كيف يعمل جهاز حماية الطفرة (SPD)

 

إن قدرة SPD على الحد من الجهد الزائد على شبكة التوزيع الكهربائي عن طريق تحويل التيارات المفاجئة هي وظيفة لمكونات الحماية من زيادة التيار ، والهيكل الميكانيكي لـ SPD ، والاتصال بشبكة التوزيع الكهربائي. يهدف SPD إلى الحد من الجهد الزائد العابر وتحويل تيار التيار ، أو كليهما. يحتوي على مكون غير خطي واحد على الأقل. في أبسط العبارات ، تهدف أجهزة SPD إلى الحد من الجهد الزائد العابر بهدف منع تلف المعدات ووقت تعطلها بسبب ارتفاعات الجهد العابر التي تصل إلى الأجهزة التي تحميها.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك مطحنة مائية محمية بصمام تنفيس الضغط. لا يقوم صمام تخفيف الضغط بأي شيء حتى يحدث نبضة ضغط زائد في مصدر المياه. عندما يحدث ذلك ، يفتح الصمام ويحول الضغط الإضافي جانبًا ، بحيث لا يصل إلى عجلة المياه.

إذا لم يكن صمام التنفيس موجودًا ، فقد يؤدي الضغط الزائد إلى إتلاف عجلة المياه ، أو ربما الوصلة الخاصة بالمنشار. على الرغم من أن صمام التنفيس في مكانه ويعمل بشكل صحيح ، فإن بعض بقايا نبضة الضغط ستظل تصل إلى العجلة. لكن الضغط سينخفض ​​بدرجة كافية لعدم إتلاف عجلة المياه أو تعطيل تشغيلها. يصف هذا عمل SPDs. أنها تقلل من العابرين إلى مستويات لن تضر أو ​​تعطل تشغيل المعدات الإلكترونية الحساسة.

التقنيات المستخدمة

ما هي التقنيات المستخدمة في أجهزة SPD؟

من IEEE Std. C62.72: بعض المكونات الشائعة الواقية من زيادة التيار المستخدمة في تصنيع أجهزة SPD هي متغيرات أكسيد المعادن (MOVs) ، وثنائيات الانهيار الجليدي (ABDs - المعروفة سابقًا باسم ثنائيات السيليكون الانهيار أو SADs) ، وأنابيب تفريغ الغاز (GDTs). MOVs هي التقنية الأكثر استخدامًا لحماية دوائر طاقة التيار المتردد. يرتبط تصنيف التيار المفاجئ لـ MOV بالمنطقة المقطعية وتكوينها. بشكل عام ، كلما زادت مساحة المقطع العرضي ، زاد تصنيف التيار الزائد للجهاز. تكون MOVs بشكل عام ذات هندسة مستديرة أو مستطيلة ولكنها تأتي في عدد كبير من الأبعاد القياسية التي تتراوح من 7 مم (0.28 بوصة) إلى 80 مم (3.15 بوصة). تتفاوت معدلات الزيادة الحالية لمكونات الحماية من زيادة التيار بشكل كبير وتعتمد على الشركة المصنعة. كما تمت مناقشته سابقًا في هذا البند ، من خلال توصيل MOVs في مصفوفة متوازية ، يمكن حساب قيمة التيار المفاجئ ببساطة عن طريق إضافة تصنيفات التيار الزائد لكل من MOVs معًا للحصول على تصنيف التيار الزائد للمصفوفة. عند القيام بذلك ، ينبغي النظر في تنسيق خصائص تشغيل MOVs المختارة.

مكثف أكسيد المعادن - MOV

هناك العديد من الفرضيات حول أي مكون ، وما هي الطوبولوجيا ، ونشر تقنية معينة ينتج أفضل SPD لتحويل التيار المفاجئ. بدلاً من تقديم جميع الخيارات ، من الأفضل أن تدور مناقشة تصنيف زيادة التيار ، أو التصنيف الحالي للتفريغ الاسمي ، أو زيادة القدرات الحالية حول بيانات اختبار الأداء. بغض النظر عن المكونات المستخدمة في التصميم ، أو الهيكل الميكانيكي المحدد المنتشر ، ما يهم هو أن SPD لديها تصنيف تيار التصريف أو تصنيف تيار التفريغ الاسمي المناسب للتطبيق.

