Način rada uređaja za zaštitu od prenapona (SPD)

Način rada uređaja za zaštitu od prenapona (SPD)

Sposobnost SPD-a da ograniči prenapone na električnoj distribucijskoj mreži preusmjeravanjem prenaponskih struja funkcija je zaštitnih komponenata od prenapona, mehaničke strukture SPD-a i priključka na električnu distribucijsku mrežu. SPD je namijenjen ograničavanju prolaznih prenapona i preusmjeravanju prenaponske struje, ili oboje. Sadrži barem jednu nelinearnu komponentu. Najjednostavnije rečeno, SPD -ovi su namijenjeni ograničavanju prolaznih prenapona s ciljem sprječavanja oštećenja opreme i zastoja zbog prolaznih skokova napona koji dolaze do uređaja koje štite.

Na primjer, razmislite o vodenom mlinu zaštićenom ventilom za smanjenje tlaka. Ventil za smanjenje tlaka ne radi ništa dok se u dovodu vode ne pojavi impuls prekomjernog tlaka. Kada se to dogodi, ventil se otvara i odvodi dodatni tlak u stranu, tako da ne dopire do vodenog kotača.

Ako sigurnosni ventil nije bio prisutan, prekomjerni tlak mogao bi oštetiti vodeni kotač ili možda spoj pile. Iako je sigurnosni ventil na svom mjestu i radi ispravno, neki ostatak impulsa tlaka i dalje će doprijeti do kotača. No, tlak će biti dovoljno smanjen da ne ošteti vodeni kotač ili poremeti njegov rad. Ovo opisuje djelovanje SPD -ova. Smanjuju prijelaze na razine koje neće oštetiti ili ometati rad osjetljive elektroničke opreme.

Korištene tehnologije

Koje se tehnologije koriste u SPD -ovima?

Od IEEE Std. C62.72: Nekoliko uobičajenih komponenti za zaštitu od prenapona koje se koriste u proizvodnji SPD-a su varistori od metalnih oksida (MOV), lavinske probojne diode (ABD-prije poznate kao silicijske lavine diode ili SAD) i cijevi za pražnjenje plina (GDT). MOV -ovi su najčešće korištena tehnologija za zaštitu strujnih krugova izmjenične struje. Ocjena prenaponske struje MOV-a povezana je s površinom poprečnog presjeka i njegovim sastavom. Općenito, što je veća površina poprečnog presjeka, to je veća nominalna strujna snaga uređaja. MOV -ovi su općenito okrugle ili pravokutne geometrije, ali dolaze u mnoštvu standardnih dimenzija u rasponu od 7 mm (0.28 inča) do 80 mm (3.15 inča). Ocjene prenaponske struje ovih komponenata za zaštitu od prenapona uvelike se razlikuju i ovise o proizvođaču. Kao što je ranije objašnjeno u ovom odlomku, povezivanjem MOV -ova u paralelni niz, vrijednost prenaponske struje mogla bi se izračunati jednostavnim zbrajanjem ocjena prenaponske struje pojedinačnih MOV -ova zajedno kako bi se dobila vrijednost prenaponske struje polja. Pritom treba uzeti u obzir koordinaciju radnih karakteristika odabranih MOV -ova.

Postoje mnoge hipoteze o tome koja komponenta, koja topologija i primjena određene tehnologije proizvodi najbolji SPD za preusmjeravanje prenaponske struje. Umjesto predstavljanja svih mogućnosti, najbolje je da se rasprava o ocjeni struje prenapona, nominalnoj struji pražnjenja ili mogućnostima struje prenapona vrti oko podataka ispitivanja performansi. Bez obzira na komponente korištene u projektiranju ili na specifičnu mehaničku strukturu, važno je da SPD ima nazivnu struju prenapona ili nazivnu nominalnu struju pražnjenja koja je prikladna za primjenu.

