Hoe werk Surge Protective Device (SPD)

Hoe werk Surge Protective Device (SPD)

Die vermoë van 'n SPD om oorspannings op die elektriese verspreidingsnetwerk te beperk deur die herleiding van stroomstrome, is 'n funksie van die oorspanningsbeskermende komponente, die meganiese struktuur van die SPD en die verbinding met die elektriese verspreidingsnetwerk. 'N SPD is bedoel om die verbygaande oorspannings te beperk en die stroom, of albei, af te lei. Dit bevat ten minste een nie -lineêre komponent. In die eenvoudigste terme, is SPD's bedoel om verbygaande oorspannings te beperk met die doel om skade aan toerusting en stilstand te voorkom as gevolg van tydelike spanningstygings wat die toestelle bereik wat hulle beskerm.

Oorweeg byvoorbeeld 'n watermeul wat deur 'n drukontlastingsklep beskerm word. Die drukontlasklep doen niks totdat 'n oordrukpuls in die watertoevoer voorkom nie. As dit gebeur, kan die klep oopgaan en die ekstra druk opsy skuif, sodat dit nie by die waterwiel kom nie.

As die ontstekingsklep nie teenwoordig was nie, kan oormatige druk die waterwiel, of dalk die koppeling van die saag, beskadig. Alhoewel die ontstekingsklep op sy plek is en behoorlik werk, sal 'n oorblyfsel van die drukpuls steeds by die wiel kom. Maar die druk sal genoeg verminder word om nie die waterwiel te beskadig of die werking daarvan te onderbreek nie. Dit beskryf die werking van SPD's. Dit verlaag oorgange tot vlakke wat die werking van sensitiewe elektroniese toerusting nie sal beskadig of ontwrig nie.

Tegnologieë gebruik

Watter tegnologie word in SPD's gebruik?

Van IEEE Std. C62.72: 'n Paar algemene oorspanningsbeskermende komponente wat gebruik word in die vervaardiging van SPD's, is metaaloksiedvaristors (MOV's), lawine breakdown diodes (ABD's-voorheen bekend as silicium lawine diodes) of gasontladingsbuise (GDT's). MOV's is die mees gebruikte tegnologie vir die beskerming van wisselstroomkringe. Die oplewingstroomgraad van 'n MOV hou verband met die dwarssnitarea en die samestelling daarvan. Oor die algemeen, hoe groter die deursnee-oppervlakte, hoe hoër is die stroomsterkte van die toestel. MOV's het gewoonlik 'n ronde of reghoekige meetkunde, maar kom in 'n magdom standaard afmetings wat wissel van 7 mm (0.28 duim) tot 80 mm (3.15 duim). Die spanningsstroomwaardes van hierdie oorspanningsbeskermende komponente wissel baie en is afhanklik van die vervaardiger. Soos vroeër bespreek in hierdie klousule, deur die MOV's in 'n parallelle skikking te verbind, kan 'n oplewingstroomwaarde bereken word deur eenvoudig die oplewingstroomgraderings van die individuele MOV's bymekaar te tel om die stroomsterkte van die skikking te verkry. Daarby moet die koördinering van die werkingseienskappe van die gekose MOV's in ag geneem word.

Daar is baie hipoteses oor watter komponent, watter topologie en die implementering van spesifieke tegnologie die beste SPD lewer vir die afleiding van opleidingsstroom. In plaas daarvan om al die opsies aan te bied, is dit die beste dat die bespreking van die stroomsterkingsgradering, nominale ontladingsstroomgradering of oplewingstroomfunksies draai oor prestasietoetsdata. Ongeag die komponente wat in die ontwerp gebruik word, of die spesifieke meganiese struktuur wat ontplooi is, wat belangrik is, is dat die SPD 'n oplewingstroom of nominale ontladingstroom het wat geskik is vir die toepassing.

