Hvernig Surge Protective Device (SPD) virkar

Hvernig Surge Protective Device (SPD) virkar

Hæfni SPD til að takmarka ofspennu á rafdreifikerfinu með því að beina straumstraumum er fall af bylgjuvörnum íhlutum, vélrænni uppbyggingu SPD og tengingu við rafdreifikerfið. SPD er ætlað að takmarka tímabundna ofspennu og beina bylgju eða báðum. Það inniheldur að minnsta kosti einn ólínulegan íhlut. Í einföldustu skilmálum er SPDs ætlað að takmarka tímabundna ofspennu með það að markmiði að koma í veg fyrir skemmdir á búnaði og niður í miðbæ vegna þess að tímabundin spennuþrýstingur nær tækjunum sem þeir vernda.

Til dæmis skaltu íhuga vatnsmyllu sem er varin með þrýstingsloka. Þrýstingsloki gerir ekkert fyrr en ofþrýstingspúls kemur í vatnsveitu. Þegar það gerist opnast lokinn og rýfur aukaþrýstinginn til hliðar, svo að hann nái ekki vatnshjólinu.

Ef hjálparventillinn var ekki til staðar gæti of mikill þrýstingur skemmt vatnshjólið, eða kannski tenginguna fyrir sögina. Jafnvel þó að hjálparventillinn sé á sínum stað og virki sem skyldi, mun einhver leif af þrýstingspúlsinum samt ná til hjólsins. En þrýstingur mun hafa verið lækkaður nógu mikið til að skemma ekki vatnshjólið eða trufla rekstur þess. Þetta lýsir aðgerðum SPDs. Þeir draga úr skammvinnum stigum sem munu ekki skemma eða trufla starfsemi viðkvæmra rafeindabúnaðar.

Tækni notuð

Hvaða tækni er notuð í SPD?

Frá IEEE Std. C62.72: Nokkrir algengir bylgjuvarnar íhlutir sem notaðir eru við framleiðslu SPD eru málmoxíð varistors (MOVs), snjóflóðdíóða (ABDs-áður þekkt sem kísill snjóflóð díóða eða SAD) og gas losunar rör (GDT). MOV eru algengustu tæknin til að vernda rafstraumrásir. Byltingarstraumur MOV tengist þverskurðarsvæðinu og samsetningu þess. Almennt, því stærra þversniðssvæði, því hærra er straumstraumur tækisins. MOV eru venjulega með kringlóttri eða rétthyrndri rúmfræði en koma í ofgnótt af stöðluðum málum á bilinu 7 mm (0.28 tommur) til 80 mm (3.15 tommur). Bylgjustraumur þessara bylgjuvarnarhluta er mjög breytilegur og fer eftir framleiðanda. Eins og fjallað var um fyrr í þessari ákvæði, með því að tengja MOV í samhliða fylki, væri hægt að reikna út bylgjuvirði með því einfaldlega að bæta bylgjustraumum einstakra MOV saman til að fá bylgjustraum einkunnar fylkisins. Við þetta ætti að huga að samhæfingu rekstrareiginleika þeirra MOV sem valdir eru.

Það eru margar tilgátur um hvaða þátt, hvaða staðfræði og notkun sérstakrar tækni framleiðir bestu SPD til að beina bylgjustraumi. Í stað þess að koma öllum valkostunum á framfæri er best að umfjöllun um einkunn fyrir spennu núverandi, Nominal Discharge Current rating eða bylgjustraum snúist um afköst prófgagna. Óháð því hvaða íhlutir eru notaðir við hönnunina eða sérstaka vélræna uppbyggingu sem er notað, það sem skiptir máli er að SPD er með straumstraum eða nafnverð losunarstraum sem hentar fyrir forritið.

Nánari lýsing á þessum hlutum fer hér á eftir. Íhlutirnir sem notaðir eru í SPD eru mjög mismunandi. Hér er sýnishorn af þessum hlutum:

• Málmoxíð varistor (MOV)

Venjulega samanstanda MOV af kringlóttri eða rétthyrndri líkama af sintuðu sinkoxíði með viðeigandi aukefnum. Aðrar gerðir sem eru í notkun eru pípulaga form og fjöllaga mannvirki. Varistors hafa málmagnarskaut sem samanstanda af silfurblendi eða öðrum málmi. Rafskautin gæti hafa verið sett á líkamann með skimun og sintingu eða með öðrum ferlum eftir því hvaða málmur er notaður. Varistors hafa einnig oft vír eða flipa leiða eða annars konar uppsögn sem kann að hafa verið lóðuð við rafskautið.

