Cara kerja Perangkat Pelindung Lonjakan (SPD)

 

Kemampuan SPD untuk membatasi tegangan lebih pada jaringan distribusi listrik dengan mengalihkan arus surja merupakan fungsi dari komponen pelindung surja, struktur mekanik SPD, dan sambungan ke jaringan distribusi listrik. SPD dimaksudkan untuk membatasi tegangan lebih transien dan mengalihkan arus lonjakan, atau keduanya. Ini berisi setidaknya satu komponen nonlinier. Dalam istilah yang paling sederhana, SPD dimaksudkan untuk membatasi tegangan lebih transien dengan tujuan mencegah kerusakan peralatan dan waktu henti karena lonjakan tegangan transien yang mencapai perangkat yang dilindunginya.

Misalnya, pertimbangkan kincir air yang dilindungi oleh katup pelepas tekanan. Katup pelepas tekanan tidak melakukan apa pun sampai pulsa tekanan berlebih terjadi pada pasokan air. Ketika itu terjadi, katup membuka dan membuang tekanan ekstra ke samping, sehingga tidak mencapai kincir air.

Jika katup pelepas tidak ada, tekanan yang berlebihan dapat merusak kincir air, atau mungkin sambungan gergaji. Meskipun katup pelepas sudah terpasang dan berfungsi dengan baik, beberapa sisa pulsa tekanan masih akan mencapai roda. Tetapi tekanan akan berkurang cukup untuk tidak merusak kincir air atau mengganggu operasinya. Ini menggambarkan tindakan SPD. Mereka mengurangi transien ke tingkat yang tidak akan merusak atau mengganggu pengoperasian peralatan elektronik yang sensitif.

Teknologi yang Digunakan

Teknologi apa yang digunakan dalam SPD?

Dari IEEE Std. C62.72: Beberapa komponen pelindung lonjakan arus yang umum digunakan dalam pembuatan SPD adalah varistor oksida logam (MOV), dioda avalanche breakdown (ABD – sebelumnya dikenal sebagai dioda avalanche silikon atau SAD), dan tabung pelepasan gas (GDT). MOV adalah teknologi yang paling umum digunakan untuk perlindungan sirkuit daya AC. Peringkat arus lonjakan MOV terkait dengan luas penampang dan komposisinya. Secara umum, semakin besar luas penampang, semakin tinggi peringkat arus lonjakan perangkat. MOV umumnya berbentuk geometri bulat atau persegi panjang tetapi memiliki banyak dimensi standar mulai dari 7 mm (0.28 inci) hingga 80 mm (3.15 inci). Peringkat arus surja dari komponen pelindung surja ini sangat bervariasi dan bergantung pada pabrikan. Seperti dibahas sebelumnya dalam klausa ini, dengan menghubungkan MOV dalam larik paralel, nilai arus surja dapat dihitung hanya dengan menambahkan peringkat arus surja dari masing-masing MOV bersama-sama untuk mendapatkan peringkat arus surja dari larik. Dalam melakukannya, pertimbangan harus diberikan pada koordinasi karakteristik operasi MOV yang dipilih.

Varistor Oksida Logam - MOV

Ada banyak hipotesis mengenai komponen apa, topologi apa, dan penerapan teknologi tertentu yang menghasilkan SPD terbaik untuk mengalihkan arus surja. Alih-alih menyajikan semua opsi, yang terbaik adalah diskusi tentang peringkat arus lonjakan, Peringkat Arus Pelepasan Nominal, atau kemampuan arus lonjakan berkisar pada data uji kinerja. Terlepas dari komponen yang digunakan dalam desain, atau struktur mekanis spesifik yang digunakan, yang penting adalah SPD memiliki peringkat arus lonjakan atau Peringkat Arus Pelepasan Nominal yang sesuai untuk aplikasi.

Penjelasan yang lebih luas dari komponen-komponen berikut. Komponen yang digunakan dalam SPD sangat bervariasi. Berikut adalah contoh dari komponen tersebut:

  • Varistor oksida logam (MOV)

Biasanya, MOV terdiri dari badan seng oksida yang disinter berbentuk bulat atau persegi panjang dengan aditif yang sesuai. Jenis lain yang digunakan termasuk bentuk tabung dan struktur multilayer. Varistor memiliki elektroda partikel logam yang terdiri dari paduan perak atau logam lainnya. Elektroda mungkin telah diterapkan pada tubuh dengan penyaringan dan sintering atau dengan proses lain tergantung pada logam yang digunakan. Varistor juga sering memiliki kabel atau kabel atau beberapa jenis pemutusan lain yang mungkin telah disolder ke elektroda.

