Kuidas ülepingekaitseseade (SPD) töötab?

Kuidas ülepingekaitseseade (SPD) töötab?

SPD võime piirata ülepingeid elektrijaotusvõrgus, suunates liigvoolu, on funktsioon ülepingekaitsekomponentidest, SPD mehaanilisest struktuurist ja ühendusest elektrijaotusvõrguga. SPD on ette nähtud mööduva ülepinge piiramiseks ja liigvoolu või mõlema suunamiseks. See sisaldab vähemalt ühte mittelineaarset komponenti. Lihtsamalt öeldes on SPD -d mõeldud ajutiste ülepingete piiramiseks, et vältida seadmete kahjustusi ja seisakuid, mis tulenevad nende kaitstud seadmetesse jõudvatest mööduvatest pingetõusudest.

Näiteks kaaluge rõhuvabastusventiiliga kaitstud vesiveskit. Rõhuventiil ei tee midagi enne, kui veevarustuses tekib ülerõhuimpulss. Kui see juhtub, avaneb klapp ja eemaldab lisarõhu kõrvale, nii et see ei jõuaks veeratta juurde.

Kui kaitseklapp puudus, võib liigne rõhk kahjustada veeratast või võib -olla sae sidet. Kuigi kaitseklapp on paigas ja töötab korralikult, jõuab mõni rõhupulsi jäänus ratta juurde. Kuid rõhku on piisavalt vähendatud, et mitte kahjustada veeratast ega häirida selle tööd. See kirjeldab SPD -de toimimist. Need vähendavad möödumisi tasemele, mis ei kahjusta ega sega tundlike elektroonikaseadmete tööd.

Kasutatud tehnoloogiad

Milliseid tehnoloogiaid kasutatakse SPD -des?

IEEE Std. C62.72: Mõned tavalised SPD-de tootmisel kasutatavad liigpingekaitsekomponendid on metallioksiidvaristorid (MOV), laviini lagunemise dioodid (ABD-varem tuntud kui ränilaviinidioodid või SAD-d) ja gaaslahendustorud (GDT). MOV -id on kõige sagedamini kasutatav tehnoloogia vahelduvvooluahelate kaitsmiseks. MOV-i liigpingepinge on seotud ristlõikepinna ja selle koostisega. Üldiselt, mida suurem on ristlõikepindala, seda suurem on seadme ülepingevool. MOV -id on tavaliselt ümmarguse või ristkülikukujulise geomeetriaga, kuid nende standardmõõtmed on vahemikus 7 mm (0.28 tolli) kuni 80 mm (3.15 tolli). Nende liigpingekaitsekomponentide pingepinge on väga erinev ja sõltub tootjast. Nagu käesolevas klauslis varem arutatud, saab MOV -ide paralleelmassiiviga ühendamise abil arvutada vooluhulga väärtuse, liites lihtsalt üksikute MOV -ide liigpingepinged kokku, et saada massiivi liigpinge. Seda tehes tuleks kaaluda valitud MOVide tööomaduste kooskõlastamist.

On palju hüpoteese selle kohta, milline komponent, milline topoloogia ja konkreetse tehnoloogia kasutuselevõtt tekitab parima SPD liigpinge juhtimiseks. Kõigi valikuvõimaluste esitamise asemel on parem, kui arutelu liigpinge nimivoolu, nominaalse tühjenemisvoolu reitingu või tõusuvoolu võimaluste ümber keerleb jõudlustesti andmete ümber. Sõltumata projekteerimisel kasutatud komponentidest või kasutatavast konkreetsest mehaanilisest konstruktsioonist on oluline, et SPD -l oleks rakenduseks sobiv ülepinge või nimivoolu vooluhulk.