Grunnleiðslutækni MOVs stafar af hálfleiðara mótum við mörk sinkoxíðkornanna sem myndast við sintunarferli. Hægt er að líta á varistorinn sem fjöltengibúnað með mörgum kornum sem virka í röð samsíða samsetningu milli skautanna. Skýringarmynd þversniðs af dæmigerðum varistor er sýnd á mynd 1.

Varistors hafa þann eiginleika að viðhalda tiltölulega lítilli spennubreytingu yfir skautanna á meðan bylgjustraumurinn sem flæðir í gegnum þá er breytilegur yfir nokkra áratuga stærðargráðu. Þessi ólínulega aðgerð gerir þeim kleift að beina straum bylgjunnar þegar þeir eru tengdir í vakt yfir línuna og takmarka spennuna yfir línuna við gildi sem vernda búnaðinn sem er tengdur við þá línu.

• Snjóflóðdíóða (ADB)

Þessi tæki eru einnig þekkt sem kísill snjóflóð díóða (SAD) eða skammvinn spennubúnaður (TVS). Niðurbrot díóða PN mótanna, í grunnformi sínu, er eitt PN mót sem samanstendur af rafskauti (P) og bakskauti (N). Sjá mynd 2a. Í DC hringrásarforritum er verndari andstætt hlutdrægni þannig að jákvæður möguleiki er beittur á bakskaut (N) hlið tækisins. Sjá mynd 2b.

Snjóflóðdíóðan hefur þrjú starfssvæði, 1) hlutdrægni fram á við (lágt viðnám), 2) slökkt ástand (hátt viðnám) og 3) brot á öfugri hlutdrægni (tiltölulega lágt viðnám). Þessi svæði má sjá á mynd 3. Í framhlutdrægni með jákvæða spennu á P svæðinu hefur díóða mjög lágt viðnám þegar spennan fer yfir forspennu díóða spennu, VFS. VFS er venjulega minna en 1 V og er skilgreint hér að neðan. Slökkt ástand nær frá 0 V til rétt undir jákvæðu VBR á N svæðinu. Á þessu svæði eru einu straumarnir sem flæða eru hitastigsháðir lekastraumar og Zener göngstraumar fyrir díóða með lágri niðurbrotsspennu. Niðurbrotssvæði öfugrar hlutdrægni byrjar með jákvæðu VBR á N svæðinu. Við VBR rafeindir sem fara yfir mótin eru hröðuð nægilega af háu sviði á mótum svæðinu til að rafeindaárekstrar valdi því að foss eða snjóflóð rafeinda og gata skapast. Niðurstaðan er mikil lækkun á viðnám díóða. Hægt er að nota bæði niðurdráttarsvæði fram og afturábak og til hliðar.

Rafeiginleikar snjóflóðdíóða eru í eðli sínu ósamhverfir. Samhverf snjóflóðdíóðavörn sem samanstendur af mótum bak við bak eru einnig framleidd.

• Gasrennslisrör (GDT)

Gasrennslisrör samanstanda af tveimur eða fleiri rafskautum úr málmi sem eru aðskildar með litlu bili og haldið í keramik- eða glerhólk. Hólkurinn er fylltur með göfugri gasblöndu, sem kviknar í ljóma losun og loks boga ástand þegar nægjanleg spenna er beitt á rafskautin.

Þegar hægt hækkandi spenna yfir bilið nær gildi sem ákvarðast fyrst og fremst af bili rafskauts, gasþrýstingi og gasblöndu, hefst kveikjuferlið við neista-yfir (niðurbrot) spennu. Þegar neisti kviknar er ýmis rekstrarástand mögulegt, allt eftir ytri hringrás. Þessi ríki eru sýnd á mynd 4. Við strauma sem eru minni en straumur ljóss-í-boga er glóasvæði til. Við litla strauma á ljóssvæðinu er spennan næstum stöðug; við mikla ljóstrauma geta sumar gerðir af gasrörum farið inn á óeðlilegt ljóssvæði þar sem spennan eykst. Handan við þetta óeðlilega ljóssvæði minnkar gaslosunarrör viðnám á umskiptasvæðinu í lágspennuboga ástandið. Boga-til-ljóma umskipti núverandi getur verið lægri en ljóma-til-boga umskipti. GDT rafræna einkennið, í tengslum við ytri hringrásina, ákvarðar getu GDT til að slökkva eftir að bylgja hefur farið, og ákvarðar einnig orku sem dreifist í aflgjafa meðan á bylgju stendur.

