So funktionieren Überspannungsschutzgeräte (SPD)

So funktionieren Überspannungsschutzgeräte (SPD)

Die Fähigkeit eines SPDs, Überspannungen im elektrischen Verteilnetz durch Ableitung von Stoßströmen zu begrenzen, hängt von den Überspannungsschutzkomponenten, dem mechanischen Aufbau des SPDs und dem Anschluss an das elektrische Verteilnetz ab. Ein SPD soll transiente Überspannungen begrenzen und Stoßströme ableiten oder beides. Es enthält mindestens eine nichtlineare Komponente. Einfach ausgedrückt, sollen SPDs transiente Überspannungen begrenzen, um Geräteschäden und Ausfallzeiten aufgrund von transienten Spannungsspitzen zu verhindern, die die von ihnen geschützten Geräte erreichen.

Betrachten Sie beispielsweise eine Wassermühle, die durch ein Überdruckventil geschützt ist. Das Druckbegrenzungsventil tut nichts, bis ein Überdruckimpuls in der Wasserversorgung auftritt. Wenn das passiert, öffnet das Ventil und leitet den zusätzlichen Druck beiseite, damit er das Wasserrad nicht erreicht.

Wenn das Überdruckventil nicht vorhanden war, könnte übermäßiger Druck das Wasserrad oder möglicherweise das Gestänge für die Säge beschädigen. Auch wenn das Überdruckventil vorhanden ist und ordnungsgemäß funktioniert, erreichen immer noch Reste des Druckimpulses das Rad. Aber der Druck wird genug reduziert, um das Wasserrad nicht zu beschädigen oder seinen Betrieb zu stören. Dies beschreibt die Aktion von SPDs. Sie reduzieren Transienten auf Werte, die den Betrieb empfindlicher elektronischer Geräte nicht beschädigen oder stören.

Verwendete Technologien

Welche Technologien werden in SPDs verwendet?

Von IEEE Std. C62.72: Einige gängige Überspannungsschutzkomponenten, die bei der Herstellung von SPDs verwendet werden, sind Metalloxid-Varistoren (MOVs), Avalanche-Durchbruchdioden (ABDs – früher bekannt als Silizium-Avalanche-Dioden oder SADs) und Gasentladungsröhren (GDTs). MOVs sind die am häufigsten verwendete Technologie zum Schutz von Wechselstromkreisen. Der Stoßstromwert eines MOV hängt von der Querschnittsfläche und seiner Zusammensetzung ab. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Querschnittsfläche, desto höher die Stoßstrombelastbarkeit des Geräts. MOVs haben im Allgemeinen eine runde oder rechteckige Geometrie, sind jedoch in einer Vielzahl von Standardabmessungen von 7 mm (0.28 Zoll) bis 80 mm (3.15 Zoll) erhältlich. Die Stoßstromwerte dieser Überspannungsschutzkomponenten variieren stark und sind herstellerabhängig. Wie weiter oben in diesem Abschnitt besprochen, könnte durch Verbinden der MOVs in einem parallelen Array ein Stoßstromwert berechnet werden, indem einfach die Stoßstromnennwerte der einzelnen MOVs addiert werden, um den Stoßstromnennwert des Arrays zu erhalten. Dabei sollte auf die Abstimmung der Betriebseigenschaften der ausgewählten MOVs geachtet werden.

Es gibt viele Hypothesen darüber, welche Komponente, welche Topologie und der Einsatz einer bestimmten Technologie das beste SPD zum Ableiten von Stoßströmen ergeben. Anstatt alle Optionen vorzustellen, ist es am besten, wenn sich die Diskussion über Stoßstromnennwert, Nennentladestromnennwert oder Stoßstromfähigkeiten um Leistungstestdaten dreht. Unabhängig von den im Design verwendeten Komponenten oder der verwendeten spezifischen mechanischen Struktur ist es wichtig, dass das SPD einen für die Anwendung geeigneten Stoßstrom- oder Nennableitstrom hat.

Eine ausführlichere Beschreibung dieser Komponenten folgt. Die in SPDs verwendeten Komponenten variieren erheblich. Hier ist eine Auswahl dieser Komponenten:

• Metalloxidvaristor (MOV)

Typischerweise bestehen MOVs aus einem runden oder rechteckigen Formkörper aus gesintertem Zinkoxid mit geeigneten Zusätzen. Andere gebräuchliche Typen umfassen röhrenförmige Formen und mehrschichtige Strukturen. Varistoren haben Metallpartikelelektroden, die aus einer Silberlegierung oder einem anderen Metall bestehen. Die Elektroden können je nach verwendetem Metall durch Sieben und Sintern oder durch andere Verfahren auf den Körper aufgebracht worden sein. Varistoren haben auch oft Draht- oder Flachstecker oder andere Arten von Anschlüssen, die möglicherweise an die Elektrode gelötet sind.