فيما يلي وصف أكثر شمولاً لهذه المكونات. تختلف المكونات المستخدمة في SPD بشكل كبير. فيما يلي عينة من هذه المكونات:

  • مكثف أكسيد المعادن (MOV)

عادةً ما تتكون MOVs من جسم دائري أو مستطيل الشكل من أكسيد الزنك الملبد مع إضافات مناسبة. تشمل الأنواع الأخرى المستخدمة الأشكال الأنبوبية والهياكل متعددة الطبقات. المتغيرات لها أقطاب جسيمات معدنية تتكون من سبيكة فضية أو معادن أخرى. قد يتم تطبيق الأقطاب الكهربائية على الجسم عن طريق الغربلة والتلبيد أو عن طريق عمليات أخرى اعتمادًا على المعدن المستخدم. غالبًا ما تحتوي المتغيرات أيضًا على أسلاك أو علامات تبويب أو نوع آخر من الإنهاء الذي قد يكون ملحومًا بالقطب الكهربي.

تنتج آلية التوصيل الأساسية لـ MOVs من تقاطعات أشباه الموصلات عند حدود حبيبات أكسيد الزنك المتكونة أثناء عملية التلبيد. يمكن اعتبار المكثف جهازًا متعدد الوصلات مع العديد من الحبوب التي تعمل في تركيبة متوازية متسلسلة بين المحطات. يتم عرض عرض مقطعي تخطيطي لمتغير نموذجي في الشكل 1.

تصوير تخطيطي للبنية المجهرية من MOV

تتميز المتغيرات بخاصية الحفاظ على تغيير جهد صغير نسبيًا عبر أطرافها بينما يختلف التيار المتدفق عبرها على مدى عدة عقود من الحجم. يسمح هذا الإجراء غير الخطي لهم بتحويل تيار التدفق عند الاتصال في التحويل عبر الخط وتحديد الجهد عبر الخط إلى القيم التي تحمي المعدات المتصلة بهذا الخط.

  • الصمام الثنائي الانهيار (ADB)

تُعرف هذه الأجهزة أيضًا باسم الصمام الثنائي السليكوني للانهيار (SAD) أو مثبط الجهد العابر (TVS). الصمام الثنائي لانهيار الوصلة PN ، في شكله الأساسي ، هو تقاطع PN واحد يتكون من أنود (P) وكاثود (N). انظر الشكل 2 أ. في تطبيقات دوائر التيار المستمر ، يكون الحامي متحيزًا عكسيًا بحيث يتم تطبيق إمكانات إيجابية على جانب الكاثود (N) من الجهاز. انظر الشكل 2 ب.

الشكل 2 الشكل XNUMX الشكل الأساسي للديود الانهيار الجليدي

يحتوي الصمام الثنائي الانهيار الجليدي على ثلاث مناطق تشغيل ، 1) انحياز أمامي (مقاومة منخفضة) ، 2) خارج الحالة (مقاومة عالية) ، و 3) انهيار التحيز العكسي (مقاومة منخفضة نسبيًا). يمكن رؤية هذه المناطق في الشكل 3. في وضع التحيز الأمامي بجهد موجب على المنطقة P ، يكون للديود مقاومة منخفضة جدًا بمجرد أن يتجاوز الجهد جهد الصمام الثنائي للتحيز الأمامي ، VFS. عادة ما يكون VFS أقل من 1 فولت ويتم تعريفه أدناه. تمتد حالة الإيقاف من 0 فولت إلى أقل بقليل من VBR الموجب في المنطقة N. في هذه المنطقة ، التيارات الوحيدة التي تتدفق هي التيارات المتسربة المعتمدة على درجة الحرارة وتيارات Zener النفقية من أجل ثنائيات الجهد المنخفض للانهيار. تبدأ منطقة انهيار التحيز العكسي بـ VBR موجب في المنطقة N. في VBR ، تتسارع الإلكترونات التي تعبر التقاطع بشكل كافٍ من خلال المجال العالي في منطقة التقاطع بحيث ينتج عن تصادم الإلكترونات سلسلة أو انهيار جليدي من الإلكترونات والثقوب التي يتم إنشاؤها. والنتيجة هي انخفاض حاد في مقاومة الصمام الثنائي. يمكن استخدام مناطق انهيار التحيز الأمامي والعكسي للحماية.

