Sådan fungerer Surge Protective Device (SPD)

Sådan fungerer Surge Protective Device (SPD)

En SPD's evne til at begrænse overspændinger på det elektriske distributionsnet ved at aflede overspændingsstrømme er en funktion af de overspændingsbeskyttende komponenter, SPD'ens mekaniske struktur og forbindelsen til det elektriske distributionsnet. En SPD er beregnet til at begrænse forbigående overspændinger og aflede overspændingsstrøm eller begge dele. Den indeholder mindst en ikke -lineær komponent. På de enkleste vilkår er SPD'er beregnet til at begrænse forbigående overspændinger med det formål at forhindre beskadigelse af udstyr og nedetid på grund af forbigående spændingsoverspændinger, der når de enheder, de beskytter.

Overvej f.eks. En vandmølle, der er beskyttet af en trykaflastningsventil. Trykaflastningsventilen gør intet, før der forekommer en overtrykspuls i vandforsyningen. Når det sker, åbner ventilen og shunter det ekstra tryk til side, så det ikke når vandhjulet.

Hvis aflastningsventilen ikke var til stede, kan for højt tryk beskadige vandhjulet eller måske forbindelsen til saven. Selvom aflastningsventilen er på plads og fungerer korrekt, vil en rest af trykpulsen stadig nå hjulet. Men trykket vil være reduceret nok til ikke at beskadige vandhjulet eller forstyrre dets drift. Dette beskriver SPD'ernes handling. De reducerer transienter til niveauer, der ikke vil beskadige eller forstyrre driften af ​​følsomt elektronisk udstyr.

Brugte teknologier

Hvilke teknologier bruges i SPD'er?

Fra IEEE Std. C62.72: Nogle få almindelige overspændingsbeskyttende komponenter, der bruges til fremstilling af SPD'er, er metaloxidvaristorer (MOV'er), lavine-nedbrydningsdioder (ABD'er-tidligere kendt som silicium-lavine-dioder eller SAD'er) og gasudladningsrør (GDT'er). MOV'er er den mest almindeligt anvendte teknologi til beskyttelse af vekselstrømskredsløb. Overspændingsstrømværdien for en MOV er relateret til tværsnitsområdet og dets sammensætning. Generelt, jo større tværsnitsareal, desto højere er strømstyrken for enheden. MOV'er er generelt af rund eller rektangulær geometri, men findes i et væld af standardmål, der spænder fra 7 mm (0.28 inch) til 80 mm (3.15 inch). Overspændingsstrømværdierne for disse overspændingsbeskyttende komponenter varierer meget og er afhængige af producenten. Som diskuteret tidligere i denne klausul, ved at forbinde MOV'erne i et parallelt array, kunne en overspændingsstrømværdi beregnes ved simpelthen at tilføje de enkelte MOV'ers overspændingsstrømværdier sammen for at opnå matrisens overspændingsstrøm. I den forbindelse bør det overvejes at koordinere driftskarakteristika for de valgte MOV'er.

Der er mange hypoteser om, hvilken komponent, hvilken topologi og implementering af specifik teknologi producerer den bedste SPD til at aflede overspændingsstrøm. I stedet for at præsentere alle mulighederne er det bedst, at diskussionen om stigningsstrømværdi, nominel afladningsstrømværdi eller overspændingsstrømskapacitet drejer sig om ydelsestestdata. Uanset de komponenter, der bruges i designet, eller den specifikke mekaniske struktur, der er anvendt, er det afgørende, at SPD'en har en overspændingsstrøm eller nominel udladningsstrømværdi, der er egnet til applikationen.

En mere omfattende beskrivelse af disse komponenter følger. De komponenter, der bruges i SPD'er, varierer betydeligt. Her er et udsnit af disse komponenter:

• Metaloxidvaristor (MOV)

Typisk består MOV'er af et rundt eller rektangulært legeme af sintret zinkoxid med passende tilsætningsstoffer. Andre anvendte typer omfatter rørformede former og flerlagsstrukturer. Varistorer har metalpartikelelektroder bestående af en sølvlegering eller andet metal. Elektroderne kan have været påført kroppen ved screening og sintring eller ved andre processer afhængigt af det anvendte metal. Varistorer har også ofte lednings- eller tappeledninger eller en anden form for afslutning, der kan være loddet til elektroden.

Den grundlæggende ledningsmekanisme for MOV'er stammer fra halvlederforbindelser ved grænsen af ​​zinkoxidkornene, der dannes under en sintringsproces. Varistoren kan betragtes som en multi-junction-enhed med mange korn, der virker i serie-parallel kombination mellem terminalerne. Et skematisk tværsnitsbillede af en typisk varistor er vist i figur 1.

