184768. lajstromszámú szabadalom • Katódos védelmi rendszer vezérelt védőföldelése
1 184 768 2 irányító kimenő feszültségét. A találmány továbbfejlesztése (4 016 458. sz. USA szabadalmi leírás) rádiófrekvenciás, vagy video jelek erősítőjének túlfeszültség elleni védelmére szolgál. A különleges megoldás a nagyfrekvenciás jeleket és a váltóáramú tápfeszültséget egy rendszerben alakítja át, a túlfeszültség elleni védőkapcsolás az előző leírásban leírtakkal azonos, _ _ Az ismertetett találmányok közös jellemzője, hogy szabályozott feszültségforrásként az alkotóelemek jellemzői által megszabott feszültségnél na-. gyobb feszültséget nem engednek át. Működésük közben az adott feszültséget folyamatosan biztosítják. Az alkotóelemek típusa (tranzisztorok, Zener diódák) olyan, hogy nagyobb áramokat biztonságosan nem viselnek el. Feladatunkhoz ezeket a kapcsolási elrendezéseket nem tudjuk alkalmazni, mert a katódosan védett szerkezetek védőföldelését éppen a kisebb feszültség esetében kell leválasztani a szerkezetekről és a feszültség növekedésével üzembe helyezni. A vezetés állapotában a vezérlő szerkezet ellenállásának minimális értékűre (1 ohm alatt) kell csökkennie és esetenként nagy áramokat (100 A felett) is tartósan elviselnie. Feltétlenül szükséges, hogy a vezérlőberendezés küszöbfeszültsége folyamatosan szabályozható és ne az építőelemek kiválasztásával diszkrét értékre állítható legyen. M. Morgan találmánya (2 056 669. sz. NSZK szabadalmi leírás) törpefeszültségű és kis áramú készülékek biztosító berendezésére vonatkozik. A biztosítás célja áram- és feszültségkorlátozás. Ezt a célt Zener diódákkal, áramkorlátozó tranzisztorkapcsolással, szilícium egyenirányító kapcsolással és olvadó biztosítékokkal éri el. A szilícium egyenirányító kapcsolás célja, hogy a biztosíték egységek félvezető elemeit az olvadó^bíztosítéíTkiolvasztásával megvédje. A biztosítékrendszert a zavarforrás és a fogyasztó közé iktatja be, a fogyasztó fémes kapcsolatban van a földeléssel. Az olvadó biztosíték kiolvadásáig a túláram levezetése a földelésen keresztül történik. A szabadalmi leírásban ismertetett alkotóelemek a katódosan védett fémszerkezetek védőföldelésének vezérlésére nem felelnek meg. A földkábelek rövidzárlatánál fellépő nagy áramok a tranzisztorokat és a Zener diódákat biztosan tönkreteszik. Emellett a megoldás nem felel meg a folyamatos szabályozhatóság követelményének. A Zener diódák csak a karakterisztikájuknak megfelelő feszültségérték elérésekor lépnek működésbe. Az ellenállás jelentős csökkenése sem érhető el, mert a letörési tartományban dolgozó, vezető állapotban lévő Zener dióda ellenállása a letörési feszültségtől függően aránylag nagy, és jelentősen növelheti a védőföldelés ellenállását. Munkánk célja olyan leválasztási megoldás, amely a katódos védelem működését nem zavarja, de zárlat, statikus feltöltődés, stb. esetén azonnal, jó vezető tulajdonságokkal létrejön a földelés. Találmányunkhoz az a felismerés vezetett el bennünket, hogy ha a föld és a védendő szerkezet közé folyamatosan szabályozható gyújtóáramkörrel ellátott félvezetőket is tartalmazó szerkezetet építünk be, akkor ebben a kapcsolási elrendezésben az egész rendszer a föld és a védendő fémszerkezet között fellépő feszültség hatására önmagát vezérli és széles tartományban állítható az a feszültség, ahol az ellenállás minimálisra csökken. Váltóáram esetén pedig egymással szembe, párhuzamosan kapcsolt két egység együttesen, illetve „triak” elemek látják el a feladatot. Találmányunk szerinti megoldás olyan vezérlő- - berendezéssel ellátott védőföldelés, amelynek vezérlő berendezésével potenciál alagutat képezünk. A potenciál alagúton belül a katódos védelem zavartalanul üzemeltethető, de azon kívül eső minden feszültségérték rövidzárba kerül. Váltóáram esetén is teljes értékű a vezető kapcsolat, mivel a védendő létesítmény és a föld között úgynevezett antiparalel tirisztorpárt alkalmazunk. A katódos védelem azonban nem váltóáramú, így a szabályozható feszültségküszöb kívánalma csak negatív polaritásra áll fent. Ezért az egyik tirisztort diódával helyettesítjük. A vezérlőberendezéssel ellátott védőföldelés elvi rajzát az 1., 2. és 3. ábrán mutatjuk be. Az 1 katódosan védett fémszerkezet és 2 föld közé építjük be a 23 és 24 vezeték szakaszok segítségével az egymással antiparalel kapcsolt 3 diódát és 4 tirisztort. A 3 diódát helyettesítheti 7 tirisztor (2. ábra). Illetve mindkét félvezető elemet helyettesítheti megfelelő teljesítményű 10 triak elem (3. ábra). A 4 tirisztort gyújtóáramkörrel látjuk el. A gyújtóáramkör a sorbakapcsolt 5 diódából és a 6 folyamatosan szabályozható ellenállásból áll (1. ábra). Hasonlóan 8 diódából és 9 ellenállásból áll a 7 tirisztor gyújlóáramköre (2. ábra). A 10 triakgyújtásához 11 szabályozható ellenállás tartozik (3. ábra). A kimeneteket az antiparalel kapcsolásból képezzük. A 6, 9 és 11 ellenállás értékének változtatásával szabályozható a potenciál alagút magassága. A potenciál alagút magassága 2 V-tól 20 V-ig terjed. Általában 2-3 V szükséges. A tirisztor gjujtásfeszültsége is 2-3 V. A félvezetők kiválasztásánál a várható maximális rövidzárlati áram értéke döntő. A zárófeszültség az antiparalel kapcsolás miatt nem érheti el a kritikus értéket, mivel az egyik félvezető nyitófeszültsége nem a másik zárófeszültsége. A 4. és 5. ábrán egy katódosan védett páncélú, nagyfeszültségű földkábel meghibásodása alkalmával a vezérlőberendezésen fellépő zárlati feszültség- idő diagramot mutatunk be az automatikusan vezérelt védőföldelés alkalmazása esetén. A 4, ábrán az 1. ábrának, az 5. ábrán a 2. és 3. ábrának megfelelő kapcsolású berendezés működése látható. A 12 görbe a veszélyes zárlati feszültséget jelenti. A 13 görbe a működő katódos védelmi feszültség, egyenirányítót felhasználó külső áramforrású katódos védelem esetében. Zárlat fellépésekor az 1. ábrán látható kapcsolású vezérlőberendezésen a 14 feszültség (4. ábra), a 2. és 3. ábrának megfelelő kapcsolású berendezésen a 15 feszültség alakul ki (5. ábra). A 16 vonal jelzi a beállított potenciálalagút magasságát. Az ábrákon feltüntettük az érintésvédelmi szabvány által előírt 17 küszöbfeszültséget is. Ar ábrákon a feszültségek nem méretarányosak. Az ismertetett görbék a következő területeket határolják: 5 10 15 20 25 30 '35 40 45 50 55 60 65 3