الشكل 3 الشكل XNUMX خصائص الصمام الثنائي الانهيار تقاطع PN الرابع

الخصائص الكهربائية للديود الانهيار الجليدي غير متماثلة في جوهرها. يتم أيضًا تصنيع منتجات حماية الصمام الثنائي المتماثل التي تتكون من الوصلات الخلفية.

  • أنبوب تصريف الغاز (GDT)

تتكون أنابيب تفريغ الغاز من قطبين أو أكثر من الأقطاب المعدنية مفصولة بفجوة صغيرة ويتم تثبيتها بواسطة أسطوانة خزفية أو زجاجية. تمتلئ الاسطوانة بخليط من الغازات النبيلة ، والذي يتحول إلى تفريغ متوهج وأخيراً حالة قوس عندما يتم تطبيق جهد كافي على الأقطاب الكهربائية.

عندما يصل الجهد المتصاعد ببطء عبر الفجوة إلى قيمة محددة بشكل أساسي من خلال تباعد الإلكترود وضغط الغاز وخليط الغاز ، تبدأ عملية التشغيل عند جهد شرارة (الانهيار). بمجرد حدوث الشرارة ، يمكن أن تكون حالات التشغيل المختلفة ممكنة ، اعتمادًا على الدوائر الخارجية. هذه الحالات موضحة في الشكل 4. في التيارات الأقل من تيار الانتقال من التوهج إلى القوس ، توجد منطقة توهج. في التيارات المنخفضة في منطقة التوهج ، يكون الجهد ثابتًا تقريبًا ؛ في التيارات عالية التوهج ، قد تدخل بعض أنواع أنابيب الغاز منطقة توهج غير طبيعية يزداد فيها الجهد. بعد منطقة التوهج غير الطبيعية هذه ، تنخفض مقاومة أنبوب تفريغ الغاز في المنطقة الانتقالية إلى حالة قوس الجهد المنخفض. قد يكون تيار الانتقال من القوس إلى التوهج أقل من انتقال التوهج إلى القوس. تحدد الخاصية الكهربائية GDT ، بالاقتران مع الدوائر الخارجية ، قدرة GDT على الانطفاء بعد مرور الطفرة ، كما تحدد الطاقة المشتتة في مانع التسرب أثناء زيادة التيار.

إذا ارتفع الجهد المطبق (على سبيل المثال عابرًا) بسرعة ، فقد يسمح الوقت المستغرق لعملية التأين / تكوين القوس للجهد العابر بتجاوز القيمة المطلوبة للانهيار في الفقرة السابقة. يُعرَّف هذا الجهد بأنه جهد انهيار النبضة وهو عمومًا دالة إيجابية لمعدل ارتفاع الجهد المطبق (عابر).

تحتوي غرفة GDT المكونة من ثلاثة قطب كهربائي على تجويفين مفصولين بواسطة قطب حلقي مركزي. يسمح الثقب الموجود في القطب المركزي لبلازما الغاز من تجويف موصل ببدء التوصيل في التجويف الآخر ، على الرغم من أن جهد التجويف الآخر قد يكون أقل من جهد الشرارة.

بسبب عمل التحويل والبناء القوي ، يمكن أن تتجاوز GDTs مكونات SPD الأخرى في قدرة الحمل الحالية. يمكن أن تحمل العديد من GDTs للاتصالات السلكية واللاسلكية بسهولة تيارات تصاعدية تصل إلى 10 كيلو أمبير (شكل موجة 8/20 s). علاوة على ذلك ، اعتمادًا على تصميم وحجم GDT ، يمكن تحقيق تيارات زيادة> 100 كيلو أمبير.