Slijedi opsežniji opis ovih komponenti. Komponente koje se koriste u SPD -ima znatno se razlikuju. Evo uzorka tih komponenti:

• Metalni oksidni varistor (MOV)

Obično se MOV -i sastoje od okruglog ili pravokutnog tijela od sinteriranog cinkovog oksida s odgovarajućim aditivima. Drugi tipovi koji se koriste uključuju cjevaste oblike i višeslojne strukture. Varistori imaju elektrode od metalnih čestica koje se sastoje od legure srebra ili drugog metala. Elektrode su možda nanesene na tijelo prosijavanjem i sinteriranjem ili drugim postupcima, ovisno o korištenom metalu. Varistori također često imaju žice ili jezičke ili neku drugu vrstu završetka koja je možda lemljena na elektrodi.

Osnovni mehanizam provođenja MOV -a proizlazi iz poluvodičkih spojeva na granici zrna cinkovog oksida nastalih tijekom procesa sinteriranja. Varistor se može smatrati uređajem s više spojeva s mnogo zrnaca koji djeluju u serijski paralelnoj kombinaciji između stezaljki. Shematski prikaz poprečnog presjeka tipičnog varistora prikazan je na slici 1.

Varistori imaju svojstvo održavanja relativno male promjene napona na svojim stezaljkama, dok prenaponska struja koja teče kroz njih varira kroz nekoliko desetljeća. Ova nelinearna radnja omogućuje im da preusmjere struju prenapona kada su spojeni u odvod preko linije i ograniče napon preko linije na vrijednosti koje štite opremu priključenu na tu liniju.

• Dioda za probijanje lavine (ADB)

Ovi su uređaji poznati i kao silikonska lavinska dioda (SAD) ili prigušivač prijelaznog napona (TVS). Probojna dioda PN spoja u svom je osnovnom obliku jedan PN spoj koji se sastoji od anode (P) i katode (N). Vidi sliku 2a. U aplikacijama istosmjernog kruga, zaštitnik je obrnuto pristran, tako da se pozitivan potencijal primjenjuje na katodnu (N) stranu uređaja. Vidi sliku 2b.

Lavinska dioda ima tri radna područja, 1) prednapon (niska impedancija), 2) stanje isključenosti (visoka impedancija) i 3) slom unatrag pristranosti (relativno niska impedancija). Ove se regije mogu vidjeti na slici 3. U modu pristranosti prema naprijed s pozitivnim naponom na području P, dioda ima vrlo nisku impedanciju kada napon pređe napon diode pristranosti pristranosti, VFS. VFS je obično manji od 1 V i definiran je u nastavku. Isključeno stanje proteže se od 0 V do malo ispod pozitivnog VBR -a na N području. U ovom području jedine struje koje teku su struje curenja ovisne o temperaturi i Zenerove tunelske struje za diode niskog napona proboja. Područje sloma obrnute pristranosti počinje s pozitivnim VBR -om na N području. Na VBR elektroni koji prelaze spoj dovoljno su ubrzani visokim poljem u području spoja pa sudari elektrona rezultiraju kaskadom ili lavinom elektrona i rupa. Rezultat je nagli pad otpora diode. Za zaštitu se mogu koristiti i područja pristranosti prema naprijed i unatrag.

Električne karakteristike lavine diode suštinski su asimetrične. Proizvode se i simetrični proizvodi za zaštitu od lavine diode koji se sastoje od spojeva leđa i leđa.

• Cijev za ispuštanje plina (GDT)

Cijevi za pražnjenje plina sastoje se od dvije ili više metalnih elektroda odvojenih malim razmakom i držane keramičkim ili staklenim cilindrom. Cilindar je napunjen smjesom plemenitih plinova, koja se prelijeva u sjajno pražnjenje i konačno stanje luka kada se na elektrode primijeni dovoljan napon.

