نحوه کار دستگاه محافظ Surge (SPD)

 

توانایی یک SPD برای محدود کردن اضافه ولتاژ در شبکه توزیع الکتریکی با تغییر مسیر جریانهای تابشی ، تابعی از اجزای محافظ در برابر ضربه ، ساختار مکانیکی SPD و اتصال به شبکه توزیع برق است. SPD برای محدود کردن ولتاژهای گذرا و منحرف کردن جریان ولتاژ یا هر دو در نظر گرفته شده است. این شامل حداقل یک جزء غیر خطی است. در ساده ترین حالت ، SPD ها برای محدود کردن ولتاژهای گذرا با هدف جلوگیری از آسیب دیدن تجهیزات و زمان خرابی به دلیل افزایش ولتاژ گذرا به دستگاه هایی که محافظت می کنند ، در نظر گرفته شده است.

به عنوان مثال ، آسیاب آبی را در نظر بگیرید که توسط شیر تخلیه فشار محافظت می شود. شیر تخلیه فشار تا زمانی که یک پالس فشار بیش از حد در منبع آب ایجاد نشود ، هیچ کاری انجام نمی دهد. هنگامی که این اتفاق می افتد ، شیر باز می شود و فشار اضافی را کنار می گذارد ، به طوری که به چرخ آب نمی رسد.

اگر سوپاپ تسکین دهنده وجود نداشت ، فشار بیش از حد می تواند به چرخ آب آسیب برساند ، یا شاید به اتصال اره آسیب برساند. با وجود اینکه شیر تسکین دهنده در جای خود قرار دارد و به درستی کار می کند ، اما باقی مانده پالس فشار همچنان به چرخ می رسد. اما فشار به حدی کاهش یافته است که به چرخ آب آسیب نرساند و عملکرد آن مختل نشود. این عمل SPD ها را توصیف می کند. آنها گذرا را به سطحی می رسانند که به تجهیزات الکترونیکی حساس آسیب نرساند یا اختلال ایجاد نکند.

فن آوری های مورد استفاده

چه فناوری هایی در SPD ها استفاده می شود؟

از IEEE Std. C62.72: چند م commonلفه رایج محافظ موج در تولید SPD عبارتند از: واریستورهای اکسید فلز (MOV) ، دیودهای شکست بهمن (ABD ها-که قبلاً به عنوان دیودهای بهمن سیلیکون یا SADs شناخته می شد) و لوله های تخلیه گاز (GDT). MOV ها رایج ترین فناوری برای محافظت از مدارهای تغذیه AC هستند. درجه جریان موج MOV به سطح مقطع و ترکیب آن مربوط می شود. به طور کلی ، هرچه سطح مقطع بیشتر باشد ، درجه جریان موج بالاتر دستگاه است. MOV ها عموماً دارای هندسه گرد یا مستطیل هستند اما در ابعاد استاندارد متعددی از 7 میلی متر (0.28 اینچ) تا 80 میلی متر (3.15 اینچ) وجود دارد. رتبه بندی جریان موج این اجزای محافظ در برابر ضربه بسیار متفاوت است و به سازنده بستگی دارد. همانطور که قبلاً در این بند مورد بحث قرار گرفت ، با اتصال MOV ها در یک آرایه موازی ، مقدار جریان جریان را می توان به سادگی با افزودن رتبه بندی جریان جریان تک تک MOV ها به یکدیگر برای بدست آوردن رتبه جریان موج آرایه محاسبه کرد. در انجام این کار ، باید به هماهنگی ویژگی های عملکردی MOV های انتخاب شده توجه شود.

واریستور اکسید فلز - MOV

فرضیه های زیادی در مورد اینکه کدام جزء ، چه توپولوژی و بکارگیری فناوری خاص بهترین SPD را برای منحرف شدن جریان موج تولید می کند وجود دارد. به جای ارائه همه گزینه ها ، بهتر است بحث رتبه جریان ولتاژ ، رتبه فعلی تخلیه اسمی یا قابلیت های جریان فعلی حول داده های آزمایش عملکرد انجام شود. صرف نظر از اجزای مورد استفاده در طراحی یا ساختار مکانیکی خاص ، آنچه اهمیت دارد این است که SPD دارای درجه جریان موجی یا رتبه فعلی تخلیه اسمی است که برای برنامه مناسب است.

