A túlfeszültség -védő eszköz (SPD) működése

A túlfeszültség -védő eszköz (SPD) működése

Az SPD azon képessége, hogy túlfeszültségeket korlátozzon az elektromos elosztóhálózaton a túlfeszültségáramok elterelésével, a túlfeszültség-védő alkatrészek, az SPD mechanikai szerkezete és az elektromos elosztóhálózathoz való csatlakozás függvénye. Az SPD célja az átmeneti túlfeszültségek korlátozása és a túlfeszültség -áram, vagy mindkettő elterelése. Legalább egy nemlineáris komponenst tartalmaz. A legegyszerűbben fogalmazva, az SPD -k célja az átmeneti túlfeszültségek korlátozása azzal a céllal, hogy megakadályozzák a berendezések károsodását és az általuk védett eszközöket elérő átmeneti feszültség túlfeszültség miatti leállásokat.

Vegyünk például egy nyomáscsökkentő szeleppel védett vízimalmot. A nyomáscsökkentő szelep semmit nem tesz, amíg túlnyomásos impulzus nem történik a vízellátásban. Amikor ez megtörténik, a szelep kinyílik, és félretolja az extra nyomást, hogy ne érje el a vízkereket.

Ha a nyomáscsökkentő szelep nem volt jelen, a túlzott nyomás károsíthatja a vízkereket, vagy esetleg a fűrész rudazatát. Annak ellenére, hogy a nyomáscsökkentő szelep a helyén van és megfelelően működik, a nyomásimpulzus néhány maradéka még mindig eléri a kereket. De a nyomás eléggé csökkent, hogy ne károsítsa a vízkereket vagy megzavarja annak működését. Ez az SPD -k működését írja le. Olyan szintre csökkentik az átmeneteket, amelyek nem károsítják vagy megzavarják az érzékeny elektronikus berendezések működését.

Használt technológiák

Milyen technológiákat használnak az SPD -kben?

Az IEEE Std. C62.72: Az SPD-k gyártásában használt néhány gyakori túlfeszültség-védő komponens a fém-oxid varisztor (MOV), a lavinabontó dióda (ABD)-korábban szilícium lavina diódák vagy SAD-ok) és a gázkisüléses csövek (GDT). A MOV a váltakozó áramú áramkörök védelmére leggyakrabban használt technológia. A MOV túlfeszültség-besorolása a keresztmetszeti területhez és összetételéhez kapcsolódik. Általában minél nagyobb a keresztmetszeti terület, annál nagyobb a készülék túlfeszültség-névleges értéke. A MOV -ok általában kerek vagy téglalap alakúak, de számos szabványos méretben kaphatók, 7 mm (0.28 hüvelyk) és 80 mm (3.15 hüvelyk) között. Ezen túlfeszültség -védő alkatrészek túlfeszültség -áramerősségei nagymértékben változnak, és a gyártótól függenek. Amint azt ebben a szakaszban korábban tárgyaltuk, a MOV -ek párhuzamos tömbhöz való csatlakoztatásával a túlfeszültség -áram értékét úgy lehet kiszámítani, hogy egyszerűen összeadjuk az egyes MOV -ok túlfeszültség -áramértékét, hogy megkapjuk a tömb túlfeszültség -áramértékét. Ennek során figyelembe kell venni a kiválasztott MOV -ok működési jellemzőinek összehangolását.

Sok hipotézis létezik arra vonatkozóan, hogy melyik komponens, milyen topológia és egy speciális technológia telepítése adja a legjobb SPD -t a túlfeszültség -áram elvezetésére. Az összes opció bemutatása helyett a legjobb, ha a túlfeszültség -névleges névleges kisülési áramérték vagy a túlfeszültség -képesség tárgyalása a teljesítményteszt adatai körül forog. Függetlenül attól, hogy milyen alkatrészeket használnak a tervezésben, vagy milyen speciális mechanikai szerkezetet alkalmaznak, az számít, hogy az SPD -nek az alkalmazáshoz megfelelő túlfeszültség -névleges névleges kisülési áram -minősítése van.

