Način rada uređaja za zaštitu od prenapona (SPD)

Način rada uređaja za zaštitu od prenapona (SPD)

Sposobnost SPD-a da ograniči prenapone na električnoj distribucijskoj mreži preusmjeravanjem prenaponskih struja je funkcija komponenti za zaštitu od prenapona, mehaničke strukture SPD-a i priključka na električnu distribucijsku mrežu. SPD je namijenjen ograničavanju prolaznih prenapona i preusmjeravanju prenaponske struje, ili oboje. Sadrži najmanje jednu nelinearnu komponentu. Najjednostavnije rečeno, SPD -ovi su namijenjeni ograničavanju prolaznih prenapona s ciljem sprječavanja oštećenja opreme i zastoja zbog prolaznih skokova napona koji dopiru do uređaja koje štite.

Na primjer, razmislite o vodenom mlinu zaštićenom ventilom za smanjenje pritiska. Ventil za smanjenje pritiska ne radi ništa dok se u dovodu vode ne pojavi impuls previsokog pritiska. Kada se to dogodi, ventil se otvara i odvodi dodatni pritisak u stranu, tako da ne dopire do vodenog točka.

Ako sigurnosni ventil nije bio prisutan, prekomjerni pritisak mogao bi oštetiti vodeni kotač ili možda spoj pile. Iako je sigurnosni ventil postavljen i radi ispravno, neki ostatak impulsa pritiska i dalje će doprijeti do kotača. Ali tlak će biti dovoljno smanjen da ne ošteti vodeni kotač ili poremeti njegov rad. Ovo opisuje djelovanje SPD -ova. Smanjuju prijelaze na nivoe koji neće oštetiti ili ometati rad osjetljive elektroničke opreme.

Korištene tehnologije

Koje se tehnologije koriste u SPD -ovima?

Od IEEE Std. C62.72: Nekoliko uobičajenih komponenti za zaštitu od prenapona koje se koriste u proizvodnji SPD-a su varistori od metalnih oksida (MOV), lavinske probojne diode (ABD-ranije poznate kao silikonske lavine diode ili SAD) i cijevi za pražnjenje plina (GDT). MOV -ovi su najčešće korištena tehnologija za zaštitu strujnih krugova izmjenične struje. Ocjena prenaponske struje MOV-a povezana je s površinom poprečnog presjeka i njegovim sastavom. Općenito, što je veća površina poprečnog presjeka, to je veća nominalna strujna snaga uređaja. MOV -ovi su općenito okrugle ili pravokutne geometrije, ali dolaze u mnoštvu standardnih dimenzija u rasponu od 7 mm (0.28 inča) do 80 mm (3.15 inča). Ocjene prenaponske struje ovih komponenti za zaštitu od prenapona uvelike se razlikuju i ovise o proizvođaču. Kao što je ranije objašnjeno u ovom odlomku, povezivanjem MOV -ova u paralelni niz, vrijednost prenaponske struje mogla bi se izračunati jednostavnim zbrajanjem ocjena prenaponske struje pojedinačnih MOV -ova zajedno kako bi se dobila vrijednost prenaponske struje niza. Pritom treba uzeti u obzir koordinaciju radnih karakteristika odabranih MOV -ova.

Postoje mnoge hipoteze o tome koja komponenta, koja topologija i implementacija određene tehnologije proizvodi najbolji SPD za preusmjeravanje prenaponske struje. Umjesto predstavljanja svih opcija, najbolje je da se rasprava o ocjeni struje prenapona, nominalnoj struji pražnjenja ili mogućnostima struje prenapona vrti oko podataka o performansama. Bez obzira na komponente korištene u dizajnu ili na specifičnu mehaničku strukturu, važno je da SPD ima nazivnu vrijednost struje prenapona ili nazivnu nominalnu struju pražnjenja koja je prikladna za primjenu.

