Hoe Surge Protective Device (SPD) wurket
It fermogen fan in SPD om oerspanningen op it elektryske distribúsjenetwurk te beheinen troch it oerdragen fan surge streamingen is in funksje fan 'e surge-beskermjende komponinten, de meganyske struktuer fan' e SPD, en de ferbining mei it elektryske distribúsjenetwurk. In SPD is bedoeld om oergeande oerspanningen te beheinen en oerstreamingsstroom, as beide, ôf te lieden. It befettet teminsten ien net -lineêre komponint. Yn 'e simpelste termen binne SPD's bedoeld om oergeande oerspanningen te beheinen mei in doel foar it foarkommen fan skea oan apparatuer en downtime fanwegen transiente spanningsstoarmen dy't de apparaten berikke dy't se beskermje.
Tink bygelyks oan in wettermole beskerme troch in drukreliefklep. De drukreliefklep docht neat oant in oerdrukpuls foarkomt yn 'e wetterfoarsjenning. As dat bart, iepent it fentyl en skoddet de ekstra druk oan 'e kant, sadat it it wetterrad net sil berikke.
As de reliëfklep net oanwêzich wie, koe oermjittige druk it wetterwiel beskeadigje, of miskien de oansluting foar de seach. Sels hoewol it reliëfklep op syn plak is en goed wurket, sil in oerbliuwsel fan 'e drukpuls noch it tsjil berikke. Mar druk sil genôch fermindere west hawwe om it wetterwiel net te beskeadigjen of de operaasje te fersteuren. Dit beskriuwt de aksje fan SPD's. Se ferminderje transients oant nivo's dy't de wurking fan gefoelige elektroanyske apparatuer net sille beskeadigje of fersteure.
Brûkte technologyen
Hokker technologyen wurde brûkt yn SPD's?
Fan IEEE Std. C62.72: In pear mienskiplike surge-beskermjende ûnderdielen dy't wurde brûkt by it meitsjen fan SPD's binne metaaloxide varistors (MOV's), lawine breakdown diodes (ABD's-eartiids bekend as silisium lawine diodes as SAD's), en gasûntladingsbuizen (GDT's). MOV's binne de meast brûkte technology foar de beskerming fan AC -stroomkringen. De beoardieling fan surge hjoeddeistige fan in MOV is besibbe oan it dwerstrochsneedgebiet en har gearstalling. Yn 't algemien, hoe grutter it dwerstrochsneedgebiet, hoe heger de stroomsterkte fan it apparaat. MOV's hawwe oer it algemien rûn of rjochthoekige mjitkunde, mar komme yn in oerfloed fan standertmjittingen, fariearjend fan 7 mm (0.28 inch) oant 80 mm (3.15 inch). De beoardielingen fan surge hjoeddeistige fan dizze surge beskermjende komponinten ferskille sterk en binne ôfhinklik fan de fabrikant. Lykas earder besprutsen yn dizze klausel, troch it ferbinen fan de MOV's yn in parallelle array, koe in surge hjoeddeistige wearde wurde berekkene troch gewoan de tafoegingsstreamen fan 'e yndividuele MOV's byinoar te foegjen foar it krijen fan' e surge hjoeddeistige wurdearring fan 'e array. Dêrby moat rekken hâlden wurde mei de koördinaasje fan 'e bestjoeringsfunksjes fan' e selekteare MOV's.
D'r binne in protte hypotezen oer hokker komponint, hokker topology, en de ynset fan spesifike technology de bêste SPD produseart foar it omlieden fan surge stroom. Yn stee fan alle opsjes te presintearjen, is it it bêste dat de diskusje oer wurdearring foar hjoeddeistige stroom, nominale wurdearring foar hjoeddeistige ûntlading, as oerstreamingsmooglikheden draait om gegevens oer prestaasjetest. Nettsjinsteande de ûnderdielen dy't wurde brûkt yn it ûntwerp, as de spesifike meganyske struktuer ynset, wat wichtich is, is dat de SPD in wurdearring foar oerstreamingsstroom hat as Nominale ôfskriuwingsstreaming dy't geskikt is foar de applikaasje.
