Podstawowe błędy popełniane przy doborze i montażu ograniczników przepięć w systemach przesyłu sygnałów

Transkrypt

1 OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W SYSTEMACH PRZESYŁU SYGNAŁÓW Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch Andrzej Sow Stworzenie wrunków do pewnego i niezwodnego dziłni urządzeń orz systemów elektrycznych i elektronicznych wymg ogrniczeni do dopuszczlnych poziomów npięć i prądów udrowych dochodzących do urządzeń z instlcji elektrycznej orz z linii. Spełnienie powyższych wymgń uzleżnione jest od włściwego doboru i poprwnego montżu ogrniczników. Ogólne zsdy doboru ogrniczników Ogrniczjąc przepięci dochodzące do portów sygnłowych nie możn wpływć n jkość prcy chronionych urządzeń orz nleży stworzyć wrunki do ich bezwryjnego dziłni. Do ogrniczni możn stosowć pojedyncze elementy ochronne (np. odgromniki gzowne, diody ogrniczjące, wrystory) lub brdziej rozbudowne ukłdy zbezpieczjące. Ukłdy zbezpieczjące stosujemy w przypdkch, gdy oddzielne użycie pojedynczych elementów ochronnych nie zpewni dosttecznego poziomu ochrony przed przepięcimi. Typowy ukłd skłd się z pojedynczych elementów zbezpieczjących połączonych elementmi wzdłużnymi (rys..). Jko elementy wzdłużne njczęściej stosowne są rezystncje lub indukcyjności. Rys.. Przykłd ukłdu zbezpieczjącego przed przepięcimi Łączenie elementów ochronnych w ukłdy umożliwi zsumownie ich zlet i wyeliminownie niepożądnych efektów związnych z ich oddzielnym zstosowniem. i instlowne w systemch powinny: - zpewnić ochronę portów sygnłowych urządzeń przed wszelkiego rodzju nrżenimi udrowymi, - nie znieksztłcć przesyłnych sygnłów roboczych. Dobierjąc włściwości ogrniczników i ich rozmieszczenie nleży uwzględnić:

2 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch wielkości chrkteryzujące znmionowe wrunki prcy chronionego urządzeni, odporność chronionego urządzeni n udry dochodzące z linii, stopień zgrożeni piorunowego i przepięciowego, stosowne okblownie orz jego rozmieszczenie. Ogólną zsdę postępowni doborze ogrniczników w systemie przedstwiono n rys.. Podstwowe zsdy postępowni przy tworzeniu systemu ochrony przed przepięcimi w ukłdch Znmionowe wrunki prcy urządzeni Znmionowe i mksymlne dopuszczlne npięcie przesyłnych sygnłów. Mksymlny prąd w linich przesyłu. Częstotliwość grniczną. Rodzj elementu lub ukłdu ochronnego zstosownego bezpośrednio w urządzeniu. Stopień zgrożeni udrowego urządzeń od strony wejść sygnłowych Zgrożenie stwrzne przez przepływ części prądu piorunowego. zgrożeni stwrzne przez wszelkiego rodzju przepięci. Odporność portów sygnłowych urządzeń n: Udrów npięciowoprądowych (,/50-8/0). Niepowtrzlnych tłumionych przebiegów sinusoidlnych. Powtrzlnych szybkich elektrycznych zkłóceń impulsowych Ukłd Sposób (ukłdy symetryczne lub niesymetryczne), Impedncję flową linii, Dopuszczlne tłumienie linii przesyłowych, Dopuszczlną impedncję, jk możn wstwić w tor sygnłowy, Rodzj złącz stosownych w systemie. Określenie wymgnych włściwości ochronnych ogrniczników Dobór ogrniczników spełnijących przyjęte wymgni Oprcownie projektu systemu ochrony Montż ogrniczników w systemie przesyłu sygnłów Rys.. Podstwowe zsdy tworzeni systemu ochrony przepięciowej w ukłdch Włściwy dobór ogrniczników nie gwrntuje jeszcze bezpiecznego i bezwryjnego dziłni urządzeń lub systemów. Dodtkową wżną sprwą jest ich poprwny montż i rozmieszczenie. Podstwowe błędy przy doborze ogrniczników Błędnie dobrny ogrnicznik nie tylko nie chroni portów sygnłowych przed przepięcimi, le również może spowodowć zkłóceni przy przesyle sygnłów roboczych. Poniżej zestwiono typowe, njczęściej popełnine błędy przy doborze ogrniczników.

