Как работят устройствата за защита от пренапрежение (SPD)

Как работят устройствата за защита от пренапрежение (SPD)

Способността на SPD да ограничава пренапреженията в електрическата разпределителна мрежа чрез отклоняване на импулсни токове е функция на компонентите за защита от пренапрежение, механичната структура на SPD и връзката към електрическата разпределителна мрежа. SPD е предназначен за ограничаване на преходно пренапрежение и отклоняване на пренапрежение, или и двете. Той съдържа поне един нелинеен компонент. Най -просто казано, SPD са предназначени да ограничават преходните пренапрежения с цел предотвратяване на повреда на оборудването и престой поради преходни скокове на напрежение, достигащи до устройствата, които защитават.

Например, помислете за водна мелница, защитена с предпазен клапан. Предпазният клапан не прави нищо, докато не се появи импулс на свръхналягане във водоснабдяването. Когато това се случи, вентилът се отваря и изхвърля допълнителното налягане настрана, така че да не достигне водното колело.

Ако предпазният вентил не беше наличен, прекомерното налягане може да повреди водното колело или може би връзката за триона. Въпреки че предпазният клапан е на място и работи правилно, остатъкът от импулса на налягането все пак ще достигне до колелото. Но налягането ще бъде намалено достатъчно, за да не повреди водното колело или да наруши работата му. Това описва действието на SPD. Те намаляват преходните процеси до нива, които няма да повредят или нарушат работата на чувствително електронно оборудване.

Използвани технологии

Какви технологии се използват в SPD?

От IEEE Std. C62.72: Няколко често срещани компоненти за защита от пренапрежение, използвани при производството на SPD, са варистори с метален оксид (MOVs), лавиноразрушаващи диоди (ABD-преди това известни като силиконови лавинови диоди или SAD) и газоразрядни тръби (GDT). MOV са най -често използваната технология за защита на променливотокови захранващи вериги. Номиналният ток на пренапрежение на MOV е свързан с площта на напречното сечение и неговия състав. Като цяло, колкото по-голяма е площта на напречното сечение, толкова по-висок е номиналният ток на пренапрежение на устройството. MOV обикновено са с кръгла или правоъгълна геометрия, но се предлагат в множество стандартни размери, вариращи от 7 мм (0.28 инча) до 80 мм (3.15 инча). Номиналните стойности на пренапрежение на тези компоненти за защита от пренапрежение варират значително и зависят от производителя. Както беше обсъдено по -рано в тази клауза, чрез свързване на MOVs в паралелен масив, стойността на ток на пренапрежение може да бъде изчислена чрез просто добавяне на номиналните стойности на тока на пренапрежение на отделните MOVs заедно, за да се получи рейтингът на тока на пренапрежение на масива. При това трябва да се обмисли координирането на работните характеристики на избраните MOV.

Има много хипотези за това какъв компонент, каква топология и внедряването на специфична технология произвежда най -добрият SPD за отклоняване на пренапрежение. Вместо да се представят всички опции, най -добре е обсъждането на номиналния ток на скок, номиналния рейтинг на тока на разряд или възможностите на тока на пренапрежение да се върти около данните за теста на производителността. Независимо от компонентите, използвани при проектирането, или специфичната разгърната механична структура, важното е, че SPD има номинален ток на пренапрежение или номинален ток на разряд, който е подходящ за приложението.

Следва по -подробно описание на тези компоненти. Компонентите, използвани в SPD, се различават значително. Ето извадка от тези компоненти:

• Варистор с метален оксид (MOV)

Обикновено MOV се състоят от кръгло или правоъгълно оформено тяло от спечен цинков оксид с подходящи добавки. Други използвани видове включват тръбни форми и многослойни структури. Варисторите имат електроди от метални частици, състоящи се от сребърна сплав или друг метал. Електродите може да са били приложени към тялото чрез пресяване и синтероване или чрез други процеси в зависимост от използвания метал. Варисторите също често имат проводници или проводници или някакъв друг вид терминация, която може да е запоена към електрода.

Основният механизъм на проводимост на MOVs е резултат от полупроводникови кръстовища на границата на зърната от цинков оксид, образувани по време на процеса на синтероване. Варисторът може да се счита за устройство с много кръстовища с много зърна, действащи в последователно паралелна комбинация между клемите. Схематичен изглед на напречно сечение на типичен варистор е показан на фигура 1.