'N Meer uitgebreide beskrywing van hierdie komponente volg. Die komponente wat in SPD's gebruik word, wissel aansienlik. Hier is 'n voorbeeld van die komponente:

• Metaaloksied varistor (MOV)

Gewoonlik bestaan ​​MOV's uit 'n ronde of reghoekige liggaam van gesinterde sinkoksied met geskikte bymiddels. Ander tipes wat gebruik word, sluit in buisvormige vorms en meerlagige strukture. Varistors het metaaldeeltjie -elektrodes wat bestaan ​​uit 'n silwer legering of ander metaal. Die elektrodes is moontlik op die liggaam aangebring deur sifting en sintering of deur ander prosesse, afhangende van die metaal wat gebruik word. Varistors het ook dikwels draad- of lipkabels of 'n ander tipe beëindiging wat aan die elektrode gesoldeer is.

Die basiese geleidingsmeganisme van MOV's is die gevolg van halfgeleier -aansluitings aan die grens van die sinkoksiedkorrels wat tydens 'n sinterproses gevorm word. Die varistor kan beskou word as 'n multi-junction-toestel met baie korrels wat in serie-parallelle kombinasie tussen die terminale werk. 'N Skematiese dwarssnit van 'n tipiese varistor word in figuur 1 getoon.

Varistors het die eienskap om 'n relatief klein spanningsverandering oor hul terminale te handhaaf, terwyl die spanningsstroom wat daardeur vloei oor dekades se grootte wissel. Hierdie nie -lineêre aksie stel hulle in staat om die stroom van 'n oplewing af te lei wanneer hulle in 'n shunt oor die lyn verbind word en die spanning oor die lyn beperk tot waardes wat die toerusting wat aan die lyn gekoppel is, beskerm.

• Avalanche Breakdown Diode (ADB)

Hierdie toestelle staan ​​ook bekend as silicium lawine diode (SAD) of transient voltage suppressor (TVS). Die afbreekdiode van die PN -aansluiting, in sy basiese vorm, is 'n enkele PN -aansluiting wat bestaan ​​uit 'n anode (P) en 'n katode (N). Sien Figuur 2a. In DC -stroomtoepassings is die beskermer omgekeerd bevooroordeeld, sodat 'n positiewe potensiaal op die katode (N) kant van die toestel toegepas word. Sien Figuur 2b.

Die lawine -diode het drie bedryfsgebiede, 1) voorwaartse vooroordeel (lae impedansie), 2) af -toestand (hoë impedansie) en 3) omgekeerde vooroordeel (relatief lae impedansie). Hierdie streke kan gesien word in Figuur 3. In die voorwaartse vooroordeelmodus met 'n positiewe spanning op die P -gebied, het die diode 'n baie lae impedansie sodra die spanning die voorwaartse voorspanningsdiodespanning, VFS, oorskry. VFS is gewoonlik minder as 1 V en word hieronder gedefinieer. Die af -toestand strek van 0 V tot net onder 'n positiewe VBR in die N -streek. In hierdie gebied is die enigste strome wat vloei, temperatuurafhanklike lekstrome en Zener -tonnelstrome vir diodes met 'n lae deurbraak. Die omgekeerde vooroordeel -afbreekgebied begin met 'n positiewe VBR op die N -streek. By VBR word elektrone wat die aansluiting oorsteek genoeg versnel deur die hoë veld in die aansluitingsgebied dat elektronbotsings daartoe lei dat 'n waterval, of stortvloed, van elektrone en gate ontstaan. Die gevolg is 'n skerp daling in die weerstand van die diode. Beide die voorwaartse vooroordeel- en omgekeerde vooroordeel -afbreekgebiede kan vir beskerming gebruik word.

Die elektriese eienskappe van 'n lawine -diode is intrinsiek asimmetries. Daar word ook simmetriese lawine -diode -beskermingsprodukte, bestaande uit rug -tot -rug -aansluitings, vervaardig.

• Gasontladingsbuis (GDT)

Gasontladingsbuise bestaan ​​uit twee of meer metaalelektrode wat deur 'n klein gaping geskei is en vasgehou word deur 'n keramiek- of glasiesilinder. Die silinder is gevul met 'n edelgasmengsel, wat tot 'n gloeiende ontlading lei en uiteindelik 'n boogtoestand wanneer voldoende spanning op die elektrodes aangewend word.

