Газовые разрядники

Приборы для ограничения перенапряжений в цепях

Защитные устройства

Элементы для защиты от перенапряжений используют нелинейные эффекты, замыкая цепь между защищаемым проводом и землей. Наведенный на проводе заряд уходит в землю. При этом напряжение между проводом и землей уменьшается. Однако во время этого процесса могут возникать большие токи, которые могут привести к перегреву прибора и его разрушению. Рассмотрим различные приборы для ограничения напряжения. Искровые разрядники нами уже были рассмотрены.

Электроды, между которыми происходит разряд, помещаются в герметичный стеклянный корпус, наполненный газом (например, неоном или аргоном) под определённым давлением. Поверхности электродов покрываются активными веществами, способствующими возникновению газового разряда. Эти меры позволяют поддерживать напряжение срабатывания разрядника (обычно от 70 В до нескольких кВ) в пределах определённого диапазона отклонений (например, + 20%). На рисунке 5.14 показана конструкция 2-х электродного защитного разрядника перенапряжения.

Рис.5.14. Конструкция типичного двухэлектродного разрядника.

Для защиты симметричной линии связи можно использовать два двухэлектродных разрядника, каждый из которых включается между проводниками и землей (рис.5.15).

Рис. 5.15. Схема включения двухэлектродных газовых разрядников для защиты приемника сигнала.

При воздействии мощной импульсной помехи (например, грозовой) в определенном сечении симметричной линии на ее проводах возникает высокое напряжение относительно земли. Для симметричной цепи это практически одинаковые напряжения по амплитуде и форме (помеха общего вида). Эти импульсные помехи по двум несимметричным линиям, образованным проводниками симметричной линии и землей распространяются в стороны ближнего и дальнего концов. Нас интересует в первую очередь импульсная помеха, распространяющаяся в сторону приемника. Если параметры передачи несимметричных линий (постоянная распространения и волновое сопротивление) одинаковы, то помехи на входах приемника будут одинаковыми и дифференциальная помеха, ухудшающая качество связи, будет стремиться к нулю. Однако напряжения относительно земли могут быть большими и представлять опасность для приемного оборудования и обслуживающего персонала. Срабатывание разрядников уменьшает эту опасность.

Такая защита симметричной цепи имеет существенный недостаток, связанный с разбросом напряжения пробоя разрядников. Для эффективной защиты симметричной цепи необходимо одновременное срабатывание обоих разрядников. При срабатывании только одного разрядника возникает очень большая дифференциальная помеха с напряжением порядка напряжения пробоя разрядника. Это явление было известно на ранних этапах развития связи, когда по двухпроводным симметричным цепям в основном передавали телефонные сигналы. При срабатывании одного разрядника в телефоне абонента возникал очень сильный звук, который получил название «акустический удар». Для того, чтобы заставить разрядники срабатывать одновременно можно использовать, так называемую, «дренажную катушку», представляющую собой трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, намотанными в два провода на тороидальный сердечник (рис.5.16).

Рис. 5.16. Схема включения двухэлектродных газовых разрядников с дренажной катушкой.

При срабатывании одного разрядника через обмотку дренажной катушки начинает протекать ток, а на ее обмотке действует полное напряжение импульсной помехи. Во второй обмотке возникает такое же напряжение, которое практически удваивает напряжение помехи на втором разряднике и он немедленно срабатывает. Так достигается практически одновременное срабатывание разрядников. Отметим, что после срабатывания разрядников дренажная катушка имеет сопротивление стремящееся к нулю для помех, и следовательно хорошо подавляет помехи, и весьма большое индуктивное сопротивление для сигнала, и следовательно не ослабляет сигнал, делая возможным его передачу даже при сработавших разрядниках.

Для защиты симметричных цепей были также специально разработаны трехэлектродные газовые разрядники (рис.5.17), которые можно рассматривать как сочетание двух двухэлектродных разрядников с общей разрядной камерой.

Рис.5.17. Конструкция типичного трехэлектродного разрядника.

Такая конструкция гарантирует одновременное возникновение дуги в двух камерах так, что обеспечивается эффективная защита даже при некоторой неодинаковости напряжений помех на проводах симметричной пары по отношению к земле. Характеристики газового разряда зависят от скорости возрастания напряжения.

Рис.5.18. Физические процессы в разряднике

Рассмотрим физические процессы в двухэлектродном газовом разряднике при воздействии импульса имеющего характер грозового импульса. В процессе нарастания напряжения до достижения напряжения пробоя V_a газовый разрядник представляет собой изолятор (R ³ 100 Мом). При достижении напряжения пробоя появляется электрический ток, величина которого ограничивается внутренним сопротивлением цепи. Из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении цепи напряжение на разряднике скачком падает. Однако напряжение на разряднике остается достаточно большим для поддержания в нем тлеющего разряда. С дальнейшим возрастанием входного напряжения ток быстро растет. Растет и напряжение на разряднике. При напряжении V_gl (70...150 В в зависимости от типа разрядника) и токе величиной 0,1.. 1,5 А возникают условия для возникновения дугового разряда, при котором напряжение на разряднике уменьшается до 10-25 В. При дальнейшем увеличении входного напряжения условия для дугового разряда сохраняются и ток продолжает расти, а после достижения максимума ток начинает уменьшаться вместе с уменьшением входного напряжения. Напряжение на разряднике в режиме дугового разряда практически не меняется и остается малым. При уменьшении тока дуги наступает момент, когда энергии для поддержания дуги оказывается недостаточно, она погасает и разрядник переходит в непроводящее состояние.