Mekanisme konduksi dasar MOVs dihasilkan dari sambungan semikonduktor pada batas butir seng oksida yang terbentuk selama proses sintering. Varistor dapat dianggap sebagai perangkat multi-sambungan dengan banyak butir yang bekerja dalam kombinasi seri-paralel antara terminal. Tampilan penampang skema dari varistor tipikal ditunjukkan pada Gambar 1.

Penggambaran skema mikrostruktur MOV

Varistor memiliki sifat mempertahankan perubahan tegangan yang relatif kecil di terminalnya sementara arus lonjakan yang mengalir melaluinya bervariasi selama beberapa dekade besarnya. Tindakan nonlinier ini memungkinkan mereka untuk mengalihkan arus lonjakan saat terhubung secara shunt melintasi saluran dan membatasi tegangan melintasi saluran ke nilai yang melindungi peralatan yang terhubung ke saluran itu.

  • Dioda Kerusakan Longsor (ADB)

Perangkat ini juga dikenal sebagai silicon avalanche diode (SAD) atau penekan tegangan transien (TVS). Dioda pemutus sambungan PN, dalam bentuk dasarnya, adalah sambungan PN tunggal yang terdiri dari anoda (P) dan katoda (N). Lihat Gambar 2a. Dalam aplikasi rangkaian DC, pelindung dibias mundur sedemikian rupa sehingga potensial positif diterapkan ke sisi katoda (N) perangkat. Lihat Gambar 2b.

Gambar 2 Bentuk dasar dioda avalanche

Dioda avalanche memiliki tiga wilayah operasi, 1) bias maju (impedansi rendah), 2) keadaan tidak aktif (impedansi tinggi), dan 3) gangguan bias mundur (impedansi relatif rendah). Daerah ini dapat dilihat pada Gambar 3. Dalam mode bias maju dengan tegangan positif pada daerah P, dioda memiliki impedansi yang sangat rendah setelah tegangan melebihi tegangan dioda bias maju, VFS. VFS biasanya kurang dari 1 V dan didefinisikan di bawah ini. Keadaan tidak aktif memanjang dari 0 V hingga tepat di bawah VBR positif di wilayah N. Di wilayah ini, satu-satunya arus yang mengalir adalah arus bocor yang bergantung pada suhu dan arus tunneling Zener untuk dioda tegangan tembus rendah. Wilayah breakdown bias terbalik dimulai dengan VBR positif pada wilayah N. Pada VBR elektron yang melintasi persimpangan dipercepat cukup oleh medan tinggi di wilayah persimpangan sehingga tabrakan elektron menghasilkan kaskade, atau longsoran, elektron dan lubang tercipta. Hasilnya adalah penurunan tajam dalam resistansi dioda. Baik daerah gangguan bias maju dan bias mundur dapat digunakan untuk perlindungan.

Gambar 3 Karakteristik PN junction breakdown diode IV

Karakteristik listrik dioda avalanche secara intrinsik asimetris. Produk perlindungan dioda avalanche simetris yang terdiri dari back to back junction juga diproduksi.

  • Tabung pelepasan gas (GDT)

Tabung pelepasan gas terdiri dari dua atau lebih elektroda logam yang dipisahkan oleh celah kecil dan dipegang oleh silinder keramik atau kaca. Silinder diisi dengan campuran gas mulia, yang menyala menjadi pelepasan cahaya dan akhirnya menjadi kondisi busur ketika tegangan yang cukup diterapkan ke elektroda.

