Ylijännitesuojalaitteen (SPD) toiminta

Ylijännitesuojalaitteen (SPD) toiminta

SPD: n kyky rajoittaa ylijännitteitä sähköverkossa ohjaamalla ylijännitevirrat on ylijännitesuojakomponenttien, SPD: n mekaanisen rakenteen ja sähkönjakeluverkkoon liittämisen funktio. SPD on tarkoitettu rajoittamaan ohimeneviä ylijännitteitä ja ohjaamaan ylivirtaa tai molempia. Se sisältää vähintään yhden epälineaarisen komponentin. Yksinkertaisimmin sanottuna, SPD: t on tarkoitettu rajoittamaan ohimeneviä ylijännitteitä tavoitteena estää laitteiden vauriot ja seisokit, jotka johtuvat niiden suojaamien laitteiden saavuttamista ohimenevistä jännitepiikkeistä.

Harkitse esimerkiksi vesimyllyä, joka on suojattu paineenrajoitusventtiilillä. Paineenalennusventtiili ei tee mitään ennen kuin ylipainepulssi esiintyy vedensyötössä. Kun näin tapahtuu, venttiili avautuu ja siirtää ylimääräisen paineen sivuun, jotta se ei pääse vesipyörään.

Jos ylivirtausventtiiliä ei ole, liiallinen paine voi vahingoittaa vesipyörää tai mahdollisesti sahan niveltä. Vaikka ylipaineventtiili on paikallaan ja toimii kunnolla, osa painepulssin jäännöksistä pääsee silti pyörään. Paine on kuitenkin laskenut tarpeeksi, jotta vesipyörä ei vahingoitu tai sen toiminta häiriintyy. Tämä kuvaa SPD: iden toimintaa. Ne vähentävät ohimeneviä tasoja, jotka eivät vahingoita tai häiritse herkkien elektronisten laitteiden toimintaa.

Käytetyt tekniikat

Mitä tekniikoita käytetään SPD: ssä?

Lähde: IEEE Std. C62.72: Muutamia yleisiä SPD: iden valmistuksessa käytettyjä ylijännitesuojakomponentteja ovat metallioksidivaristorit (MOV), lumivyöryn hajoamisdiodit (ABD: t-aiemmin silikonivyörydiodit tai SAD: t) ja kaasupurkausputket (GDT). MOV: t ovat yleisimmin käytetty tekniikka vaihtovirtapiirien suojaamiseen. MOV: n aaltovirran luokitus liittyy poikkileikkausalueeseen ja sen koostumukseen. Yleensä mitä suurempi poikkileikkauspinta-ala, sitä suurempi on laitteen ylijännite. MOV: t ovat yleensä pyöreitä tai suorakulmaisia, mutta niiden vakiomitat vaihtelevat 7 mm: n (0.28 tuuman) ja 80 mm: n (3.15 tuuman) välillä. Näiden ylijännitesuojakomponenttien ylijännitearvot vaihtelevat suuresti ja ovat riippuvaisia ​​valmistajasta. Kuten aiemmin tässä lausekkeessa on käsitelty, yhdistämällä MOV: t rinnakkaisryhmään, aaltovirta -arvo voidaan laskea yksinkertaisesti lisäämällä yksittäisten MOV: ien aaltovirta -arvot yhteen, jotta saadaan taulukon ylivirta. Tällöin olisi otettava huomioon valittujen MOV: ien toimintaominaisuuksien koordinointi.

On monia hypoteeseja siitä, mikä komponentti, mikä topologia ja tietyn tekniikan käyttöönotto tuottavat parhaan SPD: n ylivirran ohjaamiseksi. Kaikkien vaihtoehtojen esittämisen sijasta on parasta, että keskustelu ylijännitearvosta, nimellisvirran purkamisvirrasta tai ylivirtaominaisuuksista keskittyy suorituskykytestitietoihin. Riippumatta suunnittelussa käytetyistä komponenteista tai käytetystä mekaanisesta rakenteesta, on tärkeää, että SPD: llä on sovellukseen sopiva ylivirta tai nimellisvirtausvirta.

