Cumu funziona u Dispositivu Protettivu da Surge (SPD)
A capacità di un SPD di limità e sovratensioni in a rete di distribuzione elettrica sviendu i currenti di sovratensione hè una funzione di i componenti di prutezzione di sovratensione, a struttura meccanica di u SPD è a cunnessione à a rete di distribuzione elettrica. Un SPD hè destinatu à limità sovratensioni transitorie è devia a corrente di sovratensione, o entrambi. Contene almenu una cumpunente non lineare. In i termini più semplici, i SPD sò destinati à limità e sovratensioni transitorie cù un scopu di prevene i danni di l'equipaggiu è i tempi di fermu per via di e tensioni transitorie chì ghjunghjenu à i dispositivi chì pruteggenu.
Per esempiu, cunsiderate un mulinu d'acqua prutettu da una valvola di sollievu di pressione. A valvula di sollievu di pressione ùn face nunda finu à chì un impulsu di pressione eccessiva si verifica in u fornimentu d'acqua. Quandu accade, a valvola si apre è scaccia a pressione supplementaria da parte, affinch'ella ùn ghjunghji micca à a rota d'acqua.
Se a valvola di sollievu ùn era micca presente, una pressione eccessiva puderia dannà a rota d'acqua, o forse u ligame per a sega. Ancu se a valvula di sollievu hè in piazza è funziona currettamente, qualchì restu di u pulse di pressione ghjunghjerà sempre à a rota. Ma a pressione serà stata ridutta abbastanza per ùn dannà a rota d'acqua o disturbà u so funziunamentu. Questu descrive l'azione di i SPD. Riducenu i transitori à livelli chì ùn dannighjanu micca o disturbanu u funziunamentu di apparecchiature elettroniche sensibili.
Tecnulugia aduprata
Chì tecnulugia sò aduprate in SPD?
Da IEEE Std. C62.72: Alcuni cumpunenti cumuni di prutezzione di sovratensione aduprati in a fabbricazione di SPD sò varistori di ossidu metallicu (MOV), diodi di ripartizione di valanga (ABDs - anticamente cunnisciuti cum'è diodi di valanga di silicio o SAD), è tubi di scarica di gas (GDT). I MOV sò a tecnulugia più comunemente utilizata per a prutezzione di i circuiti di alimentazione AC. A valutazione di corrente attuale di un MOV hè in relazione cù a zona di a sezione trasversale è a so composizione. In generale, più grande hè a zona di sezione trasversale, più alta hè a valutazione di corrente di sovratensione di u dispositivu. I MOV sò generalmente di geometria tonda o rettangulare ma venenu in una pletora di dimensioni standard chì varienu da 7 mm (0.28 inch) à 80 mm (3.15 inch). E valutazioni attuali di sovratensione di questi componenti protettivi per sovratensioni variano largamente è dipendenu da u fabbricante. Cum'è discututu prima in questa clausula, cunnessu i MOV in una matrice parallella, un valore di corrente attuale puderia esse calculatu semplicemente aghjunghjendu e valutazioni attuali di tensione di i singuli MOV insieme per uttene a valutazione di corrente attuale di a matrice. In questu modu, deve esse cunsideratu a coordinazione di e caratteristiche operative di i MOV selezionati.
Ci hè parechje ipotesi nantu à chì cumpunente, chì topulugia, è u dispiegamentu di tecnulugia specifica produce u megliu SPD per svià a corrente di sovratensione. Invece di presentà tutte l'opzioni, hè megliu chì a discussione nantu à a valutazione attuale di a sollecitazione, a Valutazione attuale di scarica nominale, o à a capacità attuale di sbilanciamenti giranu intornu à i dati di prova di prestazione. Indipendentemente da i cumpunenti aduprati in u cuncepimentu, o a struttura meccanica specifica dispiegata, ciò chì conta hè chì u SPD abbia una valutazione di corrente attuale o Valutazione di Corrente di Scaricamentu Nominale chì hè adatta per l'applicazione.
