הגנה מפני נחשולים היא שמירה על המערכות האלקטרוניות מפני זרמים ומתחים החורגים מגבולות הפעולה הבטוחים שלהם. נחשולי מתח או זרם יכולים להיווצר כתוצאה מקצרים, מברקים או מתקלה ממערכת האספקה, והם חודרים למערכות האלקטרוניות דרך החיווט בין המכשירים. הנחשולים עלולים לחדור למערכת, כמו במקרה של פגיעת ברק, דרך חיבורים גלווניים לא מכוונים במערכת האספקה או כתוצאה מעלייה של פוטנציאל האדמה. הם עלולים להיות מצומדים באופן קיבולי, כשמערכת נתונים משמשת בקרבת קווי מתח גבוה. הם עלולים להיות מצומדים באופן השראתי, כשהחיווט עובר במקביל לזרמים גבוהים של אספקה למנועי הספק גבוה.
הגדלים וצורות הגל של תופעות מעבר רבים ושונים. בין הסוגים הנפוצים אפשר למצוא:
1. ברק – למרות שפגיעת ברק יכולה לחולל נחשולים של מיליוני וולטים ועשרות אלפי אמפרים, נדיר שציוד אלקטרוני יהיה חשוף להם מאחר שקווי התקשורת שיכולים להעביר פגיעה כזו יכולים לשאת מתח עד 5 קילו–וולט וזרם עד 1 קילו–אמפר ועל כן אלו הם גבולות הפגיעה האפשריים.
2. הספק מושרה – הספק מושרה נגרם מתקלות במערכת האספקה, ולמרות שהמתח והזרם שלו יכולים להיות גבוהים, משך הזמן שהם נמשכים הוא מוגבל. תקלות כאלו מטופלות במהירות רבה למעשה בכל מערכות האספקה המודרניות באמצעות מפסק ראשי אוטומטי או בחיבור חוזר (re–closer). מאחר שתופעה זו נמשכת לרוב פחות משנייה, המודל האופייני שלה הוא צורת גל של 600 VRMS במשך פחות משנייה אחת.
3. הצטלבות מתחים – לחילופין, הצטלבויות מתחי אספקה שנגרמות משגיאות תחזוקה או מתקלות כבילה, הן אירועי מתח נמוך (מתח הרשת) וזרם מתון (פחות מ–25 אמפר), אך הן נמשכות זמן רב (למשל 15 דקות).
4. עליית פוטנציאל האדמה (EPR) – את זו אפשר לסווג בשתי צורות: תקלת מערכת האספקה או פריקת ברק. ההגנה הקיימת בדרך כלל במערכת האספקה מונעת את הסכנה הזו ממערכת האספקה. EPR הופכת להיות סיכון משמעותי כאשר מערכת ההארקה נמצאת מתחת לתקן, או בקרבת מערכות העברת הספק גבוה כמו התקני ייצור וחלוקת חשמל, בתעשייה המשתמשת בהספק גבוה ובקרבת מערכות הובלה חשמליות. בתנאים אלו יש לנהל בקפדנות את הנחשולים ולבצע הערכת מומחה לגבי סיכוני וממדי האירועים. עליית פוטנציאל אדמה מברק נגרם רק בפגיעה ישירה בבניין שבו ממוקם הציוד או בקרבתו המיידית. אירועים כאלו נדירים ביותר, אלא אם מדובר במיקום רגיש או גבוה במיוחד כמו אנטנות של תחנות בסיס סלולריות.
5. כל הצורות האחרות – כל הצורות האחרות של תופעות המעבר נושאות הספק נמוך יותר, ואינן מציבות סיכון בפני הציוד.
ההגנה שמקובלת
קיימות שתי דרכים עיקריות להגנה מפני נחשולים, חסימה או הפנייה (הסטה–shunting) של הנחשול. כמעט כל השיטות המקובלות כיום מבוצעות בארכיטקטורות הסטה בהתבסס על שתי הנחות:
1. קיום שפע של התקנים שאינם יקרים ויכולים להסיט נחשולים של מאות אמפרים ואלפי וולטים.
2. התקנים שאינם יקרים לחסימת נחשולים של מאות אמפרים ואלפי וולטים נדירים, אם בכלל קיימים.
מכאן, שההגנה המקובלת משתמשת בהסטה של הזרם. הציוד האלקטרוני יכול להינזק ממתח של עשרות וולטים ומזרמים של מאות מילי–אמפרים אם הם נמשכים יותר מכמה מיקרו–שניות, לכן ההגנה בהסטה חייבת: 1. להגיב מהר כדי שלציוד האלקטרוני המוגן יגיעו מתח וזרם בערכים נמוכים מאלו 2. להיות מסוגלת בסיכומו של דבר לקצר נחשולים שיכולים להגיע עד 1000 אמפר. בהתחשב בכך שהנחשול יכול להתפתח בתוך מיקרו–שניות ספורות, מסתבר שזו משימה לא קלה, כלל.