3 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch. Nieprwidłowe określenie dopuszczlnych wrtości szczytowych, jkie mogą wystąpić w systemie. Błędnie dobrny ogrnicznik będzie nie tylko ogrniczł poziomy udrów, le również obniżł wrtości lub znieksztłcł sygnły robocze.. Nieprwidłow ocen występującego zgrożeni i dobór ogrnicznik o zbyt młej odporności n dziłnie prądów udrowych. W przypdku linii sygnłowych wychodzących poz obiekt nleży uwzględnić możliwość zgrożeni bezpośrednim wpłynięciem części prądu piorunowego i zstosowć ogrniczniki chroniące przed dziłniem tkich prądów.. Dobór ogrnicznik o zbyt niskim, w porównniu z zkresem sygnłów roboczych, pśmie przenoszeni, co powoduje znieksztłcenie przesyłnych sygnłów.. Dobór ogrniczników o dopuszczlnych prądch znmionowych mniejszych w porównniu z wrtościmi prądów znmionowych w systemie, co może powodowć uszkodzenie ogrniczników. 5. Ogrnicznie do zbyt wysokich npięciowych poziomów ochrony. Wynik to z brku dnych lub nieuwzględniniu przez projektntów informcji o odporności udrowej portów sygnłowych urządzeń. Zstosownie tkich ogrniczników nie zpewni ochrony przepięciowej urządzeń. W przypdku określni wymgnych npięciowych poziomów ochrony ogrniczników nleży uwzględnić poziomy odporności portów sygnłowych urządzeń n dziłnie: jednokierunkowych (jednobiegunowych) udrów o ksztłcie,/50-8/0 powodownych przez przepięci piorunowe [5], niepowtrzlnych, tłumionych przebiegów sinusoidlnych powstjących podczs wyłdowń tmosferycznych [6], powtrzlnych szybkich elektrycznych zkłóceń impulsowych o nnosekundowym chrkterze zmin (ksztłt 5/50 ns) []. Przykłdowe wrtości wymgnych poziomów wytrzymłości udrowej urządzeń elektrycznych i elektronicznych zestwiono w tblicy. Tblic. Poziomy odporności n dziłnie udrów 5/50 ns i,/50-8/0µs przyłączy sygnłowych urządzeń elektrycznych i elektronicznych Urządzeni Urządzeni powszechnego użytku, nrzędzi elektryczne i podobne urządzeni elektryczne ( PN - EN 550-) Urządzeni informtyczne (PN-EN 550) Poziomy odporności udrowej Przyłącz przewodów sygnłowych i sterowni: udry 5/50 ns o wrtości szczytowej 500V, Przyłącz sygnłowe i przyłącz teletrnsmisyjne: udry 5/50 ns - ± 500V, udry,/50-8/0-000 V. Podstwowe błędy montżowe Brk doświdczeni instltorów w dziedzinie ochrony przed przepięcimi może być przyczyną szeregu różnorodnych błędów przy montżu ogrniczników. Poniżej omówione zostną njczęściej występujące, które równocześnie stwrzją njwiększe zgrożenie dl chronionych urządzeń. Typowe błędne rozwiązni montżowe przedstwione zostną n przykłdzie prostego dwustopniowego ogrnicznik (rys..). Przedstwione n rys.,b ogrniczniki znjdują szerokie zstosownie do ochrony w systemch o npięcich znmionowych od

4 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch 5V do 0V i częstotliwości dochodzącej do kilkudziesięciu MHz. Npięci udrowe poprzeczne i wzdłużne ogrniczne są do zbliżonych poziomów. Ogólny schemt ogrnicznik, który będzie wykorzystywny w dlszej części rtykułu przedstwiono n rys.c. b) c) U U b U b Rys.. Szczegółowe schemty (,b) i schemt ogólny (c) dwustopniowych ogrniczników Spdki npięć n przewodch wykorzystywnych do podłączeni ogrniczników Poprwnie zmontowne ogrniczniki obniżją do bezpiecznych poziomów przepięci powstjące pomiędzy: poszczególnymi przewodmi w instlcjch niskonpięciowych dochodzących do urządzeni, poszczególnymi przewodmi instlcji loklnym punktem wyrównywni potencjłów. Dotyczy to zrówno przypdków, w których przepięci dochodzą z linii, jk wyrównywni potencjłów powstjących podczs bezpośredniego wyłdowni piorunowego w obiekt budowlny. W przypdku błędnego połączeni ogrnicznik lub chronionego urządzeni z loklnym systemem wyrównwczym przepływ prądu udrowego może powodowć powstwnie dodtkowych npięć, które mogą zwiększć wrtości npięciowych poziomów ochrony ogrniczników. Poniżej przedstwione zostną różnorodne rozwiązni połączeń ogrnicznik chronione orz błędy, jkie mogą powstć w przypdku niewłściwego montżu. Przykłd I zrówno ogrnicznik jk i chronione połączone są z loklnym punktem wyrównywni potencjłów (rys.. Dl uproszczeni zchodzących zjwisk rozwżny będzie przypdek ogrniczni pomiędzy loklnym punktem wyrównwczym i przewodem. W idelnych wrunkch do portu sygnłowego urządzeni powinno dojść przepięcie ogrniczone do wrtości U (rys.c). W rzeczywistym przypdku po zdziłniu ogrnicznik nstępuje przepływ prądu udrowego w przewodzie łączącym ogrnicznik z loklną ziemią. Spdek npięci U p n tym przewodzie dodje się do npięci ogrniczonego U i do chronionego urządzeni dochodzi npięcie (rys.b): U = U + U = U + U + U ogr p R L