Ketika tegangan yang naik perlahan melintasi celah mencapai nilai yang ditentukan terutama oleh jarak elektroda, tekanan gas dan campuran gas, proses penyalaan dimulai pada tegangan percikan (breakdown). Setelah percikan terjadi, berbagai keadaan operasi dimungkinkan, tergantung pada sirkuit eksternal. Keadaan ini ditunjukkan pada Gambar 4. Pada arus yang lebih kecil dari arus transisi pijar ke busur, terdapat daerah pijar. Pada arus rendah di daerah pijar, tegangan hampir konstan; pada arus pancaran tinggi, beberapa jenis tabung gas dapat memasuki daerah pancaran abnormal di mana tegangan meningkat. Di luar daerah pancaran abnormal ini, impedansi tabung pelepasan gas berkurang di daerah transisi ke kondisi busur tegangan rendah. Arus transisi busur-ke-cahaya mungkin lebih rendah daripada transisi cahaya-ke-busur. Karakteristik listrik GDT, dalam hubungannya dengan sirkuit eksternal, menentukan kemampuan GDT untuk padam setelah melewati surja, dan juga menentukan energi yang hilang dalam arester selama surja.

Jika tegangan yang diberikan (misalnya transien) naik dengan cepat, waktu yang dibutuhkan untuk proses ionisasi/pembentukan busur memungkinkan tegangan transien melebihi nilai yang diperlukan untuk kerusakan pada paragraf sebelumnya. Tegangan ini didefinisikan sebagai tegangan tembus impuls dan umumnya merupakan fungsi positif dari laju kenaikan tegangan yang diberikan (transien).

GDT tiga elektroda ruang tunggal memiliki dua rongga yang dipisahkan oleh elektroda cincin pusat. Lubang di elektroda tengah memungkinkan plasma gas dari rongga konduksi untuk memulai konduksi di rongga lain, meskipun tegangan rongga lainnya mungkin di bawah tegangan percikan.

Karena aksi switching dan konstruksinya yang kokoh, GDT dapat melebihi komponen SPD lainnya dalam kemampuan membawa arus. Banyak GDT telekomunikasi dapat dengan mudah membawa arus surja setinggi 10 kA (bentuk gelombang 8/20 s). Selanjutnya, tergantung pada desain dan ukuran GDT, arus surja >100 kA dapat dicapai.

Konstruksi tabung pelepasan gas sedemikian rupa sehingga memiliki kapasitansi yang sangat rendah – umumnya kurang dari 2 pF. Hal ini memungkinkan penggunaannya di banyak aplikasi sirkuit frekuensi tinggi.

Ketika GDT beroperasi, mereka dapat menghasilkan radiasi frekuensi tinggi, yang dapat mempengaruhi elektronik sensitif. Oleh karena itu adalah bijaksana untuk menempatkan sirkuit GDT pada jarak tertentu dari elektronik. Jarak tergantung pada sensitivitas elektronik dan seberapa baik elektronik terlindung. Metode lain untuk menghindari efeknya adalah dengan menempatkan GDT di dalam selungkup berpelindung.

Gambar 4 Karakteristik voltampere GDT yang khas

Definisi untuk GDT

Celah, atau beberapa celah dengan dua atau tiga elektroda logam tertutup rapat sehingga campuran gas dan tekanan terkendali, dirancang untuk melindungi peralatan atau personel , atau keduanya, dari tegangan transien tinggi.

Or

Celah atau celah dalam media pelepasan tertutup, selain udara pada tekanan atmosfer, dirancang untuk melindungi aparatus atau personel, atau keduanya, dari tegangan transien tinggi.

  • Filter LCR

Komponen-komponen ini bervariasi dalam:

  • kemampuan energi
  • tersedianya
  • keandalan
  • biaya
  • efektivitas

Dari IEEE Std C62.72: Kemampuan SPD untuk membatasi tegangan lebih pada jaringan distribusi listrik dengan mengalihkan arus surja merupakan fungsi dari komponen pelindung surja, struktur mekanik SPD, dan sambungan ke jaringan distribusi listrik. Beberapa komponen pelindung lonjakan arus yang umum digunakan dalam pembuatan SPD adalah MOV, SASD, dan tabung pelepasan gas, dengan MOV memiliki penggunaan terbesar. Peringkat arus lonjakan MOV terkait dengan luas penampang dan komposisinya. Secara umum, semakin besar luas penampang, semakin tinggi peringkat arus lonjakan perangkat. MOV umumnya berbentuk bulat atau persegi panjang, tetapi memiliki banyak dimensi standar mulai dari 7 mm (0.28 inci) hingga 80 mm (3.15 inci). Peringkat arus surja dari komponen pelindung surja ini sangat bervariasi dan bergantung pada pabrikan. Dengan menghubungkan MOV dalam larik paralel, peringkat arus surja teoritis dapat dihitung dengan hanya menambahkan peringkat arus masing-masing MOV bersama-sama untuk mendapatkan peringkat arus surja dari larik.