Varistorer har den egenskab at opretholde en relativt lille spændingsændring på tværs af deres terminaler, mens overspændingsstrømmen, der strømmer gennem dem, varierer over flere årtiers størrelse. Denne ikke -lineære handling giver dem mulighed for at aflede strømmen af ​​en bølge, når de er tilsluttet i shunt over linjen og begrænse spændingen over linjen til værdier, der beskytter udstyret, der er forbundet til den linje.

• Lavineopdelingsdiode (ADB)

Disse enheder er også kendt som silicium lavine diode (SAD) eller transient voltage suppressor (TVS). PN -krydsets nedbrydningsdiode er i sin grundlæggende form et enkelt PN -kryds, der består af en anode (P) og en katode (N). Se figur 2a. I applikationer til jævnstrømskredsløb er beskytteren omvendt forudindtaget, således at et positivt potentiale påføres katodens (N) side af enheden. Se figur 2b.

Lavinedioden har tre driftsområder, 1) fremadrettet bias (lav impedans), 2) off -tilstand (høj impedans) og 3) reverse bias nedbrydning (relativt lav impedans). Disse områder kan ses i figur 3. I fremadspændingsmodus med en positiv spænding på P -området har dioden meget lav impedans, når spændingen overstiger forspændingsdiodespændingen, VFS. VFS er normalt mindre end 1 V og er defineret nedenfor. Off -tilstanden strækker sig fra 0 V til lige under en positiv VBR på N -regionen. I denne region er de eneste strømme, der strømmer, temperaturafhængige lækstrømme og Zener -tunnelingstrømme til lave nedbrydningsspændingsdioder. Omvendt bias nedbrydningsregion begynder med en positiv VBR på N -regionen. Ved VBR elektroner, der krydser krydset, accelereres nok af det høje felt i krydsområdet, til at elektronkollisioner resulterer i en kaskade eller lavine af elektroner og huller, der dannes. Resultatet er et kraftigt fald i diodenes modstand. Både fremadgående bias og reverse bias nedbrydningsområder kan bruges til beskyttelse.

De lavine -diodes elektriske egenskaber er iboende asymmetriske. Symmetriske lavine -diodebeskyttelsesprodukter, der består af back to back junctions, fremstilles også.

• Gasudladningsrør (GDT)

Gasudladningsrør består af to eller flere metalelektroder adskilt af et lille hul og holdt af en keramisk eller glascylinder. Cylinderen er fyldt med en ædelgasblanding, der gnister over i en glødafladning og til sidst en lysbue -tilstand, når der tilføres tilstrækkelig spænding til elektroderne.

Når en langsomt stigende spænding over gapet når en værdi, der primært bestemmes af elektrodeafstanden, gastryk og gasblanding, starter tændingsprocessen ved gnist-over (nedbrydning) spændingen. Når gnistning forekommer, er forskellige driftstilstande mulige afhængigt af det eksterne kredsløb. Disse tilstande er vist i figur 4. Ved strømme, der er mindre end glød-til-bue-overgangsstrømmen, eksisterer der en glødregion. Ved lave strømme i glødområdet er spændingen næsten konstant; ved høje lysstrømme kan nogle typer gasrør komme ind i et unormalt lysområde, hvor spændingen stiger. Ud over dette unormale glødområde falder gasudladningsrørets impedans i overgangsområdet til lavspændingsbue-tilstanden. Bue-til-glød-overgangsstrømmen kan være lavere end glød-til-bue-overgangen. Den elektriske GDT -egenskab i forbindelse med det eksterne kredsløb bestemmer GDT's evne til at slukke efter passage af en overspænding og bestemmer også den energi, der spredes i aflederen under overspændingen.

Hvis den påførte spænding (f.eks. Transient) stiger hurtigt, kan den tid, det tager for ioniserings-/bueformingsprocessen, muliggøre, at den transiente spænding overstiger den værdi, der kræves for nedbrydning i det foregående afsnit. Denne spænding er defineret som impulsnedbrydningsspændingen og er generelt en positiv funktion af stigningshastigheden for den påførte spænding (forbigående).

Et enkeltkammer tre-elektrode GDT har to hulrum adskilt af en midterringelektrode. Hullet i midterelektroden tillader gasplasma fra et ledende hulrum at starte ledning i det andet hulrum, selvom den anden hulrumsspænding kan være under gnist-over-spændingen.

På grund af deres switch-handling og robuste konstruktion kan GDT'er overstige andre SPD-komponenter i strømførende kapacitet. Mange telekommunikations -GDT'er kan let bære overspændingsstrømme op til 10 kA (8/20 µs bølgeform). Afhængigt af design og størrelse af GDT kan der endvidere opnås overspændingsstrømme på> 100 kA.

Konstruktionen af ​​gasudladningsrør er sådan, at de har meget lav kapacitans - generelt mindre end 2 pF. Dette gør det muligt at bruge dem i mange højfrekvente kredsløbsprogrammer.