5 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch gdzie: U R i U L odpowiednio spdki npięć n rezystncji i indukcyjności przewodu. Przedstwiony sposób połączeni ogrnicznik i chronionego urządzeni spowodowł powstwnie dodtkowych npięć U R i U L. b b) U U ogr i u L R U p U ogr = U p + U Rys.. Ogrnicznie dochodzących do urządzeni, przykłd połączeń ogrnicznik i urządzeni z loklnym punktem wyrównwczym, b) przepięci dochodzące do urządzeni po zdziłniu ogrnicznik Podstwowym zgrożeniem jest spdek npięci n indukcyjności przewodu łączącego ogrnicznik z loklnym punktem wyrównywni potencjłów di U L = L dt gdzie: L - indukcyjność przewodu, di/dt - szybkość zmin prądu udrowego płynącego w przewodzie. Wrtość indukcyjności (w µh) możn wyznczyć z zleżności: gdzie: l długość przewodu [cm], d średnic przewodu [cm]. l L = 0,00 l ln( ) 0, 75 d W przypdku linii sygnłowych dochodzących z zewnątrz do obiektu nleży uwzględnić zgrożenie stwrzne przez prąd udrowy o ksztłcie 0/50 i wrtościch szczytowych do,5 ka. Jeśli rozwżne są tylko zgrożeni stwrzne przez przepięci indukowne to ochronę przed nimi zpewniją ogrniczniki chroniące przed prądmi udrowymi o wrtościch szczytowych dochodzących do 0 ka i ksztłcie 8/0. W przypdku przedstwionych udrów prądowych możn przyjąć do wstępnej oceny szybkości zmin prądu di/dt wrtości zwrte w grnicch od 500 A/µs do 500 A/µs. Przykłdy zmin npięć n przewodzie w funkcji jego długości zestwiono n rys.5.

6 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch Przykłd II. połączone jest z loklnym punktem wyrównywni potencjłów (rys. 6. W tkim ukłdzie, po zdziłniu ogrnicznik, prąd udrowy popłynie w przewodzie łączącym ogrnicznik z loklnym punktem wyrównwczym (rys.6b) i powstjące npięcie U U + U ogr = p zwiększy wrtość npięci dochodzącego do chronionego portu sygnłowego urządzeni. npięcie [V] długość przewodu [cm] d = 0,cm, 500A/µs d = 0, cm, 500A/µs d = 0,cm, 500A/µs d = 0, cm, 500A/µs Rys.5. Zminy npięć n indukcyjnościch przewodów łączących ogrniczniki z loklnym punktem wyrównywni potencjłów b b) U i u L R U ogr U p U ogr = U p + U Rys.6. Ogrnicznie dochodzących do urządzeni, przykłd połączeń urządzeni z loklnym punktem wyrównwczym, b) przepięci dochodzące do urządzeni po zdziłniu ogrnicznik Przykłd III - i ogrnicznik połączone są z loklnymi punktmi wyrównywni potencjłów, które są ze sobą połączone (rys.7.). W tkim przypdku, po zdziłniu ogrnicznik, nstąpi podził prądu udrowego pomiędzy dw przewody uziemijące ogrnicznik. Npięci wywołne przez przepływ prądów w poszczególnych przewodch będą nlogiczne jk w przykłdch I i II, le wrtość wypdkowego npięci dochodzącego do urządzeni będzie mniejsz (rys.7b).

