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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Protection des alimentations contre la foudre. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Protection des équipements contre le fonctionnement d'urgence du réseau Afin de protéger l'équipement des impulsions induites par les décharges de foudre, l'alimentation électrique des appareils de télécommunication et de sécurité, ainsi que des systèmes de vidéosurveillance, lorsqu'elle ne peut pas être éteinte en raison des conditions de fonctionnement, est effectuée conformément aux exigences et , en règle générale, des alimentations sans coupure avec des dispositifs de protection de réseau intégrés. Mais qu'en est-il de ceux qui, par exemple, laissent dans leur datcha un équipement allumé qui avertit le propriétaire de la pénétration de personnes non autorisées dans le territoire contrôlé ? Afin de réduire le risque d'endommagement du dispositif de sécurité lors d'un orage, son alimentation doit être complétée par certains éléments qui atténuent fortement les impulsions haute tension dans le réseau, que nous appellerons plus loin les interférences du réseau. L'efficacité de la suppression de telles interférences par les mêmes éléments est différente. Cela implique la première caractéristique - le dispositif de protection doit être à plusieurs niveaux La deuxième caractéristique de la conception d'un dispositif de protection est la nécessité d'un conducteur à potentiel nul, "terre", dedans. Cette condition est facile à remplir dans les appartements modernes où le câblage est réalisé selon un circuit à trois fils ("phase" (L), "zéro" (N), "terre de protection" (PE)). Si le réseau d'alimentation est sans mise à la terre de protection, vous devrez soit créer vous-même une boucle de terre, soit l'accepter. que la suppression des interférences ne sera pas assez efficace. C'est satisfaisant si l'interférence du fil de phase est déviée vers zéro, c'est bon - du fil de phase et séparément du fil neutre au fil de terre est excellent - du fil de phase séparément au fil neutre et au fil de terre , et aussi du fil neutre au fil de terre. Pour atténuer les interférences puissantes à long terme générées par les décharges de foudre, des éclateurs sous vide et remplis de gaz sont utilisés comme absorbeurs d'énergie d'impulsion. Selon les statistiques, la part de ces interférences est d'environ 20 %. Les 80% restants sont à court terme, qui sont efficacement supprimés par des condensateurs parallèles au circuit protégé et des éléments de barrière série - selfs. Une méthode combinée est également utilisée, lorsque les interférences puissantes sont atténuées par des éléments absorbants (limiteurs de tension) connectés en parallèle, et ceux de faible puissance sont réduits en série. Les caractéristiques généralisées des suppresseurs de tension les plus couramment utilisés dans les dispositifs de protection sont présentées dans le tableau :
Les parafoudres remplis de gaz peuvent être utilisés dans des versions à deux et trois électrodes, selon la conception du dispositif de protection - à deux fils ou à trois fils. En termes de fiabilité de fonctionnement et de courant d'impulsion maximal, un tel limiteur de tension surpasse tous les autres (Fig. 1). Il s'agit d'un récipient cylindrique avec des électrodes de décharge à ses extrémités, rempli d'un gaz inerte. L'inconvénient du parafoudre est sa réponse plus lente par rapport aux autres éléments de protection, ce qui est dû à la nécessité d'un certain intervalle de temps pour l'ionisation du gaz.
Considérons un éclateur à trois électrodes T23-A230X avec un diamètre de 8 et une longueur de 10 mm. Malgré une si petite taille, cet élément de protection permet un courant de décharge crête en plusieurs impulsions simples 8/20 μs (avant/chute) jusqu'à 20 kA ou supporte un courant de décharge alternatif de 1, et une fréquence de 10 Hz pendant 50 s. Une telle efficacité de protection est assurée par la conception spéciale du parafoudre, illustrée à la Fig. 1. À l'état initial, sa résistance dépasse 10 ohms. Lorsque la tension dans l'espace de décharge crée une intensité de champ électrique capable de provoquer une ionisation du gaz, une décharge électrique se produit, à la suite de quoi la résistance de l'éclateur diminue fortement. A la fin de l'impulsion, le gaz inerte retrouve ses propriétés isolantes. La tension de claquage de l'espace de décharge est déterminée à la fois par la taille et la conception des électrodes et par les propriétés du gaz de remplissage - composition et pression. Un revêtement composé spécial des électrodes et un isolant en céramique entre elles activent leur émissivité. La forme annulaire de l'électrode centrale permet de maximiser l'utilisation de la surface des électrodes d'extrémité 1 et 2, fournissant un courant de décharge important sans érosion des surfaces conductrices de courant. Afin de compenser le retard de fonctionnement dû aux interférences