Der grundlegende Leitungsmechanismus von MOVs resultiert aus Halbleiterübergängen an der Grenze der Zinkoxidkörner, die während eines Sinterprozesses gebildet werden. Der Varistor kann als Multi-Junction-Bauelement mit vielen Körnern betrachtet werden, die in Reihen-Parallel-Kombination zwischen den Anschlüssen wirken. Eine schematische Querschnittsansicht eines typischen Varistors ist in Abbildung 1 gezeigt.

Varistoren haben die Eigenschaft, eine relativ kleine Spannungsänderung an ihren Anschlüssen aufrechtzuerhalten, während der durch sie fließende Stoßstrom über mehrere Dekaden der Größenordnung variiert. Diese nichtlineare Aktion ermöglicht es ihnen, den Strom eines Stoßes umzuleiten, wenn sie im Shunt über die Leitung geschaltet werden, und die Spannung über der Leitung auf Werte zu begrenzen, die die an diese Leitung angeschlossenen Geräte schützen.

• Lawinendurchbruchdiode (ADB)

Diese Geräte werden auch als Silizium-Avalanche-Diode (SAD) oder Transient Voltage Suppressor (TVS) bezeichnet. Die Durchbruchdiode mit PN-Übergang ist in ihrer Grundform ein einzelner PN-Übergang, der aus einer Anode (P) und einer Kathode (N) besteht. Siehe Abbildung 2a. Bei Gleichstromkreisanwendungen wird die Schutzvorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt, so dass ein positives Potential an die Kathodenseite (N) der Vorrichtung angelegt wird. Siehe Abbildung 2b.

Die Avalanche-Diode hat drei Betriebsbereiche, 1) Vorwärtsvorspannung (niedrige Impedanz), 2) Aus-Zustand (hohe Impedanz) und 3) Sperrspannungsdurchbruch (relativ niedrige Impedanz). Diese Bereiche sind in Abbildung 3 zu sehen. Im Vorwärtsvorspannungsmodus mit einer positiven Spannung im P-Bereich hat die Diode eine sehr niedrige Impedanz, sobald die Spannung die Vorwärtsvorspannungsdiodenspannung VFS überschreitet. VFS beträgt normalerweise weniger als 1 V und wird unten definiert. Der Aus-Zustand erstreckt sich von 0 V bis knapp unter einen positiven VBR im N-Bereich. In diesem Bereich sind die einzigen Ströme, die fließen, temperaturabhängige Leckströme und Zener-Tunnelströme für Dioden mit niedriger Durchbruchspannung. Die Sperrspannungs-Durchbruchsregion beginnt mit einem positiven VBR auf der N-Region. Bei VBR werden Elektronen, die den Übergang passieren, durch das hohe Feld im Übergangsbereich so weit beschleunigt, dass Elektronenkollisionen zu einer Kaskade oder Lawine von Elektronen und Löchern führen. Das Ergebnis ist ein starker Abfall des Widerstands der Diode. Sowohl die Durchlass- als auch die Sperrvorspannungs-Durchbruchbereiche können zum Schutz verwendet werden.

Die elektrischen Eigenschaften einer Avalanche-Diode sind intrinsisch asymmetrisch. Es werden auch symmetrische Avalanche-Diodenschutzprodukte hergestellt, die aus Back-to-Back-Übergängen bestehen.

• Gasentladungsröhre (GDT)

Gasentladungsröhren bestehen aus zwei oder mehr Metallelektroden, die durch einen kleinen Spalt getrennt sind und von einem Keramik- oder Glaszylinder gehalten werden. Der Zylinder ist mit einem Edelgasgemisch gefüllt, das bei ausreichender Spannung an den Elektroden in eine Glimmentladung und schließlich in einen Lichtbogenzustand übergeht.