يتم إنشاء أنابيب تفريغ الغاز بحيث يكون لها سعة منخفضة للغاية - بشكل عام أقل من 2 بيكو فاراد. وهذا يسمح باستخدامها في العديد من تطبيقات الدوائر عالية التردد.

عندما تعمل GDTs ، فإنها قد تولد إشعاعات عالية التردد ، والتي يمكن أن تؤثر على الإلكترونيات الحساسة. لذلك من الحكمة وضع دارات GDT على مسافة معينة من الإلكترونيات. تعتمد المسافة على حساسية الإلكترونيات ومدى حماية الإلكترونيات. هناك طريقة أخرى لتجنب التأثير وهي وضع GDT في حاوية محمية.

الشكل 4 الشكل XNUMX خصائص نموذجية GDT فولتامبير

تعريفات لـ GDT

فجوة ، أو عدة فجوات مع قطبين أو ثلاثة أقطاب معدنية محكمة الإغلاق بحيث يكون خليط الغاز والضغط تحت السيطرة ، ومصممة لحماية الجهاز أو الأفراد ، أو كليهما ، من الفولتية العابرة العالية.

Or

فجوة أو فجوات في وسط تصريف مغلق ، بخلاف الهواء عند الضغط الجوي ، مصممة لحماية الجهاز أو الأفراد ، أو كليهما ، من الفولتية العابرة العالية.

  • مرشحات LCR

تختلف هذه المكونات في:

  • قدرة الطاقة
  • توفر
  • الموثوقية
  • كلف
  • فعالية

من IEEE Std C62.72: إن قدرة SPD على الحد من الجهد الزائد على شبكة التوزيع الكهربائي عن طريق تحويل التيارات المفاجئة هي وظيفة لمكونات الحماية من زيادة التيار ، والهيكل الميكانيكي لـ SPD ، والاتصال بشبكة التوزيع الكهربائي. بعض مكونات الحماية من زيادة التيار المستخدمة في تصنيع أجهزة SPD هي MOVs و SASDs وأنابيب تفريغ الغاز ، مع استخدام MOVs الأكبر. يرتبط تصنيف التيار المفاجئ لـ MOV بالمنطقة المقطعية وتكوينها. بشكل عام ، كلما كانت مساحة المقطع العرضي أكبر ، زاد تصنيف التيار الزائد للجهاز. تكون MOVs بشكل عام ذات هندسة مستديرة أو مستطيلة ولكنها تأتي في عدد كبير من الأبعاد القياسية التي تتراوح من 7 مم (0.28 بوصة) إلى 80 مم (3.15 بوصة). تتفاوت معدلات الزيادة الحالية لمكونات الحماية من زيادة التيار بشكل كبير وتعتمد على الشركة المصنعة. من خلال توصيل MOVs في مصفوفة متوازية ، يمكن حساب تصنيف تيار التدفق النظري ببساطة عن طريق إضافة التصنيفات الحالية لـ MOVs الفردية معًا للحصول على تصنيف تيار الطفرة للمصفوفة.

هناك العديد من الفرضيات حول أي مكون ، وما هي الطوبولوجيا ، ونشر تقنية معينة ينتج أفضل SPD لتحويل التيار المفاجئ. بدلاً من تقديم كل هذه الحجج والسماح للقارئ بفك رموز هذه الموضوعات ، من الأفضل أن تدور مناقشة تصنيف التيار الزائد أو التصنيف الحالي للتفريغ الاسمي أو زيادة القدرات الحالية حول بيانات اختبار الأداء. بغض النظر عن المكونات المستخدمة في التصميم ، أو الهيكل الميكانيكي المحدد الذي تم نشره ، ما يهم هو أن SPD لديها تصنيف تيار تصريف أو تصنيف تيار تفريغ اسمي مناسب للتطبيق ، وربما الأهم من ذلك ، أن SPD يحد من عابر الجهد الزائد إلى المستويات التي تمنع الضرر الذي يلحق بالمعدات المحمية نظرًا لبيئة زيادة التيار المتوقعة.