Seuraavassa on laajempi kuvaus näistä komponenteista. SPD: ssä käytetyt komponentit vaihtelevat huomattavasti. Tässä on näyte näistä komponenteista:

• Metallioksidivaristori (MOV)

Tyypillisesti MOV: t koostuvat pyöreästä tai suorakaiteen muotoisesta kappaleesta sintrattua sinkkioksidia ja sopivia lisäaineita. Muita käytössä olevia tyyppejä ovat putkimaiset muodot ja monikerrosrakenteet. Varistoreissa on metallihiukkaselektrodeja, jotka koostuvat hopeaseoksesta tai muusta metallista. Elektrodit on voitu levittää runkoon seulomalla ja sintraamalla tai muilla menetelmillä riippuen käytetystä metallista. Varistoreissa on myös usein lanka- tai kielekejohtimia tai jonkin muun tyyppisiä päätteitä, jotka on mahdollisesti juotettu elektrodiin.

MOV: ien perusjohtamismekanismi johtuu puolijohdeliitoksista sintrausprosessin aikana muodostuneiden sinkkioksidirakeiden rajalla. Varistoria voidaan pitää moniliitoslaitteena, jossa on monia jyviä, jotka toimivat sarjaan rinnakkain yhdistettynä liittimien välillä. Kaavamainen poikkileikkauskuva tyypillisestä varistorista on esitetty kuvassa 1.

Varistoreilla on ominaisuus ylläpitää suhteellisen pieni jännitteen muutos liittimissään, kun taas niiden läpi virtaava aaltovirta vaihtelee useiden vuosikymmenten suuruisina. Tämän epälineaarisen toiminnon avulla he voivat ohjata aaltovirran, kun ne on kytketty shunttiin linjan poikki, ja rajoittaa jännite linjan yli arvoihin, jotka suojaavat kyseiseen linjaan kytkettyä laitetta.

• Lumivyöryn jakautumisdiodi (ADB)

Nämä laitteet tunnetaan myös nimellä piivyörydiodi (SAD) tai ohimenevä jännitteenvaimennin (TVS). Perusmuodossaan PN -liitoskatkaisudiodi on yksi PN -liitos, joka koostuu anodista (P) ja katodista (N). Katso kuva 2a. Tasavirtapiirisovelluksissa suoja on käänteisesti esijännitetty siten, että positiivinen potentiaali kohdistuu laitteen katodipuolelle (N). Katso kuva 2b.

Lumivyörydiodilla on kolme toiminta -aluetta: 1) eteenpäin suuntautunut bias (pieni impedanssi), 2) off -tila (korkea impedanssi) ja 3) käänteinen bias -jako (suhteellisen pieni impedanssi). Nämä alueet voidaan nähdä kuviossa 3. Eteenpäin suuntautuvassa tilassa, jossa on positiivinen jännite P -alueella, diodilla on erittäin pieni impedanssi, kun jännite ylittää eteenpäin suuntautuvan diodin jännitteen VFS. VFS on yleensä alle 1 V ja määritellään alla. Pois päältä -tila ulottuu 0 V: sta hieman alle positiivisen VBR: n N -alueella. Tällä alueella ainoat virtaavat virrat ovat lämpötilasta riippuvaisia ​​vuotovirtoja ja Zener -tunnelivirtoja matalan katkaisujännitteen diodeille. Käänteisen esijännityksen jakautumisalue alkaa positiivisella VBR: llä N -alueella. VBR: ssä risteyksen ylittävät elektronit kiihtyvät tarpeeksi risteysalueen korkealla kentällä, jolloin elektronien törmäykset johtavat elektronien ja reikien kaskadiin tai lumivyöryyn. Tuloksena on diodin vastuksen jyrkkä lasku. Sekä eteenpäin- että käänteisen esijännityksen jakoalueita voidaan käyttää suojaamiseen.

Lumivyörydiodin sähköiset ominaisuudet ovat luonnostaan ​​epäsymmetrisiä. Valmistetaan myös symmetrisiä lumivyörydiodisuojatuotteita, jotka koostuvat selkänojista.

• Kaasupurkausputki (GDT)

Kaasupurkausputket koostuvat kahdesta tai useammasta metallielektrodista, jotka on erotettu pienellä raolla ja joita pitää keraaminen tai lasinen sylinteri. Sylinteri on täytetty jalokaasuseoksella, joka kipinöi hehkupurkaukseksi ja lopulta valokaareksi, kun elektrodeihin kohdistetaan riittävä jännite.

