Jak funguje přepěťové ochranné zařízení (SPD)
Schopnost SPD omezit přepětí v elektrické distribuční síti odkloněním rázových proudů je funkcí přepěťových ochranných komponent, mechanické struktury SPD a připojení k elektrické distribuční síti. SPD je určen k omezení přechodových přepětí a odklonění rázového proudu nebo obojího. Obsahuje alespoň jednu nelineární komponentu. Jednoduše řečeno, SPD jsou určeny k omezení přechodových přepětí s cílem zabránit poškození zařízení a prostojům způsobeným přechodovými napětími, která se dostanou k zařízením, která chrání.
Zvažte například vodní mlýn chráněný přetlakovým ventilem. Přetlakový ventil nedělá nic, dokud v přívodu vody nenastane přetlak. Když k tomu dojde, ventil se otevře a odstraní dodatečný tlak stranou, takže nedosáhne vodního kola.
Pokud by nebyl přítomen přetlakový ventil, nadměrný tlak by mohl poškodit vodní kolo nebo možná propojení pily. Přestože je pojistný ventil na svém místě a funguje správně, část zbytku tlakového impulsu se stále dostane ke kolu. Tlak však bude dostatečně snížen, aby nepoškodil vodní kolo ani nenarušil jeho provoz. To popisuje činnost SPD. Snižují přechodové jevy na úrovně, které nepoškodí ani nenaruší provoz citlivých elektronických zařízení.
Použité technologie
Jaké technologie se používají v SPD?
Z IEEE Std. C62.72: Několik běžných součástek chránících proti přepětí používaných při výrobě SPD jsou varistory na bázi oxidu kovu (MOV), lavinové poruchové diody (ABD-dříve známé jako silikonové lavinové diody nebo SAD) a plynové výbojky (GDT). MOV jsou nejčastěji používanou technologií pro ochranu obvodů střídavého proudu. Hodnocení rázového proudu MOV souvisí s plochou průřezu a jeho složením. Obecně platí, že čím větší je plocha průřezu, tím vyšší je jmenovitý rázový proud zařízení. MOV mají obecně kulatou nebo obdélníkovou geometrii, ale přicházejí v mnoha standardních rozměrech od 7 mm (0.28 palce) do 80 mm (3.15 palce). Hodnocení rázových proudů těchto součástek chránících proti přepětí se velmi liší a závisí na výrobci. Jak bylo diskutováno dříve v této klauzuli, připojením MOV v paralelním poli by mohla být hodnota rázového proudu vypočtena prostým sečtením hodnocení rázových proudů jednotlivých MOV dohromady za účelem získání hodnocení rázového proudu pole. Přitom by měla být zvážena koordinace provozních charakteristik vybraných MOV.
Existuje mnoho hypotéz o tom, jaká součástka, jaká topologie a nasazení konkrétní technologie vytváří nejlepší SPD pro odvádění rázového proudu. Namísto prezentace všech možností je nejlepší, aby se diskuse o hodnocení rázového proudu, jmenovitém jmenovitém vybíjecím proudu nebo rázovém proudu točila kolem údajů o testech výkonu. Bez ohledu na součásti použité v konstrukci nebo konkrétní použitou mechanickou strukturu je důležité, aby SPD měl jmenovitý rázový proud nebo jmenovitý proud vybíjecího proudu, který je vhodný pro danou aplikaci.
Následuje podrobnější popis těchto komponent. Komponenty použité v SPD se značně liší. Zde je ukázka těchto komponent:
Varistor na bázi oxidu kovu (MOV)
MOV se obvykle skládají z kulatého nebo obdélníkového tělesa ze slinutého oxidu zinečnatého s vhodnými přísadami. Mezi další používané typy patří trubkovité tvary a vícevrstvé struktury. Varistory mají elektrody s kovovými částicemi sestávající ze slitiny stříbra nebo jiného kovu. Elektrody mohly být na tělo naneseny proséváním a slinováním nebo jinými postupy v závislosti na použitém kovu. Varistory mají také často vodiče nebo vývody nebo nějaký jiný typ zakončení, které mohlo být připájeno k elektrodě.
Základní vodivý mechanismus MOV vyplývá z polovodičových spojů na hranici zrn oxidu zinečnatého vytvořených během procesu slinování. Varistor lze považovat za zařízení s více spoji s mnoha zrny působícími v sériově paralelní kombinaci mezi svorkami. Schematický pohled v příčném řezu na typický varistor je znázorněn na obrázku 1.