أوضاع التشغيل الأساسية

تحتوي معظم أجهزة SPD على ثلاثة أوضاع تشغيل أساسية:

  • تنتظر
  • التحويل

في كل وضع ، يتدفق التيار عبر SPD. ومع ذلك ، ما قد لا يكون مفهومًا هو أن نوعًا مختلفًا من التيار يمكن أن يوجد في كل وضع.

وضع الانتظار

في حالات الطاقة العادية عندما يتم توفير "الطاقة النظيفة" ضمن نظام التوزيع الكهربائي ، يؤدي SPD الحد الأدنى من الوظائف. في وضع الانتظار ، ينتظر SPD حدوث جهد زائد ويستهلك طاقة تيار متردد قليلة أو معدومة ؛ في المقام الأول التي تستخدمها دوائر المراقبة.

وضع التحويل

عند استشعار حدث الجهد الزائد العابر ، يتغير SPD إلى وضع التحويل. الغرض من SPD هو تحويل تيار النبض الضار بعيدًا عن الأحمال الحرجة ، مع تقليل حجم الجهد الناتج في نفس الوقت إلى مستوى منخفض وغير ضار.

كما هو محدد بواسطة ANSI / IEEE C62.41.1-2002 ، يستمر عابر التيار النموذجي فقط لجزء بسيط من الدورة (ميكروثانية) ، جزء من الوقت عند مقارنته بالتدفق المستمر لإشارة جيبية 60 هرتز.

60 هرتز مع عابر

يعتمد حجم التيار الزائد على مصدره. الصواعق ، على سبيل المثال ، يمكن أن تحتوي في حالات نادرة على مقادير حالية تتجاوز مئات الآلاف من الأمبيرات. داخل المنشأة ، على الرغم من ذلك ، ستنتج الأحداث العابرة المتولدة داخليًا مقادير تيار أقل (أقل من بضعة آلاف أو مئات الأمبيرات).

نظرًا لأن معظم أجهزة SPD مصممة للتعامل مع التيارات المفاجئة الكبيرة ، فإن أحد معايير الأداء هو تصنيف تيار التفريغ الاسمي الذي تم اختباره للمنتج (In). غالبًا ما يتم الخلط بينه وبين تيار الخلل ، ولكن لا علاقة له ، فإن هذا الحجم الحالي الكبير هو مؤشر على قدرة الصمود المتكررة للمنتج التي تم اختبارها.

من IEEE Std. C62.72: يمارس تصنيف تيار التفريغ الاسمي قدرة SPD على التعرض لارتفاعات التيار المتكرر (15 زيادات إجمالية) بقيمة محددة دون حدوث تلف أو تدهور أو تغيير في أداء الجهد المحدود المقاس لـ SPD. يشتمل اختبار تيار التفريغ الاسمي على SPD بالكامل بما في ذلك جميع مكونات الحماية من زيادة التيار ومفاتيح فصل SPD الداخلية أو الخارجية. أثناء الاختبار ، لا يُسمح بفشل أي مكون أو فاصل أو فتح الدائرة أو تعرضها للتلف أو التدهور. من أجل تحقيق تصنيف معين ، يجب الحفاظ على مستوى أداء الجهد المحدد المقاس لـ SPD بين الاختبار القبلي والمقارنة اللاحقة للاختبار. الغرض من هذه الاختبارات هو إظهار قدرة وأداء SPD استجابة للارتفاعات الشديدة في بعض الحالات ولكن قد تكون متوقعة في معدات الخدمة أو داخل المنشأة أو في موقع التثبيت.

على سبيل المثال ، فإن SPD بسعة تيار تفريغ اسمية تبلغ 10,000 أو 20,000 أمبير لكل وضع يعني أن المنتج يجب أن يكون قادرًا على تحمل حجم تيار عابر يبلغ 10,000 أو 20,000 أمبير بحد أدنى 15 مرة ، في كل من أوضاع الحماية.