شرح مفصل تری از این اجزا در زیر آمده است. اجزای مورد استفاده در SPD ها بسیار متفاوت است. در اینجا نمونه ای از آن اجزا آورده شده است:

  • واریستور اکسید فلز (MOV)

به طور معمول ، MOV ها از یک بدن گرد یا مستطیل شکل از اکسید روی متخلخل با افزودنی های مناسب تشکیل شده اند. انواع دیگر مورد استفاده شامل اشکال لوله ای و ساختارهای چند لایه است. واریستورها دارای الکترودهای ذرات فلزی هستند که از آلیاژ نقره یا فلز دیگر تشکیل شده است. بسته به فلز مورد استفاده ، الکترودها ممکن است با غربال و پخت یا با سایر فرایندها روی بدن اعمال شده باشند. واریستورها اغلب دارای سیم یا زبانه یا نوع دیگری از اتصال هستند که ممکن است به الکترود لحیم شده باشند.

مکانیسم اصلی هدایت MOV ها از اتصالات نیمه هادی در مرز دانه های اکسید روی تشکیل شده در طی یک فرآیند پختن حاصل می شود. واریستور را می توان یک دستگاه چند اتصالی در نظر گرفت که دانه های زیادی در ترکیب موازی بین پایانه ها عمل می کنند. نمای مقطعی شماتیک یک واریستور معمولی در شکل 1 نشان داده شده است.

ترسیم شماتیک ساختار MOV

واریستورها دارای ویژگی تغییر ولتاژ نسبتاً کمی در پایانه های خود هستند در حالی که جریان موجی که از طریق آنها عبور می کند در طول چندین دهه شدت متفاوت است. این عمل غیر خطی به آنها اجازه می دهد تا جریان موج را هنگام اتصال در شانت در طول خط منحرف کرده و ولتاژ خط را به مقادیری محدود کنند که از تجهیزات متصل به آن خط محافظت می کند.

  • دیود شکست بهمن (ADB)

این دستگاهها همچنین به عنوان دیود بهمن سیلیکون (SAD) یا مهار کننده ولتاژ گذرا (TVS) شناخته می شوند. دیود شکست PN ، در شکل اصلی آن ، یک اتصال PN منفرد است که از یک آند (P) و یک کاتد (N) تشکیل شده است. شکل 2 الف را ببینید. در برنامه های مدار DC ، محافظ بایاس معکوس است به طوری که یک پتانسیل مثبت به سمت کاتد (N) دستگاه اعمال می شود. شکل 2b را ببینید.

شکل 2 شکل اساسی دیود بهمن

دیود بهمن دارای سه ناحیه عملیاتی است: 1) بایاس رو به جلو (امپدانس کم) ، 2) حالت خاموش (امپدانس بالا) و 3) خرابی بایاس معکوس (امپدانس نسبتاً کم). این مناطق را می توان در شکل 3 مشاهده کرد. در حالت بایاس رو به جلو با ولتاژ مثبت در ناحیه P ، هنگامی که ولتاژ از ولتاژ دیود بایاس رو به جلو ، VFS فراتر رفت ، دیود امپدانس بسیار پایینی دارد. VFS معمولاً کمتر از 1 ولت است و در زیر تعریف شده است. حالت خاموش از 0 V تا کمی زیر VBR مثبت در ناحیه N گسترش می یابد. در این منطقه ، تنها جریانهایی که جریان دارند جریانهای نشت وابسته به دما و جریانهای تونل زنر برای دیودهای ولتاژ شکست پایین هستند. منطقه تجزیه بایاس معکوس با یک VBR مثبت در منطقه N آغاز می شود. در الکترونهای VBR که از محل اتصال عبور می کنند ، میدان زیاد در ناحیه اتصال به اندازه کافی شتاب می گیرد که برخورد الکترونها باعث ایجاد آبشار یا بهمن الکترونها و ایجاد حفره می شود. نتیجه کاهش شدید مقاومت دیود است. هر دو ناحیه خرابی بایاس رو به جلو و معکوس می توانند برای حفاظت استفاده شوند.