Wenn eine langsam ansteigende Spannung über der Lücke einen Wert erreicht, der hauptsächlich durch den Elektrodenabstand, den Gasdruck und das Gasgemisch bestimmt wird, beginnt der Einschaltvorgang bei der Durchschlagspannung (Durchschlagsspannung). Nach einem Funkenüberschlag sind je nach externer Beschaltung verschiedene Betriebszustände möglich. Diese Zustände sind in Abbildung 4 gezeigt. Bei Strömen, die geringer sind als der Übergangsstrom vom Glühen zum Lichtbogen, existiert ein Glühbereich. Bei kleinen Strömen im Glimmbereich ist die Spannung nahezu konstant; bei hohen Glühströmen können einige Arten von Gasröhren in einen anormalen Glühbereich eintreten, in dem die Spannung ansteigt. Jenseits dieses anormalen Glühbereichs nimmt die Impedanz der Gasentladungsröhre im Übergangsbereich in den Niederspannungslichtbogenzustand ab. Der Lichtbogen-zu-Glühen-Übergangsstrom kann niedriger sein als der Glühen-zu-Lichtbogen-Übergang. Die elektrische Kennlinie des GDT bestimmt in Verbindung mit der externen Beschaltung die Fähigkeit des GDT, nach einem Überspannungsdurchgang zu verlöschen, und bestimmt auch die während des Überspannungsableiters im Ableiter abgeleitete Energie.

Wenn die angelegte Spannung (zB Transient) schnell ansteigt, kann es die Zeit, die für den Ionisations-/Lichtbogenbildungsprozess benötigt wird, dazu führen, dass die Transientspannung den für den Durchbruch im vorherigen Absatz erforderlichen Wert überschreitet. Diese Spannung wird als Stoßdurchbruchspannung definiert und ist im Allgemeinen eine positive Funktion der Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung (transient).

Ein Einkammer-Dreielektroden-GDT hat zwei Hohlräume, die durch eine Mittelringelektrode getrennt sind. Das Loch in der Mittelelektrode ermöglicht, dass Gasplasma aus einem leitenden Hohlraum die Leitung in dem anderen Hohlraum einleitet, selbst wenn die Spannung des anderen Hohlraums unter der Überschlagspannung liegen kann.

Aufgrund ihres Schaltverhaltens und ihrer robusten Konstruktion können GDTs andere SPD-Komponenten in der Stromtragfähigkeit übertreffen. Viele Telekommunikations-GDTs können problemlos Stoßströme von bis zu 10 kA (8/20 µs Wellenform) tragen. Je nach Bauform und Baugröße des GDT können zudem Stoßströme >100 kA erreicht werden.

Gasentladungsröhren sind so konstruiert, dass sie eine sehr geringe Kapazität haben – in der Regel weniger als 2 pF. Dies ermöglicht ihre Verwendung in vielen Hochfrequenz-Schaltungsanwendungen.

Im Betrieb können GDTs hochfrequente Strahlung erzeugen, die empfindliche Elektronik beeinflussen kann. Es ist daher ratsam, GDT-Schaltungen in einem gewissen Abstand von der Elektronik zu platzieren. Der Abstand hängt von der Empfindlichkeit der Elektronik ab und wie gut die Elektronik abgeschirmt ist. Eine andere Methode, den Effekt zu vermeiden, besteht darin, den GDT in einem abgeschirmten Gehäuse zu platzieren.

Definitionen für GDT

Eine Lücke oder mehrere Lücken mit zwei oder drei hermetisch abgedichteten Metallelektroden, so dass Gasgemisch und Druck unter Kontrolle sind, um Geräte oder Personal oder beides vor hohen transienten Spannungen zu schützen.

Or

Eine Lücke oder Lücken in einem eingeschlossenen Entladungsmedium, außer Luft bei atmosphärischem Druck, zum Schutz von Geräten oder Personal oder beidem vor hohen transienten Spannungen.

• LCR-Filter

Diese Komponenten unterscheiden sich in ihrer:

• Energiefähigkeit
• Verfügbarkeit
• Zuverlässigkeit
• kosten
• Wirksamkeit

Aus IEEE Std C62.72: Die Fähigkeit eines SPDs, Überspannungen im elektrischen Verteilungsnetz durch Ableitung von Stoßströmen zu begrenzen, hängt von den Überspannungsschutzkomponenten, dem mechanischen Aufbau des SPDs und der Verbindung zum elektrischen Verteilungsnetz ab. Einige gängige Überspannungsschutzkomponenten, die bei der Herstellung von SPDs verwendet werden, sind MOVs, SASDs und Gasentladungsröhren, wobei MOVs die größte Verwendung haben. Der Stoßstromwert eines MOV hängt von der Querschnittsfläche und seiner Zusammensetzung ab. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Querschnittsfläche ist, desto höher ist die Stoßstrombelastbarkeit des Geräts. MOVs haben im Allgemeinen eine runde oder rechteckige Geometrie, sind jedoch in einer Vielzahl von Standardabmessungen von 7 mm (0.28 Zoll) bis 80 mm (3.15 Zoll) erhältlich. Die Stoßstromwerte dieser Überspannungsschutzkomponenten variieren stark und sind herstellerabhängig. Durch Verbinden der MOVs in einem parallelen Array könnte ein theoretischer Stoßstromwert berechnet werden, indem einfach die Stromwerte der einzelnen MOVs zusammengezählt werden, um den Stoßstromwert des Arrays zu erhalten.

