Kurs praktycznego wykorzystania programu ATP – EMTP (część 20.)
Układy ograniczające przepięcia
Przykład układu zabezpieczającego przed przepięciami/przetężeniami
W dwudziestej części kursu zostaną zaprezentowane wielostopniowe układy ograniczające przepięcia przeznaczone do wykorzystania w pakiecie EMTP. Dzięki nim będzie możliwe przeprowadzenie obliczeń między innymi skuteczności ochrony zapewnianej urządzeniom i układom przesyłu sygnałów narażonych na bezpośrednie i pośrednie skutki wyładowań atmosferycznych.
Zobacz także
SR Tech Miernik promieniowania 5G
Czym jest sieć 5G? Jakie korzyści i zagrożenia niesie ze sobą ta nowa, budzącą wiele kontrowersji technologia? Czy sieci tego typu mają negatywny wpływ na nasze zdrowie? Czym jest promieniowanie 5G i czy...
Czym jest sieć 5G? Jakie korzyści i zagrożenia niesie ze sobą ta nowa, budzącą wiele kontrowersji technologia? Czy sieci tego typu mają negatywny wpływ na nasze zdrowie? Czym jest promieniowanie 5G i czy istnieje sprawdzony miernik promieniowania 5G? Na te pytania postaramy się tu odpowiedzieć.
Aero7.pl Klimatyzator ścienny split do domu i mieszkania
Klimatyzatory ścienne split to idealne rozwiązanie do chłodzenia wnętrz zarówno w domach, jak i mieszkaniach. Umożliwiają efektywną regulację temperatury, zapewniając komfort nawet w najgorętsze dni.
Klimatyzatory ścienne split to idealne rozwiązanie do chłodzenia wnętrz zarówno w domach, jak i mieszkaniach. Umożliwiają efektywną regulację temperatury, zapewniając komfort nawet w najgorętsze dni.
De Dietrich Sanktuarium w Kałkowie-Godowie z nowoczesnym systemem ogrzewania marki De Dietrich
Zakończono półtoraroczny projekt termomodernizacji w Sanktuarium Matki Bożej Bolesnej, Pani Ziemi Świętokrzyskiej, zlokalizowanym w Kałkowie-Godowie. Obecnie zarówno duchowni, jak i pielgrzymi odwiedzający...
Zakończono półtoraroczny projekt termomodernizacji w Sanktuarium Matki Bożej Bolesnej, Pani Ziemi Świętokrzyskiej, zlokalizowanym w Kałkowie-Godowie. Obecnie zarówno duchowni, jak i pielgrzymi odwiedzający to miejsce, mają dostęp do zaawansowanego technologicznie systemu grzewczego.
Stworzenie warunków do pewnego i niezawodnego działania systemów elektronicznych wymaga oceny impulsowych narażeń elektromagnetycznych w miejscu ich zainstalowania. Problem ten jest szczególnie istotny w przypadku układów i urządzeń, w których na linie przesyłu sygnałów mogą oddziaływać różne źródła zakłóceń impulsowych. Zakłócenia są szczególnie niebezpieczne dla cyfrowych systemów sygnalizacji i sterowania. Mogą one spowodować błędną pracę tych systemów lub uszkodzenie poszczególnych elementów składowych.
Układy zabezpieczające stosujemy w przypadkach, gdy oddzielne użycie pojedynczych elementów ochronnych nie zapewnia dostatecznego poziomu ochrony przed przepięciami. Łączenie elementów ochronnych w układy umożliwia zsumowanie ich ochronnych zalet i wyeliminowanie niepożądanych efektów związanych z ich oddzielnym zastosowaniem. Typowy wielostopniowy układ składa się z pojedynczych elementów zabezpieczających, połączonych elementami wzdłużnymi, nazywanych również elementami odprzęgającymi (rys. 1.). Jako elementy wzdłużne najczęściej stosowane są rezystancje lub indukcyjności.
Najprostsze układy ochronne składają się z jednego lub dwóch elementów ograniczających napięcia i elementu wzdłużnego. W przypadku układu składającego się z dwóch elementów ochronnych, element wzdłużny koordynuje ich wzajemne działanie oraz ogranicza wartość prądu, który może popłynąć przez drugi z elementów ochronnych. Przykładowe rozwiązania typowych układów zabezpieczających przedstawiono na rysunku 2. i rysunku 3. Zasada działania dwustopniowego układu zaprezentowanego na rysunku 3. jest następująca: w momencie, gdy na wejście układu przyjdzie udar napięciowy i napięcie na diodzie przekroczy napięcie przebicia lawinowego, zaczyna ona przewodzić. Płynący przez diodę prąd powoduje wzrost spadku napięcia na rezystorze pomiędzy diodą a odgromnikiem. Suma spadków napięć na rezystorze i diodzie odkłada się na odgromniku i gdy przekroczy wartość dynamicznego napięcia zapłonu, wówczas nastąpi jego zadziałanie, przez co zostanie ograniczony prąd płynący przez diodę [1].