شکل 3 ویژگیهای دیود IV شکست اتصال PN

مشخصات الکتریکی دیود بهمن ذاتاً نامتقارن است. محصولات حفاظتی متقارن دیود بهمن متشکل از اتصالات پشت به پشت نیز تولید می شوند.

  • لوله تخلیه گاز (GDT)

لوله های تخلیه گاز شامل دو یا چند الکترود فلزی است که با یک شکاف کوچک از هم جدا شده و توسط یک استوانه سرامیکی یا شیشه ای نگه داشته می شوند. سیلندر با مخلوطی از گاز نجیب پر شده است که در صورت وارد شدن ولتاژ کافی به الکترودها ، جرقه ای به تخلیه درخشش و در نهایت حالت قوس می زند.

هنگامی که یک ولتاژ آهسته در حال افزایش در فاصله به مقداری می رسد که در درجه اول توسط فاصله الکترودها ، فشار گاز و مخلوط گاز تعیین می شود ، فرآیند روشن شدن در ولتاژ جرقه (شکست) آغاز می شود. به محض وقوع جرقه ، بسته به مدار خارجی ، حالتهای مختلف عملکرد ممکن است. این حالتها در شکل 4 نشان داده شده است. در جریانهای کمتر از جریان انتقال تابش به قوس ، منطقه ای درخشان وجود دارد. در جریانهای کم در منطقه درخشش ، ولتاژ تقریبا ثابت است. در جریانهای تابش زیاد ، برخی از انواع لوله های گاز ممکن است وارد منطقه ای درخشان غیرطبیعی شوند که ولتاژ در آن افزایش می یابد. فراتر از این منطقه درخشش غیرعادی ، امپدانس لوله تخلیه گاز در ناحیه گذار به حالت قوس با ولتاژ پایین کاهش می یابد. جریان انتقال قوس به درخشش ممکن است کمتر از انتقال تابش به قوس باشد. ویژگی الکتریکی GDT ، همراه با مدار خارجی ، توانایی خاموش شدن GDT را پس از گذر موج تعیین می کند ، و همچنین انرژی اتلاف شده در گیرنده را در طول ولتاژ تعیین می کند.

اگر ولتاژ اعمال شده (به عنوان مثال گذرا) به سرعت افزایش یابد ، زمان لازم برای فرآیند یونیزاسیون/تشکیل قوس ممکن است به ولتاژ گذرا اجازه دهد از مقدار مورد نیاز برای خرابی در پاراگراف قبلی فراتر رود. این ولتاژ به عنوان ولتاژ شکست ضربه ای تعریف می شود و به طور کلی یک تابع مثبت از سرعت افزایش ولتاژ اعمال شده (گذرا) است.

یک الکترود GDT سه الکترود دارای دو حفره است که توسط یک الکترود حلقه مرکزی از هم جدا شده اند. سوراخ در الکترود مرکزی به پلاسما گاز از حفره رسانا اجازه می دهد تا هدایت را در حفره دیگر آغاز کند ، حتی اگر ولتاژ حفره دیگر زیر ولتاژ جرقه باشد.

GDT ها به دلیل عملکرد سوئیچینگ و ساختار مستحکم می توانند از نظر قابلیت حمل جریان از سایر اجزای SPD فراتر روند. بسیاری از GDT های مخابراتی به راحتی می توانند جریانهای موجی را تا 10 کیلو آمپر (شکل موج 8/20 µs) حمل کنند. علاوه بر این ، بسته به طراحی و اندازه GDT ، جریانهای موج بالاتر از 100 کیلو آمپر را می توان به دست آورد.

