Як працуе прылада абароны ад перанапружанняў (SPD)

Як працуе прылада абароны ад перанапружанняў (SPD)

Здольнасць SPD абмяжоўваць перанапружання ў электрычнай размеркавальнай сетцы шляхам адвядзення токаў перанапружання з'яўляецца функцыяй кампанентаў абароны ад перанапружанняў, механічнай структуры SPD і падлучэння да электрычнай размеркавальнай сеткі. SPD прызначаны для абмежавання пераходных перанапружанняў і адводу перанапружання або абодвух. Ён змяшчае прынамсі адзін нелінейны кампанент. Прасцей кажучы, SPD прызначаны для абмежавання пераходных перанапружанняў з мэтай прадухілення пашкоджання абсталявання і прастою з -за пераходных скокаў напругі, якія дасягаюць абараняемых імі прылад.

Напрыклад, разгледзім вадзяны млын, абаронены клапанам скіду ціску. Клапан скіду ціску нічога не робіць, пакуль у падачы вады не ўзнікне імпульс празмернага ціску. Калі гэта адбудзецца, клапан адкрываецца і адводзіць дадатковы ціск у бок, каб ён не дасягнуў вадзянога кола.

Калі ахоўнага клапана не было, празмерны ціск можа пашкодзіць вадзяное кола або, магчыма, сувязь для пілы. Нягледзячы на ​​тое, што ахоўны клапан усталяваны і працуе належным чынам, некаторы колькасць рэшткаў імпульсу ціску ўсё роўна дасягне колы. Але ціск будзе зніжаны дастаткова, каб не пашкодзіць вадзяное кола або не парушыць яго працу. Гэта апісвае дзеянне СДПД. Яны зніжаюць пераходныя працэсы да ўзроўню, які не пашкодзіць і не парушыць працу адчувальнага электроннага абсталявання.

Выкарыстаныя тэхналогіі

Якія тэхналогіі выкарыстоўваюцца ў SPD?

З IEEE Std. C62.72: Некалькі распаўсюджаных кампанентаў, якія абараняюць ад перанапружанняў, якія выкарыстоўваюцца ў вытворчасці SPD,-гэта варыстары з аксіду металу (MOV), лавінаадбойныя дыёды (ABD-раней вядомыя як крамянёвыя лавінавыя дыёды або SAD) і газаразрадныя трубкі (GDT). MOV - гэта найбольш часта выкарыстоўваная тэхналогія для абароны ланцугоў харчавання пераменнага току. Паказчык перанапружання току MOV звязаны з плошчай папярочнага перасеку і яго складам. У цэлым, чым большая плошча папярочнага перасеку, тым вышэй рэйтынг перанапружання прылады. MOV, як правіла, круглай або прамавугольнай геаметрыі, але бываюць мноства стандартных памераў ад 7 мм (0.28 цалі) да 80 мм (3.15 цалі). Паказчыкі перанапружання для гэтых кампанентаў абароны ад перанапружанняў моцна адрозніваюцца і залежаць ад вытворцы. Як абмяркоўвалася раней у гэтым раздзеле, шляхам падлучэння MOV ў паралельным масіве можна разлічыць значэнне перанапружання, проста дадаўшы разам рэйтынгі перанапружанняў асобных MOV, каб атрымаць рэйтынг перанапружання току масіва. Пры гэтым варта ўлічваць каардынацыю эксплуатацыйных характарыстык выбраных MOV.

Існуе мноства гіпотэз аб тым, які кампанент, якая тапалогія і прымяненне канкрэтных тэхналогій вырабляюць найлепшы СДЗ для адводу перанапружання. Замест таго, каб прадстаўляць усе варыянты, лепш абмяркоўваць рэйтынг току ўсплёску, намінальны разрад току разраду або магчымасці перападу току круціцца вакол дадзеных тэставання прадукцыйнасці. Незалежна ад кампанентаў, якія выкарыстоўваюцца пры праектаванні, або канкрэтнай разгорнутай механічнай структуры, важна тое, што SPD мае рэйтынг перанапружання або намінальны ток разраду, які падыходзіць для прымянення.