Slijedi opsežniji opis ovih komponenti. Komponente koje se koriste u SPD -ima značajno se razlikuju. Evo uzorka ovih komponenti:

• Metalni oksidni varistor (MOV)

Obično se MOV -i sastoje od okruglog ili pravokutnog tijela od sinteriranog cinkovog oksida s odgovarajućim aditivima. Drugi tipovi koji se koriste uključuju cjevaste oblike i višeslojne strukture. Varistori imaju elektrode od metalnih čestica koje se sastoje od legure srebra ili drugog metala. Elektrode su možda nanesene na tijelo prosijavanjem i sinteriranjem ili drugim postupcima, ovisno o korištenom metalu. Varistori također često imaju žice ili jezičke ili neku drugu vrstu završetaka koji su možda lemljeni na elektrodi.

Osnovni mehanizam provođenja MOV -a rezultat je poluvodičkih spojeva na granici zrna oksida cinka nastalih tijekom procesa sinteriranja. Varistor se može smatrati uređajem s više spojeva s mnogo zrnaca koji djeluju u serijski paralelnoj kombinaciji između stezaljki. Shematski prikaz poprečnog presjeka tipičnog varistora prikazan je na slici 1.

Varistori imaju svojstvo da održavaju relativno malu promjenu napona na svojim stezaljkama, dok prenaponska struja koja teče kroz njih varira kroz nekoliko desetljeća. Ova nelinearna radnja omogućuje im da preusmjere struju prenapona kada su spojeni u odvod preko linije i ograniče napon preko linije na vrijednosti koje štite opremu priključenu na tu liniju.

• Dioda za probijanje lavine (ADB)

Ovi uređaji su poznati i kao silikonska lavinska dioda (SAD) ili prigušivač prolaznog napona (TVS). Probojna dioda PN spoja u svom osnovnom obliku je jedan PN spoj koji se sastoji od anode (P) i katode (N). Vidi sliku 2a. U aplikacijama istosmjernog kruga, zaštitnik je obrnuto pristran, tako da se pozitivan potencijal primjenjuje na katodnu (N) stranu uređaja. Vidi sliku 2b.

Lavinska dioda ima tri radna područja, 1) prednapon (niska impedansa), 2) isključeno stanje (visoka impedansa) i 3) slom unatrag pristranosti (relativno niska impedancija). Ove se regije mogu vidjeti na slici 3. U modu pristranosti prema naprijed s pozitivnim naponom na P području, dioda ima vrlo nisku impedanciju kada napon pređe napon diode pristranosti s pristranošću, VFS. VFS je obično manji od 1 V i definiran je u nastavku. Isključeno stanje proteže se od 0 V do malo ispod pozitivnog VBR na N području. U ovom području jedine struje koje teku su struje curenja ovisne o temperaturi i Zenerove tunelske struje za diode niskog napona proboja. Područje sloma obrnute pristranosti počinje pozitivnim VBR -om na N području. Na VBR elektroni koji prelaze spoj su dovoljno ubrzani visokim poljem u području spoja pa sudari elektrona rezultiraju kaskadom ili lavinom elektrona i rupa. Rezultat je nagli pad otpora diode. Za zaštitu se mogu koristiti i područja pristranosti prema naprijed i unatrag.

Električne karakteristike lavine diode suštinski su asimetrične. Proizvode se i simetrični proizvodi za zaštitu od lavine diode koji se sastoje od spojeva leđa i leđa.

• Cijev za pražnjenje plina (GDT)

Cijevi za pražnjenje plina sastoje se od dvije ili više metalnih elektroda odvojenih malim razmakom i držane keramičkim ili staklenim cilindrom. Cilindar je napunjen mješavinom plemenitog plina, koja prelazi u sjajno pražnjenje i konačno stanje luka kada se na elektrode primijeni dovoljan napon.