Варисторите имат свойството да поддържат относително малка промяна на напрежението в своите клеми, докато импулсният ток, протичащ през тях, варира в продължение на няколко десетилетия. Това нелинейно действие им позволява да отклонят тока на пренапрежение, когато са свързани в шунт през линията и да ограничат напрежението през линията до стойности, които защитават оборудването, свързано към тази линия.

• Лавинен разрушителен диод (ADB)

Тези устройства са известни също като силиконов лавинен диод (SAD) или преходник на преходно напрежение (TVS). Диодът за разрушаване на PN прехода в основната си форма е единичен PN преход, състоящ се от анод (P) и катод (N). Вижте Фигура 2а. При приложения на DC верига, протекторът е обърнат обратно, така че положителен потенциал се прилага към катодната (N) страна на устройството. Вижте Фигура 2б.

Лавинният диод има три работни области: 1) отклонение напред (нисък импеданс), 2) състояние на изключване (висок импеданс) и 3) разбивка на обратно отклонение (относително нисък импеданс). Тези участъци могат да се видят на Фигура 3. В режим на отклонение напред с положително напрежение в областта Р, диодът има много нисък импеданс, след като напрежението надвиши напрежението на диода на отклонение напред, VFS. VFS обикновено е по -малко от 1 V и е дефинирано по -долу. Изключеното състояние се простира от 0 V до малко под положителен VBR в N района. В този регион единствените токове, които протичат, са зависими от температурата течове на изтичане и ценерови тунелни токове за диоди с ниско напрежение на пробив. Областта на обратното отклонение започва с положителна VBR на N област. При VBR електроните, пресичащи кръстовището, се ускоряват достатъчно от високото поле в областта на кръстовището, че сблъсъците на електрони водят до каскада или лавина от електрони и дупки. Резултатът е рязък спад в съпротивлението на диода. Регионите за прекъсване на предното и обратното отклонение могат да се използват за защита.

Електрическите характеристики на лавинен диод са присъщо асиметрични. Произвеждат се и симетрични продукти за защита от лавинен диод, състоящи се от кръстовища на гърба.

• Газова тръба (GDT)

Газоразрядните тръби се състоят от два или повече метални електрода, разделени с малка междина и задържани от керамичен или стъклен цилиндър. Цилиндърът е напълнен със смес от благородни газове, която се искри в светещ разряд и накрая състояние на дъга, когато се приложи достатъчно напрежение към електродите.

Когато бавно нарастващото напрежение в пролуката достигне стойност, определена предимно от разстоянието между електродите, налягането на газа и газовата смес, процесът на включване започва при напрежението на прекъсване (пробив). След като настъпи прехвърляне, са възможни различни работни състояния, в зависимост от външната схема. Тези състояния са показани на фигура 4. При токове, по-малки от преходния ток на сияние към дъга, съществува област на сияние. При ниски токове в зоната на сияние напрежението е почти постоянно; при високи светещи токове някои видове газови тръби могат да навлязат в анормална област на сияние, в която напрежението се увеличава. Извън тази анормална област на сияние импедансът на газоразрядната тръба намалява в преходната област в състояние на дъга с ниско напрежение. Преходният ток на дъга към сияние може да бъде по-нисък от прехода на сияние към дъга. Електрическата характеристика на GDT, заедно с външната схема, определя способността на GDT да изгасне след преминаване на пренапрежение и също така определя енергията, разсеяна в ограничителя по време на пренапрежението.

Ако приложеното напрежение (например преходно) се покачва бързо, времето, необходимо за процеса на йонизация/образуване на дъга, може да позволи на преходното напрежение да надвиши стойността, необходима за разбивка в предходния параграф. Това напрежение се определя като импулсно пробивно напрежение и обикновено е положителна функция от скоростта на нарастване на приложеното напрежение (преходно).

Еднокамерен триелектроден GDT има две кухини, разделени от електрод с централен пръстен. Отворът в централния електрод позволява на газовата плазма от проводяща кухина да инициира проводимостта в другата кухина, въпреки че напрежението на другата кухина може да бъде под напрежението на искрата.

Поради своето превключващо действие и здрава конструкция, GDT могат да надвишават други компоненти на SPD по способност за носене на ток. Много телекомуникационни GDT могат лесно да пренасят импулсни токове до 10 kA (форма на вълната 8/20 µs). Освен това, в зависимост от дизайна и размера на GDT, могат да се постигнат пренапрежения> 100 kA.

Конструкцията на газоразрядни тръби е такава, че те имат много нисък капацитет - обикновено по -малко от 2 pF. Това позволява използването им в много приложения за високочестотни схеми.