התקני הגנה ראשית מבוססי מוליכים למחצה מגיבים במהירות מספקת, אך הם מוגבלים בקיבולת הזרם שלהם וגודלם הפיסי המתבטא בעומס קיבולי שמגביל את רוחב הפס שלהם. התקני הגנה שאינם מוליכים למחצה כמו שפופרות פריקת גז (GDT) אינם יוצרים עומס קיבולי ויכולים לטפל בזרמים גבוהים של עשרות קילו–אמפרים, אך תגובתם איטית. שילוב של התקנים משני הסוגים האלו יכול לספק את ההגנה הדרושה.
הגנה מתואמת
בשימוש בהגנת הסטה משולבת (GDT עם תייריסטור–SCR) קיימת בעיה: כשמופיע נחשול, ההגנה במוליך למחצה תפעל מהר ותשמור את המתח נמוך למדי. בכך היא תמנע מהגנת GDT לפעול מאחר שפריצת הגז בשפופרת דורשת מתח גבוה. במקרה כזה, סביר שהמוליך למחצה יינזק.
הפתרון הוא בתיאום בין דרגות ההגנה. הצבה של עכבה (אימפדאנס) בין שתי דרגות ההגנה מבטיחה שמתח שייווצר על שפופרת הגז כתוצאה מהזרם דרך התקן ההגנה במוליך למחצה יהיה גבוה דיו כדי לעורר אותה. בתיאום הנכון הגנת GDT תפעל אחרי הגנת התייריסטור אם כי לפני שהוא ניזוק. עכבת התיאום יכולה להיות התנגדותית, קיבולית, השראתית, לא ליניארית או כל שילוב שלהם, אולם בחירה נכונה היא קריטית.
באיור 1 אנו רואים תכנון אופייני של הגנה במערכת הטלפונים בעבר.
איור 1. הגנה מקובלת. החלקים בעיגול הם הגנת המוליך למחצה ועכבת התיאום.
במציאות בחירת עכבת התיאום דורשת הבנה מעמיקה של איומי הנחשולים, ביצועי רכיבי ההגנה ורכיבי התיאום ותנאי ההפעלה שלהם, עמידות המעגל המוגן למתחים, לזרמים וביחס למשך הזמן, מאפייני מערכת התמסורת (רוחב פס, הפסדים מותרים) ופעולת הגומלין בין חלקי מעגל ההגנה הרב דרגתי.
הבעיה היא שההיבטים תלויי הזמן והתדירות של התיאום מקשים עד מאוד על תכנון ודאי של פעולת המעגל ולכן נדרשות בדיקות שיאפשרו להעריך את ביצועי המעגל. דרישה זו דרבנה את הופעתם של תקני בדיקות ותכנון. בנוסף, לכל תכנון יש חולשה מובנית, בזרמים, בנחשולים באנרגיה גבוהה או בתדירות מסוימת או בקצב חזרה מסוים, אשר מביאה לתקלות בשטח, לעלויות נוספות ולאמינות נמוכה.
ההגנה האידיאלית
הגנת התייריסטור (הדרגה המשנית) נדרשת רק כדי למנוע מאנרגיית הנחשול העוברת את דרגת GDT (העיקרית) לגרום נזק לעומס.
בהגדרה, מתח השיא בהדקים הפתוחים של האנרגיה העוברת את הדרגה הראשית חייב להיות נמוך ממתח הנחשול. לכן, דרגה משנית שתחסום את המתח הנמוך יותר והחזוי, במקום להסיט אותו, תהיה יעילה ביותר.
הדרישות מהתקן חסימה ברורות:
1. לחסימת האנרגיה העוברת את הדרגה הראשית, התקן החסימה חייב להיות טורי ולכן יגיב לזרם ולא למתח על פני העומס.
2. זרם ההפעלה של התקן החסימה (שבו ההתקן עובר ממצב הולכה למצב של אי הולכה) צריך להיות נמוך, ניתן לחיזוי ויציב.
3. התגובה של התקן החסימה חייבת להיות מהירה ביותר (פחות מ–10 ננו–שניות).
4. העכבה של התקן החסימה חייבת להיות נמוכה (התנגדותית, קיבולית והשראתית) כדי שלא ישפיע על פעולת המעגל הרגילה.
5. עכבת מצב החסימה של התקן החסימה חייבת להיות גבוהה ביותר כדי שההספק שנופל עליו יהיה נמוך.
6. ההתקן חייב להתאפס (לעבור reset) אחרי שהנחשול חלף כדי לאפשר פעולה רגילה של המערכת.
בנוסף, מסיבות כלכליות ומעשיות הוא חייב להיות קטן וזול. יחידת חסימת תופעות המעבר
(TBU) עומדת בדרישות אלו.