Es gibt viele Hypothesen darüber, welche Komponente, welche Topologie und der Einsatz einer bestimmten Technologie das beste SPD zum Ableiten von Stoßströmen ergeben. Anstatt all diese Argumente zu präsentieren und den Leser diese Themen entziffern zu lassen, ist es am besten, wenn sich die Diskussion über Stoßstromnennwert, Nennentladungsstromnennwert oder Stoßstromfähigkeiten um Leistungstestdaten dreht. Unabhängig von den bei der Konstruktion verwendeten Komponenten oder der verwendeten spezifischen mechanischen Struktur ist es wichtig, dass das SPD einen für die Anwendung geeigneten Stoßstrom- oder Nennableitstrom hat und, wahrscheinlich am wichtigsten, dass das SPD die Transienten begrenzt Überspannungen auf Werte, die eine Beschädigung der zu schützenden Ausrüstung in der zu erwartenden Überspannungsumgebung verhindern.

Grundlegende Betriebsmodi

Die meisten SPDs haben drei grundlegende Betriebsmodi:

• Warten
• Umleiten

In jedem Modus fließt Strom durch das SPD. Was jedoch möglicherweise nicht verstanden wird, ist, dass in jedem Modus eine andere Stromart existieren kann.

Der Wartemodus

Unter normalen Stromsituationen, in denen „sauberer Strom“ innerhalb eines elektrischen Verteilungssystems geliefert wird, führt das SPD eine minimale Funktion aus. Im Wartemodus wartet das SPD auf das Auftreten einer Überspannung und verbraucht wenig oder keinen Wechselstrom; hauptsächlich die von den Überwachungsschaltungen verwendete.

Der Umleitungsmodus

Beim Erkennen eines vorübergehenden Überspannungsereignisses wechselt das SPD in den Umleitungsmodus. Der Zweck eines SPDs besteht darin, den schädlichen Stoßstrom von kritischen Lasten abzuleiten und gleichzeitig seine resultierende Spannungsgröße auf ein niedriges, ungefährliches Niveau zu reduzieren.

Gemäß ANSI/IEEE C62.41.1-2002 dauert eine typische Stromtransiente nur einen Bruchteil eines Zyklus (Mikrosekunden), ein Zeitfragment im Vergleich zum kontinuierlichen Fluss eines 60 Hz Sinussignals.

Die Höhe des Stoßstroms hängt von seiner Quelle ab. Blitzeinschläge zum Beispiel, die in seltenen Fällen Stromstärken von mehr als mehreren hunderttausend Ampere enthalten können. Innerhalb einer Einrichtung erzeugen intern erzeugte transiente Ereignisse jedoch niedrigere Stromstärken (weniger als einige Tausend oder Hundert Ampere).

Da die meisten SPDs für große Stoßströme ausgelegt sind, ist ein Leistungsmaßstab der getestete Nenn-Entladestrom (In) des Produkts. Diese große Stromstärke wird oft mit Fehlerstrom verwechselt, ist jedoch unabhängig davon und weist auf die geprüfte wiederholte Widerstandsfähigkeit des Produkts hin.

Von IEEE Std. C62.72: Der Nenn-Entladestrom übt die Fähigkeit eines SPDs aus, wiederholten Stromstößen (15 Gesamtstöße) eines ausgewählten Wertes ohne Beschädigung, Verschlechterung oder Änderung der gemessenen Grenzspannungsleistung eines SPDs ausgesetzt zu werden. Die Prüfung des Nennableitstroms umfasst das gesamte SPD einschließlich aller Überspannungsschutzkomponenten und internen oder externen SPD-Trennschaltern. Während des Tests darf kein Bauteil oder Trenner ausfallen, den Stromkreis öffnen, beschädigt werden oder sich verschlechtern. Um eine bestimmte Bewertung zu erreichen, muss der gemessene Grenzspannungs-Performance-Level des SPD zwischen dem Vortest und dem Nachtestvergleich eingehalten werden. Der Zweck dieser Tests besteht darin, die Fähigkeit und Leistung eines SPDs als Reaktion auf Überspannungen zu demonstrieren, die in einigen Fällen schwerwiegend sind, aber an der Serviceausrüstung, innerhalb einer Einrichtung oder am Installationsort zu erwarten sind.