Далей ідзе больш шырокае апісанне гэтых кампанентаў. Кампаненты, якія выкарыстоўваюцца ў SPD, значна адрозніваюцца. Вось выбарка гэтых кампанентаў:

• Варыстор з аксіду металу (MOV)

Звычайна MOV складаюцца з круглай або прамавугольнай формы з спечанага аксіду цынку з прыдатнымі дадаткамі. Іншыя тыпы, якія выкарыстоўваюцца, ўключаюць трубчастыя формы і шматслойныя канструкцыі. Варысторы маюць электроды з металічных часціц, якія складаюцца з сплаву срэбра або іншага металу. Электроды, магчыма, былі нанесены на цела шляхам адсеву і спякання або іншымі спосабамі ў залежнасці ад выкарыстоўванага металу. Варысторы таксама часта маюць провады або ўкладышы або нейкі іншы тып замыкання, якое можа быць прыпаяна да электрода.

Асноўны механізм правядзення MOV з'яўляецца вынікам паўправадніковых пераходаў на мяжы зерняў аксіду цынку, якія ўтвараюцца ў працэсе спякання. Варыстор можна разглядаць як прылада з многімі пераходамі з мноствам зерняў, якія дзейнічаюць у паслядоўна-паралельнай камбінацыі паміж клемамі. Схематычны папярочны разрэз тыповага варыстара паказаны на малюнку 1.

Варысторы валодаюць уласцівасцю падтрымліваць адносна невялікае змяненне напружання на сваіх клемах, у той час як імпульсны ток, які праходзіць праз іх, змяняецца на працягу некалькіх дзесяцігоддзяў. Гэта нелінейнае дзеянне дазваляе ім адводзіць ток усплёску пры падключэнні да шунта праз лінію і абмяжоўваць напружанне на лініі да значэнняў, якія абараняюць абсталяванне, падлучанае да гэтай лініі.

• Лавінапрабойны дыёд (ADB)

Гэтыя прылады таксама вядомыя як крэмніевы лавінны дыёд (SAD) або пераходнае напружанне (TVS). Дыёд прабоя PN -пераходу ў сваёй асноўнай форме ўяўляе сабой адзіны PN -пераход, які складаецца з анода (P) і катода (N). Глядзіце малюнак 2а. У схемах пастаяннага току пратэктар мае зваротны ўхіл, так што станоўчы патэнцыял прыкладзены да катоднай (N) боку прылады. Глядзіце малюнак 2b.

Лавінны дыёд мае тры працоўныя вобласці: 1) зрушэнне наперад (нізкі супраціў), 2) стан выключэння (высокі імпеданс) і 3) разрыў зваротнага зрушэння (адносна нізкі імпеданс). Гэтыя вобласці можна ўбачыць на малюнку 3. У рэжыме прамога зрушэння з станоўчым напружаннем на вобласці Р, дыёд мае вельмі нізкі супраціў, калі напружанне перавышае напружанне дыёда зрушэння наперад, VFS. VFS звычайна менш за 1 В і вызначаецца ніжэй. Выключаны стан распаўсюджваецца ад 0 V да крыху ніжэй дадатнага VBR на N -вобласці. У гэтай вобласці адзінымі токамі, якія працякаюць, з'яўляюцца залежныя ад тэмпературы токі ўцечкі і тунэльныя токі стабілітронаў для дыёдаў з нізкім напругай прабоя. Рэгіён зваротнага зрушэння пачынаецца з станоўчага VBR на N -вобласці. На VBR электроны, якія перасякаюць пераход, дастаткова паскараюцца высокім полем у вобласці пераходу, што сутыкненне электронаў прыводзіць да каскаду або лавіны электронаў і дзірак. У выніку адбываецца рэзкае падзенне супраціву дыёда. Абедзве вобласці прамога зрушэння і зваротнага зрушэння можна выкарыстоўваць для абароны.

Электрычныя характарыстыкі лавінавага дыёда па сваёй сутнасці асіметрычныя. Вырабляюцца таксама сіметрычныя сродкі абароны ад лавінных дыёдаў, якія складаюцца з зваротных злучэнняў.

• Газаправодная трубка (GDT)

Газавыя трубкі складаюцца з двух або больш металічных электродаў, падзеленых невялікім зазорам і ўтрымліваемых керамічным або шкляным цыліндрам. Балон запоўнены сумессю высакародных газаў, якая іскрыцца ў святлівы разрад і, нарэшце, у стане дугі, калі на электроды падаецца дастатковая напруга.