In mear wiidweidige beskriuwing fan dizze komponinten folget. De komponinten brûkt yn SPD's ferskille sterk. Hjir is in sampling fan dy komponinten:
Metaloxide varistor (MOV)
Typysk besteane MOV's út in rûn of rjochthoekich foarme lichem fan sinterearre sinkokside mei geskikte tafoegings. Oare soarten yn gebrûk omfetsje buisformen en mearlaachstrukturen. Varistors hawwe metalen dieltsjeselektroden besteande út in sulveren legering as oar metaal. De elektroden kinne op it lichem oanbrocht wêze troch screening en sintering of troch oare prosessen ôfhinklik fan it brûkte metaal. Varistors hawwe ek faak draad- as ljepperliedingen as in oar soart beëiniging dy't mooglik is soldeerd oan 'e elektrode.
It basale geleidingsmeganisme fan MOV's is it gefolch fan healgeleiderknooppunten oan 'e grins fan' e zinkoxidekorrels foarme tidens in sinterproses. De varistor kin wurde beskôge as in multi-junction-apparaat mei in protte korrels dy't hannelje yn searie-parallelle kombinaasje tusken de terminals. In skematyske dwerstrochsneed werjefte fan in typyske varistor wurdt werjûn yn figuer 1.
Varistors hawwe it eigendom om in relatyf lytse spanningsferoaring oer har terminals te behâlden, wylst de streamstroom dy't troch har streamt farieart oer ferskate desennia fan grutte. Mei dizze netlineare aksje kinne se de stroom fan in surge ôfliede by ferbining yn shunt oer de line en de spanning oer de line beheine ta wearden dy't de apparatuer beskermje dy't ferbûn is mei dy line.
Avalanche Breakdown Diode (ADB)
Dizze apparaten binne ek bekend as silisium avalanche diode (SAD) as transient voltage suppressor (TVS). De ôfbraakdiode fan PN -krúspunt, yn har basisfoarm, is in inkelde PN -knooppunt besteande út in anode (P) en in kathode (N). Sjoch figuer 2a. Yn applikaasjes foar DC -sirkwy is de beskermer reverse bias, sadat in posityf potensjeel wurdt tapast op 'e kathode (N) kant fan it apparaat. Sjoch figuer 2b.
De lawine -diode hat trije bestjoeringsregio's, 1) foarút foaroardielen (lege impedânsje), 2) út steat (hege impedânsje), en 3) reverse bias -ferdieling (relatyf lege impedânsje). Dizze regio's binne te sjen yn ôfbylding 3. Yn 'e modus foarút foaroardiel mei in positive spanning op' e P -regio hat de diode heul lege impedânsje as de spanning de foarspanningsdiodespanning, VFS, grutter is. VFS is normaal minder dan 1 V en wurdt hjirûnder definieare. De off -state rint fan 0 V oant krekt ûnder in positive VBR op 'e N -regio. Yn dizze regio binne de ienige streamingen dy't streamje temperatuerôfhinklike lekstromen en Zener -tunnelingstromen foar lege ôfbraakspanningsdioden. De ôfbraakregio foar reverse bias begjint mei in positive VBR op 'e N -regio. By VBR wurde elektronen dy't it krúspunt oerstekke genôch fersneld troch it hege fjild yn 'e krúspuntregio dat elektronbotsingen resultearje yn in kaskade, as in lawine, fan elektroanen en gatten. It resultaat is in skerpe daling yn 'e wjerstân fan' e diode. Sawol de foarútbias as reverse bias -ôfbraakregio's kinne wurde brûkt foar beskerming.
De elektryske skaaimerken fan in lawine -diode binne yntinsyf asymmetrysk. Symmetryske avalanche -diodebeskermingsprodukten besteande út rêch nei rêchknooppunten wurde ek produsearre.
Gas ôffier buis (GDT)
Gasûntladingsbuizen besteane út twa of mear metalen elektroden skieden troch in lytse gat en hâlden troch in keramyske as glêscilinder. De silinder is fol mei in aadlik gasmengsel, dat oergiet yn in gloedontlading en úteinlik in bôge -tastân as genôch spanning wurdt tapast op 'e elektroden.
As in stadich tanimmende spanning oer de gat in wearde berikt dy't foaral wurdt bepaald troch de ôfstân fan 'e elektrode, gasdruk en gasmengsel, begjint it ynskakelproses by de spark-over (ôfbraak) spanning. As ienris spark-over foarkomt, binne ferskate bestjoerstoaten mooglik, ôfhinklik fan it eksterne circuit. Dizze steaten wurde werjûn yn figuer 4. By streamingen minder dan de glâns-nei-bôge-oergongsstroom, bestiet in gloedregio. By lege streamingen yn 'e glânsregio is de spanning hast konstant; by hege gloeistreammen kinne guon soarten gasbuizen in abnormaal gloedgebiet yngean wêryn de spanning tanimt. Bûten dit abnormale gloedregio nimt de impedânsje fan gasútlaatbuis ôf yn it oergongsgebiet yn 'e leechspanningsboogtoestand. De bôge-nei-gloed-oergongsstroom kin leger wêze dan de glâns-nei-bôge-oergong. De elektryske karakteristyk fan GDT, yn kombinaasje mei de eksterne skeakelingen, bepaalt it fermogen fan 'e GDT om te blussen nei it trochgean fan in surge, en bepaalt ek de enerzjy dy't yn' e arrester wurdt ferdreaun tidens de surge.