7 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch b b) U i u U p L R U p Rys.7. Ogrnicznie dochodzących do urządzeni, przykłd połączeń ogrnicznik I urządzeni z loklnymi punktmi wyrównywni potencjłów, b) przepięci dochodzące do urządzeni po zdziłniu ogrnicznik Przypdek IV. Elimincję spdków npięć n indukcyjnościch przewodów możn osiągnąć stosując połączenie ogrnicznik chronione w ukłdzie przedstwionym n rys. 8. W przedstwionym ukłdzie nie wyeliminowno spdku npięci wywołnego przez przepływ prądu udrowego, le nie nstępuje jego dodwnie do npięci dochodzącego do chronionego urządzeni. b) U U ogr i u L R U p Rys.8. Poprwny ukłd połączeń ogrnicznik - chronione, widok ogólny, b) npięcie dochodzące do chronionego urządzeni

8 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch Wzjemne oddziływnie pomiędzy przewodmi Częstym błędem montżowym jest nieuwzględninie wzjemnego oddziływni pomiędzy przewodmi dochodzącymi do ogrnicznik i wychodzące od niego do urządzeni. Ogólny przykłd błędnego rozwiązni przedstwi rys.9. b) Przewody do chronionych urządzeń Przewody do chronionych urządzeń Przewody dochodzące do ogrniczników Rys.9. Ułożenie przewodów dochodzących do ogrniczników błędne, b) poprwne. Oczywistym rozwiązniem tego problemu jest rozdzielenie przewodów dochodzących do ogrniczników i od nich odchodzących (rys.9b). Nieuwzględninie elementów ogrniczjących przepięci wewnątrz urządzeń Instlując ogrnicznik bezpośrednio przed m posidjącym włsne elementy ogrniczjące przepięci nleży zpewnić włściwą ich współprcę. Wymg to porównni włściwości ogrnicznik i elementów ochronnych wewnątrz urządzeni i przeprowdzeni oceny możliwości wzjemnej koordyncji ich dziłń. W rzeczywistych wrunkch przeprowdzenie tkiej nlizy jest njczęściej niemożliwe. W tkich przypdkch, do ochrony urządzeń posidjących włsne elementy lub ukłdy ochronne nleży zstosowć ogrniczniki posidjące dodtkowe elementy odsprzęgjące. Przykłdowo, n rys.0. przedstwiono ukłd ochrony przed przepięcimi, w którym elementy odsprzęgjące zpewniją włściwe współdziłnie diody zinstlownej w porcie sygnłowym z diodą w ukłdzie ochronnym. Brk koordyncji dziłni pomiędzy ochroną podstwow dodtkową Strefow koncepcj ochrony odgromowej zlec instlownie ogrniczników n grniczy dwu stref. W przypdku linii dochodzącej z zewnątrz do obiektu system ochrony przed przepięcimi może skłdć się z dwu ogrniczników, które są umieszczne: w miejscu wprowdzni linii do obiektu ( tzw. ochron podstwow, bezpośrednio przed chronionym m (tzw. ochron dodtkow.

9 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch Elementy odsprzęgjące Diod w urządzeniu CHRONIONE URZĄDZENIE Rys.0. Dodtkowe elementy odsprzęgjące w ukłdzie chroniącym przed przepięcimi Przykłd rozwiązni dwustopniowej ochrony przedstwiono n rys..poprwne i sekwencyjne dziłnie tkiego systemu wymg zchowni odpowiednich odległości pomiędzy ogrnicznikmi. Ochron podstwow Ochron dodtkow do urządzeni b) c) Ochron podstwow Ochron dodtkow Rys.. Rozłożony dwustopniowy system ogrniczni ( orz schemty ogrniczników (b,c), które możn instlowć bez koordyncji. Niestety, w przeciwieństwie do rozwiązń stosownych w instlcji elektrycznej, producenci ogrniczników njczęściej nie informują o wymgnich dotyczących rozmieszczeni ogrniczników ochrony podstwowej i dodtkowej. Pewną ochroną, niezleżnie od rozmieszczeni ogrniczników, możn uzyskć stosując dodtkowe elementy odsprzęgjce w ukłdch ochrony podstwowej i dodtkowej (rys.b i c). Łączenie ekrnu kbl W przypdku stosowni kbli ekrnownych szczególną uwgę nleży zwrócić n połączeni ekrnu z loklnym punktem wyrównywni potencjłów. Njczęściej jest to połączenie bezpośrednie (rys.. W niektórych systemch elektronicznych wrunki prcy wymgją izolowni jednego z krńców ekrnu. W tkim przypdku zlecne jest połączenie z pomocą odgromnik gzowego ekrnu kbl z miejscowym punktem wyrównywni potencjłów (rys.b).