Калі павольна павялічваецца напружанне ў зазоры дасягае значэння, вызначанага ў першую чаргу інтэрвалам паміж электродамі, ціскам газу і газавай сумессю, працэс уключэння пачынаецца пры напрузе іскры (перабоі). Пасля таго, як адбываецца пераключэнне іскры, магчымыя розныя працоўныя стану, у залежнасці ад знешняй схемы. Гэтыя станы паказаны на малюнку 4. Пры токах, меншых за пераходны ток святлення ў дугу, існуе вобласць свячэння. Пры нізкіх токах у вобласці свячэння напружанне амаль пастаяннае; пры вялікіх токах свячэння некаторыя тыпы газавых труб могуць патрапіць у анамальную вобласць свячэння, у якой павялічваецца напружанне. За межамі гэтай анамальнай вобласці свячэння імпеданс газаразрадной трубкі зніжаецца ў вобласці пераходу ў стан нізкавольтнай дугі. Ток пераходу дугі ў свячэнне можа быць ніжэй, чым пераход свячэнне ў дугу. Электрычная характарыстыка GDT у спалучэнні са знешняй схемай вызначае здольнасць GDT згасаць пасля праходжання ўсплёску, а таксама вызначае энергію, якая рассейваецца ў разрадніку падчас імпульсу.

Калі прыкладзенае напружанне (напрыклад, пераходнае) хутка павышаецца, час, неабходнае для працэсу іянізацыі/адукацыі дугі, можа дазволіць пераходнаму напружанню перавысіць значэнне, неабходнае для прабоя ў папярэднім пункце. Гэта напружанне вызначаецца як напружанне прабоя імпульсу і, як правіла, з'яўляецца станоўчай функцыяй ад хуткасці нарастання прыкладзенага напружання (пераходнае).

Аднакамерны трохэлектродны GDT мае дзве паражніны, падзеленыя цэнтральным кольцавым электродам. Адтуліну ў цэнтральным электродзе дазваляе газавай плазме з праводзіць паражніны распачаць правядзенне ў іншай паражніны, нават калі напружанне іншай паражніны можа быць ніжэй напружання іскры.

Дзякуючы свайму камутацыйнаму ўздзеянню і трывалай канструкцыі, ГДТ могуць перавышаць іншыя кампаненты SPD па токаноснай здольнасці. Многія тэлекамунікацыйныя ГДТ могуць лёгка пераносіць імпульсныя токі да 10 кА (форма хвалі 8/20 мкс). Далей, у залежнасці ад канструкцыі і памеру GDT, можна дасягнуць скачкоў току> 100 кА.

Канструкцыя газаразрадных труб такая, што ў іх вельмі нізкая ёмістасць - звычайна менш за 2 пФ. Гэта дазваляе выкарыстоўваць іх у многіх прыкладаннях высокачашчынных схем.

Калі GDT працуюць, яны могуць генераваць высокачашчыннае выпраменьванне, якое можа ўплываць на адчувальную электроніку. Таму разумна размясціць схемы GDT на пэўнай адлегласці ад электронікі. Адлегласць залежыць ад адчувальнасці электронікі і таго, наколькі добра абаронена электроніка. Іншы спосаб пазбегнуць эфекту - змясціць ГДТ у экранаваны корпус.

Вызначэнні для GDT

Зазор або некалькі зазораў з двума ці трыма металічнымі электродамі, герметычна закрытымі, так што газавая сумесь і ціск знаходзяцца пад кантролем, прызначаныя для абароны апарата або персаналу, або абодвух, ад высокіх пераходных напружанняў.

Or

Зазор або зазоры ў закрытай разраднай асяроддзі, акрамя паветра пры атмасферным ціску, прызначаныя для абароны апарата або персаналу, або абодвух, ад высокіх пераходных напружанняў.

• LCR фільтры

Гэтыя кампаненты адрозніваюцца па сваім:

• энергетычныя магчымасці
• даступнасць
• надзейнасць
• каштаваць
• эфектыўнасць

З IEEE Std C62.72: Здольнасць SPD абмяжоўваць перанапружання ў электрычнай размеркавальнай сетцы шляхам адвядзення токаў перанапружання з'яўляецца функцыяй кампанентаў абароны ад перанапружанняў, механічнай структуры SPD і падлучэння да электрычнай размеркавальнай сеткі. Некалькі распаўсюджаных кампанентаў для абароны ад перанапружанняў, якія выкарыстоўваюцца ў вытворчасці SPD,-гэта MOV, SASD і газаразрадныя трубкі, прычым MOV маюць найбольшае выкарыстанне. Паказчык перанапружання току MOV звязаны з плошчай папярочнага перасеку і яго складам. Наогул, чым большая плошча папярочнага перасеку, тым вышэй рэйтынг перанапружання прылады. MOV, як правіла, круглай або прамавугольнай геаметрыі, але бываюць мноства стандартных памераў ад 7 мм (0.28 да 80 да 3.15 мм). Паказчыкі перанапружання для гэтых кампанентаў абароны ад перанапружанняў моцна адрозніваюцца і залежаць ад вытворцы. Падлучыўшы MOV ў паралельным масіве, можна разлічыць тэарэтычны рэйтынг перанапружання, проста дадаўшы разам бягучыя рэйтынгі асобных MOV, каб атрымаць рэйтынг перанапружання масіва.