As 'n stadig stygende spanning oor die gaping 'n waarde bereik wat hoofsaaklik bepaal word deur die elektrodespasiëring, gasdruk en gasmengsel, begin die aanskakelproses met die vonk (afbraak) spanning. Sodra vonkie plaasvind, is verskillende bedryfstoestande moontlik, afhangende van die eksterne stroombaan. Hierdie toestande word getoon in Figuur 4. By strome minder as die gloei-tot-boog-oorgangstroom, bestaan ​​daar 'n gloedgebied. By lae strome in die gloeistreek is die spanning byna konstant; By hoë gloedstrome kan sommige soorte gasbuise 'n abnormale gloedgebied binnedring waarin die spanning toeneem. Buite hierdie abnormale gloedgebied neem die impedansie van die gasontladingsbuis af in die oorgangsgebied na die laagspanningsboogtoestand. Die boog-tot-gloei-oorgangsstroom kan laer wees as die gloei-tot-boog-oorgang. Die GDT -elektriese eienskap, in samewerking met die eksterne stroombane, bepaal die vermoë van die GDT om te blus na die deurloop van 'n oplewing, en bepaal ook die energie wat tydens die oplewing in die afskakelaar verdwyn.

As die toegepaste spanning (bv. Transient) vinnig styg, kan die tyd wat dit neem vir die ionisasie-/boogvormingsproses, die transiente spanning moontlik toelaat om die waarde te oorskry wat nodig was vir die afbreek in die vorige paragraaf. Hierdie spanning word gedefinieer as die impuls-afbreekspanning en is oor die algemeen 'n positiewe funksie van die stygingstempo van die toegepaste spanning (oorgang).

'N Enkele kamer drie-elektrode GDT het twee holtes geskei deur 'n middelringelektrode. Deur die gat in die middelelektrode kan gasplasma uit 'n geleidende holte geleiding in die ander holte begin, alhoewel die ander holtespanning moontlik onder die vonkspanning is.

As gevolg van hul skakelwerking en robuuste konstruksie, kan GDT's ander SPD-komponente oorskry in stroomdraende vermoë. Baie GDT's vir telekommunikasie kan maklik strome tot 10 kA (8/20 µs golfvorm) dra. Afhangende van die ontwerp en grootte van die GDT, kan voorts oorstromings van> 100 kA bereik word.

Die konstruksie van gasontladingsbuise is sodanig dat hulle 'n baie lae kapasitansie het - gewoonlik minder as 2 pF. Dit laat hulle toe in baie hoëfrekwensiekringtoepassings.

As GDT's werk, kan hulle hoëfrekwensie-straling opwek, wat sensitiewe elektronika kan beïnvloed. Dit is dus verstandig om GDT -stroombane op 'n sekere afstand van die elektronika te plaas. Die afstand hang af van die sensitiwiteit van die elektronika en hoe goed die elektronika beskerm word. 'N Ander metode om die effek te vermy, is om die GDT in 'n afgeslote omhulsel te plaas.

Definisies vir GDT

'N Gaping, of 'n paar gapings met twee of drie metaalelektrode wat hermeties verseël is sodat gasmengsel en druk onder beheer is, wat ontwerp is om apparaat of personeel, of albei, te beskerm teen hoë tydelike spanning.

Or

'N Gaping of gapings in 'n ingeslote afvoermedium, behalwe lug by atmosferiese druk, wat ontwerp is om apparaat of personeel, of albei, te beskerm teen hoë tydelike spannings.

• LCR filters

Hierdie komponente verskil in:

• energievermoë
• beskikbaarheid
• betroubaarheid
• kos
• effektiwiteit

Van IEEE Std C62.72: Die vermoë van 'n SPD om oorspannings op die elektriese verspreidingsnetwerk te beperk deur oorstroomstrome af te lei, is 'n funksie van die oorspanningsbeskermende komponente, die meganiese struktuur van die SPD en die verbinding met die elektriese verspreidingsnetwerk. 'N Paar algemene oorspanningsbeskermende komponente wat gebruik word by die vervaardiging van SPD's, is MOV's, SASD's en gasontladingsbuise, met MOV's wat die grootste gebruik het. Die oplewingstroomgraad van 'n MOV hou verband met die dwarssnitarea en die samestelling daarvan. Oor die algemeen, hoe groter die deursnee-oppervlakte is, hoe hoër is die stroomsterkte van die toestel. MOV's het gewoonlik 'n ronde of reghoekige meetkunde, maar kom in 'n magdom standaard afmetings wat wissel van 7 mm (0.28 in) tot 80 mm (3.15 in). Die spanningsstroomwaardes van hierdie oorspanningsbeskermende komponente wissel baie en is afhanklik van die vervaardiger. Deur die MOV's in 'n parallelle skikking te verbind, kan 'n teoretiese stroomsterkingsberekening bereken word deur eenvoudig die huidige graderings van die individuele MOV's bymekaar te tel om die stroomsterkte van die skikking te verkry.