ساختار لوله های تخلیه گاز به گونه ای است که ظرفیت بسیار کمی دارند - به طور کلی کمتر از 2 pF. این اجازه می دهد تا آنها را در بسیاری از برنامه های مدار فرکانس بالا استفاده کنید.

هنگامی که GDT ها کار می کنند ، ممکن است تابش فرکانس بالا ایجاد کنند ، که می تواند بر وسایل الکترونیکی حساس تأثیر بگذارد. بنابراین عاقلانه است که مدارهای GDT را در فاصله معینی از وسایل الکترونیکی قرار دهیم. فاصله بستگی به حساسیت قطعات الکترونیکی و میزان محافظت الکترونیک دارد. روش دیگر برای جلوگیری از تأثیرگذاری ، قرار دادن GDT در یک محفظه محافظ است.

شکل 4 ویژگیهای معمولی ولتامپر GDT

تعاریف GDT

شکاف یا چند شکاف با دو یا سه الکترود فلزی که بصورت هرمتی مهر و موم شده اند به طوری که مخلوط گاز و فشار تحت کنترل هستند ، برای محافظت از دستگاه یا پرسنل یا هر دو در برابر ولتاژهای گذرا طراحی شده است.

Or

شکاف یا شکاف در یک محیط تخلیه محصور ، غیر از هوا در فشار اتمسفر ، که برای محافظت از دستگاه یا پرسنل یا هر دو در برابر ولتاژهای گذرا زیاد طراحی شده است.

  • فیلترهای LCR

این اجزا در موارد مختلف متفاوت هستند:

  • قابلیت انرژی
  • دسترس پذیری
  • قابلیت اطمینان
  • هزینه
  • اثر

از IEEE Std C62.72: توانایی SPD برای محدود کردن اضافه ولتاژ در شبکه توزیع الکتریکی با هدایت جریانهای موجی ، تابعی از اجزای محافظ در برابر ضربه ، ساختار مکانیکی SPD و اتصال به شبکه توزیع برق است. چند جزء متداول محافظ در برابر ضربه که در ساخت SPD ها استفاده می شوند MOV ، SASD و لوله های تخلیه گاز هستند که MOV ها بیشترین کاربرد را دارند. درجه جریان موج MOV به سطح مقطع و ترکیب آن مربوط می شود. به طور کلی ، هرچه سطح مقطع بیشتر باشد ، درجه جریان موج بالاتر دستگاه است. MOV ها عموماً دارای هندسه گرد یا مستطیل هستند اما در ابعاد استاندارد متعددی از 7 میلی متر (0.28 اینچ) تا 80 میلی متر (3.15 اینچ) وجود دارد. رتبه بندی جریان موج این اجزای محافظ در برابر ضربه بسیار متفاوت است و به سازنده بستگی دارد. با اتصال MOV ها در یک آرایه موازی ، می توان یک درجه تئوری جریان ولتاژ را با افزودن رتبه بندی فعلی MOVs جداگانه با هم محاسبه کرد تا رتبه جریان موج آرایه را بدست آورد.

فرضیه های زیادی در مورد اینکه کدام جزء ، چه توپولوژی و بکارگیری فناوری خاص بهترین SPD را برای منحرف شدن جریان موج تولید می کند وجود دارد. به جای ارائه همه این استدلال ها و اجازه دادن به خواننده برای رمزگشایی این موضوعات ، بهتر است بحث رتبه جریان ولتاژ ، رتبه فعلی تخلیه اسمی یا قابلیت های جریان موج حول داده های آزمایش عملکرد انجام شود. صرف نظر از اجزای مورد استفاده در طراحی یا ساختار مکانیکی خاص ، آنچه اهمیت دارد این است که SPD دارای درجه جریان موج بالا یا رتبه فعلی تخلیه اسمی است که برای برنامه مناسب است و احتمالاً مهمتر از همه ، SPD گذرا را محدود می کند ولتاژهای بیش از حد به سطحی که از آسیب دیدن تجهیزات محافظت شده با توجه به محیط موج مورد انتظار جلوگیری می کند.