avec un front raide (1 kV/μs ou plus), les parafoudres des dispositifs de protection à plusieurs étages sont généralement complétés par des varistances et des diodes de protection, qui détournent une partie de l'énergie du bruit impulsionnel à le moment initial de son apparition dans le réseau électrique . Une varistance à oxyde métallique est similaire à une diode Zener symétrique - lorsqu'une certaine valeur seuil de la tension appliquée est dépassée, la résistance de l'élément chute fortement. La tension de classification de la varistance doit dépasser l'amplitude maximale de la tension secteur d'au moins 5 %. Par exemple, l'augmentation maximale autorisée de la tension secteur de 220 V de 20 % (264 V) correspond à une amplitude de 374 V. Par conséquent, la tension de classification de la varistance doit être d'au moins 393 V. Si vous utilisez une varistance, comme dans de nombreux dispositifs de protection fabriqués industriellement, avec une tension de classification standard de 390 B, en raison de l'erreur technologique admissible de ce paramètre, il existe un risque de détérioration. Par conséquent, il est préférable de l'utiliser avec une tension de classification légèrement supérieure.La varistance se caractérise également par une certaine énergie d'impulsion limite, qu'elle peut absorber sans destruction. Cette caractéristique a la propriété d'accumulation. Cela signifie que le dispositif est capable d'absorber une seule impulsion avec une certaine énergie maximale admissible ou un certain nombre d'impulsions avec une énergie inférieure sans dégrader les paramètres. Par exemple, une varistance à oxyde métallique d'un diamètre de 20 mm absorbe une impulsion avec une énergie maximale autorisée de 410 J ou 10 impulsions avec une énergie de 40 J. Une fois que la varistance est épuisée de la ressource mise en gage, sa tension de classification augmentera légèrement , puis à chaque impulsion suivante, il commencera à diminuer fortement, en conséquence, la varistance "brûlera" . Il doit donc être remplacé à la moindre manifestation extérieure de dégradation (assombrissement de la peinture). La nécessité de surveiller l'état technique du variateur situé à l'intérieur d'un filtre à réseau fermé est son inconvénient. Les diodes de protection (Transient Voltage Suppressor), comme les diodes Zener, deviennent conductrices extrêmement rapidement lorsque la tension appliquée augmente au-dessus de la tension d'ouverture. Le temps de réponse d'un tel dispositif, notamment sans plomb, n'est que de quelques picosecondes. Bien entendu, l'inductance des cordons et des fils conducteurs réduit la vitesse de la diode, mais elle reste néanmoins la plus élevée parmi les limiteurs de tension utilisés. Il existe à la fois des diodes de protection unipolaires et des diodes à caractéristique courant-tension symétrique, ce qui permet de les utiliser sans diodes de redressement supplémentaires dans les circuits alternatifs. A un courant très élevé, contrairement à un éclateur rempli de gaz, le claquage électrique se produisant dans la diode de protection devient irréversible. Cet élément doit être remplacé. Les dispositifs fabriqués industriellement pour la protection contre les impulsions à haute tension dans le réseau électrique, tant dans notre pays qu'à l'étranger, doivent être conformes aux exigences des normes internationales approuvées. Commission électrotechnique internationale (CEI) et, selon la terminologie généralement acceptée, sont divisés en classes de protection I, II et III. Les appareils de classe I sont destinés à protéger le réseau électrique à l'entrée du bâtiment devant le compteur électrique. Les éléments principaux de ces dispositifs sont des parafoudres à vide et à gaz capables de neutraliser de puissantes décharges de foudre jusqu'à 150 kA par impulsion, ce qui correspond à un coup de foudre direct, compte tenu du courant se propageant sur la surface soumise à un choc électrique. Les appareils de classe II atténuent les bruits impulsifs dans les tableaux d'étage et d'atelier. L'élément de protection le plus couramment utilisé dans de tels dispositifs est la varistance. Les appareils de classe III sont conçus pour protéger les appareils individuels dont la consommation de courant ne dépasse pas 16 A. Ils sont généralement réalisés sur des diodes de protection. Bien sûr, pour le fonctionnement en toute sécurité des équipements radio, l'utilisateur peut équiper le réseau de distribution d'une maison de campagne ou d'un appartement avec de tels appareils industriels, mais la mise en œuvre d'une telle solution peut être financièrement difficile. Il sera beaucoup moins cher de fabriquer indépendamment des dispositifs de protection du réseau. Sur la base de l'analyse des idées modernes sur les exigences des dispositifs de protection contre la foudre et des méthodes pour leur mise en œuvre pratique, l'auteur a développé un dispositif de protection à plusieurs étages, dont le schéma est illustré à la fig. 2.