Una descrizzione più larga di questi cumpunenti seguita. I cumpunenti utilizati in SPD varienu assai. Eccu un campionamentu di questi componenti:
Varistore di ossidu metallicu (MOV)
Tipicamente, i MOV sò cumposti da un corpu di forma rotonda o rettangulare di ossidu di zincu sinterizatu cù additivi adatti. Altri tippi in usu includenu forme tubulari è strutture multistrato. I Varistori anu elettrodi di particella metallica custituiti da una lega d'argentu o un altru metallu. L'elettrodi pò esse stati applicati à u corpu per screening è sinterizazione o da altri prucessi sicondu u metallu adupratu. I Varistori anu ancu spessu fili o fili o qualchì altru tipu di terminazione chì pò esse stati saldati à l'elettrodu.
U meccanismu di cunduzione di basa di i MOV risultati da e giunzioni semiconduttori à a cunfine di i granuli di ossidu di zincu furmati durante un prucessu di sinterizazione. U varistor pò esse cunsideratu un dispositivu multi-junction cù assai grani chì agiscenu in cumbinazione serie-parallella trà i terminali. Una vista schematica in sezione trasversale di un varistor tipicu hè mostrata in Figura 1.
I Varistori anu a pruprietà di mantene un cambiamentu di tensione relativamente chjucu annantu à i so terminali mentre a corrente di surghjente chì passa per elli varieghja annantu à parechji decennii di magnitudine. Questa azzione non lineare li permette di sviare a corrente di una sovratensione quandu hè cunnessa in shunt attraversu a linea è limita a tensione attraversu a linea à valori chì pruteggenu l'attrezzatura cunnessa à quella linea.
Diode di Ripartizione Avalanche (ADB)
Questi dispositivi sò ancu cunnisciuti cum'è diode di valanga di siliziu (SAD) o suppressore di tensione transitoria (TVS). U diode di ripartizione di a giunzione PN, in a so forma di basa, hè una sola giunzione PN cumposta da un anodu (P) è un catodu (N). Vede a Figura 2a. In l'applicazioni di u circuitu DC, u prutettore hè polarizatu in modu inversu tale chì un putenziale pusitivu sia applicatu à u latu catodu (N) di u dispositivu. Vede a Figura 2b.
U diode di valanga hà trè regioni operative, 1) bias avanti (bassa impedenza), 2) state off (alta impedanza), è 3) ripartizione di polarizazione inversa (impedanza relativamente bassa). Queste regioni ponu esse viste in Figura 3. In u modu di preghjudiziu avanti cù una tensione positiva nantu à a regione P, u diode hà una impedanza assai bassa una volta chì a tensione supera a tensione di diode di preghjudiziu in avanti, VFS. VFS hè di solitu menu di 1 V è hè definitu quì sottu. U statu off si estende da 0 V à ghjustu sottu à un VBR pusitivu in a regione N. In questa regione, i soli currenti chì flussu sò correnti di fuga dipendenti da a temperatura è currenti di tunneling di Zener per i diodi di tensione di panna bassa. A regione di ripartizione di preghjudiziu inversu principia cù un VBR pusitivu in a regione N. À l'elettroni VBR chì attraversanu a giunzione sò abbastanza accelerati da u campu altu in a regione di giunzione chì e collisioni di l'elettroni risultanu in una cascata, o valanga, di elettroni è fori creati. U risultatu hè una forte calata di a resistenza di u diodu. Sia e regioni di ripartizione di pregiudiziu avanti sia di pregiudiziu inversu ponu esse aduprate per a prutezzione.
E caratteristiche elettriche di una dioda di valanga sò intrinsecamente asimmetriche. I prudutti simmetrici di prutezzione di diode di valanga chì consistenu di giunzioni di schiena à schiena sò ancu fabbricati.
Tubu di scarica di gas (GDT)
I tubi à scarica di gas sò cumposti da dui o più elettrodi metallichi separati da una piccula lacuna è tenuti da un cilindru di ceramica o di vetru. U cilindru hè pienu di un mischju di gasu nobile, chì scintilla in una scarica luminosa è infine una condizione di arcu quandu una tensione sufficiente hè applicata à l'elettrodi.