Kun hitaasti nouseva jännite raon yli saavuttaa arvon, joka määräytyy ensisijaisesti elektrodien etäisyyden, kaasun paineen ja kaasuseoksen perusteella, käynnistysprosessi käynnistyy kipinäjännitteellä. Kun kipinöinti tapahtuu, eri käyttötilat ovat mahdollisia ulkoisesta piiristä riippuen. Nämä tilat on esitetty kuviossa 4. Virtoilla, jotka ovat pienempiä kuin hehkun ja kaaren välinen siirtymävirta, hehkualue on olemassa. Pienillä virroilla hehkutusalueella jännite on lähes vakio; suurilla hehkuvirroilla tietyntyyppiset kaasuputket voivat päästä epänormaaliin hehkutusalueeseen, jossa jännite kasvaa. Tämän epänormaalin hehkutusalueen ulkopuolella kaasupurkausputken impedanssi pienenee siirtymäalueella pienjännitekaaren tilaan. Kaaren ja hehkun välinen siirtovirta voi olla pienempi kuin hehkun ja kaaren välinen siirtymä. GDT: n sähköinen ominaisuus yhdessä ulkoisen piirin kanssa määrittää GDT: n kyvyn sammua aallon jälkeen ja määrittää myös energian, joka kuluu pidikkeeseen aallon aikana.

Jos syötetty jännite (esim. Ohimenevä) nousee nopeasti, ionisaatio-/valokaarenmuodostusprosessiin kuluva aika voi antaa ohimenevän jännitteen ylittää edellisen kappaleen katkeamiseen vaaditun arvon. Tämä jännite määritellään impulssin katkaisujännitteeksi ja se on yleensä positiivinen funktio käytetyn jännitteen (ohimenevä) nousunopeudesta.

Yksikammioisessa kolmielektrodisessa GDT: ssä on kaksi onteloa, jotka on erotettu keskirenkaaselektrodilla. Keskielektrodin reikä sallii johtavan ontelon kaasuplasman käynnistää johtumisen toisessa ontelossa, vaikka toinen ontelojännite voi olla kipinöintijännitteen alapuolella.

Kytkentätoimintansa ja kestävän rakenteensa vuoksi GDT: t voivat ylittää muut SPD-komponentit virransiirtokyvyssä. Monet tietoliikenteen GDT -laitteet voivat helposti siirtää jopa 10 kA: n (8/20 µs aaltomuoto) ylivirtauksia. Lisäksi GDT: n suunnittelusta ja koosta riippuen voidaan saavuttaa> 100 kA ylivirtauksia.

Kaasupurkausputkien rakenne on sellainen, että niiden kapasitanssi on erittäin alhainen - yleensä alle 2 pF. Tämä mahdollistaa niiden käytön monissa suurtaajuisissa piirisovelluksissa.

Kun GDT-laitteet toimivat, ne voivat tuottaa korkeataajuista säteilyä, mikä voi vaikuttaa herkkiin elektroniikkaan. Siksi on järkevää sijoittaa GDT -piirit tietylle etäisyydelle elektroniikasta. Etäisyys riippuu elektroniikan herkkyydestä ja siitä, kuinka hyvin elektroniikka on suojattu. Toinen tapa välttää vaikutus on sijoittaa GDT suojattuun koteloon.

Määritelmät GDT: lle

Aukko tai useita rakoja, joissa on kaksi tai kolme metallielektrodia, jotka on suljettu ilmatiiviisti niin, että kaasuseos ja paine ovat hallinnassa, ja ne on suunniteltu suojaamaan laitteita tai henkilöstöä tai molempia korkeilta ohimeneviltä jännitteiltä.

Or

Aukko tai aukot suljetussa poistoväliaineessa, muu kuin ilmanpaine, joka on suunniteltu suojaamaan laitteistoa tai henkilöstöä tai molempia korkeilta ohimeneviltä jännitteiltä.

• LCR -suodattimet

Nämä komponentit eroavat toisistaan:

• energiakyky
• saatavuus
• luotettavuus
• maksaa
• tehokkuuden

Julkaisusta IEEE Std C62.72: SPD: n kyky rajoittaa ylijännitteitä sähköverkossa siirtämällä ylijännitevirrat riippuu ylijännitesuojakomponenteista, SPD: n mekaanisesta rakenteesta ja liitännästä sähköverkkoon. Muutamia yleisiä ylijännitesuojakomponentteja, joita käytetään SPD: iden valmistuksessa, ovat MOV-, SASD- ja kaasupurkausputket, joissa MOV-laitteilla on suurin käyttö. MOV: n aaltovirran luokitus liittyy poikkileikkausalueeseen ja sen koostumukseen. Yleensä mitä suurempi poikkileikkauspinta-ala on, sitä suurempi on laitteen ylijännite. MOV: t ovat yleensä pyöreitä tai suorakulmaisia, mutta niiden vakiomitat vaihtelevat 7 mm: n (0.28 tuuman) ja 80 mm: n (3.15 tuuman) välillä. Näiden ylijännitesuojakomponenttien ylijännitearvot vaihtelevat suuresti ja ovat riippuvaisia ​​valmistajasta. Yhdistämällä MOV: t rinnakkaisryhmään, teoreettinen aaltovirta voidaan laskea yksinkertaisesti lisäämällä yksittäisten MOV: ien nykyiset luokitukset yhteen, jotta saadaan taulukon ylijännite.