Daar is baie hipoteses oor watter komponent, watter topologie en die ontplooiing van spesifieke tegnologie die beste SPD lewer om afleidingsstroom af te lei. In plaas daarvan om al hierdie argumente aan te bied en die leser hierdie onderwerpe te laat ontsyfer, is dit die beste dat die bespreking van die huidige stroomgradering, nominale ontladingstroomgradering of oplewingstroomvermoë draai oor prestasietoetsdata. Ongeag die komponente wat in die ontwerp gebruik word, of die spesifieke meganiese struktuur wat ontplooi is, wat belangrik is, is dat die SPD 'n oplewingstroomwaarde of nominale ontladingsstroomgradering het wat geskik is vir die toepassing en, waarskynlik die belangrikste, dat die SPD die oorgang beperk. oorspanning tot vlakke wat skade aan die toerusting wat beskerm word, voorkom, gegewe die verwagte oplewingomgewing.

Basiese werkmodusse

Die meeste SPD's het drie basiese werkswyses:

• wag
• verplaas

In elke modus vloei die stroom deur die SPD. Wat egter nie verstaan ​​kan word nie, is dat daar in elke modus 'n ander tipe stroom kan bestaan.

Die afwagtingsmodus

Onder normale kragsituasies wanneer 'skoon krag' in 'n elektriese verspreidingstelsel voorsien word, verrig die SPD minimale funksie. In die afwagtingsmodus wag die SPD op 'n oorspanning en verbruik dit min of geen wisselstroom nie; hoofsaaklik die wat deur die moniteringbane gebruik word.

Die afleidingsmodus

By die waarneming van 'n verbygaande oorspanningsgebeurtenis, verander die SPD in die herlei -modus. Die doel van 'n SPD is om die skadelike impulsstroom van kritieke ladings af te lei, terwyl die gevolglike spanningsgrootte terselfdertyd verminder word tot 'n lae, onskadelike vlak.

Soos gedefinieer deur ANSI/IEEE C62.41.1-2002, duur 'n tipiese stroomoorgang slegs 'n fraksie van 'n siklus (mikrosekondes), 'n fragment van tyd in vergelyking met die deurlopende vloei van 'n sinusvormige sein van 60Hz.

Die omvang van die stroom is afhanklik van die bron. Weerlig slaan byvoorbeeld op wat in seldsame gevalle stroomgroottes van meer as 'n paar honderd duisend ampère kan bevat. Binne 'n fasiliteit sal intern gegenereerde verbygaande gebeurtenisse egter laer stroomsterkte produseer (minder as 'n paar duisend of honderd ampère).

Aangesien die meeste SPD's ontwerp is om groot opleidingsstrome te hanteer, is die prestasie -maatstaf van die produk die getoetsde nominale afvoerstroom (in) van die produk. Hierdie groot stroomsterkte, wat dikwels verwar word met foutstroom, maar nie verwant nie, is 'n aanduiding van die herhaalde weerstand van die produk.

Van IEEE Std. C62.72: Die nominale ontladingsstroomgradering oefen die vermoë van 'n SPD uit om herhaalde stroomstuwings (15 totale stygings) van 'n geselekteerde waarde te ondergaan sonder skade, agteruitgang of 'n verandering in die gemete beperking van die prestasie van 'n SPD. Die nominale ontladingsstroomtoets bevat die hele SPD, insluitend alle spanningskermkomponente en interne of eksterne SPD -ontkoppelaars. Tydens die toets mag geen komponent of ontkoppelaar misluk, die kring oopmaak, beskadig of afbreek nie. Om 'n spesifieke gradering te behaal, moet die gemete beperking van die prestasievlak van die SPD gehandhaaf word tussen die voor-toets en die na-toets vergelyking. Die doel van hierdie toetse is om die vermoë en prestasie van 'n SPD aan te toon in reaksie op spannings wat in sommige gevalle ernstig is, maar wat verwag kan word by die dienstoerusting, binne 'n fasiliteit of op die installasieplek.