Ef beitt spenna (td skammvinn) eykst hratt getur tíminn sem tekinn er fyrir jónunar-/boga myndunarferlið leyft skammvinnri spennu að fara yfir gildið sem krafist er fyrir sundurliðun í fyrri málsgrein. Þessi spenna er skilgreind sem hvatafyrirspennan og er almennt jákvætt fall á hækkunarhraða beittrar spennu (skammvinn).

Ein hólf þriggja rafskauts GDT hefur tvö holrými aðskild með miðhring rafskauti. Gatið í miðskautsinu gerir gasplasma frá leiðandi holrúmi kleift að hefja leiðni í hinu holinu, jafnvel þó að önnur spenna í holrýminu gæti verið undir neistaspennunni.

Vegna skiptingaraðgerða þeirra og harðgerðar byggingar geta GDTs farið yfir aðra SPD hluti í núverandi burðargetu. Margir fjarskipta GDTs geta auðveldlega borið hámarksstrauma allt að 10 kA (8/20 µs bylgjuform). Ennfremur, eftir hönnun og stærð GDT, er hægt að ná bylgjustraumum> 100 kA.

Smíði gasrennslisröranna er þannig að þeir hafa mjög litla rýmd - venjulega minna en 2 pF. Þetta gerir notkun þeirra kleift að nota í mörgum hátíðni hringrásarforritum.

Þegar GDT-tæki starfa geta þau myndað hátíðni geislun sem getur haft áhrif á viðkvæma rafeindatækni. Því er skynsamlegt að setja GDT hringrásir í ákveðinni fjarlægð frá rafeindatækni. Fjarlægðin fer eftir næmi rafeindatækni og hversu vel rafeindatæknin er varin. Önnur aðferð til að forðast áhrifin er að setja GDT í varið girðingu.

Skilgreiningar fyrir GDT

Bil eða nokkrar eyður með tveimur eða þremur rafskautum úr málmi sem eru hermetískt innsiglaðar þannig að gasblöndu og þrýstingi er stjórnað, hannað til að vernda tæki eða starfsfólk, eða hvort tveggja, fyrir mikilli skammvinnri spennu.

Or

Bil eða eyður í lokuðu útblástursmiðli, öðru en lofti við loftþrýsting, sem ætlað er að vernda tæki eða mannskap, eða hvort tveggja, fyrir mikilli skammvinnri spennu.

• LCR síur

Þessir þættir eru mismunandi í:

• orkugeta
• framboð
• áreiðanleika
• kostnaður
• skilvirkni

Frá IEEE Std C62.72: Hæfni SPD til að takmarka yfirspennu á rafdreifikerfi með því að beina straumstraumum er fall af bylgjuvörnum íhlutum, vélrænni uppbyggingu SPD og tengingu við rafdreifikerfi. Nokkrir algengir öndunarvörn íhlutir sem notaðir eru við framleiðslu SPD eru MOV, SASD og gasrennslisrör, þar sem MOV hafa mesta notkun. Byltingarstraumur MOV tengist þverskurðarsvæðinu og samsetningu þess. Almennt, því stærra sem þverskurðarsvæðið er, því hærra er straumstraumur tækisins. MOV eru venjulega með kringlóttri eða rétthyrndri rúmfræði en koma í ofgnótt af stöðluðum málum á bilinu 7 mm (0.28 in) til 80 mm (3.15 in). Bylgjustraumur þessara bylgjuvarnarhluta er mjög breytilegur og fer eftir framleiðanda. Með því að tengja MOV í samhliða fylki væri hægt að reikna út fræðilega bylgjustraum með því einfaldlega að bæta við núverandi einkunnum einstakra MOV saman til að fá bylgjustraum einkunnar fylkisins.

Það eru margar tilgátur um hvaða þátt, hvaða staðfræði og notkun sérstakrar tækni framleiðir bestu SPD til að beina bylgjustraumi. Í stað þess að koma öllum þessum rökum á framfæri og láta lesandann ráða þessum efnum, þá er best að umfjöllun um stig núverandi einkunnar, Nominal Discharge Current Rating eða bylgjustraum snúist um afköst prófgagna. Óháð því hvaða íhlutir eru notaðir við hönnunina eða sérstaka vélræna uppbyggingu sem er beitt, þá skiptir máli að SPD er með straumstraum eða Nominal Discharge Current Rating sem er hentugur fyrir forritið og, sennilega mikilvægast, að SPD takmarkar skammvinnan ofspennur að stigum sem koma í veg fyrir skemmdir á búnaðinum sem er varið miðað við væntanlegt spennuumhverfi.

