Расчет влияния внешних импульсных воздействий на устройства связи и меры защиты (стр. 5 )

7 Расчёт и выбор элементов каскадной защиты от перенапряжений

7.1 Теоретические сведения

Импульсные помехи в сети довольно распространены, они могут возникать во время грозы, при включении/выключении мощных нагрузок (поскольку сеть это RLC цепь, то в ней при этом возникают колебания, вызывающие выбросы напряжения) и многие другие факторы.

Импульсы перенапряжений в сети характеризуются формой волны и амплитудой тока. Форма импульса тока характеризуется временем его нарастания и спада — для стандартов это импульсы 10/350 мкс и 8/20 мкс. Числа в обозначении формы импульса означают следующее:

первая – время (в микросекундах) нарастания импульса тока с 10% до 90% от максимального значения тока; вторая – время (в микросекундах) спада импульса тока до 50% от максимального значения тока;

Защитные устройства делятся на классы в зависимости от мощности импульса, который они могут рассеять:

а)  класс 0 (А) – внешняя грозозащита;

б) класс I (B) – защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 25 до 100 кА формой волны 10/350 мкс;

в) класс II (C) – защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 10 до 40 кА формой волны 8/20 мкс;

г) класс III (D) – защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой до 10 кА формой волны 8/20 мкс (в большинстве случаев защита встроена в оборудование).

7.2 Параметры для элементов каскадной защиты

При выполнении курсового проекта необходимо обеспечить защиту аппаратуры от перенапряжений и аварийных повышений токов в цепи. Стойкость аппаратуры по заданию со стороны электропитания 450В, стойкость аппаратуры со стороны линейных вводов 9 В, ток короткого замыкания в цепи 220В равен 340А.

7.3 Схемы защиты

Схемы защиты включают схемы защиты как информационной, так и питающей сети, то есть мы должны исключить возможность повреждения аппаратуры и со стороны питания и со стороны передающих (принимающих) выходов.

Схема комплексной защиты представленная на рисунке 7.2, включающая газоразрядник и  варистор, обеспечивает одновременную защиту как по току так и по напряжению. Элементы защиты представлены в таблице 7.1

Рисунок 7.2 – Схема защиты электропитания

Таблица 7.1 – Элементы защиты

Наименование	Обозначение	Маркировка	Напряжение срабатывания	Ток срабатывания
Предохранитель	F1,F2	ПН 2-400-200	-	200 А
Разрядник	P1	HGS 100	275-450 В	25 A
Варистор	RU1	СН2-2А	450 В	2000 A

На рисунке 7.3 представлена схема защиты волновода.

Рисунок 7.3 – Схема защиты волновода

Схема защиты со стороны линейных входов характеризуется низким выходным напряжением, которое не должно превышаться, схема защиты представлена на рисунке 7.4[3].

Рисунок 7.4 – Схема защиты передачи данных

В таблице 7.2 представлены элементы защиты аппаратуры связи

Таблица 7.2 – Элементы защиты

Наименование	Обозначение	Маркировка	Напряжение срабатывания	Ток срабатывания
Разрядник	P1	B88069-X 720	90 В	5 A
Варистор	RU1	СN1206M6G	10 В	1000 А
Предохранитель	F1,F2	ВП1-1В	-	30 А
Супрессор	TVS1	SA9.0	9 В	29,5 А

7.4 Описание элементов защиты

7.4.1 Разрядник

Разделительный разрядник HGS 100, предназначен для уравнивания потенциалов между металлическими составными частями и элементами объекта, которые не могут быть по условиям эксплуатации напрямую электрически соединены друг с другом. К ним могут относиться, например, заземленные металлоконструкции объекта с одной стороны, и газовые трубы, находящиеся под напряжением катодной защиты, или независимые (функциональные) заземляющие устройства, необходимые для обеспечения работоспособности оборудования обработки информации, с другой стороны.

В случае возникновения высокой разности потенциалов между этими элементами, разрядник срабатывает и кратковременно соединяет их между собой. Внутреннее сопротивление разрядника в открытом состоянии составляет от 0,001 до 0,002 Ом.

Разделительный разрядник HGS может применяться как для внутренней, так и для наружной установки. Изображение разрядника показано на рисунке 7.5[5].

Рисунок 7.5 – Разрядник HGS 100

7.4.2 Варистор

Варисторы СН2-2А оксидноцинковые негерметизированные, неизолированные.

Предназначены для защиты элементов и узлов аппаратуры от превышений напряжений в цепях постоянного, переменного и импульсного токов.

Допустимый импульсный ток - 2000 А.

Защитный коэффициент - 1,6

Технические условия: ОЖО.468.205 ТУ

Основные технические характеристики варисторов СН2-2А:

– классификационное напряжение: 330... 1300 В;

– допуск по напряжению: ±5; ±10; ±20 %;

– классификационный ток: 1 мА;

– диапазон температур: -40... +85 °С.

Изображение варистора показано на рисунке 7.6[6].

Рисунок 7.6 – Варистор CH2-2A

7.4.3 Супрессор

Технические параметры защитного диода SA9.0

пиковая мощность, 500 Вт; минимальное напряжение открывания, 10В; максимальное напряжение открывания, 12,2 В; при тестовом токе, 1 мА; напряжение закрывания обратное, 9 В; максимальный ток утечки при напряжении закрывания I ут., 5 мкА; максимально допустимый импульсный ток, 29,5 А; максимальное напряжение защелки Uзащ, 16,9 В; рабочая температура, -65…175 °C; способ монтажа в отверстие; корпус do15 .

Изображение варистора показано на рисунке 7.7[7].

Рисунок 7.7 – Супрессор SA9.0

8 Расчёт параметров электромагнитного экрана аппаратуры

Объёмная плотность тока максимальна у поверхности проводника. При удалении от поверхности она убывает и на глубине становится меньше в е раз. Весь ток сосредоточен в слое толщиной , она называется толщиной скин-слоя, расчётная формула 8.1.

(8.1)

где f – частота, Гц;

– магнитная проницаемость, Гн/м;

– магнитная проводимость, См/м.

На основании расчёта на частотах от 1 Гц до 10 МГц построим график зависимости толщины скин-слоя для алюминия от частоты, график приведён на рисунке 8.1

Рисунок 8.1 – Толщина скин-слоя

Общий коэффициент экранного затухания состоит из двух компонент: затухание поглощения и затухание отражения. Для расчёта этих коэффициентов будут использоваться формула 8.2:

(8.2)

где – волновое сопротивление воздуха (диэлектрика), Ом;

– волновое сопротивление металла, Ом;

Д – толщина экрана, 0,002 м;

– коэффициент распространения в металле.

Так как коэффициенты затухания вычисляются в Неперах, их необходимо перевести в децибелы, умножив на 20lg(e), то есть на 8,68 дБ.

Волновое сопротивление металла рассчитывается по формуле 8.3:

(8.3)

где – угловая частота, Рад/с;

– магнитная проницаемость, Гн/м;

– проводимость, См/м.

Коэффициент распространения металла рассчитывается по формуле 8.4:

(8.4)

где – угловая частота, Рад/с;

– магнитная проницаемость, Гн/м;