Ausgabe 2002 (Part. No. 37 867 02/02 06). — Mannheim: Pepperl+Fuchs PA, 2002.

6. Interface DIN-RAIL Housing, Edition 2001 (Part. No. 27445 02/01), Pepperl+Fuchs Process Automation. — Mannheim: Pepperl+Fuchs PA, 2001. 

В.К. Жданкин — сотрудник фирмы ПРОСОФТ
119313 Моск ва, а/я 81
Телефон: (095) 234-0636
Факс: (095) 234-0640
E-mail: victor@prosoft.ru