On monia hypoteeseja siitä, mikä komponentti, mikä topologia ja tietyn tekniikan käyttöönotto tuottavat parhaan SPD: n ylivirran ohjaamiseksi. Sen sijaan, että esittelisi kaikki nämä argumentit ja antaisi lukijan tulkita nämä aiheet, on parasta, että keskustelu ylijännitearvosta, nimellisvirran purkamisvirrasta tai ylivirtaominaisuuksista keskittyy suorituskykytestitietoihin. Riippumatta suunnittelussa käytetyistä komponenteista tai käytetystä mekaanisesta rakenteesta, on tärkeää, että SPD: llä on sovellukseen sopiva ylivirta tai nimellisvirtausluokitus ja mikä tärkeintä, että SPD rajoittaa ohimenevää ylijännitteet tasolle, joka estää suojattavien laitteiden vaurioitumisen odotetun ylijänniteympäristön vuoksi.

Peruskäyttötilat

Useimmissa SPD -laitteissa on kolme perustoimintatilaa:

• Odotetaan
• toisaalle

Kussakin tilassa virta kulkee SPD: n läpi. Mitä ei kuitenkaan voida ymmärtää, on se, että jokaisessa moodissa voi olla eri tyyppinen virta.

Odotustila

Normaaleissa virtatilanteissa, kun "puhdasta virtaa" syötetään sähkönjakelujärjestelmään, SPD suorittaa vain vähän toimintoja. Odotustilassa SPD odottaa ylijännitteen syntymistä ja kuluttaa vähän tai ei lainkaan verkkovirtaa; pääasiassa sitä, mitä valvontapiirit käyttävät.

Siirtotila

Kun SPD tunnistaa ohimenevän ylijänniteilmoituksen, se siirtyy siirtotilaan. SPD: n tarkoituksena on ohjata vahingollinen impulssivirta pois kriittisistä kuormista ja samalla vähentää sen aiheuttamaa jännitteen suuruutta matalalle, vaarattomalle tasolle.

Kuten ANSI/IEEE C62.41.1-2002 määrittelee, tyypillinen virran transientti kestää vain murto-osan jaksosta (mikrosekuntia), joka on fragmentti aikaa verrattuna 60 Hz: n sinimuotoisen signaalin jatkuvaan virtaukseen.

Aaltovirran suuruus riippuu sen lähteestä. Esimerkiksi salamanisku, joka voi harvoin sisältää virran suuruusluokkaa, joka ylittää useita satoja tuhansia ampeereja. Laitoksen sisällä sisäisesti luodut ohimenevät tapahtumat tuottavat kuitenkin pienempiä virran voimakkuuksia (alle muutama tuhat tai sata ampeeria).

Koska useimmat SPD: t on suunniteltu käsittelemään suuria aaltovirtoja, yksi suorituskyvyn vertailuarvo on tuotteen testattu nimellinen purkausvirta (In). Usein sekoitettuna vikavirtaan, mutta ei liity tähän, tämä suuri virran suuruus on osoitus tuotteen testatusta toistuvasta kestävyydestä.

Lähde: IEEE Std. C62.72: Nimellisellä purkausvirta -arvolla on SPD: n kyky altistua valitulle arvolle toistuville virtapiikkeille (yhteensä 15 aaltoa) ilman vaurioita, heikkenemistä tai muutoksia SPD: n mitatussa rajoitetussa jänniteominaisuudessa. Nimellinen purkausvirta -testi sisältää koko SPD: n, mukaan lukien kaikki ylijännitesuojakomponentit ja sisäiset tai ulkoiset SPD -erottimet. Testin aikana mikään komponentti tai irrotin ei saa vioittua, avata piiriä, vaurioitua tai huonontua. Tietyn luokituksen saavuttamiseksi SPD: n mitattu rajoitusjännitteen suorituskykytaso on säilytettävä ennen testiä ja testin jälkeisen vertailun välillä. Näiden testien tarkoituksena on osoittaa SPD: n kyky ja suorituskyky vastauksena nousuihin, jotka joissakin tapauksissa ovat vakavia, mutta joita voidaan odottaa huoltolaitteissa, laitoksessa tai asennuspaikassa.