Kad polako rastući napon na raskoraku dosegne vrijednost koja je prvenstveno određena razmakom elektroda, tlakom plina i mješavinom plina, proces uključivanja započinje pri naponu iskrenja (proboja). Nakon što dođe do iskrenja, moguća su različita radna stanja, ovisno o vanjskom krugu. Ta su stanja prikazana na slici 4. Pri strujama manjim od prijelazne struje užarenog luka postoji područje sjaja. Pri niskim strujama u području sjaja, napon je gotovo konstantan; pri velikim sjajnim strujama neke vrste plinskih cijevi mogu ući u abnormalno područje sjaja u kojem se napon povećava. Izvan ovog abnormalnog područja sjaja impedancija cijevi za pražnjenje plina smanjuje se u prijelaznom području u stanje niskonaponskog luka. Prijelazna struja luka u sjaj može biti niža od prijelaza užarenja u luk. Električna karakteristika GDT -a, zajedno s vanjskim krugom, određuje sposobnost GDT -a da se ugasi nakon prolaska udara, a također određuje i energiju koja se rasipa u odvodniku tijekom prenapona.

Ako primijenjeni napon (npr. Prijelazni) brzo raste, vrijeme potrebno za proces ionizacije/stvaranja luka može dopustiti da prijelazni napon premaši vrijednost potrebnu za kvar u prethodnom stavku. Ovaj napon definiran je kao impulsni prekidni napon i općenito je pozitivna funkcija brzine porasta primijenjenog napona (prijelazni).

GDT s tri komore s jednom komorom ima dvije šupljine odvojene središnjom elektrodom. Rupa u središnjoj elektrodi dopušta plinskoj plazmi iz vodljive šupljine da pokrene provođenje u drugoj šupljini, iako napon druge šupljine može biti ispod napona iskrenja.

Zbog svog sklopnog djelovanja i robusne konstrukcije, GDT-ovi mogu premašiti ostale komponente SPD-a u sposobnosti podnošenja struje. Mnogi telekomunikacijski GDT -ovi lako mogu prenijeti prenaponske struje do 10 kA (valni oblik 8/20 µs). Nadalje, ovisno o dizajnu i veličini GDT -a, mogu se postići prenaponske struje> 100 kA.

Konstrukcija cijevi za pražnjenje plina je takva da imaju vrlo mali kapacitet - općenito manji od 2 pF. To omogućuje njihovu uporabu u mnogim visokofrekventnim sklopovima.

Kada rade GDT-i, oni mogu stvarati visokofrekventno zračenje, što može utjecati na osjetljivu elektroniku. Stoga je pametno postaviti GDT krugove na određenu udaljenost od elektronike. Udaljenost ovisi o osjetljivosti elektronike i o tome koliko je elektronika zaštićena. Druga metoda za izbjegavanje učinka je postavljanje GDT -a u zaštićeno kućište.

Definicije za GDT

Praznina ili nekoliko praznina s dvije ili tri metalne elektrode hermetički zatvorene tako da su mješavina plina i tlak pod kontrolom, dizajnirani za zaštitu aparata ili osoblja, ili oboje, od visokih prolaznih napona.

Or

Praznina ili praznine u zatvorenom mediju za pražnjenje, osim zraka pri atmosferskom tlaku, dizajnirane za zaštitu aparata ili osoblja, ili oboje, od visokih prolaznih napona.

• LCR filteri

Ove se komponente razlikuju po:

• energetske sposobnosti
• dostupnost
• pouzdanost
• koštati
• efikasnost

Iz standarda IEEE Std C62.72: Sposobnost SPD-a da ograniči prenapone na električnoj distribucijskoj mreži preusmjeravanjem prenaponskih struja funkcija je zaštitnih komponenti od prenapona, mehaničke strukture SPD-a i priključka na električnu distribucijsku mrežu. Nekoliko uobičajenih komponenti za zaštitu od prenapona koje se koriste u proizvodnji SPD-ova su MOV, SASD i cijevi za pražnjenje plina, pri čemu se MOV-i imaju najveća upotreba. Ocjena prenaponske struje MOV-a povezana je s površinom poprečnog presjeka i njegovim sastavom. Općenito, što je veća površina poprečnog presjeka, to je veća naponska struja uređaja. MOV -ovi su općenito okrugle ili pravokutne geometrije, ali dolaze u mnoštvu standardnih dimenzija u rasponu od 7 mm (0.28 inča) do 80 mm (3.15 inča). Ocjene prenaponske struje ovih komponenata za zaštitu od prenapona uvelike se razlikuju i ovise o proizvođaču. Spajanjem MOV -ova u paralelni niz, teoretska vrijednost struje prenapona mogla bi se izračunati jednostavnim zbrajanjem trenutnih ocjena pojedinačnih MOV -ova zajedno kako bi se dobila vrijednost prenaponske struje niza.