Quandu una tensione chì cresce lentamente attraversu u spaziu ghjunghje à un valore determinatu principalmente da a spaziatura di l'elettrodi, a pressione di gas è u mischiu di gas, u prucessu di accensione inizia à a tensione di scintilla (ripartizione). Una volta accesa a scintilla, sò pussibuli vari stati di funziunamentu, secondu i circuiti esterni. Questi stati sò mostrati in Figura 4. À i currenti menu di u currente di transizione glow-to-arc, esiste una regione glow. À bassu currenti in a regione incandescente, a tensione hè guasi custante; in altu currente d'incandescenza, certi tippi di tubi di gas ponu entrà in una regione di incandescenza anormale in cui aumenta a tensione. Al di là di questa regione anormale di incandescenza, l'impedenza di u tubu di scarica di gas diminuisce in a regione di transizione in a situazione di arcu à bassa tensione. U currente di transizione arcu à incandescenza pò esse più bassu cà a transizione incandescente à arcu. A caratteristica elettrica GDT, in cunjunzione cù i circuiti esterni, determina a capacità di u GDT di spegne dopu u passaghju di una sovratensione, è determina ancu l'energia dissipata in l'arrestatore durante a sovratensione.
Se a tensione applicata (per esempiu, transitoria) cresce rapidamente, u tempu impiegatu per u prucessu di ionizazione / formazione di l'arcu pò permette à a tensione transitoria di superà u valore necessariu per a ripartizione in u paràgrafu precedente. Questa tensione hè definita cum'è a tensione di ripartizione d'impulsu è hè generalmente una funzione positiva di u tassu di risurrezzione di a tensione applicata (transitoria).
Una sola camera GDT à trè elettrodi hà duie cavità separate da un elettrodu à anellu centrale. U foru in l'elettrodu centru permette à u gasu plasma da una cavità cunduttrice di inizià a cunduzione in l'altra cavità, ancu se l'altra tensione di cavità pò esse sottu a tensione di scintilla.
A causa di a so azzione di commutazione è di una custruzzione robusta, i GDT ponu superà l'altri cumpunenti SPD in capacità di trasportu attuale. Parechji GDT di telecomunicazioni ponu facilmente trasportà correnti di sovratensione fino a 10 kA (forma d'onda 8/20 µs). Inoltre, secondu u cuncepimentu è a dimensione di u GDT, si pò uttene currenti di sovratensione> 100 kA.
A custruzzione di tubi à scarica di gas hè tale chì anu una capacità assai bassa - generalmente menu di 2 pF. Questu permette u so usu in parechje applicazioni di circuitu d'alta frequenza.
Quandu i GDT operanu, ponu generà radiazioni à alta frequenza, chì ponu influenzà l'elettronica sensibile. Hè dunque saggiu di piazzà i circuiti GDT à una certa distanza da l'elettronica. A distanza dipende da a sensibilità di l'elettronica è da quantu l'elettronica hè prutetta. Un altru mètudu per evità l'effettu hè di mette u GDT in un recintu protettatu.
Definizioni per GDT
Una lacuna, o parechje lacune cù dui o trè elettrodi metallichi ermeticamente sigillati in modu chì u mischju di gas è a pressione sianu cuntrullati, cuncepiti per prutege l'apparechju o u persunale, o tramindui, da alte tensioni transitorie.
Or
Una lacuna o lacune in un mezu di scarica chjusu, altru ch'è l'aria à pressione atmosferica, cuncepitu per prutege l'apparatu o u persunale, o entrambi, da tensioni transitorie elevate.
- Filtri LCR
Questi cumpunenti varienu in i so:
- capacità energetica
- Dispunibilità
- Affidabilità
- costu
- efficace
Da IEEE Std C62.72: A capacità di un SPD di limità e sovratensioni in a rete di distribuzione elettrica sviendu i currenti di sovratensione hè una funzione di i componenti prutettori di sovratensione, a struttura meccanica di u SPD è a cunnessione à a rete di distribuzione elettrica. Alcuni cumpunenti cumuni di prutezzione di sovratensione aduprati in a fabbricazione di SPD sò MOV, SASD è tubi di scarica di gas, cù MOV chì anu u più grande usu. A valutazione di corrente attuale di un MOV hè in relazione cù a zona di a sezione trasversale è a so composizione. In generale, più grande hè a zona di sezione trasversale, più alta hè a valutazione di corrente di sovratensione di u dispositivu. I MOV sò generalmente di geometria tonda o rettangulare ma ghjunghjenu in una mansa di dimensioni standard chì vanu da 7 mm (0.28 in) à 80 mm (3.15 in). E valutazioni attuali di sovratensione di questi componenti protettivi per sovratensioni variano largamente è dipendenu da u fabbricante. Cunnettendu i MOV in una matrice parallella, una valutazione teorica di a surghjente teorica puderia esse calculata semplicemente aghjunghjendu e valutazioni attuali di i singuli MOV insieme per ottene a valutazione di corrente di surghjente di a matrice.