Na rysunku 4. przedstawiono przykładowy schemat układu chroniącego linie transmisji sygnałów. W przypadku, gdy impuls zakłócający pojawiający się na zaciskach 1 - 2 ochronnika ma wartość dodatnią, wówczas prąd udarowy płynie przez diody D1-D5-D4. Stabilizacja napięcia wyjściowego odbywa się dzięki elementowi D5 (dioda zabezpieczająca). Napięcie panujące na wyjściu jest równe podwojonemu spadkowi napięcia na diodzie D1 (D2), czyli ok. 1,7 V, powiększonemu o wartość napięcia występującego na elemencie D5. W przypadku impulsu ujemnego prąd udarowy będzie płynąć przez elementy D2-D5-D3. Układ ten pracować może zarówno w liniach symetrycznych (skrętka), jak i niesymetrycznych (kabel koncentryczny). Dla systemów, w których wykorzystywany jest kabel UTP lub STP, odpowiednie wejścia i wyjścia ochronnika należy podłączyć do odpowiednich przewodów pary (skrętki). W drugim przypadku jedna z linii: WE1-WY1 lub WE2-WY2 powinna być połączona z ekranem kabla, a druga z żyłą środkową kabla.
W przypadku zabezpieczenia szczególnie wrażliwych urządzeń pracujących w strefie zagrożenia przepięciami o znacznych wartościach szczytowych stosowane są układy ochronne składające się z trzech elementów ograniczających napięcie (rys. 6.).
Trójstopniowy układ ochrony przepięciowej w EMTP
Wprowadzenie do EMTP trójstopniowego układu ochrony przepięciowej zaprezentowanego na rysunku 6. wymaga zamodelowania trzech nieliniowych elementów: odgromnika gazowanego, warystora i diody zabezpieczającej. Uwaga! W przypadku układów wykorzystujących ograniczniki przepięć szczególnie istotny dla ich prawidłowego działania jest właściwy dobór parametrów poszczególnych elementów. W przypadku wprowadzenia niewłaściwych wartości nie zostanie zapewniona właściwa koordynacja ich działania, a przez to układ nie będzie spełniał swojej funkcji. Dodatkowo mogą wystąpić błędy – problemy z przeprowadzeniem obliczeń ze względu na przyjęty sposób odwzorowywania (modelowania) tych elementów w EMTP, w którym istotnym wyznacznikiem ich poprawnego funkcjonowania są poszczególne wprowadzone do nich parametry. Na rysunku 5. przestawiono najprostszą wersję trójstopniowego układu ochrony przepięciowej zaimplementowaną do poziomu EMTP.
Źródłem zaburzenia w układzie jest udar napięciowy 1,2/50 μs 10 kV wytwarzany przez źródło o nazwie Heidler Type 15 z grupy elementów SOURCE. Parametry przewodu łączącego źródło z układem reprezentuje element o nazwie RLC z grupy Branch Linear. Rezystancja łącząca wejście/wyjście układu jest reprezentowana przez dwa identyczne elementy o nazwie RL. Elementy odsprzęgające w układzie reprezentują rezystancje R1 i R2. Odgromnik w układzie jest zamodelowany za pomocą elementu Switch Voltage Contr. z grupy SWITCHES. Zasada działania tego elementu została szczegółowo opisana w ósmej części kursu. Dzięki odpowiednio zdefiniowanym parametrom możemy zamodelować warystor i diodę zabezpieczającą – za pomocą jednego elementu o nazwie MOV Type 92 z grupy Branch Nonlinear. Do tego niezbędna jest odpowiednia charakterystyka U-I i parametr Vref (szczegółowy opis w ósmej części kursu).
Zasada działania modelowanego układu jest bardzo podobna do wcześniej opisanej jego dwustopniowej wersji. Po pojawieniu się zaburzenia w postaci udaru napięciowego, w pierwszej kolejności zaczyna przewodzić dioda zabezpieczająca (Vd). Spadek napięcia na R2 i Vd odkłada się na warystorze Var i po chwili powoduje jego zadziałanie. Warystor w układzie przejmuje część energii udaru chroniąc diodę przed uszkodzeniem. W dalszej kolejności spadek napięcia na przewodzącym warystorze i R1 odkłada się na odgromniku, który po chwili zadziała i przejmie największą część energii zakłócenia doprowadzonego na wejście układu. Pojemności Co, Cv, Cd reprezentują pojemności wewnętrzne odpowiednio odgromnika, warystora i diody zabezpieczającej.