Postoje mnoge hipoteze o tome koja komponenta, koja topologija i primjena određene tehnologije proizvodi najbolji SPD za preusmjeravanje prenaponske struje. Umjesto iznošenja svih ovih argumenata i dopuštanja čitatelju da dešifrira ove teme, najbolje je da se rasprava o ocjeni struje prenapona, nominalnoj nominalnoj struji pražnjenja ili mogućnostima struje prenapona vrti oko podataka o performansama. Bez obzira na komponente korištene u dizajnu ili na specifičnu mehaničku strukturu, važno je da SPD ima napon struje prenapona ili nazivnu nominalnu struju pražnjenja koja je prikladna za primjenu i, vjerojatno najvažnije, da SPD ograničava prolazni prenaponi na razine koje sprječavaju oštećenja opreme koja se štiti s obzirom na očekivano okruženje prenapona.

Osnovni načini rada

Većina SPD -ova ima tri osnovna načina rada:

• Očekujem
• zabavan

U svakom načinu struja teče kroz SPD. Ono što se možda ne može razumjeti je da u svakom načinu rada može postojati različita vrsta struje.

Način čekanja

U normalnim situacijama napajanja kada se "čista energija" napaja unutar električnog distribucijskog sustava, SPD obavlja minimalnu funkciju. U načinu čekanja, SPD čeka da dođe do prenapona i troši malo ili nimalo izmjenične struje; prvenstveno ono što koriste nadzorni krugovi.

Način preusmjeravanja

Nakon što osjeti prolazni događaj prenapona, SPD se mijenja u način preusmjeravanja. Svrha SPD -a je odvratiti štetnu impulsnu struju od kritičnih opterećenja, istovremeno smanjujući rezultirajuću veličinu napona na nisku, bezopasnu razinu.

Kako je definirano ANSI/IEEE C62.41.1-2002, tipični trenutni prijelazni tok traje samo dio ciklusa (mikrosekunde), djelić vremena u usporedbi s kontinuiranim protokom od 60Hz, sinusnog signala.

Veličina prenaponske struje ovisi o izvoru. Na primjer, udari groma koji u rijetkim slučajevima mogu sadržavati jakosti struje veće od nekoliko stotina tisuća ampera. Unutar objekta, međutim, interno generirani prolazni događaji proizvest će niže jakosti struje (manje od nekoliko tisuća ili stotinu ampera).

Budući da je većina SPD -ova dizajnirana za rukovanje velikim prenaponskim strujama, jedno mjerilo performansi je testirana nominalna struja pražnjenja proizvoda (In). Često se miješa sa strujom greške, ali nije povezana, ova velika jakost struje pokazatelj je testiranog ponovljenog izdržljivog kapaciteta proizvoda.

Od IEEE Std. C62.72: Nominalna ocjena struje pražnjenja vježba sposobnost SPD -a da bude izložen ponavljajućim udarima struje (15 ukupnih skokova) odabrane vrijednosti bez oštećenja, degradacije ili promjene u izmjerenim graničnim naponskim karakteristikama SPD -a. Test nominalne struje pražnjenja uključuje cijeli SPD, uključujući sve komponente za zaštitu od prenapona i unutarnje ili vanjske rastavljače SPD. Tijekom ispitivanja nijedna komponenta ili rastavljač ne smiju otkazati, otvoriti krug, oštetiti se ili se pogoršati. Kako bi se postigla određena vrijednost, izmjerena razina graničnog napona SPD-a mora se održavati između usporedbe prije i poslije ispitivanja. Svrha ovih ispitivanja je pokazati sposobnost i performanse SPD -a kao odgovor na prenapone koji su u nekim slučajevima ozbiljni, ali se mogu očekivati ​​na servisnoj opremi, unutar objekta ili na mjestu ugradnje.