Kada polako rastući napon na raskoraku dosegne vrijednost određenu prvenstveno razmakom elektroda, pritiskom plina i mješavinom plina, proces uključivanja započinje pri naponu pri prevrtanju (proboju). Kada dođe do prebacivanja iskre, moguća su različita radna stanja, ovisno o vanjskom krugu. Ova stanja su prikazana na slici 4. Pri strujama manjim od prijelazne struje užarenog luka postoji područje sjaja. Pri niskim strujama u području sjaja, napon je gotovo konstantan; pri velikim sjajnim strujama, neke vrste plinskih cijevi mogu ući u abnormalno područje sjaja u kojem se napon povećava. Izvan ovog abnormalnog područja sjaja, impedancija cijevi za pražnjenje plina se smanjuje u prijelaznom području u stanje niskonaponskog luka. Prijelazna struja luka u sjaj može biti niža od prijelaza užarenja u luk. Električna karakteristika GDT -a, zajedno s vanjskim krugom, određuje sposobnost GDT -a da se ugasi nakon prolaska prenapona, a također određuje i energiju koja se rasipa u odvodniku tokom prenapona.

Ako primijenjeni napon (npr. Prijelazni) brzo raste, vrijeme potrebno za proces ionizacije/stvaranja luka može dopustiti da prijelazni napon pređe vrijednost potrebnu za kvar u prethodnom paragrafu. Ovaj napon je definiran kao impulsni prekidni napon i općenito je pozitivna funkcija brzine porasta primijenjenog napona (prijelazni).

GDT s tri komore s jednom komorom ima dvije šupljine odvojene središnjom elektrodom. Rupa u središnjoj elektrodi omogućava plinskoj plazmi iz provodne šupljine da pokrene provodljivost u drugoj šupljini, iako napon druge šupljine može biti ispod napona prevrtanja.

Zbog svog sklopnog djelovanja i robusne konstrukcije, GDT-i mogu premašiti druge komponente SPD-a u sposobnostima nošenja struje. Mnogi telekomunikacijski GDT -ovi lako mogu prenijeti prenaponske struje do 10 kA (talasni oblik 8/20 µs). Nadalje, ovisno o dizajnu i veličini GDT -a, mogu se postići prenaponske struje> 100 kA.

Konstrukcija cijevi za pražnjenje plina je takva da imaju vrlo mali kapacitet - općenito manji od 2 pF. To omogućava njihovu upotrebu u mnogim aplikacijama za visokofrekventna kola.

Kada GDT rade, mogu stvarati visokofrekventno zračenje, što može utjecati na osjetljivu elektroniku. Stoga je pametno postaviti GDT krugove na određenu udaljenost od elektronike. Udaljenost ovisi o osjetljivosti elektronike i o tome koliko je elektronika zaštićena. Druga metoda za izbjegavanje efekta je postavljanje GDT -a u zaštićeno kućište.

Definicije za GDT

Prorez ili nekoliko praznina s dvije ili tri metalne elektrode koje su hermetički zatvorene tako da su mješavina plina i tlak pod kontrolom, dizajnirani za zaštitu uređaja ili osoblja, ili oboje, od visokih prolaznih napona.

Or

Praznina ili praznine u zatvorenom mediju za pražnjenje, osim vazduha pri atmosferskom pritisku, dizajnirane da zaštite aparate ili osoblje, ili oboje, od visokih prolaznih napona.

• LCR filteri

Ove se komponente razlikuju po:

• energetske sposobnosti
• Raspoloživost
• Pouzdanost
• trošak
• efikasnost

Iz IEEE Std C62.72: Sposobnost SPD-a da ograniči prenapone na električnoj distribucijskoj mreži preusmjeravanjem prenaponskih struja je funkcija komponenata za zaštitu od prenapona, mehaničke strukture SPD-a i priključka na električnu distribucijsku mrežu. Nekoliko uobičajenih komponenti za zaštitu od prenapona koje se koriste u proizvodnji SPD-ova su MOV-ovi, SASD-ovi i cijevi za pražnjenje plina, pri čemu se MOV-i imaju najveća upotreba. Ocjena prenaponske struje MOV-a povezana je s površinom poprečnog presjeka i njegovim sastavom. Općenito, što je veća površina poprečnog presjeka, to je veća naponska struja uređaja. MOV -ovi su općenito okrugle ili pravokutne geometrije, ali dolaze u mnoštvu standardnih dimenzija u rasponu od 7 mm (0.28 inča) do 80 mm (3.15 inča). Ocjene prenaponske struje ovih komponenti za zaštitu od prenapona uvelike se razlikuju i ovise o proizvođaču. Spajanjem MOV -ova u paralelni niz, teoretska vrijednost struje prenapona mogla bi se izračunati jednostavnim zbrajanjem trenutnih ocjena pojedinačnih MOV -ova zajedno kako bi se dobila vrijednost struje prenapona niza.