Aby samodzielnie powtórzyć wyniki obliczeń prezentowanych poniżej, należy:
Krok 1.: stworzyć układ w EMTP zgodnie z rysunkiem 5.,
Krok 2.: zdefiniować parametry elementów:
a) Heidler Type 15 (dla udaru napięciowego 1,2/50 μs 10 kV): Amplitude=10000 V, T_f=1.2E-6, tau=5E-5, TStart=0, TStop=1000, n=5.
b) Switch Voltage Contr: T-cl=1E-6 s, T-de=0.001 s, Imar=0, V-fl=90 V.
c) element o nazwie Var reprezentujący warystor (MOV Type 92). Poszczególne punkty charakterystyki U-I należy zdefiniować zgodnie z rysunkiem 7.: Vref=28 V, Vflash=-1, Vzero=0, #COL=1, #SER=1, ErrLim=0.05,
d) element o nazwie Vd reprezentujący diodę zabezpieczającą (MOV Type 92). Poszczególne punkty charakterystyki U-I należy zdefiniować zgodnie z rysunkiem 8. Kolejne punkty charakterystyki odzwierciedlają:
URM – napięcie neutralne – maksymalne napięcie, przy którym dioda jeszcze nie przewodzi (IRM=kilka mA),
UBR – napięcie przebicia – odpowiada ono początkowi rozwoju zjawiska powielania lawinowego (przy napięciu powyżej 8 V określa się je dla 1 mA),
URSM – maksymalna szczytowa wartość napięcia przy prądzie IRSM. Wartość ta określa maksymalne napięcie, jakie może pojawić się na zaciskach układu zabezpieczającego,
IRSM – maksymalna szczytowa wartość prądu płynącego przez diodę w czasie badań impulsem standardowym, Vref=12 V, Vflash=-1, Vzero=0, #COL=1, #SER=1, ErrLim=0.05.
e) element RLC: R=0.5 Ω, L=0.005 mH, C=0 μF,
f) oraz pozostałe elementy: RL=0.1 Ω, R1=R2=5 Ω, ROBC=100 Ω, CO=5E-7 μF, CV=4E-5 μF, CD=0,0003 μF,
krok 3.: definiujemy parametry symulacji: delta T=1E-9, Tmax=5E-6,
krok 4.: zapisujemy schemat układu na dysk i przeprowadzamy obliczenia.
Na rysunku 9., rysunku 10., rysunku 11., rysunku 12. i rysunku 13. zaprezentowano przebiegi napięć oraz prądów w wybranych punktach (oznaczonych na schemacie układu – rysunek 6.). Kolejne elementy układu ograniczającego przepięcia przejmują energię udaru doprowadzonego na wejście, zapewniając w ten sposób właściwą koordynację ich pracy. Jednocześnie ograniczany jest maksymalny prąd płynący przez diodę zabezpieczającą (Imax=3 A) i warystor (Imax=850 A), co zabezpiecza te dwa elementy przed przekroczeniem ich znamionowego prądu. Prezentowany układ skutecznie ogranicza napięcie panujące na obciążeniu do poziomu 16 V. Czas reakcji układu na pojawiające się zaburzenie jest rzędu 100 - 150 ns.
Podsumowanie
Stosowanie coraz nowocześniejszych rozwiązań technicznych w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych stwarza konieczność przeanalizowania ich zagrożeń udarowych oraz podjęcia odpowiednich środków ochrony. Zapewnienie skutecznej ochrony przed przepięciami wymaga stosowania odpowiednich układów je ograniczających. Ich prawidłowy dobór jest kluczowy z punktu widzenia niezawodności całego urządzenia lub zespołu urządzeń pracujących razem. Dodatkowym problemem jest konieczność wyeliminowania wpływu zastosowanych urządzeń ograniczających zakłócenia na pracę chronionych systemów elektronicznych. Zaprezentowane przykłady umożliwiają samodzielne przeprowadzenie niezbędnych analiz z wykorzystaniem EMTP.
Literatura
- L. Augustyniak, R. Markowska, A. Sowa, Elementy i układy do ograniczania przepięć. Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych, Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej, Politechnika Białostocka 2007.
- ElectroMagnetic Transients Program (EMTP) Rule Book, http://www. eeug.org