Ezen összetevők részletesebb leírása következik. Az SPD -kben használt összetevők jelentősen eltérnek. Íme egy minta ezekből az összetevőkből:

• Fém -oxid varisztor (MOV)

A MOV -ok általában kerek vagy téglalap alakú, szinterezett cink -oxid testből állnak, megfelelő adalékanyagokkal. Egyéb használatos típusok a cső alakú formák és a többrétegű szerkezetek. A varisztorok fémrészecske -elektródákkal rendelkeznek, amelyek ezüstötvözetből vagy más fémből állnak. Az elektródákat szitázással és szinterezéssel, vagy más eljárásokkal vihették fel a testre a használt fémtől függően. A varisztorok gyakran vezetékes vagy fülvezetékkel vagy más típusú lezárással is rendelkeznek, amelyek az elektródához forraszthatók.

A MOV -ok alapvető vezetési mechanizmusa a szinterezési folyamat során képződött cink -oxid szemcsék határán lévő félvezető csomópontokból származik. A varisztor többcsatlakozású eszköznek tekinthető, sok szemcsével, amelyek soros-párhuzamos kombinációban hatnak a terminálok között. Egy tipikus varisztor sematikus keresztmetszeti képe az 1. ábrán látható.

A varisztorok rendelkeznek azzal a tulajdonsággal, hogy viszonylag kis feszültségváltozást tartanak fenn a termináljaikon, míg a rajtuk átáramló túlfeszültség több évtizedes nagyságrendben változik. Ez a nemlineáris művelet lehetővé teszi számukra, hogy elfordítsák a túlfeszültség áramát, amikor shuntban csatlakoznak a vonalhoz, és korlátozzák a vonalon lévő feszültséget olyan értékekre, amelyek védik az adott vonalhoz csatlakoztatott berendezéseket.

• Lavinabontó dióda (ADB)

Ezeket az eszközöket szilícium lavina diódának (SAD) vagy tranziens feszültségcsökkentőnek (TVS) is nevezik. A PN -csomópont -bontó dióda, alapvető formájában egyetlen PN -csomópont, amely egy anódból (P) és katódból (N) áll. Lásd a 2a. Egyenáramú áramköri alkalmazásokban a védőfej fordított előfeszítésű, így pozitív potenciált kap az eszköz katód (N) oldala. Lásd 2b.

A lavina diódának három működési tartománya van: 1) előre torzítás (alacsony impedancia), 2) kikapcsolt állapot (nagy impedancia) és 3) fordított előfeszítés -bontás (viszonylag alacsony impedancia). Ezek a régiók a 3. ábrán láthatók. A P tartomány pozitív feszültséggel rendelkező előfeszítő módjában a dióda nagyon alacsony impedanciájú, amint a feszültség meghaladja a VFS előremenő előfeszítő dióda feszültségét. A VFS általában kisebb, mint 1 V, és az alábbiakban definiáljuk. A kikapcsolt állapot 0 V -tól az É -i régió pozitív VBR -je alá nyúlik. Ebben a régióban az egyetlen áram, amely áramlik, a hőmérsékletfüggő szivárgási áram és a Zener alagútáram alacsony feszültségű diódákhoz. A fordított torzítás -lebontási régió pozitív VBR -vel kezdődik az É régión. A VBR -nél a csomópontot keresztező elektronokat kellően felgyorsítja a csomópont magas mezője ahhoz, hogy az elektronok ütközése elektronok és lyukak kaszkádját vagy lavináját eredményezi. Az eredmény a dióda ellenállásának éles csökkenése. Mind az előre-, mind a fordított torzítás lebontási tartományok használhatók védelemként.

A lavina dióda elektromos jellemzői lényegében aszimmetrikusak. Szimmetrikus lavina dióda védőtermékeket is gyártanak, amelyek hátsó és hátsó csomópontokból állnak.

• Gázkisülő cső (GDT)

A gázkisülő csövek két vagy több fém elektródából állnak, amelyeket kis rés választ el, és kerámia- vagy üveghenger tartja. A palackot nemesgáz keverékkel töltik meg, amely szikrázva izzó kisülést és végül ívállapotot eredményez, ha elegendő feszültséget alkalmaznak az elektródákon.