Ein SPD mit einer Nenn-Entladestromkapazität von 10,000 oder 20,000 Ampere pro Modus bedeutet beispielsweise, dass das Produkt in jedem der Schutzmodi mindestens 10,000-mal einer transienten Stromstärke von 20,000 oder 15 Ampere standhalten kann.

End-of-Life-Szenarien

Aus IEEE Std C62.72: Die größte Bedrohung für die langfristige Zuverlässigkeit von SPDs sind möglicherweise nicht Überspannungen, sondern die wiederholten kurzzeitigen oder vorübergehenden Überspannungen (TOVs oder „Swells“), die auf dem PDS auftreten können. SPDs mit einem MCOV – die prekär nahe an der Nennsystemspannung liegen, sind anfälliger für solche Überspannungen, die zu vorzeitiger SPD-Alterung oder vorzeitigem Ende der Lebensdauer führen können. Eine häufig verwendete Faustregel besteht darin, zu bestimmen, ob der MCOV des SPD für jeden spezifischen Schutzmodus mindestens 115 % der Nennsystemspannung beträgt. Dadurch kann das SPD von den normalen Spannungsschwankungen des PDS unbeeinflusst bleiben.

Abgesehen von anhaltenden Überspannungsereignissen können SPDs jedoch altern, sich verschlechtern oder im Laufe der Zeit aufgrund von Überspannungen, die die SPDs-Nennwerte für Stoßstrom überschreiten, der Häufigkeit von Überspannungsereignissen, der Dauer der Überspannung, ihren Betriebsendezustand erreichen , oder die Kombination dieser Ereignisse. Wiederholte Überspannungsereignisse mit erheblicher Amplitude über einen längeren Zeitraum können die SPD-Komponenten überhitzen und die Überspannungsschutzkomponenten altern lassen. Außerdem können sich wiederholende Überspannungen bewirken, dass SPD-Trennschalter, die thermisch aktiviert werden, aufgrund der Erwärmung der Überspannungsschutzkomponenten vorzeitig ausgelöst werden. Die Eigenschaften eines SPDs können sich mit Erreichen des End-of-Service-Zustands ändern – zum Beispiel können die gemessenen Grenzspannungen steigen oder fallen.

Um eine Beeinträchtigung durch Überspannungen zu vermeiden, entwickeln viele SPD-Hersteller SPDs mit hoher Stoßstromfähigkeit, indem sie entweder physikalisch größere Komponenten verwenden oder mehrere Komponenten parallel schalten. Dies geschieht, um die Wahrscheinlichkeit zu vermeiden, dass die Nennwerte der SPD als Baugruppe außer in sehr seltenen Ausnahmefällen überschritten werden. Der Erfolg dieser Methode wird durch die lange Lebensdauer und Historie der vorhandenen installierten SPDs, die so ausgelegt sind, unterstützt.

In Bezug auf die SPD-Koordination und, wie bereits in Bezug auf die Stoßstromnennleistungen, erwähnt, ist es logisch, ein SPD mit höheren Stoßstromnennwerten an den Servicegeräten zu haben, an denen das PDS am stärksten den Überspannungen ausgesetzt ist, um eine vorzeitige Alterung zu verhindern; in der Zwischenzeit können SPDs, die weiter unten von den Servicegeräten liegen, die keinen externen Überspannungsquellen ausgesetzt sind, niedrigere Nennwerte aufweisen. Durch eine gute Auslegung und Koordination des Überspannungsschutzsystems kann eine vorzeitige Alterung der SPDs vermieden werden.

Andere Ursachen für einen SPD-Ausfall sind:

• Installationsfehler
• Falsche Anwendung eines Produkts für seine Nennspannung
• Anhaltende Überspannungsereignisse

Wenn eine Entstörkomponente ausfällt, geschieht dies meistens als Kurzschluss, wodurch ein Stromfluss durch die ausgefallene Komponente beginnt. Die Strommenge, die zum Fließen durch diese ausgefallene Komponente verfügbar ist, ist eine Funktion des verfügbaren Fehlerstroms und wird vom Stromversorgungssystem getrieben. Weitere Informationen zu Fehlerströmen finden Sie unter SPD-Sicherheitsbezogene Informationen.