Når GDT'er fungerer, kan de generere højfrekvent stråling, som kan påvirke følsom elektronik. Det er derfor klogt at placere GDT kredsløb i en vis afstand fra elektronikken. Afstanden afhænger af elektronikkens følsomhed, og hvor godt elektronikken er afskærmet. En anden metode til at undgå effekten er at placere GDT i et afskærmet kabinet.

Definitioner for GDT

Et hul eller flere huller med to eller tre metalelektroder hermetisk lukket, så gasblanding og tryk er under kontrol, designet til at beskytte apparat eller personale eller begge dele mod høje forbigående spændinger.

Or

Et hul eller huller i et lukket afladningsmedium, bortset fra luft ved atmosfærisk tryk, designet til at beskytte apparat eller personale eller begge dele mod høje forbigående spændinger.

• LCR filtre

Disse komponenter varierer i deres:

• energikapacitet
• tilgængelighed
• pålidelighed
• koste
• effektivitet

Fra IEEE Std C62.72: En SPD's evne til at begrænse overspændinger på det elektriske distributionsnet ved at omdirigere overspændingsstrømme er en funktion af de overspændingsbeskyttende komponenter, SPD'ens mekaniske struktur og forbindelsen til det elektriske distributionsnet. Et par almindelige overspændingsbeskyttende komponenter, der bruges til fremstilling af SPD'er, er MOV'er, SASD'er og gasudladningsrør, hvor MOV'er har den største anvendelse. Overspændingsstrømværdien for en MOV er relateret til tværsnitsområdet og dets sammensætning. Generelt er det, at jo større tværsnitsarealet er, desto højere er strømstyrken for enheden. MOV'er er generelt af rund eller rektangulær geometri, men findes i et væld af standarddimensioner, der spænder fra 7 mm (0.28 in) til 80 mm (3.15 in). Overspændingsstrømværdierne for disse overspændingsbeskyttende komponenter varierer meget og er afhængige af producenten. Ved at forbinde MOV'erne i et parallelt array kan en teoretisk overspændingsstrømværdi beregnes ved blot at tilføje de enkelte MOV'ers strømværdier sammen for at opnå matrixens overspændingsstrøm.

Der er mange hypoteser om, hvilken komponent, hvilken topologi og implementering af specifik teknologi producerer den bedste SPD til at aflede overspændingsstrøm. I stedet for at præsentere alle disse argumenter og lade læseren dechiffrere disse emner, er det bedst, at diskussionen om stigningsstrømværdi, nominel udladningsstrømværdi eller spændingsstrømfunktioner drejer sig om ydelsestestdata. Uanset de komponenter, der bruges i designet, eller den specifikke mekaniske struktur, der er anvendt, er det afgørende, at SPD'en har en overspændingsstrøm eller nominel udladningsstrømværdi, der er egnet til applikationen, og sandsynligvis vigtigst af alt, at SPD begrænser transienten overspændinger til niveauer, der forhindrer skader på det udstyr, der beskyttes i betragtning af det forventede overspændingsmiljø.

Grundlæggende driftsmåder

De fleste SPD'er har tre grundlæggende driftstilstande:

• afventer
• Omstilling

I hver tilstand strømmer strøm gennem SPD. Hvad der dog ikke kan forstås, er, at der kan eksistere en anden type strøm i hver tilstand.

Venter -tilstand

Under normale strømforhold, når "ren strøm" leveres i et elektrisk distributionssystem, udfører SPD'en minimal funktion. I ventetilstand venter SPD'en på, at der opstår en overspænding og bruger lidt eller ingen vekselstrøm; primært det, der bruges af overvågningskredsløbene.

Omdirigeringsfunktionen

Ved registrering af en forbigående overspændingshændelse skifter SPD'en til omdirigeringsfunktionen. Formålet med en SPD er at aflede den skadelige impulsstrøm væk fra kritiske belastninger, samtidig med at den resulterende spændingsstørrelse reduceres til et lavt, ufarligt niveau.

Som defineret af ANSI/IEEE C62.41.1-2002 varer en typisk strømtransient kun en brøkdel af en cyklus (mikrosekunder), et fragment af tid sammenlignet med den kontinuerlige strøm af et 60Hz, sinusformet signal.

Størrelsen af ​​overspændingsstrømmen afhænger af dens kilde. Lynnedslag, for eksempel, der i sjældne tilfælde kan indeholde strømstørrelser, der overstiger flere hundrede tusinde ampere. Inden for en facilitet vil internt genererede forbigående hændelser imidlertid producere lavere strømstørrelser (mindre end et par tusinde eller hundrede ampere).

Da de fleste SPD'er er designet til at håndtere store overspændingsstrømme, er et ydelsesbenchmark produktets testede nominelle udladningsstrøm (in). Ofte forvekslet med fejlstrøm, men ikke relateret, er denne store strømstyrke en indikation af produktets testede gentagne modstandskapacitet.

