Выравниватели — это полупроводниковые защитные приборы, которые являются нелинейными резисторами с высокой способностью поглощать энергию, сопутствующую перенапряжениям. В отличие от разрядника выравниватель не имеет искрового промежутка. Его основным элементом является вентильный диск, нелинейная вольт-амперная характеристика которого выражается следующей зависимостью:
где I — ток, проходящий через выравниватель;
В — коэффициент, зависящий от материала вентильного диска;
U — приложенное напряжение;
β — коэффициент нелинейности.
Из уравнения (1) следует, что сопротивление вентильного диска зависит от приложенного напряжения: уменьшается с увеличением напряжения и возрастает с его снижением.
Рис. 12. Оксидно-цинковый выравниватель ВОЦШ-110 и выравниватель ВОЦШ-220:
1 — линейный зажим; 2 — тарельчатая пружина; 3 — вентильный диск; 4 — крышка
Нелинейные свойства вентильного диска прямо пропорциональны значению коэффициента нелинейности β. Вольт-амперные характеристики ВАХ выравнивателей имеют симметричные одинаковые ветви. Следовательно, они могут пропускать импульсы тока в обоих направлениях. Практически выравниватели — безынерционные защитные приборы. Время их срабатывания измеряется миллимикросекундами, т. е. они срабатывают в 1000 раз быстрее разрядников, поэтому выравниватели нашли применение в качестве' дополнительного каскада защиты ПП.
Выравниватели включают, как правило, параллельно защищаемому прибору для выравнивания потенциалов, возникающих при воздействии грозовых разрядов. При относительно низком рабочем напряжении электрической цепи сопротивление выравнивателя велико и не оказывает какого-либо влияния на ее работу. В случае появления импульсов перенапряжений сопротивление его резко снижается, что вызывает шунтирование защищаемого прибора. После прохождения импульсов перенапряжений сопротивление выравнивателя восстанавливается до прежнего значения. Таким образом, выравниватели являются защитными приборами многократного действия. Под действием рабочего напряжения электрической цепи сопровождающие токи в них не возникают. Выравниватели имеют высокую механическую прочность, обеспечивающую стабильность электрических параметров при вибрациях, вызываемых движением поездов. Они просты по конструкции и не требуют особого ухода.
На сети железных дорог для грозозащиты нашли широкое применение керамические и оксидно-цинковые выравниватели.
Оксидно-цинковый выравниватель ВОЦШ-110 (В — выравниватель, ОЦ — оксидно-цинковый, Ш — штепсельного типа, 110 — рабочее напряжение электрических цепей) состоит из устанавливаемого на стандартной двухштырной колодке СЦБ вентильного диска (рис. 12). В качестве последнего используют оксидно-цинковые варисторы СН2-2А с классификационными напряжениями от 330 до 390 В.
Выравниватель ВОЦШ-220 (для электрических цепей напряжением 220 В), в нем в качестве вентильного диска использованы варисторы СН2-2А с более высокими классификационными напряжениями (от 420 до 510 В). Их основные электрические параметры приведены ниже.
| ВОЦШ-110 | ВОЦШ-220 |
Номинальное напряжение переменного тока, В | 110 | 220 |
Ток утечки, мА, при номинальном напряжении переменного тока не более | 0,5 | 0,5 |
Керамические выравниватели ВК-10 применяют на участкам железных дорог с автономной тягой для грозозащиты рельсовых цепей с рабочим напряжением не более 10 В (рис. 13). Его основные параметры приведены ниже.
Керамические выравниватели
В К-20 имеют вентильный диск с более высоким, чем у ВК-10, сопротивлением и меньшим током утечки. Их устанавливают в РЦ- с автономной тягой, напряжение которых 20 В.
Ток утечки оксидно-цинковых и керамических выравнивателей по сравнению с разрядниками относительно большой, и поэтому для защиты установок проводной связи их не применяют. Сопротивление, выравнивателя зависит от температуры окружающей среды, что следует принимать во внимание при разработке схем защиты ПП. Следует также учитывать относительно высокую емкость выравнивателей. Если в разрядниках межэлектродная емкость составляет 5-40 пФ, то в выравнивателях она достигает сотен пикофарад.
Рис. 13. Керамический выравниватель ВК-10 (ВК-20):
1 — линейный зажим; 2 — вентильный диск; 3 — изоляционная втулка; 4 — стяжной винт; 5 — двухштырная колодка СЦБ
Как было отмечено, выравниватели включают параллельно защищаемому ПП для ограничения поперечных перенапряжений. Иногда их используют в качестве разрядников и включают между проводом и землей. Для надежной защиты необходимо, чтобы максимальное остающееся напряжение выравнивателя (напряжение на защищаемом ПП) было на 25—40% ниже импульсной электрической прочности ПП (если оно приложено к ρ-n переходу в обратном направлении) или ниже напряжения, при котором определяется импульсная токонесущая способность ПП (если оно приложено к р-п переходу в прямом направлении). Такая разность напряжений обеспечивает эффективную защиту при снижении электрической прочности ПП в эксплуатационных условиях (например, при повышении температуры окружающей среды) или в случае увеличения длительности импульса, воздействующего на ПП, при котором токонесущая способность ПП понижается.
Для исключения опасного электромагнитного влияния токов молнии на монтажные провода ПП выравниватели целесообразно устанавливать ближе к источнику перенапряжений.