Zastosowanie urządzeń ochronnych przedprądu z automatycznym ponownym zamknięciem w ochronie przed piorunami dla zasilania systemów komunikacyjnych

1. Problemy z przerwaniem zasilania spowodowane nieprawidłowym wyzwalaniem RCD podczas uderzeń piorunów

Typowy obwód zasilania systemu komunikacyjnego przedstawiony jest na rysunku 1. Urządzenie ochronne przeciwporażeniowe (RCD) jest zainstalowane na wejściu zasilania. Głównym zadaniem RCD jest ochrona przed przeciekami prądu w urządzeniach elektrycznych, aby zapewnić bezpieczeństwo osobiste, a urządzenia ochronne przed przepięciami (SPD) są montowane na gałęziach zasilających, aby chronić przed inwazją piorunów. Podczas uderzeń piorunów obwody czujników mogą indukować niesymetryczne prądy impulsowe piorunowe i prądy interferencyjne różnicowe. Gdy prąd różnicowy przekracza próg wyzwalania RCD, następuje nieprawidłowe działanie. Ponadto, jeśli przeciek prądu z urządzenia komunikacyjnego jest bliski progu wyzwalania, niesymetryczna strumień magnetyczny podczas sezonu deszczowego może łatwo powodować nieprawidłowe wyzwalanie RCD.

Prąd piorunowy to prąd chwilowy, który może generować pojedynczy impuls lub wiele impulsów. Prądy przechodzące przez urządzenia ochronne przed przepięciami F1 i F2 to odpowiednio I1 i I2. Często I1 nie jest równe I2, co prowadzi do interferencji różnicowej. Gdy interferencja różnicowa przekracza wartość prądu resztkowego wyzwalania RCD, ochrona wyzwala, obwód rozłączany, urządzenia komunikacyjne przestają działać, a wymagana jest manualna restytucja zasilania. Stacje komunikacyjne są głównie nieobsadzone; gdy w danym regionie występują uderzenia piorunów, niektóre stacje komunikacyjne mogą utracić zasilanie i nie mogą przywrócić komunikacji w krótkim czasie. Dlatego ten problem musi być rozwiązany.

2. Zasada działania automatu z automatycznym ponownym zamknięciem z ochroną przeciwporażeniową

Automatyczne ponowne zamknięcie to skuteczna metoda rozwiązania problemów z przerwaniami zasilania spowodowanymi nieprawidłowym wyzwalaniem RCD. Automatyczne ponowne zamknięcie jest powszechnie stosowane w systemach zasilania wysokiego napięcia i osiąga znakomite wyniki. Jednak ze względów bezpieczeństwa nie zostało jeszcze szeroko wprowadzone w systemach zasilania niskiego napięcia cywilnych. Systemy komunikacyjne w Chinach zaczęły je stosować w ostatnich latach, a standard YD/T 2346-2011 "Warunki techniczne dla urządzeń ochronnych przeciwporażeniowych z automatycznym ponownym zamknięciem dla telekomunikacji" uzyskał istotne efekty zastosowania.

Gdy piorun powoduje nieprawidłowe wyzwalanie RCD i rozłączenie obwodu, urządzenie ochronne przeciwporażeniowe z automatycznym ponownym zamknięciem automatycznie zamyka przełącznik. Ponieważ prąd piorunowy jest chwilowy, po przejściu uderzenia pioruna I1≈I2, ponowne zamknięcie się udaje, przywracane jest zasilanie, a komunikacja wznowiona.

Automatyczne ponowne zamknięcie jest warunkowe i musi uwzględniać bezpieczeństwo oraz inne czynniki. Istnieją dwie metody automatycznego ponownego zamknięcia: jedna wykrywa warunki przecieku prądu, aby zdecydować, czy zamknąć, a druga automatycznie zamyka bez wykrywania.

Urządzenie z automatycznym wykrywaniem awarii przecieku L-PE (dalej zwane detektorem) składa się z mechanizmu napędowego, obwodu sterującego, obwodu wykrywającego i interfejsu wyjściowego. Obwód wykrywający współpracuje z detektorem i, pod wpływem obwodu sterującego detektora, wykonuje wykrycie i decyduje, czy zamknąć, na podstawie wyników wykrycia. Obwód wykrywający łączy fazy RCD, linię PE, opory ziemne Re1 i Re2, oraz linię neutralną transformatora N, tworząc pętlę przez fazy, linię PE, opory ziemne Re1 i Re2, linię neutralną transformatora N, i obwód wykrywający.