Fra IEEE Std. C62.72: Den nominelle afladningsstrømværdi udøver en SPD's evne til at blive udsat for gentagne strømstød (15 samlede overspændinger) af en valgt værdi uden skader, forringelse eller ændring i målt begrænsende spændingsydelse for et SPD. Den nominelle afladestrømstest omfatter hele SPD'en inklusive alle overspændingsbeskyttende komponenter og interne eller eksterne SPD -afbrydere. Under testen må ingen komponent eller afbryder mislykkes, åbne kredsløbet, blive beskadiget eller nedbrydes. For at opnå en bestemt rating skal det målte begrænsende spændingsydelsesniveau for SPD'en opretholdes mellem for-test og efter-test sammenligning. Formålet med disse tests er at demonstrere kapaciteten og ydeevnen for en SPD som reaktion på overspændinger, der i nogle tilfælde er alvorlige, men som kan forventes på serviceudstyret, inden for et anlæg eller på installationsstedet.

For eksempel betyder en SPD med en nominel udladningsstrømskapacitet på 10,000 eller 20,000 ampere pr. Tilstand, at produktet sikkert skal kunne modstå en forbigående strømstyrke på 10,000 eller 20,000 ampere mindst 15 gange i hver af beskyttelsesmetoderne.

Scenarier for slutningen af ​​livet

Fra IEEE Std C62.72: Den største trussel mod den langsigtede pålidelighed af SPD'er er muligvis ikke overspændinger, men de gentagne momentane eller midlertidige overspændinger (TOV'er eller "svulmer"), der kan forekomme på PDS. SPD'er med en MCOV-der er usikkert tæt på den nominelle systemspænding, er mere modtagelige for sådanne overspændinger, som kan føre til for tidlig SPD-ældning eller for tidlig afslutning af levetiden. En tommelfingerregel, der ofte bruges, er at bestemme, om MCOV for SPD er mindst 115% af den nominelle systemspænding for hver specifik beskyttelsesform. Dette gør det muligt for SPD'en at være upåvirket af PDS'ens normale spændingsvariationer.

Bortset fra vedvarende overspændingshændelser kan SPD'er imidlertid ældes eller nedbrydes eller nå deres tilstand ved slutningen af ​​servicen over tid på grund af overspændinger, der overstiger SPD'ernes ratings for overspændingsstrøm, forekomsten af ​​overspændingshændelser, overspændingens varighed eller kombinationen af ​​disse begivenheder. Gentagne overspændingshændelser med betydelig amplitude over en periode kan overophedes SPD -komponenterne og få de overspændingsbeskyttende komponenter til at blive ældre. Endvidere kan gentagne overspændinger få SPD -afbrydere, der er termisk aktiverede, til at fungere for tidligt på grund af opvarmning af overspændingsbeskyttende komponenter. Egenskaberne ved en SPD kan ændre sig, når den når tilstanden ved udgangen af ​​driften-for eksempel kan de målte begrænsningsspændinger stige eller falde.

I et forsøg på at undgå nedbrydning på grund af overspændinger designer mange SPD -producenter SPD'er med høje overspændingsstrømsevner enten ved at bruge fysisk større komponenter eller ved at forbinde flere komponenter parallelt. Dette gøres for at undgå sandsynligheden for, at klassificering af SPD som en samling overskrides undtagen i meget sjældne og usædvanlige tilfælde. Succesen med denne metode understøttes af den lange levetid og historie med eksisterende installerede SPD'er, der er designet på denne måde.

Med hensyn til SPD -koordinering og, som angivet med hensyn til stigningsstrømværdier, er det logisk at have en SPD med højere overspændingsstrømværdier placeret på serviceudstyret, hvor PDS er mest udsat for overspændinger for at hjælpe med at forhindre for tidlig ældning; i mellemtiden kan SPD'er yderligere nedlinje fra serviceudstyret, der ikke er udsat for eksterne kilder til overspændinger, muligvis have lavere ratings. Med et godt overspændingsbeskyttende systemdesign og koordinering kan for tidlig SPD -aldring undgås.

Andre årsager til SPD -fejl omfatter:

• Installationsfejl
• Fejlanvendelse af et produkt for dets spændingsværdi
• Vedvarende overspændingsbegivenheder

Når en undertrykkelseskomponent fejler, gør den det oftest som en kort, hvilket får strøm til at begynde at strømme gennem den fejlede komponent. Mængden af ​​strøm, der er tilgængelig for at strømme gennem denne fejlbehæftede komponent, er en funktion af den tilgængelige fejlstrøm og drives af elsystemet. For mere information om fejlstrømme, gå til SPD -sikkerhedsrelaterede oplysninger.