Існуе мноства гіпотэз аб тым, які кампанент, якая тапалогія і прымяненне канкрэтных тэхналогій вырабляюць найлепшы SPD для адводу перанапружання. Замест таго, каб выкладаць усе гэтыя аргументы і дазваляць чытачу расшыфраваць гэтыя тэмы, лепш за ўсё абмяркоўваць рэйтынг току ўсплёску, намінальны рэйтынг току разраду або магчымасці перападу току. Незалежна ад кампанентаў, якія выкарыстоўваюцца пры праектаванні, або канкрэтнай разгорнутай механічнай структуры, важна тое, што SPD мае рэйтынг перанапружання або намінальны ток разраду, які падыходзіць для прымянення, і, верагодна, самае галоўнае, што SPD абмяжоўвае пераходныя працэсы перанапружанняў да узроўняў, якія прадухіляюць пашкоджанне абсталявання, якое абараняецца з улікам чаканых умоў перанапружання.

Асноўныя рэжымы працы

Большасць SPD мае тры асноўныя рэжымы працы:

• Чакаю
• Адцягванне

У кожным рэжыме ток праходзіць праз SPD. Аднак нельга зразумець, што ў кожным рэжыме можа існаваць розны тып току.

Рэжым чакання

Пры нармальных сітуацыях харчавання, калі «чыстая электраэнергія» падаецца ў сістэму размеркавання электрычнасці, SPD выконвае мінімальныя функцыі. У рэжыме чакання SPD чакае перанапружання і спажывае мала або зусім не спажывае энергіі; у першую чаргу той, які выкарыстоўваецца схемамі маніторынгу.

Рэжым адвядзення

Пры выяўленні пераходнай падзеі перанапружання, SPD пераходзіць у рэжым адводу. Мэтай SPD з'яўляецца адвядзенне пашкоджвальнага імпульснага току ад крытычных нагрузак, адначасова зніжаючы яго выніковую велічыню напружання да нізкага, бясшкоднага ўзроўню.

Як вызначана ANSI/IEEE C62.41.1-2002, тыповы пераходны ток доўжыцца толькі доля цыкла (мікрасекунды), фрагмент часу ў параўнанні з бесперапынным патокам сінусоіднага сігналу 60 Гц.

Велічыня імпульснага току залежыць ад яго крыніцы. Напрыклад, удары маланкі, якія ў рэдкіх выпадках могуць утрымліваць сілы току, якія перавышаюць некалькі сотняў тысяч ампер. Унутры аб'екта, аднак, пераходныя падзеі, створаныя ўнутры, будуць выклікаць меншую велічыню току (менш за некалькі тысяч ці сотняў ампер).

Паколькі большасць SPD прызначаны для працы з вялікімі перанапружаннямі, адным з эталонаў прадукцыйнасці з'яўляецца выпрабаваны намінальным токам разраду прадукту (у). Часта блытаюць з токам няспраўнасці, але не звязаныя паміж сабой. Гэтая вялікая велічыня току з'яўляецца паказчыкам праверанай паўторнай вытрымкі прадукту.

З IEEE Std. C62.72: Намінальны рэйтынг току разраду рэалізуе здольнасць SPD падвяргацца паўторным скачкам току (15 агульным скачкам) абранага значэння без пашкоджанняў, пагаршэння або змены вымяральнай лімітавай напругі SPD. Выпрабаванне намінальнага току разраду ўключае ўвесь SPD, уключаючы ўсе кампаненты абароны ад перанапружанняў і ўнутраныя або знешнія разлучальнікі SPD. Падчас выпрабаванняў не дазваляецца выходзіць з ладу ніводны кампанент або раз'яднальнік, не разрываць ланцуг, не пашкоджвацца і не пагаршацца. Для таго, каб дасягнуць пэўнага паказчыка, вымяральны лімітавы ўзровень прадукцыйнасці напружання SPD павінен падтрымлівацца паміж параўнаннем да і пасля тэставання. Мэта гэтых выпрабаванняў - прадэманстраваць магчымасці і прадукцыйнасць SPD у адказ на перапады напружання, якія ў некаторых выпадках з'яўляюцца сур'ёзнымі, але іх можна чакаць на абслугоўваючым абсталяванні, у памяшканні або на месцы ўстаноўкі.