Järgnevalt kirjeldatakse neid komponente põhjalikumalt. SPD -des kasutatavad komponendid on märkimisväärselt erinevad. Siin on nende komponentide näidis:

• Metalloksiidi varistor (MOV)

Tavaliselt koosnevad MOV -id ümmarguse või ristkülikukujulise kujuga paagutatud tsinkoksiidist koos sobivate lisanditega. Teiste kasutatavate tüüpide hulka kuuluvad torukujulised vormid ja mitmekihilised struktuurid. Varistoritel on metallosakeste elektroodid, mis koosnevad hõbedasulamist või muust metallist. Elektroodid võidi kehale kanda sõelumise ja paagutamise teel või muude meetodite abil, sõltuvalt kasutatavast metallist. Varistoritel on sageli ka traadi- või sakikaablid või muud tüüpi otsikud, mis võivad olla elektroodile joodetud.

MOVide põhijuhtimismehhanism tuleneb pooljuhtide ristmikest paagutusprotsessi käigus tekkinud tsinkoksiiditerade piiril. Varistorit võib pidada mitme ristmikuga seadmeks, mille mitmed terad toimivad klemmide vahel järjestikku paralleelselt. Tüüpilise varistori skemaatiline ristlõige on näidatud joonisel 1.

Varistoritel on omadus säilitada oma klemmides suhteliselt väike pinge muutus, samas kui neid läbiv ülepingevool varieerub mitme aastakümne ulatuses. See mittelineaarne toiming võimaldab neil suunatult üle liini suunata ülevoolu voolu ja piirata pinget üle liini väärtustele, mis kaitsevad selle liiniga ühendatud seadmeid.

• Laviini lagunemise diood (ADB)

Neid seadmeid tuntakse ka ränilaviini dioodina (SAD) või mööduva pinge summutajana (TVS). PN -ristmiku lagunemisdiood on oma põhivormis üks PN -ristmik, mis koosneb anoodist (P) ja katoodist (N). Vt joonis 2a. Alalisvooluahela rakendustes on kaitselüliti vastupidine, nii et seadme katoodi (N) poolele rakendatakse positiivset potentsiaali. Vt joonis 2b.

Laviinidioodil on kolm tööpiirkonda: 1) ettepoole suunatud (madal takistus), 2) väljalülitatud olek (kõrge takistus) ja 3) pöördpinge jaotus (suhteliselt madal takistus). Neid piirkondi saab näha jooniselt 3. P -piirkonna positiivse pingega edasisuunalise nihke režiimis on dioodil väga madal takistus, kui pinge ületab edasisuunalise nihke dioodi pinge VFS. VFS on tavaliselt väiksem kui 1 V ja see on määratletud allpool. Väljalülitatud olek ulatub 0 V -st veidi alla positiivse VBR -i N -piirkonnas. Selles piirkonnas voolavad ainsad voolud temperatuurist sõltuvad lekkevoolud ja Zeneri tunnelivoolud madala rikkepinge dioodide jaoks. Pöördpinge jaotuspiirkond algab positiivse VBR -ga N -piirkonnas. VBR -is kiirendavad ristmikku ületavad elektronid piisavalt kõrgel ristmikupiirkonnas, nii et elektronide kokkupõrge põhjustab elektronide ja aukude kaskaadi või laviini. Tulemuseks on dioodi takistuse järsk langus. Kaitsmiseks saab kasutada nii ettepoole suunatud kui ka vastupidise nihkega jaotuspiirkondi.

Laviinidioodi elektrilised omadused on olemuselt asümmeetrilised. Samuti toodetakse sümmeetrilisi laviini dioodide kaitsevahendeid, mis koosnevad seljataga ristmikest.

• Gaaslahendustoru (GDT)

Gaaslahendustorud koosnevad kahest või enamast metallelektroodist, mis on eraldatud väikese vahega ja mida hoiab keraamiline või klaasist silinder. Balloon on täidetud väärisgaasiseguga, mis sädemete tekkimisel tekitab sädemeid ja lõpuks kaarkuju, kui elektroodidele rakendatakse piisavat pinget.