حالت های اصلی عملکرد

اکثر SPD ها دارای سه حالت اساسی هستند:

  • چشم انتظار
  • انتقال

در هر حالت ، جریان از طریق SPD جریان می یابد. با این حال ، آنچه ممکن است قابل درک نباشد این است که نوع متفاوتی از جریان می تواند در هر حالت وجود داشته باشد.

حالت انتظار

در شرایط برق معمولی هنگامی که "نیروی پاک" در یک سیستم توزیع الکتریکی تأمین می شود ، SPD حداقل عملکرد را انجام می دهد. در حالت انتظار ، SPD منتظر بروز ولتاژ بیش از حد است و برق کمی مصرف می کند یا هیچگونه جریان AC ندارد. در درجه اول که توسط مدارهای نظارت استفاده می شود.

حالت انحراف

با احساس یک رویداد ولتاژ گذرا ، SPD به حالت Diverting تبدیل می شود. هدف از SPD این است که جریان ضربه آسیب زا را از بارهای بحرانی دور کند ، در حالی که همزمان مقدار ولتاژ حاصل از آن را به سطح کم و بی ضرر کاهش دهد.

همانطور که توسط ANSI/IEEE C62.41.1-2002 تعریف شده است ، یک جریان گذرا معمولی تنها بخشی از یک چرخه (میکروثانیه) را به طول می انجامد ، قطعه ای از زمان در مقایسه با جریان پیوسته سیگنال سینوسی 60 هرتز.

60 هرتز با گذرا

شدت جریان موجی به منبع آن بستگی دارد. به عنوان مثال ، رعد و برق که در موارد نادر می تواند شامل قدر فعلی بیش از چند صد هزار آمپر باشد. هرچند در یک تأسیسات ، رویدادهای گذرا تولید داخلی ، قدر جریان کمتری (کمتر از چند هزار یا صد آمپر) تولید می کند.

از آنجایی که اکثر SPD ها برای کنترل جریانهای موج زیاد طراحی شده اند ، یکی از معیارهای عملکرد آزمایش شده ، ارزیابی اسمی نامی جریان فعلی (In) است. این مقدار جریان زیاد که اغلب با جریان خطا اشتباه گرفته می شود ، اما ارتباطی ندارد ، نشان دهنده ظرفیت مقاومت مکرر آزمایش شده محصول است.

از IEEE Std. C62.72: رتبه اسمی فعلی تخلیه ، توانایی SPD را برای قرار گرفتن در معرض موجهای تکراری (15 افزایش کامل) از مقدار انتخاب شده بدون آسیب ، تخریب یا تغییر در عملکرد ولتاژ محدود کننده اندازه گیری SPD اعمال می کند. آزمون اسمی فعلی تخلیه شامل کل SPD شامل تمام اجزای محافظ در برابر افزایش و جدا کننده های SPD داخلی یا خارجی است. در حین آزمایش ، هیچ قطعه یا قطع کننده مجاز نیست خراب شود ، مدار را باز کند ، خراب شود یا خراب شود. به منظور دستیابی به یک رتبه بندی خاص ، سطح عملکرد ولتاژ محدود اندازه گیری شده SPD باید بین مقایسه پیش آزمون و پس آزمون حفظ شود. هدف از این آزمایشها نشان دادن قابلیت و عملکرد SPD در پاسخ به موج هایی است که در برخی موارد شدید است اما ممکن است در تجهیزات سرویس ، در یک تاسیسات یا در محل نصب مورد انتظار باشد.

به عنوان مثال ، یک SPD با ظرفیت اسمی جریان تخلیه 10,000،20,000 یا 10,000،20,000 آمپر در هر حالت به این معنی است که محصول باید بتواند در هر یک از حالتهای حفاظتی حداقل 15 بار با خیال راحت جریان گذرا XNUMX،XNUMX یا XNUMX،XNUMX آمپر را تحمل کند.