Postoje mnoge hipoteze o tome koja komponenta, koja topologija i primjena određene tehnologije proizvodi najbolji SPD za preusmjeravanje prenaponske struje. Umjesto iznošenja svih ovih argumenata i dopuštanja čitatelju da dešifrira ove teme, najbolje je da se rasprava o ocjeni struje prenapona, nominalnoj nominalnoj struji pražnjenja ili mogućnostima struje prenapona vrti oko podataka ispitivanja performansi. Bez obzira na komponente korištene u dizajnu ili na specifičnu mehaničku strukturu, važno je da SPD ima napon struje prenapona ili nominalnu vrijednost struje pražnjenja koja je prikladna za primjenu i, što je vjerojatno najvažnije, da SPD ograničava prolazni prenaponi do nivoa koji sprečavaju oštećenja opreme koja se štiti s obzirom na očekivano okruženje prenapona.

Osnovni načini rada

Većina SPD -ova ima tri osnovna načina rada:

• Čeka se
• Preusmjeravanje

U svakom načinu struja teče kroz SPD. Ono što se možda ne može razumjeti je da u svakom načinu rada može postojati različita vrsta struje.

Način čekanja

U normalnim situacijama napajanja kada se “čista energija” napaja unutar električnog distribucijskog sustava, SPD obavlja minimalnu funkciju. U načinu čekanja, SPD čeka da dođe do prenapona i troši malo ili nimalo izmjenične struje; prvenstveno ono što koriste nadzorna kola.

Način preusmjeravanja

Nakon što primijeti prolazni događaj prenapona, SPD se mijenja u način preusmjeravanja. Svrha SPD -a je odvratiti štetnu impulsnu struju od kritičnih opterećenja, istovremeno smanjujući rezultirajuću veličinu napona na nisku, bezopasnu razinu.

Kako je definirano ANSI/IEEE C62.41.1-2002, tipični trenutni prijelazni tok traje samo dio ciklusa (mikrosekunde), djelić vremena u usporedbi s kontinuiranim protokom od 60Hz, sinusnog signala.

Veličina prenaponske struje ovisi o njenom izvoru. Na primjer, udari groma koji u rijetkim slučajevima mogu sadržati jačinu struje veću od nekoliko stotina hiljada ampera. Unutar objekta, međutim, interno generirani prolazni događaji proizvest će niže jakosti struje (manje od nekoliko tisuća ili stotina ampera).

Budući da je većina SPD -ova dizajnirana za rukovanje velikim prenaponskim strujama, jedno mjerilo performansi je testirana nominalna nominalna struja pražnjenja (In). Često se miješa sa strujom greške, ali nije povezana, ova velika veličina struje je pokazatelj testiranog ponovljenog izdržljivog proizvoda.

Od IEEE Std. C62.72: Nominalna ocjena struje pražnjenja vježba sposobnost SPD -a da bude izložen ponavljajućim udarima struje (15 ukupnih skokova) odabrane vrijednosti bez oštećenja, degradacije ili promjene u izmjerenim graničnim naponskim karakteristikama SPD -a. Test nominalne struje pražnjenja uključuje cijeli SPD, uključujući sve komponente za zaštitu od prenapona i unutrašnje ili vanjske SPD rastavljače. Tijekom ispitivanja nijednoj komponenti ili rastavljaču nije dopušteno da otkaže, otvori krug, ošteti se ili pokvari. Da bi se postigla određena vrijednost, izmjereni granični učinak napona SPD-a mora se održavati između usporedbe prije i poslije ispitivanja. Svrha ovih ispitivanja je pokazati sposobnost i performanse SPD -a kao odgovor na prenapone koji su u nekim slučajevima ozbiljni, ali se mogu očekivati ​​na servisnoj opremi, unutar objekta ili na mjestu instalacije.