10 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch Niezleżnie od zstosownego połączeni z nleży unikć łączeni oplotu ekrnującego skręconego n tzw. ogonek. Mksymlną skuteczność uzyskuje się stosując pewny styk elektryczny z ekrnem n cłym obwodzie kbl. Różnice potencjłów pomiędzy instlcjmi dochodzącymi do urządzeni Projektując systemy ogrniczni nleży zwrócić szczególną uwgę n urządzeni, które połączone są z systemmi np. telekomunikcyjnymi, kontrolno-pomirowymi dochodzącymi z zewnątrz do obiektu orz z instlcją elektryczną. Wejście - Wyjście - połączenie z ekrnem Do połączeni z ekrnem Bezpośrednio uziemiony ekrn b) Wejście - Wyjście - połączenie z ekrnem Ekrn połączony przez iskiernik Do połączeni z ekrnem Rys.. Przykłdy połączeń ogrniczników w przypdku ekrnu, który może być uzieminy lub ekrnu izolownego. W tkich przypdkch zstosownie ogrniczników w kżdej z instlcji dochodzących do urządzeni może nie zpewnić jeszcze pełnej ochrony, gdyż przepięci są ogrniczne pomiędzy przewodmi dnej instlcji nie pomiędzy poszczególnymi instlcjmi (rys.,b). Ochronę przed tego rodzju zgrożeniem zpewni wprowdznie instlcji w jednym miejscu i połączenie ogrniczników do jednej szyny wyrównwczej (rys.c.) lub zstosownie kolejnych stopni ochrony bezpośrednio przed m (rys.d). Podsumownie Przestwienie prostych w większości przypdków oczywistych - przykłdów błędnego montżu ogrniczników orz ocen występującego w tkich przypdkch zgrożeni powinny uzmysłowić instltorom wgę problemu i wskzć metody elimincji niewłściwych rozwiązń. Zwrócenie większej uwgi n poprwny montż ogrniczników pozwoli uniknąć sytucji, w której elektroniczne uległy uszkodzeniu pomimo poniesieni zncznych nkłdów n instlcję ogrniczników. Nleży również zuwżyć, że przestrzegni poprwnych zsd montżu nie pociąg z sobą żdnych dodtkowych nkłdów finnsowych. Litertur [] Flisowski Zd.: Anliz zgrożeni piorunowego obiektów budowlnych. Wydwnictwo Politechniki Wrszwskiej 980.

11 A. Sow Podstwowe błędy popełnine przy doborze i montżu ogrniczników w systemch b) uziom loklny Instlcj elektryczn Otok Instlcj elektryczn Przewodzące elementy ścin obiektu (zbrojenie ) ogrnicznik URZĄDZENIE U Odgromnik gzowny uziom loklny Linie przesyłu sygnłów Przewodzące elementy ścin obiektu (zbrojenie ) ogrnicznik URZĄDZENIE U Odgromnik gzowny Linie przesyłu sygnłów c) d) Linie sygnłowe Instlcj elektryczn Otok Instlcj elektryczn Odgromnik gzowny otok ogrnicznik URZĄDZENIE klsy II klsy I Przewodzące elementy ścin obiektu (zbrojenie ) URZĄDZENIE Przewodzące elementy ścin obiektu (zbrojenie ) Odgromnik gzowny Linie przesyłu sygnłów Rys.. Różnic potencjłów pomiędzy instlcjmi w obiekcie budowlnym (,b) orz sposoby elimincji tego zgrożeni (c,d) [] Chroy A. Zkłóceni w urządzenich elektronicznych. Zsdy i pordy instlcyjne. WNT 999. [] Hsse P.: Overvoltge protection of low voltge systems. Peter Peregrinus Ltd [] PN-EN :998, Komptybilność elektromgnetyczn (EMC). Metody bdń i pomirów. Bdni odporności n serie szybkich zkłóceń impulsowych. [5] PN-EN :998, Komptybilność elektromgnetyczn (EMC). Metody bdń i pomirów. Bdni odporności n udry. [6] PN-EN :999, Komptybilność elektromgnetyczn (EMC). Metody bdń i pomirów. Bdni odporności n przebiegi oscylcyjne. Podstwow publikcj EMC [7] PN-EN 550-:999, Komptybilność elektromgnetyczn (EMC). Wymgni dotyczące przyrządów powszechnego użytku, nrzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń. [8] PN-EN 550:000, Komptybilność elektromgnetyczn (EMC). Urządzeni informtyczne. Chrkterystyk odporności. Metodyk pomiru i dopuszczlne poziomy. [9] PN-IEC 6-:00, Ochron przed piorunowym impulsem elektromgnetycznym. Zsdy ogólne. [0] PN-IEC 60--:00,Ochron odgromow obiektów budowlnych. Zsdy ogólne. Przewodnik B. Projektownie, montż, konserwcj i sprwdznie urządzeń piorunochronnych. []