سناریوهای پایان زندگی

از IEEE Std C62.72: بزرگترین تهدید برای قابلیت اطمینان بلند مدت SPD ها ممکن است افزایش ناگهانی نباشد ، بلکه ولتاژهای مکرر یا موقت (TOV یا تورم) است که ممکن است در PDS رخ دهد. SPD های دارای MCOV-که به طور دقیق به ولتاژ نامی سیستم نزدیک هستند ، مستعد ابتلا به چنین ولتاژهایی هستند که می توانند منجر به پیری زودرس SPD یا پایان زودرس عمر شوند. یک قاعده کلی که اغلب مورد استفاده قرار می گیرد این است که مشخص شود آیا MCOV SPD حداقل 115٪ ولتاژ نامی سیستم برای هر حالت حفاظتی خاص است یا خیر. این اجازه می دهد تا SPD تحت تأثیر تغییرات ولتاژ معمولی PDS قرار نگیرد.

با این حال ، به غیر از رویدادهای پایدار ولتاژ ، SPD ها می توانند پیر شوند ، یا کاهش پیدا کنند یا به مرور زمان به وضعیت پایان خدمت خود برسند ، به دلیل موج هایی که از امتیاز SPD برای جریان ولتاژ فراتر می رود ، میزان وقوع حوادث موج ، مدت زمان موج ، یا ترکیبی از این رویدادها. وقایع مکرر افزایش دامنه قابل توجه در طول یک دوره زمانی می تواند اجزای SPD را بیش از حد گرم کند و باعث پیر شدن اجزای محافظ افزایش شود. افزون بر این ، افزایش های مکرر می تواند باعث شود که جدا کننده های SPD که از نظر حرارتی فعال شده اند به دلیل گرم شدن اجزای محافظ موج زودرس کار کنند. ویژگی های SPD می تواند با رسیدن به شرایط پایان خدمت تغییر کند-برای مثال ، ولتاژهای محدود شده اندازه گیری شده می توانند افزایش یا کاهش پیدا کنند.

بسیاری از تولیدکنندگان SPD در تلاش برای جلوگیری از تخریب ناشی از موج ، SPD هایی با قابلیت جریان بالا یا با استفاده از اجزای فیزیکی بزرگتر و یا با اتصال موازی اجزای مختلف طراحی می کنند. این کار به منظور جلوگیری از احتمال فراتر رفتن از رتبه بندی SPD به عنوان یک مجموعه انجام می شود مگر در موارد بسیار نادر و استثنایی. موفقیت این روش توسط عمر طولانی و سابقه SPD های موجود نصب شده که به این روش طراحی شده اند ، پشتیبانی می شود.

با توجه به هماهنگی SPD و ، همانطور که در مورد رتبه بندی جریان فعلی بیان شد ، منطقی است که SPD با درجه جریان موج بالاتر در تجهیزات سرویس که در آن PDS بیشتر در معرض افزایش برای کمک به جلوگیری از پیری زودرس قرار دارد ، منطقی باشد. در همین حال ، SPD ها که از تجهیزات سرویس دهی به خط پایین تر استفاده می کنند و در معرض موج خارجی قرار ندارند ، ممکن است رتبه های کمتری داشته باشند. با طراحی و هماهنگی سیستم حفاظتی خوب ، می توان از پیری زودرس SPD جلوگیری کرد.

علل دیگر شکست SPD عبارتند از:

  • خطاهای نصب
  • استفاده نادرست از یک محصول برای رتبه بندی ولتاژ آن
  • رویدادهای پایدار بیش از حد ولتاژ

هنگامی که یک جزء سرکوب از کار می افتد ، اغلب این کار را به صورت کوتاه انجام می دهد و باعث می شود جریان از طریق جزء خراب شروع به جریان کند. مقدار جریان در دسترس برای عبور از طریق این جزء خراب تابعی از جریان خطای موجود است و توسط سیستم قدرت هدایت می شود. برای اطلاعات بیشتر در مورد جریانهای خطا به اطلاعات مربوط به ایمنی SPD مراجعه کنید.