سيناريوهات نهاية الحياة

من IEEE Std C62.72: قد لا يكون الخطر الأكبر على الموثوقية طويلة المدى لأجهزة SPD هو الزيادات المفاجئة ، ولكن الجهد الزائد اللحظي أو المؤقت المتكرر (TOVs أو "الانتفاخات") التي يمكن أن تحدث على PDS. تعد أجهزة SPD التي تحتوي على MCOV - القريبة بشكل غير مستقر من جهد النظام الاسمي أكثر عرضة لمثل هذه الفولتية الزائدة التي يمكن أن تؤدي إلى الشيخوخة المبكرة لـ SPD أو انتهاء العمر الافتراضي المبكر. القاعدة العامة التي تُستخدم غالبًا هي تحديد ما إذا كان MCOV لـ SPD يمثل 115 ٪ على الأقل من جهد النظام الاسمي لكل وضع حماية محدد. سيسمح ذلك لـ SPD بعدم التأثر بالتغيرات العادية للجهد في نظام التوزيع العام.

ومع ذلك ، بصرف النظر عن أحداث الجهد الزائد المستمر ، يمكن أن تتقدم أجهزة SPD في العمر ، أو تتحلل ، أو تصل إلى حالة نهاية الخدمة بمرور الوقت بسبب الزيادات التي تتجاوز تصنيفات SPD للتيار المفاجئ ، ومعدل حدوث أحداث الطفرة ، ومدة الطفرة ، أو مزيج من هذه الأحداث. يمكن أن تؤدي أحداث الاندفاع المتكررة ذات السعة الكبيرة على مدى فترة من الوقت إلى زيادة درجة حرارة مكونات SPD وتتسبب في تقدم مكونات الحماية من زيادة التيار في العمر. علاوة على ذلك ، يمكن أن تتسبب الارتفاعات المتكررة في فصل وصلات SPD التي يتم تنشيطها حرارياً للعمل قبل الأوان بسبب تسخين مكونات الحماية من زيادة التيار. يمكن أن تتغير خصائص SPD عندما تصل إلى حالة نهاية الخدمة - على سبيل المثال ، يمكن أن تزيد أو تنقص الفولتية المحددة المقاسة.

في محاولة لتجنب التدهور الناتج عن الزيادات المفاجئة في التيار ، يقوم العديد من مصنعي SPD بتصميم أجهزة SPD ذات قدرات تيار عالية إما عن طريق استخدام مكونات أكبر جسديًا أو عن طريق توصيل مكونات متعددة بالتوازي. يتم ذلك لتجنب احتمال تجاوز تصنيفات SPD كتجميع إلا في حالات نادرة جدًا واستثنائية. يتم دعم نجاح هذه الطريقة من خلال عمر الخدمة الطويل وتاريخ SPDs الموجودة والتي تم تصميمها بهذه الطريقة.

فيما يتعلق بتنسيق SPD ، وكما هو مذكور فيما يتعلق بالتصنيفات الحالية المفاجئة ، فمن المنطقي أن يكون لديك SPD مع تصنيفات تيار أعلى في معدات الخدمة حيث يكون نظام التوزيع العام أكثر عرضة للزيادات المفاجئة للمساعدة في منع الشيخوخة المبكرة ؛ في هذه الأثناء ، قد يكون لأجهزة SPD المتدنية من معدات الخدمة التي لا تتعرض لمصادر خارجية للطفرات تصنيفات أقل. مع التصميم والتنسيق الجيد لنظام الحماية من زيادة التيار ، يمكن تجنب الشيخوخة المبكرة لـ SPD.

تشمل الأسباب الأخرى لفشل SPD ما يلي:

  • أخطاء التثبيت
  • سوء استخدام منتج لتصنيف الجهد الخاص به
  • أحداث الجهد الزائد المستمرة

عندما يفشل أحد مكونات الكبت ، فإنه غالبًا ما يفعل ذلك على أنه قصير ، مما يتسبب في بدء تدفق التيار عبر المكون الفاشل. إن مقدار التيار المتاح للتدفق عبر هذا المكون الفاشل هو دالة لتيار العطل المتاح ويتم دفعه بواسطة نظام الطاقة. لمزيد من المعلومات حول تيارات الأعطال ، انتقل إلى المعلومات المتعلقة بالسلامة في SPD.