As de tapaste spanning (bgl. Transient) fluch opkomt, kin de tiid dy't it nimt foar it proses fan ionisaasje/bôgefoarming de transiente spanning de wearde fereaskje dy't fereaske is foar ferdieling yn 'e foarige paragraaf. Dizze spanning wurdt definieare as de ympulsôfbraakspanning en is oer it algemien in positive funksje fan 'e taryf-fan-opkomst fan' e tapaste spanning (transient).
In inkelde keamer trije-elektrode GDT hat twa holten skieden troch in sintrumringelektrode. It gat yn 'e sintrumelektrode lit gasplasma út in geleidende holte liede liede yn' e oare holte, hoewol de oare holtespanning mooglik ûnder de spark-over spanning kin wêze.
Fanwegen har wikselaksje en robúste konstruksje kinne GDT's oare SPD-ûnderdielen oermeitsje yn stroomdragende mooglikheden. In protte telekommunikaasje GDT's kinne maklik oerstreamingsstromen oant 10 kA (8/20 µs golffoarm) drage. Fierder kinne ôfhinklik fan ûntwerp en grutte fan 'e GDT oerstreamingsstromen fan> 100 kA wurde berikt.
De konstruksje fan gasûntladingsbuizen is sa dat se in heul lege kapasiteit hawwe - oer it algemien minder dan 2 pF. Dit makket har gebrûk mooglik yn in protte applikaasjes mei hege frekwinsje-sirkwy.
As GDT's wurkje, kinne se hege-frekwinsjestraling generearje, dy't gefoelige elektroanika kin beynfloedzje. It is dêrom ferstannich om GDT -circuits op in bepaalde ôfstân fan 'e elektroanika te pleatsen. De ôfstân hinget ôf fan 'e gefoelichheid fan' e elektroanika en hoe goed de elektroanika wurdt beskerme. In oare metoade om it effekt te foarkommen is it pleatsen fan de GDT yn in ôfskermde omwâling.
Definysjes foar GDT
In gat, as ferskate gatten mei twa of trije metalen elektroden hermetysk fersegele, sadat gasgemik en druk ûnder kontrôle binne, ûntworpen om apparaten as personiel, as beide, te beskermjen tsjin hege oergeande spanningen.
Or
In gat as gatten yn in ôfsletten ûntladingsmedium, oars dan loft by atmosfearyske druk, ûntworpen om apparaten as personiel, as beide, te beskermjen tsjin hege oergeande spanningen.
- LCR filters
Dizze komponinten ferskille yn har:
- enerzjykapasiteit
- beskikberens
- Zuverlässigkeit
- kosten
- effektiviteit
Fan IEEE Std C62.72: De mooglikheid fan in SPD om oerspanningen op it elektryske distribúsjenetwurk te beheinen troch it oerdragen fan surge streamingen is in funksje fan 'e surge-beskermjende komponinten, de meganyske struktuer fan' e SPD, en de ferbining mei it elektryske distribúsjenetwurk. In pear mienskiplike surge-beskermjende ûnderdielen dy't wurde brûkt by it meitsjen fan SPD's binne MOV's, SASD's, en gasûntladingsbuizen, mei MOV's dy't it grutste gebrûk hawwe. De wurdearring fan 'e surge hjoeddeistige fan in MOV is besibbe oan it dwerstrochsneedgebiet en har gearstalling. Yn 't algemien is it grutter it dwerstrochsneedgebiet, hoe heger de wurdearring fan' e stroomsterkte fan it apparaat. MOV's hawwe oer it algemien rûn of rjochthoekige mjitkunde, mar komme yn in oerfloed fan standertôfmjittingen fariearjend fan 7 mm (0.28 yn) oant 80 mm (3.15 yn). De beoardielingen fan surge hjoeddeistige fan dizze surge beskermjende komponinten ferskille sterk en binne ôfhinklik fan de fabrikant. Troch it ferbinen fan de MOV's yn in parallelle array, koe in teoretyske wurdearring foar surge stroom wurde berekkene troch gewoan de hjoeddeistige wurdearrings fan 'e yndividuele MOV's by te foegjen om de beoardieling fan' e surge hjoeddeistige fan 'e array te krijen.