Na primjer, SPD s nominalnim kapacitetom struje pražnjenja od 10,000 ili 20,000 ampera po načinu rada znači da bi proizvod trebao biti u stanju sigurno podnijeti prolaznu jakost struje od 10,000 ili 20,000 ampera najmanje 15 puta, u svakom od načina zaštite.

Scenariji kraja života

Iz standarda IEEE Std C62.72: Najveća prijetnja dugoročnoj pouzdanosti SPD-a ne mogu biti prenaponi, već ponovljeni trenutni ili privremeni prenaponi (TOV-i ili "nabubre") koji se mogu pojaviti na PDS-u. SPD-ovi s MCOV-om-koji su nesigurno blizu nominalnog napona sustava, osjetljiviji su na takve prenapone koji mogu dovesti do preranog starenja SPD-a ili preranog isteka vijeka trajanja. Opće pravilo koje se često koristi je utvrđivanje je li MCOV SPD -a najmanje 115% nazivnog napona sustava za svaki određeni način zaštite. To će omogućiti da na SPD ne utječu normalne varijacije napona PDS -a.

Međutim, osim kontinuiranih događaja prenapona, SPD-ovi mogu stariti, ili se degradirati ili s vremenom dostići stanje prestanka rada zbog prenapona koji prelaze nazivne vrijednosti SPD-a za struju prenapona, stopu pojavljivanja prenapona, trajanje prenapona , ili kombinaciju ovih događaja. Ponavljajući događaji prenapona značajne amplitude tijekom nekog vremena mogu pregrijati komponente SPD -a i uzrokovati starenje zaštitnih komponenti prenapona. Nadalje, ponavljajući prenaponi mogu uzrokovati preuranjeni rad SPD rastavljača koji se termički aktiviraju zbog zagrijavanja komponenata za zaštitu od prenapona. Karakteristike SPD-a mogu se mijenjati kad dostigne stanje završetka rada-na primjer, izmjereni granični naponi mogu se povećati ili smanjiti.

U nastojanju da izbjegnu propadanje zbog prenapona, mnogi proizvođači SPD -a dizajniraju SPD -ove s visokim mogućnostima struje prenapona bilo korištenjem fizički većih komponenti ili paralelnim povezivanjem više komponenti. To je učinjeno kako bi se izbjegla vjerojatnost da će ocjene SPD -a kao sklopa biti premašene, osim u vrlo rijetkim i iznimnim slučajevima. Uspjeh ove metode podržan je dugim vijekom trajanja i poviješću instaliranih postojećih SPD -ova koji su dizajnirani na ovaj način.

S obzirom na koordinaciju SPD -a i, kao što je navedeno u pogledu napona prenaponske struje, logično je da se SPD s većim naponima struje prenapona nalazi na servisnoj opremi gdje je PDS najizloženiji udarima kako bi se spriječilo prerano starenje; u međuvremenu, SPD-ovi dalje od servisne opreme koji nisu izloženi vanjskim izvorima prenapona mogli bi imati manje ocjene. Uz dobar dizajn i koordinaciju zaštitnog sustava od prenapona, može se izbjeći prerano starenje SPD -a.

Drugi uzroci kvara SPD -a uključuju:

• Pogreške pri instalaciji
• Pogrešna primjena proizvoda zbog nazivnog napona
• Trajni događaji prenapona

Kad komponenta za potiskivanje ne uspije, najčešće to čini kratkim, uzrokujući da struja počne teći kroz neuspješnu komponentu. Količina struje koja je dostupna za protok kroz ovu kvarnu komponentu je funkcija dostupne struje kvara i pokreće je elektroenergetski sustav. Za više informacija o strujama smetnji idite na SPD sigurnosne informacije.