Amikor a résen lassan növekvő feszültség eléri az elsődlegesen az elektródatávolság, a gáznyomás és a gázkeverék által meghatározott értéket, a bekapcsolási folyamat a szikrafeszültség (törés) mellett indul el. Ha a szikra bekövetkezik, a külső áramkörtől függően különböző működési állapotok lehetségesek. Ezeket az állapotokat a 4. ábra mutatja. Az izzólámpás átmeneti áramnál kisebb áramoknál izzási régió létezik. Az izzó régió kis áramainál a feszültség majdnem állandó; nagy izzási áramoknál bizonyos típusú gázcsövek kóros izzási tartományba léphetnek, amelyben a feszültség nő. Ezen a rendellenes izzási tartományon túl a gázkisülési cső impedanciája csökken az átmeneti tartományban az alacsony feszültségű ívállapotba. Az ív-izzás átmeneti áram alacsonyabb lehet, mint az izzás-ív közötti átmenet. A GDT elektromos karakterisztikája a külső áramkörrel együtt meghatározza a GDT kialvási képességét egy túlfeszültség áthaladása után, valamint meghatározza a túlfeszültség alatt a levezetőben eloszló energiát.

Ha az alkalmazott feszültség (pl. Tranziens) gyorsan emelkedik, az ionizációs/ívképzési folyamathoz szükséges idő megengedheti, hogy az átmeneti feszültség meghaladja az előző bekezdés szerinti meghibásodáshoz szükséges értéket. Ezt a feszültséget impulzus-megszakító feszültségként határozzák meg, és általában az alkalmazott feszültség (tranziens) emelkedési sebességének pozitív függvénye.

Az egykamrás háromelektródás GDT-nek két ürege van, amelyeket középső gyűrűelektróda választ el. A középső elektródában lévő lyuk lehetővé teszi, hogy a vezető üregből származó gázplazma vezetést indítson a másik üregben, annak ellenére, hogy a másik üregfeszültség a szikrafeszültség alatt lehet.

Kapcsolási és robosztus felépítésük miatt a GDT-k áramátviteli képességükben meghaladhatják a többi SPD komponenst. Sok távközlési GDT könnyen szállíthat akár 10 kA (8/20 µs hullámforma) túlfeszültséget. Továbbá, a GDT kialakításától és méretétől függően,> 100 kA túlfeszültség érhető el.

A gázkisülő csövek felépítése olyan, hogy nagyon alacsony kapacitásúak - általában kevesebb, mint 2 pF. Ez lehetővé teszi használatukat sok nagyfrekvenciás áramköri alkalmazásban.

Amikor a GDT-k működnek, nagyfrekvenciás sugárzást generálhatnak, ami befolyásolhatja az érzékeny elektronikát. Ezért bölcs dolog a GDT áramköröket bizonyos távolságra elhelyezni az elektronikától. A távolság az elektronika érzékenységétől és az elektronika árnyékolásától függ. Egy másik módszer a hatás elkerülésére, ha a GDT -t árnyékolt házba helyezi.

A GDT definíciói

Rés vagy több rés két vagy három fém elektródával hermetikusan lezárva, hogy a gázkeverék és a nyomás szabályozható legyen, és célja a készülékek vagy a személyzet, vagy mindkettő védelme a nagy átmeneti feszültségektől.

Or

Rés vagy rések zárt kisülési közegben, a légköri nyomáson kívüli levegőtől eltérően, amelyet úgy terveztek, hogy megvédje a készüléket vagy a személyzetet, vagy mindkettőt a magas átmeneti feszültségektől.

• LCR szűrők

Ezek az összetevők különböznek egymástól:

• energiaképesség
• elérhetőség
• megbízhatóság
• költség
• hatékonyság

IEEE Std C62.72: Az SPD azon képessége, hogy túlfeszültségeket korlátozzon az elektromos elosztóhálózaton a túlfeszültségáramok elterelésével, a túlfeszültség-védő alkatrészek, az SPD mechanikai szerkezete és az elektromos elosztóhálózathoz való csatlakozás függvénye. Az SPD-k gyártásában néhány gyakori túlfeszültség-védő komponens a MOV, SASD és gázkisüléses cső, a legnagyobb felhasználású MOV-okkal. A MOV túlfeszültség-besorolása a keresztmetszeti területhez és összetételéhez kapcsolódik. Általában minél nagyobb a keresztmetszeti terület, annál nagyobb a készülék túlfeszültség-névleges értéke. A MOV -ok általában kerek vagy téglalap alakúak, de számos szabványos méretben kaphatók, 7 mm (0.28 hüvelyk) és 80 mm (3.15 hüvelyk) között. Ezeknek a túlfeszültség -védő alkatrészeknek a túlfeszültség -áramértékei nagymértékben változnak, és a gyártótól függenek. Ha a MOV -okat párhuzamos tömbbe kapcsolja, akkor elméleti túlfeszültség -áramértéket úgy lehet kiszámítani, hogy egyszerűen összeadja az egyes MOV -ok aktuális névleges értékeit, hogy megkapja a tömb túlfeszültség -áramértékét.