Esimerkiksi SPD, jonka nimellinen purkausvirtakapasiteetti on 10,000 20,000 tai 10,000 20,000 ampeeria per tila, tarkoittaa, että tuotteen pitäisi pystyä kestämään turvallisesti 15 XNUMX tai XNUMX XNUMX ampeerin ohimenevä virta vähintään XNUMX kertaa kussakin suojaustilassa.

Elämän lopun skenaariot

IEEE Std C62.72: Suurin uhka SPD-laitteiden pitkäaikaiselle luotettavuudelle ei ehkä ole nousua, vaan toistuvia hetkellisiä tai tilapäisiä ylijännitteitä (TOV-arvoja tai "paisumia"), joita PDS: ssä voi esiintyä. MCOV: llä varustetut SPD: t, jotka ovat epävarmasti lähellä järjestelmän nimellisjännitettä, ovat alttiimpia sellaisille ylijännitteille, jotka voivat johtaa SPD: n ennenaikaiseen vanhenemiseen tai ennenaikaiseen käyttöiän päättymiseen. Nyrkkisääntönä käytetään usein sen määrittämistä, onko SPD: n MCOV vähintään 115% järjestelmän nimellisjännitteestä kullekin tietylle suojausmuodolle. Tämä mahdollistaa sen, että PDS: n normaalit jännitevaihtelut eivät vaikuta SPD: hen.

Jatkuvia ylijänniteitapahtumia lukuun ottamatta SPD-yksiköt voivat kuitenkin ikääntyä tai heikentyä tai saavuttaa käyttöiän päättymistilan ajan myötä johtuen ylijännitteistä, jotka ylittävät SPD-arvot ylijännitteelle, ylijännitehäiriöiden esiintymistiheydelle ja aallon kestolle tai näiden tapahtumien yhdistelmä. Toistuvat, huomattavan amplitudiset aaltoilutapahtumat tietyn ajanjakson aikana voivat ylikuumentaa SPD -komponentteja ja aiheuttaa ylijännitesuojakomponenttien vanhenemisen. Lisäksi toistuvat ylijännitteet voivat saada termisesti aktivoidut SPD -erottimet toimimaan ennenaikaisesti ylijännitesuojakomponenttien kuumenemisen vuoksi. SPD: n ominaisuudet voivat muuttua, kun se saavuttaa käyttöiän päättymisen-esimerkiksi mitatut rajajännitteet voivat kasvaa tai laskea.

Pyrkiessään välttämään aaltojen aiheuttamaa heikkenemistä monet SPD -valmistajat suunnittelevat SPD -laitteita, joilla on korkea ylivirta, joko käyttämällä fyysisesti suurempia komponentteja tai kytkemällä useita komponentteja rinnakkain. Näin vältetään todennäköisyys, että SPD: n luokitukset kokoonpanona ylittyvät, paitsi erittäin harvinaisissa ja poikkeuksellisissa tapauksissa. Menetelmän menestystä tukee tällä tavalla suunniteltujen, asennettujen SPD -levyjen pitkä käyttöikä ja historia.

Mitä tulee SPD -koordinointiin, ja kuten ylijännitearvojen osalta on todettu, on loogista, että SPD, jolla on korkeammat ylivirtausluokitukset, sijaitsee palvelulaitteessa, jossa PDS on eniten alttiina aaltoille ennenaikaisen ikääntymisen ehkäisemiseksi; Samaan aikaan palvelulaitteiden alapuolella olevilla SPD-laitteilla, jotka eivät ole alttiina ulkoisille ylijännitesäteille, saattaa olla huonompi luokitus. Hyvällä ylijännitesuojan suunnittelulla ja koordinoinnilla voidaan estää SPD: n ennenaikainen ikääntyminen.

Muita syitä SPD -vikaan ovat:

• Asennusvirheet
• Tuotteen virheellinen käyttö sen jännitearvon perusteella
• Jatkuva ylijännite

Kun vaimennuskomponentti epäonnistuu, se tekee sen useimmiten lyhyenä, jolloin virta alkaa kulkea viallisen komponentin läpi. Tämän viallisen komponentin läpi kulkevan virran määrä on käytettävissä olevan vikavirran funktio ja sitä ohjaa sähköjärjestelmä. Lisätietoja vikavirroista on kohdassa SPD Safety Related Information.