Varistory mají tu vlastnost, že udržují relativně malou změnu napětí na svých svorkách, zatímco rázový proud, který jimi protéká, se mění po několik desetiletí. Tato nelineární akce jim umožňuje odklonit proud přepětí, když je připojen zkratem přes vedení, a omezit napětí na vedení na hodnoty, které chrání zařízení připojené k tomuto vedení.
Avalanche Breakdown Diode (ADB)
Tato zařízení jsou také známá jako křemíková lavinová dioda (SAD) nebo supresor přechodného napětí (TVS). Poruchová dioda PN přechodu je ve své základní formě jediná PN křižovatka sestávající z anody (P) a katody (N). Viz obrázek 2a. V aplikacích stejnosměrných obvodů je chránič předpjatý tak, že na katodovou (N) stranu zařízení je aplikován kladný potenciál. Viz obrázek 2b.
Lavinová dioda má tři provozní oblasti, 1) dopředné zkreslení (nízká impedance), 2) vypnutý stav (vysoká impedance) a 3) rozpad reverzního zkreslení (relativně nízká impedance). Tyto oblasti lze vidět na obrázku 3. V režimu dopředného předpětí s kladným napětím v oblasti P má dioda velmi nízkou impedanci, jakmile napětí překročí napětí dopředné předpětí diody VFS. VFS je obvykle menší než 1 V a je definován níže. Vypnutý stav sahá od 0 V do těsně pod kladný VBR v oblasti N. V této oblasti proudí pouze proudové svodové proudy závislé na teplotě a tunelové proudy Zener pro diody s nízkým průrazným napětím. Oblast rozpadu obráceného předpětí začíná kladným VBR v N oblasti. U VBR jsou elektrony procházející křižovatkou dostatečně zrychleny vysokým polem v oblasti spojení, takže srážky elektronů vedou k vytváření kaskády nebo laviny elektronů a děr. Výsledkem je prudký pokles odporu diody. K ochraně lze použít oblasti rozdělení dopředného i zpětného zkreslení.
Elektrické charakteristiky lavinové diody jsou vnitřně asymetrické. Vyrábějí se také symetrické lavinové ochranné diody sestávající ze spojů zády k sobě.
Plynová výbojka (GDT)
Plynové výbojky se skládají ze dvou nebo více kovových elektrod oddělených malou mezerou a držených keramickým nebo skleněným válcem. Válec je naplněn směsí vzácných plynů, které jiskří do doutnavého výboje a nakonec do obloukového stavu, když je na elektrody aplikováno dostatečné napětí.
Když pomalu rostoucí napětí přes mezeru dosáhne hodnoty určené primárně roztečí elektrod, tlakem plynu a směsí plynů, proces zapnutí se spustí při jiskřivém (poruchovém) napětí. Jakmile dojde k jiskření, jsou možné různé provozní stavy v závislosti na externích obvodech. Tyto stavy jsou znázorněny na obrázku 4. Při proudech menších, než je přechodový proud záře na oblouk, existuje oblast záře. Při nízkých proudech v oblasti záře je napětí téměř konstantní; při vysokých doutnavých proudech mohou některé typy plynových trubic vstoupit do abnormální oblasti záře, ve které se napětí zvyšuje. Za touto abnormální oblastí záře klesá impedance plynové výbojky v přechodové oblasti do stavu nízkonapěťového oblouku. Přechodový proud oblouk-záře může být nižší než přechod záře-oblouk. Elektrická charakteristika GDT ve spojení s vnějšími obvody určuje schopnost GDT zhasnout po průchodu rázu a také určuje energii rozptýlenou v svodiči během přepětí.
Pokud použité napětí (např. Přechodové) rychle stoupá, může doba potřebná pro proces tvorby ionizace/oblouku umožnit přechodovému napětí překročit hodnotu požadovanou pro poruchu v předchozím odstavci. Toto napětí je definováno jako impulsní průrazné napětí a je obecně kladnou funkcí rychlosti nárůstu aplikovaného napětí (přechodové).
Jednokomorová tříelektrodová GDT má dvě dutiny oddělené středovou prstencovou elektrodou. Otvor ve střední elektrodě umožňuje plazmatu plynu z vodivé dutiny zahájit vedení v druhé dutině, i když napětí druhé dutiny může být pod jiskrovým napětím.
Vzhledem ke své spínací akci a robustní konstrukci mohou GDT převyšovat ostatní součásti SPD v proudových schopnostech. Mnoho telekomunikačních GDT může snadno přenášet rázové proudy až 10 kA (průběh 8/20 µs). Dále, v závislosti na konstrukci a velikosti GDT, lze dosáhnout rázových proudů> 100 kA.
Konstrukce plynových výbojek je taková, že mají velmi nízkou kapacitu - obecně méně než 2 pF. To umožňuje jejich použití v mnoha aplikacích vysokofrekvenčních obvodů.