Byvoorbeeld, 'n SPD met 'n nominale ontladingsstroomvermoë van 10,000 of 20,000 ampère per modus, beteken dat die produk in elk van die beskermingsmetodes 'n kortstondige stroomsterkte van 10,000 of 20,000 ampère ten minste 15 keer veilig kan weerstaan.

Scenario's vir die einde van die lewe

Van IEEE Std C62.72: Die grootste bedreiging vir die langtermynbetroubaarheid van SPD's is moontlik nie oplewing nie, maar die herhaalde kortstondige of tydelike oorspannings (TOV's of "deinings") wat op die PDS kan voorkom. SPD's met 'n MCOV-wat benaderlik naby die nominale stelsel spanning is, is meer vatbaar vir sulke oorspannings wat kan lei tot voortydige veroudering van SPD of voortydige einde van die lewe. 'N Duimreël wat gereeld gebruik word, is om te bepaal of die MCOV van die SPD ten minste 115% van die nominale stelsel spanning is vir elke spesifieke beskermingsmetode. Dit sal toelaat dat die SPD nie geraak word deur die normale spanningsvariasies van die PDS nie.

Afgesien van volgehoue ​​oorspanningsgebeurtenisse, kan SPD's egter mettertyd verouder, of agteruitgaan, of hul toestand na beëindiging bereik, as gevolg van oplewings wat die SPD's se graderings vir oplewingstroom oorskry, die tempo van voorkoms van oplewing, die duur van die oplewing , of die kombinasie van hierdie gebeure. Herhalende opleidingsgebeurtenisse met 'n beduidende amplitude oor 'n tydperk kan die SPD -komponente oorverhit en veroorsaak dat die spanningskomponente verouder. Voorts kan herhaaldelike oplewings veroorsaak dat SPD -ontkoppelaars wat termies geaktiveer word, voortydig werk as gevolg van die verhitting van die oorspanningsbeskermende komponente. Die kenmerke van 'n SPD kan verander namate dit sy dienstoestand bereik-byvoorbeeld, die gemete beperkingspannings kan toeneem of afneem.

In 'n poging om agteruitgang as gevolg van oorstromings te voorkom, ontwerp baie SPD -vervaardigers SPD's met hoë stroomsterkte, óf deur fisies groter komponente te gebruik óf deur verskeie komponente parallel aan te sluit. Dit word gedoen om die waarskynlikheid te vermy dat die waardering van die SPD as 'n vergadering oorskry word, behalwe in baie seldsame en uitsonderlike gevalle. Die sukses van hierdie metode word ondersteun deur die lang lewensduur en geskiedenis van bestaande geïnstalleerde SPD's wat op hierdie manier ontwerp is.

Met betrekking tot die koördinasie van SPD en, soos gesê met betrekking tot die stroomsterkings, is dit logies dat 'n SPD met 'n hoër stroomsterkte by die diensapparaat geleë is waar die PDS die meeste blootgestel word aan oorstromings om te help met die voorkoming van voortydige veroudering; Intussen kan SPD's van die dienstoerusting af, wat nie blootgestel is aan eksterne bronne van oplewing nie, 'n laer waardering hê. Met 'n goeie ontwerp en koördinasie van 'n oorstromingsbeskermende stelsel, kan voortydige veroudering van die SPD vermy word.

Ander oorsake van SPD -mislukking sluit in:

• Installasie foute
• Verkeerde toepassing van 'n produk vir sy spanning
• Volgehoue ​​oorspanningsgebeurtenisse

As 'n onderdrukkingskomponent misluk, doen dit dit meestal as 'n kort, wat veroorsaak dat stroom deur die mislukte komponent begin vloei. Die hoeveelheid stroom wat beskikbaar is om deur hierdie mislukte komponent te vloei, is 'n funksie van die beskikbare foutstroom en word aangedryf deur die kragstelsel. Gaan na SPD -veiligheidsverwante inligting vir meer inligting oor foutstrome.