Когато GDT работят, те могат да генерират високочестотно излъчване, което може да повлияе на чувствителната електроника. Следователно е разумно да поставите GDT вериги на определено разстояние от електрониката. Разстоянието зависи от чувствителността на електрониката и от това колко добре е защитена електрониката. Друг метод за избягване на ефекта е поставянето на GDT в екраниран корпус.

Определения за GDT

Пролука или няколко празнини с два или три метални електрода, херметически затворени, така че газовата смес и налягането да се контролират, предназначени да предпазват апарата или персонала, или и двете, от високи преходни напрежения.

Or

Пролука или празнини в затворена разтоварваща среда, различна от въздуха при атмосферно налягане, предназначена да предпазва апаратите или персонала, или и двете, от високи преходни напрежения.

• LCR филтри

Тези компоненти се различават по своите:

• енергийни възможности
• достъпност
• надеждност
• цена
• ефикасност

От IEEE Std C62.72: Способността на SPD да ограничава пренапреженията в електрическата разпределителна мрежа чрез отклоняване на импулсни токове е функция на компонентите за защита от пренапрежение, механичната структура на SPD и връзката към електрическата разпределителна мрежа. Няколко често срещани компоненти за защита от пренапрежение, използвани при производството на SPD, са MOVs, SASDs и газоразрядни тръби, като MOVs имат най-голямо използване. Номиналният ток на пренапрежение на MOV е свързан с площта на напречното сечение и неговия състав. Като цяло, колкото по-голяма е площта на напречното сечение, толкова по-висок е номиналният ток на пренапрежение на устройството. MOV обикновено са с кръгла или правоъгълна геометрия, но се предлагат в множество стандартни размери, вариращи от 7 mm (0.28 in) до 80 mm (3.15 in). Номиналните стойности на пренапрежение на тези компоненти за защита от пренапрежение варират значително и зависят от производителя. Чрез свързване на MOVs в паралелен масив може да се изчисли теоретичен рейтинг на ток на пренапрежение чрез просто добавяне на текущите рейтинги на отделните MOVs заедно, за да се получи рейтингът на пренапрежение на масива.

Има много хипотези за това кой компонент, каква топология и внедряването на специфична технология произвежда най -добрия SPD за отклоняване на пренапрежение. Вместо да излагате всички тези аргументи и да оставяте читателя да дешифрира тези теми, най -добре е обсъждането на рейтинга на тока на пренапрежение, номиналния рейтинг на тока на разряд или възможностите на тока на пренапрежение да се върти около данните за теста на производителността. Независимо от компонентите, използвани при проектирането, или специфичната разгърната механична структура, важното е, че SPD има номинален ток на пренапрежение или номинален номинален ток на разряд, който е подходящ за приложението и вероятно най -важното, че SPD ограничава преходните пренапрежения до нива, които предотвратяват повреда на защитеното оборудване предвид очакваната среда на пренапрежение.

Основни режими на работа

Повечето SPD имат три основни режима на работа:

• В очакване
• Пренасочване

Във всеки режим токът протича през SPD. Това, което може да не се разбере обаче, е, че във всеки режим може да съществува различен тип ток.

Режим на чакане

При нормални ситуации на захранване, когато „чиста мощност“ се подава в електрическа разпределителна система, SPD изпълнява минимална функция. В режим на изчакване SPD изчаква да възникне пренапрежение и консумира малко или никакво променливо напрежение; предимно това, което се използва от веригите за наблюдение.

Режимът на отклоняване

При засичане на преходно събитие на пренапрежение, SPD преминава в режим на отклоняване. Целта на SPD е да отклони вредния импулсен ток от критичните натоварвания, като едновременно с това намали произтичащото от него напрежение до ниско, безвредно ниво.

Както е определено от ANSI/IEEE C62.41.1-2002, типичният токов преходен процес продължава само част от цикъла (микросекунди), фрагмент от време в сравнение с непрекъснатия поток от 60Hz, синусоидален сигнал.

Степента на пренапрежение зависи от източника му. Удари от мълния например, които в редки случаи могат да съдържат токове с магнитуд над няколкостотин хиляди ампера. В рамките на съоръжение обаче вътрешно генерираните преходни събития ще произвеждат по -ниски величини на тока (по -малко от няколко хиляди или сто ампера).