Kui aeglaselt tõusev pinge üle tühimiku jõuab väärtuseni, mille määravad peamiselt elektroodide vahekaugus, gaasirõhk ja gaasisegu, käivitub sisselülitusprotsess sädemepinge juures. Pärast sädemete tekkimist on olenevalt välisest vooluringist võimalikud erinevad tööolekud. Need olekud on näidatud joonisel 4. Vooludel, mis on väiksemad kui helendus-kaar üleminekuvool, on olemas hõõguv piirkond. Hõõgumispiirkonna madalate voolude korral on pinge peaaegu konstantne; suure helendusvoolu korral võivad teatud tüüpi gaasitorud siseneda ebanormaalsesse hõõgumispiirkonda, kus pinge suureneb. Lisaks sellele ebanormaalsele helenduspiirkonnale väheneb gaaslahendustoru impedants üleminekupiirkonnas madalpingekaare seisundisse. Kaare ja hõõgumise ülemineku vool võib olla väiksem kui üleminek helenduse ja kaare vahel. GDT elektrilised omadused koos välise vooluahelaga määravad kindlaks GDT võime kustuda pärast ülepinge möödumist ning määravad ka ülevoolu ajal piirajas hajutatud energia.

Kui rakendatav pinge (nt mööduv) tõuseb kiiresti, võib ionisatsiooni/kaare moodustamiseks kuluv aeg lubada mööduval pingel ületada eelmises lõigus rikkeks nõutava väärtuse. See pinge on määratletud kui impulsi jaotuspinge ja see on üldiselt rakendatud pinge (mööduv) positiivse kiiruse funktsioon.

Ühe kambriga kolmeelektroodil GDT-l on kaks õõnsust, mis on eraldatud keskrõnga elektroodiga. Keskselektroodi auk võimaldab gaasiplasmal juhtivast õõnsusest käivitada juhtivus teises õõnsuses, kuigi teise õõnsuse pinge võib olla alla sädemepinge.

Nende lülitustoimingu ja vastupidava konstruktsiooni tõttu võivad GDT-d voolu kandevõime ületada teisi SPD komponente. Paljud telekommunikatsiooni GDT -d võivad hõlpsasti kanda kuni 10 kA (8/20 µs lainekuju) ülepingevoolu. Lisaks, sõltuvalt GDT konstruktsioonist ja suurusest, on võimalik saavutada üle 100 kA tõusu.

Gaaslahendustorude konstruktsioon on selline, et nende mahtuvus on väga madal - tavaliselt alla 2 pF. See võimaldab neid kasutada paljudes kõrgsageduslikes vooluahela rakendustes.

Kui GDT-d töötavad, võivad nad tekitada kõrgsageduslikku kiirgust, mis võib mõjutada tundlikku elektroonikat. Seetõttu on mõistlik paigutada GDT ahelad elektroonikast teatud kaugusele. Kaugus sõltub elektroonika tundlikkusest ja sellest, kui hästi on elektroonika varjestatud. Teine meetod selle mõju vältimiseks on GDT paigutamine varjestatud korpuses.

GDT määratlused

Vahe või mitu pilu kahe või kolme metallielektroodiga, mis on hermeetiliselt suletud nii, et gaasisegu ja rõhk on kontrolli all, mis on ette nähtud seadme või personali või mõlema kaitseks kõrge üleminekupinge eest.

Or

Vahe või tühimikud suletud tühjenduskeskkonnas, välja arvatud atmosfäärirõhul olev õhk, mis on ette nähtud seadme või personali või mõlema kaitseks kõrge mööduva pinge eest.

• LCR filtrid

Need komponendid erinevad üksteisest:

• energiavõime
• kättesaadavus
• usaldusväärsus
• hind
• tõhusus

IEEE Std C62.72: SPD võime piirata ülepingeid elektrijaotusvõrgus, suunates liigvoolu, on ülepingekaitsekomponentide, SPD mehaanilise struktuuri ja elektrijaotusvõrguga ühendamise funktsioon. Mõned tavalised SPD-de valmistamisel kasutatavad liigpingekaitsekomponendid on MOV-id, SASD-d ja gaaslahendustorud, kusjuures MOV-id on kõige enam kasutatavad. MOV-i liigpingepinge on seotud ristlõikepinna ja selle koostisega. Üldiselt, mida suurem on ristlõikepindala, seda suurem on seadme liigpinge. MOV -id on tavaliselt ümmarguse või ristkülikukujulise geomeetriaga, kuid nende standardmõõtmed on vahemikus 7 mm (0.28 tolli) kuni 80 mm (3.15 tolli). Nende liigpingekaitsekomponentide liigpinge on väga erinev ja sõltub tootjast. Ühendades MOV -id paralleelmassiiviga, saab arvutada teoreetilise hoovusvoolu hinnangu, liites lihtsalt üksikute MOV -ide praegused reitingud kokku, et saada massiivi liigpinge.