Ci sò parechje ipotesi nantu à chì cumpunente, chì topulugia, è u dispiegamentu di tecnulugia specifica produce u megliu SPD per svià a corrente di sovratensione. Invece di presentà tutti questi argumenti è lascià u lettore decifrà questi temi, hè megliu chì a discussione nantu à a valutazione attuale di a sollecitazione, a Valutazione attuale di discarica nominale, o à a capacità attuale di a tensione giranu intornu à i dati di test di prestazione. Indipendentemente da i cumpunenti aduprati in u cuncepimentu, o da a struttura meccanica specifica dispiegata, ciò chì conta hè chì u SPD abbia una valutazione di corrente attuale o Valutazione di Corrente di Scaricamentu Nominale chì hè adatta per l'applicazione è, probabilmente più impurtante, chì u SPD limita u transitoriu sovratensioni à livelli chì impediscenu danni à l'attrezzatura chì sò prutetti dendu l'ambiente di sovratensione previstu.
Modi Operativi di Base
A maiò parte di i SPD anu trè modi di funziunamentu di basa:
- Aspittendu
- Divertitu
In ogni modu, u currente scorri attraversu u SPD. Ciò chì pò ùn esse capitu, però, hè chì un tippu differente di corrente pò esiste in ogni modu.
U Modu Aspittendu
In situazioni normali di putenza quandu "putenza pulita" hè furnita in un sistema di distribuzione elettrica, u SPD svolge una funzione minima. In u modu in attesa, u SPD aspetta una sovratensione è si consuma pocu o micca putenza ac; principalmente quella aduprata da i circuiti di sorveglianza.
U Modu di Sviamentu
Dopu avè rilevatu un avvenimentu di sovratensione transitoria, u SPD cambia in u Modu di Sviamentu. U scopu di un SPD hè di svià u currente di impulsu dannusu luntanu da carichi critichi, riducendu simultaneamente a so magnitudine di tensione resultante à un livellu bassu innocu.
Cum'è definitu da ANSI / IEEE C62.41.1-2002, un tipicu transitoriu di corrente dura solu una frazione di un ciclu (microsecondi), un frammentu di tempu paragunatu cù u flussu continuu di un segnale sinusoidale di 60Hz.
A magnitudine di u currente di sovratensione dipende da a so fonte. I fulmini, per esempiu, chì ponu in rare occurrences cuntenenu magnitudini attuali chì superanu parechje centinaia di milla di ampere. In un stabilimentu, però, eventi transitori generati internamente produrranu magnitudini di corrente inferiori (menu di pochi millaie o centu ampere).
Siccomu a maiò parte di i SPD sò cuncepiti per gestisce grandi correnti di sovratensione, un benchmark di prestazione hè u Pruvenimentu nominale di corrente di scarica nominale (In). Spessu cunfunditu cù u currente di difettu, ma senza relazione, sta grande magnitudine attuale hè un'indicazione di a capacità di resistenza ripetuta testata di u pruduttu.
Da IEEE Std. C62.72: A Valutazione di Scaricamentu Nominale Esercita a capacità di un SPD di esse sottumessu à sovratensioni attuali ripetitive (15 sovratensioni totali) di un valore sceltu senza danni, degradazione o un cambiamentu di prestazione di tensione limitata misurata di un SPD. A prova di Scaricamentu Nominale include u SPD interu cumprendu tutti i cumpunenti di prutezzione di sovratensione è i sezionatori SPD interni o esterni. Durante a prova, nisun cumpunente o disconnettore hè permessu di fallu, aprite u circuitu, esse danneggiati o degradati. Per uttene una valutazione particulare, u livellu di prestazione di tensione limitata misurata di u SPD deve esse mantenutu trà u pre-test è u paragone post-test. U scopu di sti test hè di dimustrà a capacità è e prestazioni di un SPD in risposta à i surges chì in certi casi sò severi ma puderebbenu esse previsti in l'attrezzatura di serviziu, in una facilità o in u locu di installazione.