Напрыклад, SPD з намінальнай магутнасцю разраднага току 10,000 або 20,000 ампер у рэжыме азначае, што прадукт павінен быць у стане бяспечна вытрымліваць пераходны ток 10,000 або 20,000 ампер мінімум 15 разоў у кожным з рэжымаў абароны.

Сцэнары канца жыцця

З IEEE Std C62.72. SPD з MCOV-якія няўпэўнена блізкія да намінальнага напружання сістэмы, больш успрымальныя да такіх перанапружанняў, якія могуць прывесці да заўчаснага старэння SPD або заўчаснага заканчэння тэрміну службы. Эмпірычнае правіла, якое часта выкарыстоўваецца, заключаецца ў вызначэнні, ці складае MCOV SPD не менш за 115% ад намінальнага напружання сістэмы для кожнага канкрэтнага спосабу абароны. Гэта дазволіць не ўплываць на SPD ад нармальных змен напружання PDS.

Аднак, акрамя ўстойлівых падзей перанапружання, SPD могуць старэць або пагаршацца або з часам дасягаць стану заканчэння службы з-за перападаў напругі, якія перавышаюць паказчыкі SPD для перанапружання, хуткасць узнікнення перападаў, працягласць перападу напружання , або спалучэнне гэтых падзей. Паўторныя падзеі значнай амплітуды за пэўны прамежак часу могуць перагрэць кампаненты SPD і выклікаць старэнне кампанентаў абароны ад перанапружанняў. Акрамя таго, паўторныя скокі напружання могуць прывесці да заўчаснай працы разлучальнікаў SPD, якія тэрмічна актывуюцца з -за нагрэву кампанентаў абароны ад перанапружанняў. Характарыстыкі SPD могуць змяняцца па меры таго, як яны заканчваюць эксплуатацыю-напрыклад, вымераныя лімітавыя напругі могуць павялічвацца або памяншацца.

Імкнучыся пазбегнуць дэградацыі з -за скачкоў напружання, многія вытворцы SPD праектуюць SPD з высокімі магчымасцямі току перанапружання альбо з дапамогай фізічна большых кампанентаў, альбо паралельным падключэннем некалькіх кампанентаў. Гэта робіцца, каб пазбегнуць верагоднасці перавышэння рэйтынгаў СДПГ як зборкі, за выключэннем вельмі рэдкіх і выключных выпадкаў. Поспех гэтага метаду падтрымліваецца доўгім тэрмінам службы і гісторыяй усталяваных існуючых SPD, распрацаваных такім чынам.

Што тычыцца каардынацыі SPD і, як было сказана ў дачыненні да рэйтынгаў перанапружання, лагічна мець SPD з больш высокімі паказчыкамі току перанапружання, размешчанага на абслугоўваючым абсталяванні, дзе PDS найбольш схільны перападам напружання, каб дапамагчы ў прадухіленні заўчаснага старэння; між тым, SPD, якія знаходзяцца далей уніз ад абслуговага абсталявання, якое не падвяргаецца ўздзеянню знешніх крыніц перападаў напружання, могуць мець меншыя рэйтынгі. Пры добрай канструкцыі і каардынацыі сістэмы абароны ад перанапружання можна пазбегнуць заўчаснага старэння SPD.

Іншыя прычыны збою SPD:

• Памылкі ўстаноўкі
• Няправільнае прымяненне прадукту для яго напружання
• Устойлівыя падзеі перанапружання

Калі кампанент падаўлення выходзіць з ладу, ён часцей за ўсё робіць гэта як кароткае, у выніку чаго ток пачынае працякаць праз няўдалы кампанент. Колькасць току, даступнага для праходжання праз гэты няўдалы кампанент, з'яўляецца функцыяй наяўнага току няспраўнасці і кіруецца сістэмай харчавання. Для атрымання дадатковай інфармацыі аб токах разломаў перайдзіце ў Інфармацыю, звязаную з бяспекай SPD.