L'appareil est connecté au réseau à l'aide d'une prise électrique. XP1 avec contact de mise à la terre. Les fusibles FU1, FU2 sont conçus pour une charge allant jusqu'à 1 kW, connectés à la prise XS1, leur présence augmente considérablement la fiabilité du dispositif de protection et prolonge la durée de vie des autres éléments utilisés. Les perturbations de courte durée, incapables de déclencher le parafoudre F1, seront affaiblies par les selfs L2-L4 et absorbées par la diode de protection VD1. Une contribution significative à l'atténuation de ces interférences est également apportée par un cylindre de ferrite porté sur le câble de réseau, à la suite duquel une inductance L1 est formée. Le condensateur C1 supprime enfin les interférences secteur symétriques à court terme, déséquilibrées - C2 et C3. La suppression du front des perturbations continues du réseau générées par les décharges de foudre s'effectue principalement par la diode de protection VD1 et les varistances RU1-RU3. Après 250 ns, l'éclateur allumé F1 supprime les interférences et les fusibles déclenchés FU1, FU2 déconnectent l'alimentation de l'équipement du secteur jusqu'à ce que des conséquences critiques se produisent. L'énergie du bruit impulsionnel dissipée par les éléments de protection dans le filtre du réseau est libérée sous forme de chaleur, tandis que la température des éléments peut atteindre 200°C ou plus. Par conséquent, pour des raisons de sécurité incendie, le corps de l'appareil doit être réalisé uniquement en métal. Connexion du boîtier au fil du contact de mise à la terre de la fiche. XP1 s'effectue à proximité immédiate de l'entrée du câble réseau dans le boîtier du filtre. La prise XS1 est reliée par des fils courts aux plots correspondants indiqués sur le dessin du circuit imprimé de l'appareil (Fig. 3).
Une photo de la carte est montrée à la fig. quatre.
La carte de circuit imprimé est en fibre de verre à feuille simple face de 1,5 mm d'épaisseur. Les éléments de protection de mise à la terre du conducteur imprimé sur la carte sont décollés avec de la soudure pour augmenter la section transversale, créant un rouleau de 1 ... 1,5 mm de haut. Le câble réseau est utilisé avec des fils d'une section d'au moins 1 mm2. Un cylindre de ferrite est posé dessus. K18 * 9x30 mm (illustré à gauche sur la Fig. 4). Les fabricants étrangers installent de tels cylindres sur des câbles pour connecter divers appareils à un ordinateur. Les inducteurs L2 et L3 sont enroulés avec du fil PEV-2 de 1 mm de diamètre chacun sur deux noyaux magnétiques annulaires repliés ensemble. KP27> 15-6 mm à partir de permalloy MP 140. L'enroulement est effectué en deux couches complètes sans isolation intercalaire, l'auteur a utilisé des selfs prêtes à l'emploi recouvertes d'émail pour la protection contre l'humidité. Vous pouvez également utiliser un circuit magnétique. K28> 14-12 mm d'une bobine d'arrêt à plusieurs enroulements dans une alimentation à découpage AT d'un ordinateur. Le starter L4 est réalisé sur une bague K28-15-10mm en ferrite M2000NM. Les arêtes vives du circuit magnétique sont arrondies avec une lime, puis isolées avec un tissu verni ou un ruban fluoroplastique. Chacun des enroulements contient 15 tours de fil. PEV-2 d'un diamètre de 1 mm, pour des raisons de conception, pour la commodité de connecter les conducteurs à la carte de circuit imprimé, l'un des enroulements est enroulé dans le sens opposé à celui utilisé pour l'autre enroulement. Dans ce cas, les champs créés par les courants entrants et sortants dans le circuit magnétique seront mutuellement compensés et la saturation magnétique est ainsi exclue. La bonne exécution de l'inducteur peut être vérifiée en mesurant son inductance. Dans cette conception, l'inductance de chaque enroulement est de 270 µH. Si vous connectez les extrémités de sortie des enroulements et mesurez l'inductance d'entrée, elle ne dépassera pas 10 μH. Varistances RU1-RU3 - SIOV S20K420. ils peuvent être remplacés par d'autres en oxyde métallique d'un diamètre de 20 mm et d'une tension de classification de 420 V. Dans les cas extrêmes, vous pouvez utiliser de l'oxyde de zinc de même diamètre avec une tension de classification de 430 V, marqué, par exemple, par l'un des fabricants sous le nom de MYG20K431. Condensateurs haute tension C1 - C3 - de la série K78-2. La diode de protection symétrique 1,5KE440CA peut être remplacée par deux identiques unipolaires (sans indice CA) ou leurs analogues. Dans ce cas, il est conseillé de compléter le dispositif de protection par un indicateur de la tension secteur et de l'état des diodes de protection. Pendant le fonctionnement de l'appareil, il est nécessaire périodiquement, en particulier après des jours d'orage, de surveiller l'état technique de l'appareil et de remplacer les éléments qui ont épuisé leur ressource en temps opportun. Auteur : Kosenko S.
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