Per esempiu, un SPD cù una capacità attuale di scarica nominale di 10,000 o 20,000 amp per modalità significa chì u pruduttu deve esse capace di suppurtà in modu sicuru una magnitudine attuale transitoria di 10,000 o 20,000 amps un minimu di 15 volte, in ognunu di i modi di prutezzione.
Scenarii di Fine di Vita
Da IEEE Std C62.72: A minaccia più grande per l'affidabilità à longu andà di i SPD ùn puderebbe micca esse sovratensioni, ma e sovratensioni momentanee o temporanee ripetute (TOV o "gonfi") chì ponu accade nantu à u PDS. I SPD cù un MCOV - chì sò precarii vicinu à a tensione nominale di u sistema sò più suscettibili à tali sovratensioni chì ponu purtà à un invecchiamento SPD prematuru o à una fine di vita prematura. Una regula generale chì hè spessu usata hè di determinà se u MCOV di u SPD hè almenu 115% di a tensione nominale di u sistema per ogni modu specificu di prutezzione. Questu permetterà à u SPD di esse micca influenzatu da e variazioni normali di tensione di u PDS.
Tuttavia, a parte l'eventi di sovratensione sostenuti, i SPD ponu invechjà, o degradà, o ghjunghje à a so situazione di fine di serviziu cù u tempu à causa di sovratensioni chì superanu e valutazioni SPD per a corrente di sovratensione, a percentuale di occorrenza di eventi di sovratensione, durata di a sovratensione , o a cumminazione di questi avvenimenti. Avvenimenti ripetitivi di sovratensione di ampiezza significativa per un periodu di tempu ponu surriscaldà i cumpunenti SPD è causà l'età di i componenti protettivi di sovratensione. Inoltre, i picchi ripetitivi ponu causà disconnettori SPD chì sò attivati termicamente per operà prematuramente a causa di u riscaldamentu di i componenti protettivi per sovratensioni. E caratteristiche di un SPD ponu cambià quandu ghjunghje à a so situazione di fine di serviziu - per esempiu, e tensioni limitanti misurate ponu aumentà o diminuisce.
In un sforzu per evità a degradazione per via di surges, parechji fabbricanti SPD progettanu SPD cù capacità di corrente elevate di sorgente sia aduprendu componenti fisicamente più grandi o cunnessu più componenti in parallelo. Questu hè fattu per evità a probabilità chì e valutazioni di u SPD cum'è assemblea sò superate eccettu in casi rari è eccezziunali. U successu di stu metudu hè sustinutu da a longa vita di serviziu è a storia di i SPD esistenti installati chì sò stati cuncipiti in questu modu.
In quantu à a coordinazione SPD è, cum'è dichjaratu in quantu à e valutazioni attuali di sovratensione, hè logicu avè un SPD cun più elevate valutazioni di corrente attuale situate in l'attrezzatura di serviziu induve u PDS hè u più espostu à sovratensioni per aiutà à prevene l'invecchiamentu prematuru; intantu, i SPD più in ligna da l'equipaggiu di serviziu chì ùn sò micca esposti à fonti esterne di surges puderanu avè calificazioni minori. Cù una bona cuncezzione è una coordinazione di u sistema protettivu per sovratensioni, l'anziane SPD prematura pò esse evitata.
Altre cause di fallimentu SPD includenu:
- Errori di stallazione
- Misapplicazione di un pruduttu per a so valutazione di tensione
- Avvenimenti di sopra-tensione sustinuti
Quandu un cumpunente di suppressione fiasca, u più spessu face cusì cum'è un cortu, pruvucendu a corrente à cumincià à scorrere per u componente fallitu. A quantità di corrente dispunibile per passà per questu cumpunente fallitu hè una funzione di a corrente di falla disponibile è hè guidata da u sistema di alimentazione. Per saperne di più infurmazioni nantu à i Currenti Fault andate in SPD Information Related Safety.