Na primjer, SPD s nominalnom strujom pražnjenja od 10,000 ili 20,000 ampera po načinu rada znači da bi proizvod trebao biti u stanju sigurno podnijeti prolaznu jakost struje od 10,000 ili 20,000 ampera najmanje 15 puta, u svakom od načina zaštite.

Scenariji kraja života

Iz standarda IEEE Std C62.72: Najveća prijetnja dugoročnoj pouzdanosti SPD-a možda neće biti prenaponi, već ponovljeni trenutni ili privremeni prenaponi (TOV-ovi ili „nabreknuća“) koji se mogu pojaviti na PDS-u. SPD-ovi s MCOV-om-koji su nesigurno blizu nominalnog napona sustava, osjetljiviji su na takve prenapone koji mogu dovesti do preranog starenja SPD-a ili preranog isteka vijeka trajanja. Opšte pravilo koje se često koristi je utvrđivanje je li MCOV SPD -a najmanje 115% nazivnog napona sistema za svaki određeni način zaštite. To će omogućiti da na SPD ne utječu normalne varijacije napona PDS -a.

Međutim, osim kontinuiranih događaja prenapona, SPD-ovi mogu starati, ili se degradirati ili vremenom dostići stanje prestanka rada zbog prenapona koji premašuju SPD-ove vrijednosti struje prenapona, stopu pojavljivanja događaja prenapona, trajanje prenapona ili kombinaciju ovih događaja. Ponavljajući prenaponi značajne amplitude u određenom vremenskom periodu mogu pregrijati komponente SPD -a i uzrokovati starenje zaštitnih komponenti prenapona. Nadalje, ponavljajući prenaponi mogu uzrokovati preuranjeni rad SPD rastavljača koji se termički aktiviraju zbog zagrijavanja komponenata za zaštitu od prenapona. Karakteristike SPD-a se mogu promijeniti kako dostigne stanje na kraju rada-na primjer, izmjereni granični naponi mogu se povećati ili smanjiti.

U nastojanju da izbjegnu degradaciju zbog prenapona, mnogi proizvođači SPD -a dizajniraju SPD -ove s visokim mogućnostima struje prenapona bilo korištenjem fizički većih komponenti ili povezivanjem više komponenti paralelno. Ovo je učinjeno kako bi se izbjegla vjerovatnoća da će ocjene SPD -a kao sklopa biti premašene, osim u vrlo rijetkim i izuzetnim slučajevima. Uspjeh ove metode podržan je dugim vijekom trajanja i poviješću postojećih SPD -ova instaliranih na ovaj način.

S obzirom na koordinaciju SPD -a i, kako je navedeno u pogledu napona prenaponske struje, logično je da se SPD sa većim naponima struje prenapona nalazi na servisnoj opremi gdje je PDS najizloženiji udarima kako bi se spriječilo prerano starenje; u međuvremenu, SPD-ovi dalje od servisne opreme koji nisu izloženi vanjskim izvorima udara mogli bi imati manje ocjene. Dobrim dizajnom i zaštitom sistema za zaštitu od prenapona može se izbjeći prerano starenje SPD -a.

Drugi uzroci kvara SPD -a su:

• Instalacijske greške
• Pogrešna primjena proizvoda zbog nazivnog napona
• Održivi događaji prenapona

Kada komponenta za potiskivanje ne uspije, najčešće to čini kao kratki, uzrokujući da struja počne teći kroz neuspješnu komponentu. Količina struje koja je dostupna za protok kroz ovu kvarnu komponentu je funkcija raspoložive struje kvara i pokreće je elektroenergetski sistem. Za više informacija o strujama smetnji idite na SPD sigurnosne informacije.