Sok hipotézis létezik arra vonatkozóan, hogy melyik komponens, milyen topológia és egy speciális technológia telepítése hozza létre a legjobb SPD -t a túlfeszültség -áram elterelésére. Ahelyett, hogy mindezeket az érveket bemutatná, és hagyná, hogy az olvasó megfejtse ezeket a témákat, a legjobb, ha a túlfeszültség -besorolásról, a névleges kisülési áramértékről vagy a túlfeszültség -képességről szóló vita a teljesítményteszt adatok körül forog. Függetlenül attól, hogy milyen alkatrészeket használnak a tervezésben, vagy az alkalmazott mechanikai szerkezetet, az a fontos, hogy az SPD túlfeszültség -névleges névleges kisülési áramértékkel rendelkezzen, amely megfelel az alkalmazásnak, és ami talán a legfontosabb, hogy az SPD korlátozza az átmeneti olyan túlfeszültségek, amelyek megakadályozzák a védett berendezés károsodását, tekintettel a várható túlfeszültségre.

Alapvető üzemmódok

A legtöbb SPD három alapvető működési móddal rendelkezik:

• Várakozás
• szórakoztató

Minden üzemmódban áram folyik az SPD -n. Amit azonban nem lehet megérteni, az az, hogy minden üzemmódban más típusú áram létezhet.

Várakozás mód

Normál áramellátási helyzetekben, amikor „tiszta áramot” szolgáltatnak az elektromos elosztórendszerben, az SPD minimális funkciót lát el. Várakozó üzemmódban az SPD túlfeszültségre vár, és kevés vagy egyáltalán nem fogyaszt áramot; elsősorban azt, amit a felügyeleti áramkörök használnak.

Az átirányítási mód

Átmeneti túlfeszültség esemény észlelésekor az SPD átirányítási módba vált. Az SPD célja, hogy a káros impulzusáramot elterelje a kritikus terhelésektől, és egyidejűleg csökkentse az ebből eredő feszültség nagyságát alacsony, ártalmatlan szintre.

Az ANSI/IEEE C62.41.1-2002 definíciója szerint egy tipikus áramátalakulás csak egy ciklus töredékét (mikroszekundumok), egy töredék időt vesz igénybe, összehasonlítva a 60 Hz-es, szinuszos jel folyamatos áramlásával.

A túlfeszültség nagysága a forrástól függ. A villámcsapások például, amelyek ritka esetekben több százezer amper feletti áramerősséget is tartalmazhatnak. Egy létesítményen belül azonban a belsőleg generált átmeneti események alacsonyabb áramerősséget eredményeznek (kevesebb, mint néhány ezer vagy száz amper).

Mivel a legtöbb SPD -t nagy túlfeszültség -áramok kezelésére tervezték, az egyik teljesítmény -mérce a termék tesztelt névleges kisülési áramértéke (In). Ez a nagy áramerősség gyakran összetéveszthető a hibaárammal, de nem kapcsolódik a termék tesztelt ismételt ellenállóképességéhez.

Az IEEE Std. C62.72: A névleges kisütőáram -besorolás az SPD azon képességét képviseli, hogy a kiválasztott értékű ismétlődő áramlökéseknek (15 teljes túlfeszültségnek) legyen kitéve sérülés, romlás vagy az SPD mért határfeszültségének változása nélkül. A névleges kisülési áram teszt a teljes SPD -t tartalmazza, beleértve az összes túlfeszültség -védő alkatrészt és a belső vagy külső SPD leválasztókat. A vizsgálat során egyetlen alkatrész vagy leválasztó sem hibásodhat meg, nem nyithatja meg az áramkört, nem sérülhet meg vagy romolhat. Egy adott minősítés elérése érdekében az SPD mért korlátozó feszültségű teljesítményszintjét fenn kell tartani a vizsgálat előtti és a teszt utáni összehasonlítás között. Ezeknek a teszteknek az a célja, hogy bemutassák az SPD képességét és teljesítményét, reagálva a túlfeszültségekre, amelyek bizonyos esetekben súlyosak, de várhatóak a szervizberendezésen, a létesítményen belül vagy a telepítési helyen.

