Iskierniki gazowe

Te elementy składają się z dwóch lub trzech elektrod umieszczonych w obudowie, która jest wypełniona nieradioaktywnym gazem szlachetnym o określonym ciśnieniu. Obudowa jest rurką ceramiczną zakończoną z obu stron metalowymi wieczkami, które służą za elektrody.

Iskierniki stosowane są przede wszystkim do ochrony przewodów telekomunikacyjnych, znajdują jednak także szerokie zastosowanie w innych dziedzinach. Firma CITEL produkuje iskierniki gazowe od ponad 70 lat i tylko w ciągu ostatnich 30 lat wyprodukowała ponad 500 milionów sztuk, dzięki czemu jest drugim na świecie producentem iskierników.

Sposób funkcjonowania

Iskiernik gazowy zachowuje się jak bardzo szybki przełącznik, który przy wystąpieniu określonego napięcia zapłonu w wyjątkowo krótkim czasie zmienia swoje własności przewodzenia z izolatora na „zwarcie” (napięcie łuku ok. 20V). W związku z tym iskiernik gazowy może przyjmować cztery stany pracy:

Stan uśpienia:

Osiągany jest przez praktycznie nieograniczoną impedancję izolacyjną (zwykle >10 GΩ).

Napięcie świecenia:

Przy wystąpieniu napięcia zapłonu w iskierniku wzrasta przewodność w sposób gwałtowny. Kiedy odprowadzany prąd wynosi mniej niż 0,5A (to jest przybliżona wartość zależna od wykonania iskiernika), to na zaciskach pojawia się tzw. napięcie świecenia w zakresie 80-100V.

Wyładowanie łukowe:

W miarę jak wzrasta prąd w iskierniku gazowym zamiast napięcia świecenia pojawia się napięcie łuku elektrycznego wynoszące ok. 20V. W tym stanie iskiernik gazowy jest najbardziej wydajny, gdyż może odprowadzać do ziemi prąd o wartości wielu kA, a przy tym napięcie na zaciskach nie wzrasta.

Gaszenie:

Gdy napięcie układu spada poniżej napięcia zapłonu i osiąga wartość zbliżoną do wartości napięcia świecenia, iskiernik powraca do swoich pierwotnych właściwości izolacyjnych.

Właściwości elektryczne

Iskierniki gazowe można scharakteryzować przy pomocy następujących parametrów:

  • napięcie zapłonu DC
  • wytrzymałość na prąd wyładowczy
  • rezystancja izolacji
  • pojemność

Napięcie zapłonu DC

To jest najważniejszy parametr, który opisuje działanie iskiernika gazowego. Chodzi tu o napięcie, przy którym pomiędzy elektrodami nastąpi wyładowanie, gdy do iskiernika przyłożymy wolno rosnące napięcie (dV/dt=100 V/s). Napięcie zapłonu jest uzależnione od odległości między elektrodami, ciśnienia i właściwości gazu oraz substancji pokrywającej elektrody.

Dostępne wykonania z napięciem zapłonu:

  • minimalne napięcie: 75V
  • średnie napięcie: 230V
  • wysokie napięcie: 500V
  • bardzo wysokie napięcie: 1000 do 3000V

Zakres tolerancji dla napięcia zapłonu wynosi generalnie ± 20%.

Prąd wyładowczy

Ten parametr jest uzależniony od właściwości i objętości gazu, materiału, z którego są wykonane i czym są pokryte elektrody. Prąd wyładowczy to ważny parametr iskiernika i odróżnia go od innych elementów ochrony przepięciowej, jak warystory i diody. Dla standardowych elementów wynosi on dla impulsu 8/20 µs pomiędzy 5 i 20kA.

Taki prąd wyładowczy iskiernik gazowy wytrzymuje wielokrotnie (badanie testowe to 10 takich impulsów) bez wpływu na jego budowę i parametry.

Rezystancja izolacji i pojemność

Te wielkości są tak dobrane, aby zainstalowany iskiernik gazowy w stanie nieprzewodzącym był możliwie „niewidoczny” dla układu elektrycznego. Rezystancja izolacyjna jest bardzo wysoka tj. >10 GΩ, a pojemność bardzo mała tj. <1 pF.