Když GDT fungují, mohou generovat vysokofrekvenční záření, které může ovlivnit citlivou elektroniku. Je proto moudré umístit obvody GDT v určité vzdálenosti od elektroniky. Vzdálenost závisí na citlivosti elektroniky a na tom, jak dobře je elektronika stíněna. Další metodou, jak se tomuto efektu vyhnout, je umístit GDT do stíněné skříně.
Definice pro GDT
Mezera nebo několik mezer se dvěma nebo třemi kovovými elektrodami hermeticky uzavřenými tak, aby plynná směs a tlak byly pod kontrolou, určené k ochraně zařízení nebo personálu nebo obojího před vysokými přechodovými napětími.
Or
Mezera nebo mezery v uzavřeném výbojovém médiu, jiném než vzduch za atmosférického tlaku, určené k ochraně zařízení nebo personálu nebo obojího před vysokými přechodovými napětími.
- LCR filtry
Tyto komponenty se liší:
- energetické schopnosti
- dostupnost
- spolehlivost
- stát
- účinnost
Z IEEE Std C62.72: Schopnost SPD omezit přepětí v elektrické distribuční síti odkloněním rázových proudů je funkcí přepěťových ochranných komponent, mechanické struktury SPD a připojení k elektrické distribuční síti. Několik běžných součástek chránících proti přepětí používaných při výrobě SPD jsou MOV, SASD a plynové výbojky, přičemž největší využití mají MOV. Hodnocení rázového proudu MOV souvisí s plochou průřezu a jeho složením. Obecně platí, že čím větší je plocha průřezu, tím vyšší je jmenovitý rázový proud zařízení. MOV mají obecně kulatou nebo obdélníkovou geometrii, ale přicházejí v mnoha standardních rozměrech od 7 mm (0.28 palce) do 80 mm (3.15 palce). Hodnocení rázových proudů těchto součástek chránících proti přepětí se velmi liší a závisí na výrobci. Připojením MOV v paralelním poli by bylo možné vypočítat teoretické hodnocení rázového proudu prostým sečtením aktuálních hodnocení jednotlivých MOV dohromady, aby se získalo hodnocení rázového proudu pole.
Existuje mnoho hypotéz o tom, jaká součástka, jaká topologie a nasazení konkrétní technologie vytváří nejlepší SPD pro odvádění rázového proudu. Namísto předložení všech těchto argumentů a ponechání čtenáře rozluštit tato témata je nejlepší, aby se diskuse o hodnocení rázového proudu, jmenovitém jmenovitém vybíjecím proudu nebo schopnostech rázového proudu točila kolem údajů o testech výkonu. Bez ohledu na součásti použité v konstrukci nebo konkrétní použitou mechanickou strukturu je důležité, aby SPD měl jmenovitý rázový proud nebo jmenovitý proud vybíjecího proudu, který je vhodný pro danou aplikaci, a pravděpodobně nejdůležitější, aby SPD omezoval přechodové přepětí na úrovně, které zabraňují poškození chráněného zařízení vzhledem k očekávanému rázovému prostředí.
Základní provozní režimy
Většina SPD má tři základní provozní režimy:
- Čeká
- Přesměrování
V každém režimu protéká proud SPD. Co však nemusí být pochopeno, je to, že v každém režimu může existovat jiný typ proudu.
Režim čekání
Za běžných napájecích situací, kdy je v elektrickém distribučním systému dodávána „čistá energie“, plní SPD minimální funkci. V režimu čekání SPD čeká na přepětí a spotřebovává malý nebo žádný střídavý proud; především ten, který používají monitorovací obvody.
Režim odklonění
Po detekci přechodové události přepětí se SPD přepne do režimu přesměrování. Účelem SPD je odklonit škodlivý impulsní proud od kritických zátěží a současně snížit jeho výslednou velikost napětí na nízkou, neškodnou úroveň.
Jak je definováno v ANSI/IEEE C62.41.1-2002, typický přechodový proud trvá pouze zlomek cyklu (mikrosekundy), což je zlomek času ve srovnání s kontinuálním tokem 60 Hz, sinusového signálu.
Velikost rázového proudu závisí na jeho zdroji. Například blesky, které mohou ve vzácných případech obsahovat proudové magnitudy přesahující několik set tisíc ampérů. V rámci zařízení však interně generované přechodové události budou produkovat nižší velikosti proudu (méně než několik tisíc nebo sto ampérů).