Ada banyak hipotesis mengenai komponen apa, topologi apa, dan penerapan teknologi tertentu yang menghasilkan SPD terbaik untuk mengalihkan arus surja. Alih-alih menyajikan semua argumen ini dan membiarkan pembaca menguraikan topik ini, yang terbaik adalah diskusi tentang peringkat arus lonjakan, Peringkat Arus Pelepasan Nominal, atau kemampuan arus lonjakan berkisar pada data uji kinerja. Terlepas dari komponen yang digunakan dalam desain, atau struktur mekanis spesifik yang digunakan, yang penting adalah bahwa SPD memiliki peringkat arus lonjakan atau Peringkat Arus Pelepasan Nominal yang sesuai untuk aplikasi dan, mungkin yang paling penting, bahwa SPD membatasi transien tegangan lebih ke tingkat yang mencegah kerusakan pada peralatan yang dilindungi dengan lingkungan lonjakan yang diharapkan.

Mode Operasi Dasar

Sebagian besar SPD memiliki tiga mode operasi dasar:

  • Menunggu
  • Mengalihkan

Dalam setiap mode, arus mengalir melalui SPD. Apa yang mungkin tidak dipahami, bagaimanapun, adalah bahwa jenis arus yang berbeda dapat ada di setiap mode.

Mode Menunggu

Dalam situasi daya normal ketika "daya bersih" disuplai dalam sistem distribusi listrik, SPD melakukan fungsi minimal. Dalam mode menunggu, SPD sedang menunggu tegangan lebih terjadi dan mengkonsumsi sedikit atau tidak ada daya ac; terutama yang digunakan oleh sirkuit pemantauan.

Modus Pengalihan

Setelah merasakan peristiwa tegangan lebih transien, SPD berubah menjadi Mode Pengalihan. Tujuan SPD adalah untuk mengalihkan arus impuls yang merusak dari beban kritis, sekaligus mengurangi besarnya tegangan yang dihasilkan ke tingkat yang rendah dan tidak berbahaya.

Seperti yang didefinisikan oleh ANSI/IEEE C62.41.1-2002, arus transien tipikal hanya berlangsung sebagian kecil dari siklus (mikrodetik), fragmen waktu bila dibandingkan dengan aliran kontinu sinyal sinusoidal 60Hz.

60hz dengan transien

Besarnya arus surja tergantung pada sumbernya. Sambaran petir, misalnya, yang dalam kejadian langka dapat mengandung besaran arus melebihi beberapa ratus ribu amp. Namun, dalam fasilitas, peristiwa transien yang dihasilkan secara internal akan menghasilkan besaran arus yang lebih rendah (kurang dari beberapa ribu atau ratusan amp).

Karena sebagian besar SPD dirancang untuk menangani arus lonjakan besar, satu tolok ukur kinerja adalah Peringkat Arus Pelepasan Nominal (In) yang diuji produk. Sering dikacaukan dengan arus gangguan, tetapi tidak terkait, besaran arus yang besar ini merupakan indikasi dari kapasitas ketahanan berulang produk yang diuji.

Dari IEEE Std. C62.72: Peringkat Arus Pelepasan Nominal melatih kemampuan SPD untuk dikenai lonjakan arus berulang (15 lonjakan total) dari nilai yang dipilih tanpa kerusakan, degradasi, atau perubahan dalam kinerja tegangan pembatas terukur dari SPD. Tes Arus Pelepasan Nominal mencakup seluruh SPD termasuk semua komponen pelindung lonjakan arus dan pemisah SPD internal atau eksternal. Selama pengujian, tidak ada komponen atau pemisah yang diizinkan untuk gagal, membuka sirkit, rusak atau menurun. Untuk mencapai peringkat tertentu, tingkat kinerja tegangan pembatas terukur dari SPD harus dipertahankan antara perbandingan pra-tes dan pasca-tes. Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mendemonstrasikan kemampuan dan kinerja SPD dalam menanggapi lonjakan yang dalam beberapa kasus parah tetapi mungkin diharapkan terjadi pada peralatan servis, di dalam fasilitas atau di lokasi pemasangan.