D'r binne in protte hypotezen oer hokker komponint, hokker topology, en de ynset fan spesifike technology de bêste SPD produseart foar it omlieden fan surge stroom. Ynstee fan al dizze arguminten te presintearjen en de lêzer dizze ûnderwerpen te ûntsiferjen, is it it bêste dat de diskusje oer wurdearring foar hjoeddeistige aktuele wurdearring, nominale ôfslach hjoeddeistige wurdearring, as surge hjoeddeistige mooglikheden draait om prestaasjetestgegevens. Nettsjinsteande de ûnderdielen dy't wurde brûkt yn it ûntwerp, as de spesifike meganyske struktuer ynset, wat wichtich is, is dat de SPD in wurdearring hat foar hjoeddeistige stroom as nominale ôfskriuwingsstreaming dy't geskikt is foar de applikaasje en, wierskynlik it wichtichste, dat de SPD de oergeande beheint oerspanningen nei nivo's dy't skea foarkomme oan 'e apparatuer dy't wurdt beskerme sjoen de ferwachte oerstreamingsomjouwing.
Basis operaasjemodi
De measte SPD's hawwe trije basisbedriuwsmodi:
- Wachtsje
- Omliede
Yn elke modus streamt stroom troch de SPD. Wat lykwols net kin wurde begrepen, is dat yn elke modus in oar soarte stroom kin bestean.
De Wachtmodus
Under normale machtsituaasjes as "skjinne krêft" wurdt levere binnen in elektrysk distribúsjesysteem, fiert de SPD minimale funksje. Yn 'e wachtmodus wachtet de SPD op in overspanning dy't optreedt en ferbrûkt in bytsje as gjin wisselstroom; foaral dat brûkt troch de monitoaringskringen.
De ôfwikingsmodus
By it opspoaren fan in oergeande overspanningsgebeurtenis feroaret de SPD yn 'e omliedingsmodus. It doel fan in SPD is om de skealike ympulsstream fuort te lieden fan krityske lesten, wylst tagelyk de resultearjende spanningsgrutte ferminderje nei in leech, harmless nivo.
Lykas definieare troch ANSI/IEEE C62.41.1-2002, duorret in typyske hjoeddeistige transient mar in fraksje fan in syklus (mikrosekonden), in fragmint fan tiid yn fergeliking mei de trochgeande stream fan in sinusfoarmich sinjaal fan 60Hz.
De grutte fan 'e surge stroom is ôfhinklik fan har boarne. Wjerljocht slacht bygelyks op dy't yn seldsume foarfallen hjoeddeistige grutte kinne befetsje dy't meardere hûnderttûzen amps is. Binnen in foarsjenning sille ynterne genereare transiente eveneminten lykwols legere stroomgrutte produsearje (minder dan in pear tûzen as hûndert amps).
Om't de measte SPD's binne ûntworpen foar it behanneljen fan grutte surge streamingen, is ien prestaasje -benchmark it teste fan it produkt Nominal Discharge Current Rating (In). Faak betize mei foutstrom, mar net relatearre, is dizze grutte stroomgrutte in oantsjutting foar de test fan it produkt werhelle werhelle wjerstân.
Fan IEEE Std. C62.72: De nominale ôflossing hjoeddeistige wurdearring oefenet it fermogen fan in SPD út om te wurden ûnderwurpen oan repetitive stroomstjittingen (15 totale surges) fan in selekteare wearde sûnder skea, degradaasje of in feroaring yn mjitten limytspanningsprestaasjes fan in SPD. De test foar nominaal ûntladen hjoeddeistige omfettet de heule SPD ynklusyf alle surge beskermjende ûnderdielen en ynterne as eksterne SPD -disconnectors. Tidens de test is gjin komponint of losskakelaar tastien te mislearjen, it circuit te iepenjen, skansearre te wurden of te degradearjen. Om in bepaalde beoardieling te berikken, moat it mjitten nivo fan prestaasjes fan 'e beheinde spanning fan' e SPD wurde hâlden tusken de foar-test en post-test fergeliking. It doel fan dizze testen is om de mooglikheid en prestaasjes fan in SPD oan te toanen yn reaksje op pieken dy't yn guon gefallen swier binne, mar kinne wurde ferwachte by de tsjinstapparatuer, binnen in foarsjenning of op 'e ynstallaasjelokaasje.