Wykonanie z 3 elektrodami

Jeżeli przewód dwużyłowy (przykładowo przewód telefoniczny) jest chroniony dwoma iskiernikami gazowymi o 2 elektrodach, które są włączone między przewód a uziemienie, może wystąpić następujący problem:

W obydwu chronionych przewodach występuje przepięcie. Z powodu tolerancji ±20% w zakresie napięcia zapłonu jeden z dwóch iskierników zadziała minimalnie szybciej (kilka mikrosekund) niż drugi. Przewód, w którym zadziałał iskiernik jako pierwszy, jest więc już uziemiony (przez wyładowanie łukowe), a drugi jeszcze nie, a więc dochodzi między tymi przewodami do bardzo dużej różnicy potencjałów. Dla chronionego urządzenia może to być przez te kilka mikrosekund bardzo groźne, zanim nie zadziała drugi iskiernik. Wykonanie z 3 elektrodami rozwiązuje ten problem, gdyż zadziałanie jednego bieguna powoduje prawie natychmiast (kilka nanosekund) zadziałanie drugiego bieguna, gdyż oba znajdują się w tej samej obudowie wypełnionej gazem.

Uszkodzenie iskiernika

Iskierniki gazowe są tak zbudowane, aby wytrzymały wiele impulsów prądu wyładowczego i nie uległy uszkodzeniu (przykładowo testuje się je 10 impulsami 5kA). Inaczej jednak zachowa się iskiernik, gdy zostanie obciążony stosunkowo dużym prądem przez dłuższy czas np. 10A przez 15 sekund, co może wystąpić w przypadku zerwania się linii średniego napięcia i jej upadku na linie telefoniczne. W tym przypadku iskiernik zostanie zniszczony.

Jeżeli chcemy, aby przed końcowym uszkodzeniem iskiernik właściwie zadziałał (użytkownik dowie się o zwarciu), należy wybrać specjalny iskiernik gazowy z opcją zewnętrznego zwarcia.

Normy

Iskierniki gazowe firmy CITEL spełniają specyfikację i wymagania najważniejszych firm telekomunikacyjnych (np. France Telecom, British Telecom) jak też międzynarodowe zalecenia ITU-T K12 i normy IEC 61643-31x.

Produkty firmy CITEL

Firma CITEL oferuje szeroką paletę kilkuset iskierników gazowych, które spełniają większość wymagań i specyfikacji technicznych:

  • iskierniki gazowe z 2 i 3 elektrodami
  • napięcie zadziałania od 75 do 3500V
  • odprowadzanie prądów wyładowczych od 5 do 150kA (8/20 µs)
  • zewnętrzny element zwarciowy jako opcja
  • montaż na podkładkach, płytkach, w złączkach oraz na powierzchniach elementów

Iskierniki gazowe GSG i GDT

Bazując na przeszło 70-letnich doświadczeniach w produkcji iskierników gazowych jak też wyjątkowej znajomości zagadnień technicznych firma CITEL rozwinęła specjalną technologię produkcji iskierników gazowych (Gas-filled Spark Gap, GSG).

Te elementy znajdują zastosowanie w sieciach prądu zmiennego. Posiadają one zarówno w zakresie prądów udarowych o kształcie fali 10/350 µs jak i prądów wyładowczych 8/20 µs wyjątkowo dobre zdolności gaszenia tych prądów jak też wysoką zdolność ich odprowadzania.

Iskierniki gazowe GSG stanowią serce technologii VG, która w porównaniu do technologii iskierników powietrznych charakteryzuje się dużo lepszymi parametrami technicznymi i nie posiada wad tego drugiego rozwiązania.

CITEL produkuje około 20 specjalnych typów GSG i stosowane są one prawie wyłącznie we własnych ograniczni­kach przepięć jak np. w technologii VG.

Iskierniki GDT (Gas Discharge Tube) produkowane są przez firmę CITEL w około tysiącu wykonań i sprzedawane są wszystkim zainteresowanym.