Például egy SPD névleges kisülési áram kapacitással 10,000 20,000 vagy 10,000 20,000 amper üzemmódonként azt jelenti, hogy a terméknek képesnek kell lennie biztonságosan elviselni a 15 XNUMX vagy XNUMX XNUMX amper tranziens áramerősséget, legalább XNUMX -ször, minden védelmi módban.

Életvégi forgatókönyvek

IEEE Std C62.72: Az SPD-k hosszú távú megbízhatóságára a legnagyobb veszélyt nem a túlfeszültségek jelenthetik, hanem az ismétlődő pillanatnyi vagy átmeneti túlfeszültségek (TOV-k vagy „duzzanatok”), amelyek a PDS-en előfordulhatnak. Az MCOV-val rendelkező SPD-k-amelyek bizonytalanul közel vannak a névleges rendszerfeszültséghez-hajlamosabbak az ilyen túlfeszültségekre, amelyek az SPD idő előtti öregedéséhez vagy az élettartam lejáratához vezethetnek. Gyakran használt hüvelykujjszabály annak meghatározása, hogy az SPD MCOV értéke a névleges rendszerfeszültség legalább 115% -a minden egyes védelmi mód esetében. Ez lehetővé teszi, hogy az SPD -t ne befolyásolják a PDS normál feszültségváltozásai.

A tartós túlfeszültségi eseményektől eltekintve azonban az SPD-k idővel öregedhetnek vagy romolhatnak, vagy elérhetik üzemi állapotukat az olyan túlfeszültségek miatt, amelyek meghaladják az SPD-k túlfeszültségre vonatkozó besorolását, a túlfeszültség előfordulási gyakoriságát és a túlfeszültség időtartamát , vagy ezeknek az eseményeknek a kombinációja. A jelentős amplitúdójú, ismétlődő túlfeszültség -események egy bizonyos idő alatt túlhevíthetik az SPD -alkatrészeket, és a túlfeszültség -védő alkatrészek öregedését okozhatják. Ezenkívül az ismétlődő túlfeszültségek a túlfeszültség -védő alkatrészek felmelegedése miatt a termikusan aktivált SPD leválasztókat idő előtti működéshez vezethetik. Az SPD jellemzői megváltozhatnak, amint eléri az üzemelés végi állapotát-például a mért határfeszültségek növekedhetnek vagy csökkenhetnek.

Annak érdekében, hogy elkerülje a túlfeszültség miatti lebomlást, sok SPD -gyártó nagy túlfeszültség -kapacitású SPD -ket tervez, vagy fizikailag nagyobb alkatrészek használatával, vagy több alkatrész párhuzamos csatlakoztatásával. Ez azért történik, hogy elkerüljük annak valószínűségét, hogy az SPD mint szerelvény minősítéseit túllépjék, kivéve a nagyon ritka és kivételes eseteket. Ennek a módszernek a sikerét támasztja alá az ilyen módon kialakított meglévő SPD -k hosszú élettartama és története.

Ami az SPD -koordinációt illeti, és amint azt a túlfeszültség -áramértékekkel kapcsolatban megállapítottuk, logikus, hogy a magasabb túlfeszültségű SPD -k olyan szervizberendezésen legyenek elhelyezve, ahol a PDS a leginkább ki van téve a túlfeszültségnek, hogy elősegítse az idő előtti öregedést; mindeközben a szervizberendezésektől távolabb eső SPD-k, amelyek nincsenek kitéve külső túlfeszültségforrásoknak, alacsonyabb minősítésűek lehetnek. A túlfeszültség -védelmi rendszer jó tervezésével és koordinációjával elkerülhető az SPD idő előtti öregedése.

Az SPD meghibásodásának egyéb okai a következők:

• Telepítési hibák
• A termék téves alkalmazása a feszültségérték miatt
• Tartós túlfeszültség események

Ha egy elfojtó komponens meghibásodik, ez leggyakrabban rövidzárlatként történik, ami miatt áram folyni kezd a meghibásodott komponensen. A meghibásodott komponensen átáramló árammennyiség a rendelkezésre álló hibaáram függvénye, és az energiaellátó rendszer hajtja. A hibaáramokkal kapcsolatos további információkért tekintse meg az SPD Biztonsággal kapcsolatos információkat.