Bygelyks, in SPD mei in nominale ûntlaadstroomkapasiteit fan 10,000 as 20,000 amps per modus betsjuttet dat it produkt feilich kin wêze tsjin in oergeande stroomgrutte fan 10,000 as 20,000 amps op syn minst 15 kear, yn elk fan 'e beskermingsmodi.
Scenarios foar ein fan libben
Fan IEEE Std C62.72: De grutste bedriging foar de betrouberens op lange termyn fan SPD's binne miskien net pieken, mar de herhelle momintele as tydlike oerspanningen (TOV's as "swellen") dy't kinne foarkomme op 'e PDS. SPD's mei in MCOV-dy't foarsoarch tichtby de nominale systeemspanning binne, binne mear gefoelich foar sokke oerspanningen dy't kinne liede ta foartidige SPD-ferâldering of foartidige ein fan it libben. In thumbregel dy't faaks wurdt brûkt is om te bepalen as de MCOV fan 'e SPD teminsten 115% is fan' e nominale systeemspanning foar elke spesifike beskermingsmodus. Hjirmei kin de SPD net beynfloede wurde troch de normale spanningsfarianten fan 'e PDS.
Behalve oanhâldende oerspanningseveneminten kinne SPD's lykwols ferâldere, of degradearje, of har kondysje fan 'e ein fan' e tsjinst berikke oer tiid troch steuringen dy't de SPD's-wurdearrings foar oerstreaming oerskriuwe, it taryf fan foarkommen fan surge eveneminten, doer fan 'e surge , as de kombinaasje fan dizze eveneminten. Repetitive surge -eveneminten fan signifikante amplitude oer in perioade kinne de SPD -ûnderdielen oververhitte en feroarsaakje dat de surge beskermjende komponinten âlder wurde. Fierder kinne repetitive oerstreamingen feroarsaakje dat SPD -loskeppelers dy't termysk aktiveare binne te betiid operearje fanwege de ferwaarming fan de surge beskermjende komponinten. De skaaimerken fan in SPD kinne feroarje as it syn ein-fan-tsjinst-tastân berikt-bygelyks kinne de mjitten beheinende spanningen tanimme of ferminderje.
Yn in poging om degradaasje te foarkommen fanwege surges ûntwerpe in protte SPD -fabrikanten SPD's mei hege surge hjoeddeistige mooglikheden, itsij troch fysyk gruttere komponinten te brûken as troch meardere komponinten parallel te ferbinen. Dit wurdt dien om de wikseling te foarkommen dat de wurdearrings fan 'e SPD as in gearkomste wurde oerskreaun, útsein yn heul seldsume en útsûnderlike eksimplaren. It súkses fan dizze metoade wurdt stipe troch de lange servicelibben en skiednis fan besteande SPD's ynstalleare dy't op dizze manier binne ûntworpen.
Wat SPD -koördinaasje oanbelanget, en, lykas sein oer oangeande oergeande hjoeddeistige wurdearrings, is it logysk om in SPD te hawwen mei hegere wurdearringsstrombeoardielingen lizzend by de tsjinstapparatuer wêr't it PDS it meast wurdt bleatsteld oan oerstreamingen om te helpen by it foarkommen fan foartidige fergrizing; ûnderwilens kinne SPD's fierder downline fan 'e tsjinstapparatuer dy't net wurde bleatsteld oan eksterne boarnen fan oerstreamingen, miskien minder wurdearrings hawwe. Mei goed ûntwerp en koördinaasje fan oerstreamingsbeskermend systeem kin foarkommende ferâldering fan SPD wurde foarkommen.
Oare oarsaken fan SPD -mislearjen omfetsje:
- Ynstallaasjefouten
- Misapplikaasje fan in produkt foar syn spanningsnivo
- Oanhâldende eveneminten foar overspanning
As in ûnderdrukkingskomponint mislearret, docht it dat meastentiids as in koarte, wêrtroch stroom troch de mislearre komponint begjint te stromen. De hoemannichte stroom beskikber om troch dizze mislearre komponint te stromen is in funksje fan 'e beskikbere flaterstroom en wurdt oandreaun troch it machtsysteem. Foar mear ynformaasje oer Fault Currents gean nei SPD Safety Related Information.