הדרך שבה פועלת יחידת TBU
יחידת TBU פועלת באופן כללי בהנחה שיש צורך בהתקן הסטה של זרמי הנחשולים, אך היא מחליפה את דרגת ההגנה השנייה (המוליך למחצה) ואת מעגל התיאום ברכיב יחיד. להבנת פעולתה, אפשר לתאר אותה כבלוק הגבלת זרם ובלוק ניתוק מתח והיא מגיבה לזרם יתר וגם למתח יתר.
איור 2. תרשים בלוקים פונקציונלי של יחידת TBU.
תקלות זרם יתר
איור 3. תרשים בלוקים המתאים לזרם יתר.
אירוע קצר המתרחש בזמן 1 (עיין באיור 4) מעלה את הזרם לרמת ההגבלה Iout בזמן 2 (בערך 10 ננו–שניות). בנקודה זו חלק ניתוק במתח פועל ועד זמן 3 (בערך 1 מיקרו–שניה) העומס מנותק מהנחשול. במשך יתר זמן הנחשול (זמן 4), יחידת TBU נשארת במצב ההגנה עם זרם ומתח נמוכים בעומס.
איור 4. תגובת TBU לזרם יתר.
תקלות מתח יתר
איור 5. תרשים המתאים למתח יתר
פגיעת ברק או כניסת מתח בזמן 1 (איור 6) מעלים את המתח והזרם עד שחלק הגבלת הזרם מגביל את הזרם Iout בזמן 2 (בערך 10 ננו–שניות). בנקודה זו חלק ניתוק במתח פועל ועד זמן 3 (בערך 1 מיקרו–שניה) העומס מנותק מהנחשול. במשך יתר זמן הנחשול (זמן 4), יחידת TBU נשארת במצב ההגנה עם זרם ומתח נמוכים בעומס.
איור 6. תגובת TBU למתח יתר.
בדיקת Impulsive Surge
התוצאות הבאות מציגות את תגובת TBU למתקף (impulse) ברק העולה במהירות. הבדיקה בוצעה עם מחולל מתקפים 10/1000 מיקרו–שניות כמקור ומתח שיא של 1200 וולט. הבדיקה בוצעה ללא התקן מסיט (ללא MOV).
איור 7. מעגל בדיקת מתקף ברק
העקומה התחתונה באיור 8 מציגה את מתח הכניסה והעקומה העליונה מציגה את מתח היציאה מיחידת TBU. יחידת TBU הגבילה את הזרם ל–280 מילי–אמפר בערך, ולאחר מכן ניתקה את העומס למשך יתר זמן הנחשול. המתח על פני היחידה היה 1200 וולט אחרי שהופעלה והיא התאפסה בתום הנחשול.
איור 8. בדיקת מתקף של TBU.
מתח יתר חילופין
איור 9. מעגל בדיקת מתח יתר חילופין.
עם הופעת הנחשול יחידת TBU הגיבה לזרם העולה והפעילה את הגנת העומס. היחידה נשארה במצב ההגנה במשך כל זמן המחזור של המתח הגבוה. בכל חציית מתח אפס של הנחשול, יחידת TBU התאפסה בתוך 1 מיקרו–שנייה והפעילה שנית את ההגנה בכל אחד מהמחזורים הנותרים של הבדיקה. לאחר שהתקלה סולקה, היחידה חזרה למצב הרגיל של עכבה נמוכה.
לחסום, לא להסיט
ההנחה שלא קיימים התקנים לחסימת נחשולים גרמה לכך שכיום רוב מעגלי ההגנה מפני נחשולים מורכבים מריבוי של התקני הסטה. ואולם, הזרמים שנוצרים בעת הופעת נחשול יכולים להגיע למאות אמפרים ולהמשך משנייה אחת ועד שעה אחת. מצב זה מעמיד את המעגלים (כולל שפופרות GDT, התקני MOV ותייריסטורים) במצב קשה.
עם זאת, יחידת חסימת תופעות המעבר (TBU) הוכיחה שההנחה שגויה וכתוצאה אפשר לחסום נחשולים ביעילות ולמנוע מרמות גבוהות של אנרגיה לפגוע בהתקנים אלקטרוניים רגישים.
סיכום
יחידת TBU מספקת הגנה בחסימה נגד פגיעת מתח גבוה וברקים. יתרונותיה כוללים הגנת מתח יתר וזרם יתר בהתקן יחיד, בצועים מהירים ביותר, זרם ומתח מדויקים במוצא, רוחב פס גבוה מאוד וגודל קטן. ביצועי היחידה עולים על דרישות GR–1089 של Telcordia
ו–K.20/K.21 של ITU והיא תואמת לקצבי נתונים בסדרי גודל של ג’יגה–הרץ.