Тъй като повечето SPD са проектирани да издържат на големи токове на пренапрежение, един показател за производителност е тестваният от продукта номинален номинален ток на разряд (In). Често бъркан с ток на повреда, но несвързан, тази голяма величина на тока е индикация за изпитания издържан капацитет на продукта.

От IEEE Std. C62.72: Номиналният разряд на ток на разряд упражнява способността на SPD да бъде подлаган на повтарящи се токови удари (общо 15 пренапрежения) с избрана стойност без повреда, влошаване или промяна в измереното ограничаващо напрежение на SPD. Тестът за номинален разряден ток включва целия SPD, включително всички компоненти за защита от пренапрежение и вътрешни или външни разединители на SPD. По време на изпитването не е разрешено да се повреди нито един компонент или разединител, да се отвори веригата, да се повреди или деградира. За да се постигне определен рейтинг, измереното ниво на пределно напрежение на SPD трябва да се поддържа между сравнението преди и след теста. Целта на тези тестове е да демонстрират способността и производителността на SPD в отговор на пренапрежения, които в някои случаи са тежки, но могат да се очакват на сервизното оборудване, в рамките на съоръжение или на мястото на инсталиране.

Например, SPD с номинален капацитет на разреждащ ток от 10,000 20,000 или 10,000 20,000 ампера на режим означава, че продуктът трябва да може безопасно да издържа на преходен ток от 15 XNUMX или XNUMX XNUMX ампера минимум XNUMX пъти във всеки от режимите на защита.

Сценарии за края на живота

От IEEE Std C62.72: Най-голямата заплаха за дългосрочната надеждност на SPD може да не са пренапрежения, а многократните моментни или временни пренапрежения (TOVs или „набъбване“), които могат да възникнат на PDS. SPD с MCOV-които несигурно са близо до номиналното напрежение на системата, са по-податливи на такива пренапрежения, които могат да доведат до преждевременно стареене на SPD или преждевременно изтичане на живота. Едно правило, което често се използва, е да се определи дали MCOV на SPD е най -малко 115% от номиналното напрежение на системата за всеки специфичен режим на защита. Това ще позволи на SPD да не бъде повлиян от нормалните вариации на напрежението на PDS.

Въпреки продължителните събития с пренапрежение, SPD могат да стареят или да се влошат или да достигнат своето състояние на прекратяване на обслужването с течение на времето поради пренапрежения, които надвишават стойностите на SPD за пренапрежение, скоростта на възникване на събития на пренапрежение, продължителността на пренапрежението или комбинацията от тези събития. Повтарящи се събития със значителна амплитуда за определен период от време могат да прегреят компонентите на SPD и да причинят стареене на компонентите за защита от пренапрежение. Освен това повтарящите се пренапрежения могат да накарат SPD разединителите, които са термично активирани, да работят преждевременно поради нагряването на компонентите за защита от пренапрежение. Характеристиките на SPD могат да се променят, когато достигне състоянието си на прекратяване на експлоатацията-например измерените гранични напрежения могат да се увеличат или намалят.

В стремежа си да избегнат влошаване поради пренапрежения, много производители на SPD проектират SPD с възможности за висок ток на пренапрежение или чрез използване на физически по -големи компоненти или чрез свързване на множество компоненти паралелно. Това се прави, за да се избегне вероятността рейтингите на SPD като сбор да бъдат надвишени, освен в много редки и изключителни случаи. Успехът на този метод се подкрепя от дългия експлоатационен живот и историята на съществуващите SPD инсталирани, проектирани по този начин.

По отношение на координацията на SPD и, както е посочено по отношение на номиналните токове на пренапрежение, логично е да има SPD с по -високи стойности на ток на пренапрежение, разположен в сервизното оборудване, където PDS е най -изложен на пренапрежения, за да се помогне за предотвратяване на преждевременно стареене; междувременно SPD, които са по-надолу от обслужващото оборудване, които не са изложени на външни източници на пренапрежения, може да имат по-ниски оценки. С добър дизайн и координация на системата за защита от пренапрежение може да се избегне преждевременното стареене на SPD.

Други причини за повреда на SPD включват:

• Грешки при инсталирането
• Неправилно приложение на продукт за неговото напрежение
• Продължителни събития за пренапрежение

Когато компонентът за потискане се провали, той най -често го прави като къс, причинявайки ток да започне да тече през повредения компонент. Размерът на тока, който може да протече през този повреден компонент, е функция от наличния ток на повреда и се задвижва от електроенергийната система. За повече информация относно токовете на повреда отидете в Информацията, свързана с безопасността на SPD.