On palju hüpoteese selle kohta, milline komponent, milline topoloogia ja konkreetse tehnoloogia kasutuselevõtt tekitab parima SPD liigpinge juhtimiseks. Selle asemel, et esitada kõiki neid argumente ja lasta lugejal neid teemasid dešifreerida, on parem, kui arutelu voolu ülepinge, nominaalse tühjenemise praeguse reitingu või tõusuvoolu võimaluste ümber keerleb jõudlustesti andmete ümber. Olenemata konstruktsioonis kasutatud komponentidest või kasutatavast konkreetsest mehaanilisest konstruktsioonist on oluline, et SPD -l oleks rakendusele sobiv ülepinge või nominaalne tühjenemisvoolu hinnang ja mis kõige tähtsam, et SPD piiraks mööduvat ülepinge tasemeni, mis välistab kaitstavate seadmete kahjustamise, arvestades eeldatavat tõusu keskkonda.

Põhilised töörežiimid

Enamikul SPD -del on kolm põhilist töörežiimi:

• Ootan
• Suunamine

Igas režiimis voolab vool läbi SPD. Sellest ei pruugi aga aru saada, et igas režiimis võib olla erinevat tüüpi vool.

Ooterežiim

Tavalistes toiteolukordades, kui elektrienergia jaotussüsteemi tarnitakse puhast energiat, täidab SPD minimaalset funktsiooni. Ooterežiimis ootab SPD ülepinge tekkimist ja tarbib vahelduvvoolu vähe või üldse mitte; peamiselt seda, mida kasutavad jälgimisahelad.

Suunamisrežiim

Mööduva ülepinge sündmuse tuvastamisel lülitub SPD ümber suunamisrežiimi. SPD eesmärk on suunata kahjustav impulssvool kriitilistelt koormustelt eemale, vähendades samal ajal sellest tulenevat pinge suurust madalale, kahjutule tasemele.

Vastavalt ANSI/IEEE C62.41.1-2002 määratlusele kestab tüüpiline voolutransient vaid murdosa tsüklist (mikrosekundeid), aja fragment, võrreldes 60 Hz sinusoidaalse signaali pideva vooluga.

Löögivoolu tugevus sõltub selle allikast. Näiteks pikselöögid, mis võivad harvadel juhtudel sisaldada voolutugevust üle mitusada tuhat amprit. Kuid rajatises tekitavad sisemiselt genereeritud mööduvad sündmused praeguse võimsuse väiksema (vähem kui paar tuhat või sada amprit).

Kuna enamik SPD -sid on mõeldud suurte hoovusvoolude talumiseks, on üheks toimivuse etaloniks toote testitud nominaalne tühjenemisvoolu hinnang (In). See suur voolutugevus on sageli segaduses tõrkevooluga, kuid pole sellega seotud, mis näitab toote katsetatud korduvat taluvust.

IEEE Std. C62.72: Nominaalne tühjenemisvoolu reiting annab SPD -le võimaluse olla valitud väärtusega korduvate voolutugevuste (kokku 15 ülepinge) all ilma kahjustuste, halvenemiseta või SPD mõõdetud piirpinge jõudluse muutuseta. Nominaalse tühjendusvoolu test hõlmab kogu SPD -d, sealhulgas kõiki ülepingekaitsekomponente ja sisemisi või väliseid SPD -lahutajaid. Katse ajal ei tohi ükski komponent ega lahtiühendaja rikkuda, vooluringi avada, kahjustada ega laguneda. Konkreetse reitingu saavutamiseks tuleb SPD mõõdetud piiravat pingetõhususe taset hoida eel- ja katsejärgse võrdluse vahel. Nende testide eesmärk on demonstreerida SPD võimekust ja toimivust reageerimisel tõusudele, mis mõnel juhul on tõsised, kuid mida võib eeldada teenindusseadmetes, rajatises või paigalduskohas.

