Что означают джоули в сетевом фильтре и почему их недостаточно для оценки защиты

От чего именно защищает сетевой фильтр

Одной из основных функций сетевого фильтра является защита от коротких импульсных скачков напряжения. Изначально, когда сетевые фильтры только появились на рынке, среди их функций указывали и защиту от высокочастотных сетевых помех. Тридцать лет назад это действительно было важно.

Но за это время электроника заметно изменилась. Поэтому для подавляющего большинства современных устройств такие высокочастотные помехи уже не имеют большого значения.

Исключение составляют случаи, когда помехи становятся слишком сильными, то есть фактически превращаются в упомянутые выше скачки напряжения.

Как джоули связаны с варисторами в сетевом фильтре

Джоули как характеристика защиты напрямую связаны с характеристиками варисторов.

Варисторы — это, по сути, резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного к ним напряжения. До тех пор, пока напряжение не превышает некоторого заданного значения, их сопротивление остаётся очень большим, и ток через них практически не идёт. Если же напряжение превышает этот порог, сопротивление варистора резко падает. Чем больше приложенное напряжение, тем меньше становится его сопротивление.

Поскольку электрическим сопротивлением обладает практически всё, такая особенность варистора позволяет ему ограничивать напряжение, отсекая высоковольтные импульсы. При этом часть энергии импульса выделяется на самом варисторе, а часть — на подводящих проводах.

Какие импульсные перенапряжения бывают в бытовой сети

Высоковольтные импульсы могут возникать в бытовой сети по самым разным причинам. Однако наиболее мощные из них обычно связаны с ударами молний.

Существует ряд стандартов, описывающих воздействия, максимально приближённые к удару средней молнии. Наиболее известны среди них ITU-T K.20 и ITU-T K.21. Строго говоря, это не столько стандарты, сколько своего рода «наборы настойчивых рекомендаций», которых стараются придерживаться во всём мире. В них перечислены воздействия, которые должно выдерживать телекоммуникационное оборудование, чтобы сохранять работоспособность в течение длительного времени.

Самое страшное, что может ждать сетевой фильтр, — это прямой удар молнии в силовые провода. Если молния ударит прямо в фильтр, его, разумеется, ничто не спасёт. Но если она ударит «где-то там, далеко», то по проводам пойдёт высоковольтный импульс. Он имеет огромную мощность, но очень короткую продолжительность — микросекунды.

Способность противостоять таким импульсам описывается отдельной характеристикой варистора. Джоулей в ней нет, только тысячи ампер, которые варистор способен выдержать в течение 20 микросекунд. В самом жёстком случае речь будет идти о токовом импульсе в 5000 ампер, в типовом — не более 1000 ампер. В рекомендациях ITU-T заявлено, что защита должна выдерживать серию из десяти таких импульсов с интервалом между импульсами в 1 минуту. Если смотреть на кривые деградации варисторов, то видно, что при таких условиях испытаний энергоёмкость варисторов снижается примерно в 2–3 раза. Соответственно, приемлемая защита должна выдерживать несколько тысяч ампер при таких импульсах, а хорошая — больше 10 тысяч ампер.

Здесь можно посмотреть сетевые фильтры с защитой от импульсных перенапряжений.

Когда джоули действительно важны

Если молния ударила рядом с проводами, на них также наводится импульс, но он слабее и более растянут по времени, длится несколько сотен микросекунд — это так называемый «импульс 10/700 мкс» или «импульс 10/1000 мкс» в характеристиках. Именно в этом случае становятся актуальны джоули. Они характеризуют максимально поглощаемую энергию. Эта энергия прямо пропорциональна напряжению.

Для случая с питанием от сети энергия наиболее мощного импульса 10/1000, указанного в характеристиках, составляет примерно 60–70 Дж, а типичного импульса — примерно 30–40 Дж. Закладываем трёхкратный запас по прочности и получаем, что, согласно общепринятым рекомендациям, достаточно примерно 150 Дж. При наиболее неблагоприятном сценарии — 200–250 джоулей. Под таким сценарием следует понимать использование фильтра в частном секторе с редкой застройкой. Многоквартирные дома, особенно современные многоэтажные, как правило, достаточно хорошо защищены от подобных высоковольтных импульсов, хотя более слабые импульсы могут проходить и в таких условиях.

Таким образом, если ориентироваться именно на джоули, имеет смысл рассматривать значение около 150, максимум — 250–300 Дж.

Как характеристики варисторов влияют на энергоёмкость

Ещё один момент, на который стоит обратить внимание: одну и ту же энергоёмкость теоретически можно получить, используя один варистор продвинутой серии, два обычных варистора или даже три варистора меньшего диаметра. Однако на практике ситуация несколько сложнее.

Здесь существенную роль играет разброс характеристик. У каждого варистора своя вольт-амперная характеристика, поэтому при приложении одного и того же напряжения через них будет проходить разный ток и, соответственно, выделяться разная энергия. В результате один из варисторов может выйти из строя раньше другого. Практика показывает, что если установить параллельно два одинаковых варистора по 100 Дж каждый, то вместе они смогут поглотить примерно 150 Дж энергии. Если установить три, то речь будет идти примерно о 200 Дж или несколько большем значении — в зависимости от того, насколько велик разброс характеристик конкретных варисторов.

Каким должно быть рабочее напряжение варистора

Следующим моментом, на который стоит обратить внимание, является рабочее напряжение варистора. Как правило, для работы в сети 230 вольт принято ставить варисторы на 470 вольт.

Такой номинал выбран неспроста: с одной стороны, пиковое значение нормального сетевого напряжения в такой сети может достигать 357 В (в сети допускается превышение напряжения на 10 %), с другой стороны, у варисторов есть достаточно большой разброс характеристик (±10 %), и, наконец, варисторы после прохождения через них мощных импульсов немного деградируют, снижая своё рабочее напряжение на 5–10 %. Со временем, под действием переменного тока, их характеристики восстанавливаются, но на это могут уйти часы и даже дни. Номинал подбирается таким образом, чтобы даже в самом худшем случае все эти значения не пересеклись.

Если же поставить более высоковольтный варистор, сделав запас побольше, то может оказаться, что фильтр не очень-то и защищает. Как правило, в современных устройствах стоят импульсные источники питания, ключевым элементом которых является высоковольтный транзистор. Этот транзистор рассчитан на напряжение 600–700 вольт максимум. Варистор на 470 вольт ограничивает напряжение как раз примерно на таком уровне.

Если же поставить варистор, например, на 560 вольт, то он будет ограничивать импульсы примерно на уровне 800–900 вольт. И нет никакой гарантии, что транзисторы в блоках питания такой импульс переживут, хотя некоторый запас прочности у них, разумеется, есть. С другой стороны, по цепям «фаза-земля» и «ноль-земля» запас прочности обычно гораздо больше, поэтому туда можно смело поставить варисторы и на 560, и даже на 680 вольт.

Итог

Резюмируя, при выборе сетевого фильтра в первую очередь стоит смотреть на то, на какое перенапряжение рассчитана защита, затем — на то, какие именно линии защищены и каким образом, и уже только после этого — на энергоёмкость в джоулях. При этом, даже ориентируясь на джоули, полезно дополнительно уточнить, как именно эта величина получена и рассчитана.