Misalnya, SPD dengan kapasitas arus pelepasan nominal 10,000 atau 20,000 amp per mode berarti produk harus mampu menahan arus transien besarnya 10,000 atau 20,000 amp dengan aman minimal 15 kali, di setiap mode perlindungan.

Skenario Akhir Kehidupan

Dari IEEE Std C62.72: Ancaman terbesar terhadap keandalan jangka panjang SPD mungkin bukan lonjakan, tetapi tegangan lebih sesaat atau sementara yang berulang (TOV atau "pembengkakan") yang dapat terjadi pada PDS. SPD dengan MCOV – yang sangat dekat dengan tegangan sistem nominal lebih rentan terhadap tegangan lebih yang dapat menyebabkan penuaan dini SPD atau akhir masa pakai prematur. Aturan praktis yang sering digunakan adalah menentukan apakah MCOV SPD setidaknya 115% dari tegangan sistem nominal untuk setiap mode proteksi tertentu. Ini akan memungkinkan SPD tidak terpengaruh oleh variasi tegangan normal PDS.

Namun, selain dari peristiwa tegangan lebih berkelanjutan, SPD dapat menua, atau menurunkan, atau mencapai kondisi akhir layanan dari waktu ke waktu karena lonjakan yang melebihi peringkat SPD untuk arus lonjakan, tingkat terjadinya peristiwa lonjakan, durasi lonjakan , atau kombinasi dari peristiwa-peristiwa ini. Peristiwa lonjakan berulang dengan amplitudo yang signifikan selama periode waktu tertentu dapat membuat komponen SPD terlalu panas dan menyebabkan komponen pelindung lonjakan menjadi tua. Lebih lanjut, surja berulang dapat menyebabkan pemisah SPD yang diaktifkan secara termal untuk beroperasi sebelum waktunya karena pemanasan komponen pelindung surja. Karakteristik SPD dapat berubah saat mencapai kondisi akhir layanan – misalnya, tegangan pembatas yang terukur dapat meningkat atau menurun.

Dalam upaya untuk menghindari degradasi karena lonjakan, banyak produsen SPD merancang SPD dengan kemampuan arus lonjakan tinggi baik dengan menggunakan komponen fisik yang lebih besar atau dengan menghubungkan beberapa komponen secara paralel. Hal ini dilakukan untuk menghindari kemungkinan bahwa peringkat SPD sebagai majelis terlampaui kecuali dalam kasus yang sangat jarang dan luar biasa. Keberhasilan metode ini didukung oleh masa pakai yang lama dan riwayat pemasangan SPD yang ada yang telah dirancang dengan cara ini.

Berkenaan dengan koordinasi SPD dan, sebagaimana dinyatakan sehubungan dengan peringkat arus surja, adalah logis untuk memiliki SPD dengan peringkat arus surja yang lebih tinggi yang terletak di peralatan servis di mana PDS paling terpapar pada surja untuk membantu pencegahan penuaan dini; sementara itu, SPD lebih lanjut dari peralatan servis yang tidak terkena sumber lonjakan eksternal mungkin memiliki peringkat yang lebih rendah. Dengan desain dan koordinasi sistem pelindung lonjakan arus yang baik, penuaan dini SPD dapat dihindari.

Penyebab lain dari kegagalan SPD meliputi:

  • Kesalahan instalasi
  • Penerapan produk yang salah untuk peringkat tegangannya
  • Peristiwa tegangan berlebih yang berkelanjutan

Ketika komponen penekan gagal, paling sering terjadi sebagai arus pendek, menyebabkan arus mulai mengalir melalui komponen yang gagal. Jumlah arus yang tersedia untuk mengalir melalui komponen yang gagal ini merupakan fungsi dari arus gangguan yang tersedia dan digerakkan oleh sistem tenaga. Untuk informasi lebih lanjut tentang Arus Gangguan, buka Informasi Terkait Keamanan SPD.