Ochrona przeciwprzepięciowa

Przepięcie to wzrost napięcia w urządzeniu do wartości powyżej najwyższego dopuszczalnego napięcia roboczego. Pojawienie się tego zaburzenia może być skutkiem zdarzeń zewnętrznych albo tych, które zaistniały w obrębie systemu podczas jego eksploatacji. Do pierwszej grupy zaliczane są wyładowania atmosferyczne.

Groźne są nie tylko bezpośrednie uderzenia piorunów w budynek albo w linie sieci energetycznej, ale także impulsy elektromagnetyczne, które towarzyszą wyładowaniom obok takich obiektów. Rząd wielkości przepięć, jakie są wynikiem uderzenia pioruna, przedstawiają następujące przykłady.

Skutki i częstość wyładowań

Rys. 1. Przepięcie spowodowane uderzeniem pioruna w linię napowietrzą o impedancji falowej około kilkuset Ω przy prądzie wyładowczym rzędu kilkudziesięciu kA sięgnie tysięcy kV!

Przyjmując, że impedancja falowa napowietrznej linii energetycznej wynosi 400 Ω, a natężenie prądu wyładowczego I = 20 kA, ze wzoru:

U = Z₀⋅I/2

można obliczyć, że przepięcie U wyniesie 4000 kV (rys. 1). Aby wyznaczyć napięcie indukowane pomiędzy przewodem fazowym a ziemią w wyniku uderzenia pioruna w odległości d = 500 m od linii na wysokości h = 5 m oraz impedancji falowej 30 Ω (I = 20 kA), należy natomiast skorzystać z formuły:

U = Z₀⋅I⋅h/d

Wyniesie ono wówczas 6 kV.

Liczbę wyładowań atmosferycznych w przewody linii napowietrznych można oszacować. Służy do tego następująca zależność:

N = A⋅N_g⋅10^-6

gdzie:

A = 6⋅h⋅l

a h - wysokość linii (m), l - długość linii (m) i N_g - lokalna gęstość wyładowań na km² rocznie. Przykładowo, przy założeniu, że ta ostatnia wielkość jest równa 2, h = 5 m, l = 1 km, N wyniesie 0,06. Prawdopodobne zatem jest, że na długości 100 km piorun może uderzyć w linię bezpośrednio 6 razy w ciągu roku. Liczba przepięć indukowanych przez pioruny, które uderzają w pobliżu sieci energetycznej, jest jeszcze większa.

Warystory to przykłady elementów SPD

 Przepięcia, zwykle o mniejszej wartości, są również skutkiem stanów przejściowych w układzie, które towarzyszą awariom (zwarciom) albo powstających na skutek operacji łączeniowych, na przykład włączania albo wyłączania obciążeń pojemnościowych lub indukcyjnych (zasilaczy, baterii kondensatorów, transformatorów, silników elektrycznych). Przyczyną zaburzeń są także wyładowania elektrostatyczne.

Do ograniczania przepięć używane są specjalne elementy (Surge Protective Device, SPD), których rezystancja przy wzroście napięcia na ich zaciskach powyżej wartości granicznej szybko oraz silnie maleje. Po jego obniżeniu powraca ona do początkowej, dużej wartości. Takimi ogranicznikami przepięć są warystory, które są rezystorami półprzewodnikowymi o ziarnistej strukturze.

Dawniej głównym ich budulcem był polikrystaliczny węglik krzemu SiC z różnymi domieszkami. Obecnie coraz popularniejsze są warystory tlenkowo-metalowe. Wykonuje się je, wypełniając przestrzeń pomiędzy ziarnami tlenku metalu, na przykład tlenku cynku, tlenkami innych metali, m.in. tlenku bizmutu, kobaltu, manganu, chromu albo antymonu.

Od jakości struktury warystora, jej jednorodności, defektów, na przykład porów w ziarnach ZnO i rozmiarów ziaren zależą jego właściwości elektryczne. Dlatego proces mieszania, a następnie spiekania składników ogranicznika jest ściśle kontrolowany oraz wymaga zapewnienia dużej czystości.

Najważniejsze parametry warystorów

Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa warystora

Na rysunku 2 przedstawiono przebieg charakterystyki prądowo-napięciowej warystora. Opisuje ją następujący wzór:

I = k⋅U^α

gdzie: I - natężenie prądu warystora, U - napięcie na tym elemencie, k - stała zależna od materiału oraz wymiarów ogranicznika, a α - współczynnik nieliniowości. Ten ostatni jest stały w zakresie pracy SPD. W warystorach tlenkowo-metalowych jego wartość przekracza 25, typowo mieszcząc się w przedziale 30÷45. Dzięki temu wzrost natężenia prądu o miliony razy, na przykład z 10 mA do 10 kA, skutkować będzie zwiększeniem się napięcia na ograniczniku w przybliżeniu zaledwie o połowę.

Jednym z ważniejszych parametrów warystorów jest czas zadziałania, czyli czas przejścia od dużej do małej rezystancji. Teoretycznie wielkość ta jest rzędu pikosekund. W rzeczywistości właściwości obwodu, którego częścią jest ogranicznik, na przykład indukcyjność przewodów, wydłużają go do kilku nanosekund.

W kartach katalogowych podawane jest też napięcie znamionowe (przy danym prądzie, zwykle 1 mA i w temperaturze 25°C), napięcie ograniczenia (przy określonej wartości i kształcie udaru prądowego), maksymalne dopuszczalne napięcie trwałe, prąd warystora przy napięciu trwałym, prąd udaru, rezystancja, pojemność oraz moc strat.

Zalety i wady warystorów

Warystory można łączyć ze sobą jak zwykle rezystory - szeregowo lub równolegle. Wybierając to drugie, należy w jednym obwodzie zebrać podzespoły o możliwie podobnych charakterystykach prądowo-napięciowych. W przeciwnym wypadku niedopasowanie SPD będzie skutkować ich nierównomiernym obciążeniem. Szeregowo najlepiej natomiast łączyć ograniczniki, które mają zbliżone średnice.

Zaletą warystorów jest zdolność do pochłaniania dużej energii udarowej i niski koszt. Do ich wad zalicza się natomiast dużą pojemność, rzędu kilku tysięcy pF. Chociaż dzięki temu przepięcia mają mniej stromy przebieg, zawęża to zakres ich zastosowań do obwodów niskoczęstotliwościowych. Dlatego nie można ich użyć jako zabezpieczania linii sygnałowych o dużej szybkości transmisji. Charakteryzuje je też znaczne napięcie ograniczenia przy zaburzeniach szybkozmiennych, duży prąd upływu i krótka żywotność wynikająca ze zużywania się tych elementów wraz z absorpcją kolejnych udarów.