Vzhledem k tomu, že většina SPD je navržena tak, aby zvládala velké rázové proudy, jedním výkonovým měřítkem je produktem testovaný jmenovitý jmenovitý vybíjecí proud (In). Tato velká proudová velikost je často zaměňována s poruchovým proudem, ale nesouvisí, je indikací testované opakované výdržné kapacity výrobku.
Z IEEE Std. C62.72: Jmenovitý proud vybíjecího proudu využívá schopnost SPD být vystaven opakovaným proudovým rázům (15 celkových rázů) vybrané hodnoty bez poškození, degradace nebo změny měřeného výkonu omezovacího napětí SPD. Zkouška jmenovitého vybíjecího proudu zahrnuje celý SPD včetně všech komponentů přepěťové ochrany a interních nebo externích odpojovačů SPD. Během testu nesmí žádná součástka nebo odpojovač selhat, otevřít obvod, poškodit se nebo degradovat. Aby se dosáhlo určitého hodnocení, musí být mezi porovnáním před testem a po testu udržována naměřená úroveň výkonu omezovacího napětí SPD. Účelem těchto testů je demonstrovat schopnost a výkonnost SPD v reakci na přepětí, která jsou v některých případech závažná, ale lze je očekávat u servisního zařízení, v rámci zařízení nebo v místě instalace.
Například SPD s nominální kapacitou vybíjecího proudu 10,000 20,000 nebo 10,000 20,000 ampérů na režim znamená, že produkt by měl být schopen bezpečně odolat velikosti přechodového proudu 15 XNUMX nebo XNUMX XNUMX ampérů minimálně XNUMXkrát, v každém z režimů ochrany.
Scénáře konce života
Z IEEE Std C62.72: Největší hrozbou pro dlouhodobou spolehlivost SPD nemusí být přepětí, ale opakované chvilkové nebo dočasné přepětí (TOV nebo „bobtnání“), které mohou na PDS nastat. SPD s MCOV-které jsou nejistě blízko nominálního napětí systému, jsou náchylnější k takovým přepětím, která mohou vést k předčasnému stárnutí SPD nebo předčasnému konci životnosti. Pravidlem, které se často používá, je určit, zda je MCOV SPD alespoň 115% nominálního systémového napětí pro každý konkrétní režim ochrany. To umožní, aby SPD nebyl ovlivněn normálními změnami napětí PDS.
Kromě trvalých událostí přepětí však SPD mohou stárnout nebo se degradovat nebo dosáhnout stavu ukončení provozu v důsledku rázů, které překračují hodnocení SPD pro rázový proud, četnost výskytů rázových událostí, trvání přepětí , nebo kombinace těchto událostí. Opakované rázové události s výraznou amplitudou po určitou dobu mohou přehřát součásti SPD a způsobit stárnutí ochranných prvků proti přepětí. Opakované přepětí může dále způsobit předčasný provoz odpojovačů SPD, které jsou tepelně aktivovány v důsledku zahřívání součástí ochrany proti přepětí. Charakteristiky SPD se mohou měnit, když dosáhne stavu ukončení provozu-například měřená mezní napětí se mohou zvýšit nebo snížit.
Ve snaze vyhnout se degradaci v důsledku přepětí navrhuje mnoho výrobců SPD SPD s vysokými schopnostmi rázového proudu buď pomocí fyzicky větších součástek, nebo paralelním propojením více komponent. To se provádí, aby se zabránilo pravděpodobnosti překročení hodnocení SPD jako sestavy, s výjimkou velmi vzácných a výjimečných případů. Úspěch této metody je podpořen dlouhou životností a historií existujících nainstalovaných SPD, které byly navrženy tímto způsobem.
S ohledem na koordinaci SPD a, jak je uvedeno s ohledem na hodnocení rázových proudů, je logické mít na servisním zařízení SPD s vyššími hodnotami rázových proudů, kde je PDS nejvíce vystaven rázům, aby pomohl v prevenci předčasného stárnutí; mezitím mohou SPD dále klesat ze servisního vybavení, které není vystaveno externím zdrojům přepětí, mít nižší hodnocení. Díky dobrému návrhu a koordinaci systému přepěťové ochrany lze zabránit předčasnému stárnutí SPD.
Mezi další příčiny selhání SPD patří:
- Chyby při instalaci
- Nesprávná aplikace produktu kvůli jeho jmenovitému napětí
- Trvalé události přepětí
Když součást potlačení selže, nejčastěji to udělá jako zkrat, což způsobí, že proud začne protékat selhanou komponentou. Množství proudu, který je k dispozici k průtoku touto porouchanou součástí, je funkcí dostupného poruchového proudu a je poháněno energetickým systémem. Další informace o poruchových proudech najdete v informacích souvisejících s bezpečností SPD.