Linia PE obwodu wykrywającego nie musi być podłączona do obudowy sprzętu, jak pokazano na rysunku 2; alternatywnie, pętla może być utworzona przez fazy, obudowę sprzętu i linię PE, wymagając, aby linia PE obwodu wykrywającego była podłączona do obudowy sprzętu, jak pokazano na rysunku 3. Gdy RCD wyzwala, obwody wykrywające przecieki detektora to a-PE, b-PE, c-PE. Sygnał obwodu wykrywającego może być stały lub zmienny, z napięciem nie przekraczającym 24V.

3. Główne wymagania dotyczące wydajności

Funkcja ochrony przeciwporażeniowej rozwiązuje problemy bezpieczeństwa, podczas gdy automatyczne ponowne zamknięcie rozwiązuje problemy z przerwaniami zasilania spowodowanymi uderzeniami piorunów. Standard YD/T 2346-2011 "Warunki techniczne dla urządzeń ochronnych przeciwporażeniowych z automatycznym ponownym zamknięciem dla telekomunikacji" uwzględnia niektóre parametry, takie jak:

Funkcja automatycznego ponownego zamknięcia musi równoważyć ciągłość zasilania i czynniki bezpieczeństwa.

(1) Liczba prób ponownego zamknięcia Z perspektywy użytkownika, im więcej prób ponownego zamknięcia, tym lepiej; z perspektywy bezpieczeństwa, mniej prób jest lepsze. Dla produktów z automatycznym ponownym zamknięciem bez wykrywania przecieku prądu, standard pozwala na maksymalnie trzy próby automatycznego ponownego zamknięcia.

(2) Interwał ponownego zamknięcia Z perspektywy zużycia energii, idealnym byłby zerowy interwał; z perspektywy bezpieczeństwa, musi być wystarczająco długi. Standard określa: Jeśli ochrona nie posiada zdolności wykrywania przecieku po rozłączeniu, urządzenie ochronne przeciwporażeniowe powinno automatycznie zamknąć się raz 20~60 sekund po wyzwoleniu; jeśli nie powiedzie się, druga próba ponownego zamknięcia powinna nastąpić po 15 minutach; jeśli druga próba również nie powiedzie się, trzecia próba powinna nastąpić po kolejnych 15 minutach; jeśli trzecia próba również nie powiedzie się, nie są już dozwolone dalsze próby ponownego zamknięcia.

(3) Napięcie wykrywania Napięcie wykrywania to również ważny parametr bezpieczeństwa, które nie może być zbyt wysokie. Standard określa: Jeśli ochrona ma zdolność wykrywania przecieku po rozłączeniu, obowiązują następujące wymagania: 

• Jeśli trzy próby ponownego zamknięcia nie powiodą się w ciągu 1 minuty, nie są już dozwolone dalsze próby. 

• Napięcie wykrywania ≤24V.

(4) Odporność na uderzenia piorunowe Urządzenie ochronne może zawierać pewne obwody elektroniczne i musi posiadać odpowiednią odporność na uderzenia piorunowe; w przeciwnym razie nie można go używać. Standard określa: Urządzenie ochronne przeciwko prądowi wycieczkowemu musi posiadać wystarczającą odporność na prądy popłochowe płynące przez obciążenia pojemnościowe przechodzące przez urządzenie oraz prądy popłochowe powstające z powodu przebicia urządzenia. Urządzenia ochronne przeciwko prądowi wycieczkowemu z opóźnieniem muszą posiadać wystarczającą odporność na fałszywe wyzwalanie spowodowane prądami popłochowymi powstającymi z powodu przebicia urządzenia.

Po zastosowaniu napięcia impulsowego 1.2/50μs (8/20μs) fal kombinowanych, 2kV między liniami zasilającymi (L-N), nie powinno dojść do fałszywego wyzwolenia. Po zastosowaniu napięcia impulsowego 1.2/50μs, 4kV między liniami zasilającymi (L-N), próbka nie powinna ulec uszkodzeniu i powinna nadal działać normalnie.

Gdy prąd piorunowy 8/20μs, 20kA płynie między linią zasilającą L a N, z dodatkowo zainstalowanymi urządzeniami ochronnymi przed przepięciami, próbka powinna działać normalnie bez uszkodzeń.

4. Wnioski i rekomendacje

Automatyczne ponowne zamknięcie urządzeń ochronnych przeciwko prądowi wycieczkowemu może skutecznie rozwiązać problemy z przerwaniami zasilania spowodowanymi uderzeniami piorunów, zwiększyć odporność systemów komunikacyjnych na uderzenia piorunowe i jest bezpieczne oraz niezawodne. Reprezentują one skuteczny sposób poprawy zdolności ochrony przed uderzeniami piorunów systemów komunikacyjnych.