Näiteks SPD, mille nominaalne tühjenemisvool on 10,000 20,000 või 10,000 20,000 amprit režiimi kohta, tähendab, et toode peaks taluma ohutult 15 XNUMX või XNUMX XNUMX amprist mööduvat voolu vähemalt XNUMX korda igas kaitserežiimis.

Elu lõpu stsenaariumid

IEEE Std C62.72: Suurim oht ​​SPD-de pikaajalisele töökindlusele ei pruugi olla tõusud, vaid korduvad hetkelised või ajutised ülepinged (TOV-d või paisumised), mis võivad PDS-is tekkida. MCOV-ga SPD-d, mis on süsteemi nimipingele ebakindlalt lähedal, on vastuvõtlikumad sellistele ülepingetele, mis võivad põhjustada SPD enneaegset vananemist või enneaegset kasutusea lõppu. Rusikareegel, mida sageli kasutatakse, on kindlaks teha, kas SPD MCOV on iga konkreetse kaitserežiimi puhul vähemalt 115% süsteemi nimipingest. See võimaldab mõjutada SPD -d PDS -i tavaliste pinge kõikumiste tõttu.

Lisaks püsivatele ülepingejuhtumitele võivad SPD-d aja jooksul vananeda või halveneda või jõuda kasutusea lõppu, kuna ülepinge ületab SPD-de liigpinge, ülepingejuhtumite esinemissageduse ja tõusu kestuse. või nende sündmuste kombinatsioon. Olulise amplituudiga korduvad ülepingejuhtumid teatud aja jooksul võivad SPD komponente üle kuumeneda ja põhjustada liigpingekaitsekomponentide vananemist. Lisaks võivad korduvad pinged põhjustada termiliselt aktiveeritud SPD lahutite enneaegset töötamist liigpingekaitsekomponentide kuumutamise tõttu. SPD omadused võivad muutuda, kui see jõuab kasutusea lõppu-näiteks võivad mõõdetud piirpinged suureneda või väheneda.

Püüdes vältida pingetest tingitud halvenemist, kavandavad paljud SPD tootjad kõrgepingevooluvõimega SPD -sid, kasutades füüsiliselt suuremaid komponente või ühendades mitu komponenti paralleelselt. Seda tehakse selleks, et vältida tõenäosust, et SPD kui kokkupaneku reitingud ületatakse, välja arvatud väga harvadel ja erandlikel juhtudel. Selle meetodi edukust toetab nii paigaldatud olemasolevate SPD -de pikk kasutusiga ja ajalugu.

Mis puutub SPD koordineerimisse ja nagu on öeldud ülepingevoolureitingute osas, siis on loogiline, et kõrgema vooluhulgaga SPD asub teenindusseadmetes, kus PDS on kõige rohkem avatud, et aidata ennetada enneaegset vananemist; samal ajal võivad teenindusseadmetest kaugemal olevad SPD-d, mis ei puutu kokku välispingeallikatega, olla halvemad. Hea ülepingekaitsesüsteemi disaini ja koordineerimisega saab vältida SPD enneaegset vananemist.

Muud SPD tõrke põhjused on järgmised:

• Installimisvead
• Toote vale kasutamine selle pinge järgi
• Püsivad ülepinge sündmused

Kui summutuskomponent ebaõnnestub, teeb see seda enamasti lühisena, põhjustades voolu läbikukkumise komponendi läbimineku. Selle ebaõnnestunud komponendi kaudu voolava voolu hulk sõltub olemasolevast tõrkevoolust ja seda juhib toitesüsteem. Rikkevoolude kohta lisateabe saamiseks külastage SPD ohutusalast teavet.