Grundvallaraðgerðir

Flestir SPD hafa þrjár grunnaðgerðir:

• Beðið
• Flutningur

Í hverjum ham rennur straumur í gegnum SPD. Það sem er þó ekki hægt að skilja er að mismunandi tegund af straumi getur verið til í hverjum ham.

Biðhamurinn

Við venjulegar aflaðstæður þegar „hreint afl“ er til staðar í rafdreifikerfi, gegnir SPD lágmarksvirkni. Í biðham, SPD bíður eftir að ofspenna komi upp og eyðir litlu sem engu aflgjafa; fyrst og fremst það sem eftirlitsrásirnar nota.

Flutningsstillingin

Við skynjun á tímabundnum yfirspennu atburði breytist SPD í snúningsstillingu. Tilgangur SPD er að beina skaðlegum hvatastraumnum frá mikilvægum áföngum en draga samtímis spennustærð hans niður í lágt, skaðlaust stig.

Eins og það er skilgreint í ANSI/IEEE C62.41.1-2002 varir dæmigerður straumstreymi aðeins brot af hringrás (örsekúndur), brot af tíma í samanburði við samfellt flæði 60Hz, sinusoidal merkis.

Stærð bylgjustraums fer eftir uppruna hans. Eldingar, til dæmis, sem geta í mjög sjaldgæfum tilfellum innihaldið straumstærð sem er meiri en nokkur hundruð þúsund amperar. Innan aðstöðu munu hins vegar, innan skamms atburðir, framleiða lægri straumstærð (innan við nokkur þúsund eða hundrað amper).

Þar sem flest SPD eru hönnuð til að takast á við stóra bylgjustrauma, er eitt árangursviðmiðin prófuð Nominal Discharge Current Rating (In) vörunnar. Oft ruglað saman við bilunarstraum en ótengd, þessi mikla straumstærð er vísbending um endurtekna þolþol vörunnar.

Frá IEEE Std. C62.72: Nominleg losun núverandi einkunn æfir hæfni SPD til að verða fyrir endurteknum straumspennum (15 heildarspennum) að völdum gildum án skemmda, niðurbrots eða breytinga á mældri takmarkandi spennuafköstum SPD. Nafnrennslisstraumsprófun inniheldur allt SPD, þar með talið alla spennueyðandi íhluti og innri eða ytri SPD aftengi. Meðan á prófun stendur er engum íhlut eða aftengi leyft að bila, opna hringrásina, skemmast eða skemmast. Til að ná tiltekinni einkunn verður að viðhalda mældu takmörkunarspennuafköstum SPD milli for- og eftirprófs samanburðar. Tilgangur þessara prófa er að sýna fram á getu og árangur SPD til að bregðast við bylgjum sem í sumum tilfellum eru alvarlegar en búast má við í þjónustubúnaði, innan aðstöðu eða á uppsetningarstað.

Til dæmis þýðir SPD með nafnrennslisstraum 10,000 eða 20,000 amper á hverja ham að vöran ætti að geta þolað á öruggan hátt tímanlega 10,000 eða 20,000 amper að minnsta kosti 15 sinnum, í hverri af verndunaraðferðum.

Sviðsmyndir fyrir lífslok

Frá IEEE Std C62.72: Mesta ógnin við langvarandi áreiðanleika SPDs gæti ekki verið bylgjur, heldur endurteknar stundar eða tímabundnar ofspennur (TOVs eða "bólur") sem geta komið fyrir á PDS. SPD með MCOV-sem eru ótrygglega nálægt nafnspennu kerfisins, eru næmari fyrir slíkri ofspennu sem getur leitt til ótímabærrar SPD öldrunar eða ótímabærra endaloka. Þumalfingursregla sem oft er notuð er að ákvarða hvort MCOV SPD sé að minnsta kosti 115% af nafnkerfisspennu fyrir hverja sérstaka verndarhátt. Þetta mun leyfa SPD að verða fyrir áhrifum af eðlilegum spennubreytingum PDS.

Hins vegar, fyrir utan viðvarandi ofspennuatburði, geta SPD eldist, eða hrakið, eða náð þjónustulokum sínum með tímanum vegna álags sem fer yfir einkunn SPDs fyrir bylgjustraum, tíðni tíðni bylgjuviðburða, lengd bylgju , eða sambland þessara atburða. Endurtekin bylgjutilvik með verulegu magni yfir tímabil getur ofhitnað SPD íhlutina og valdið því að öldur hlífa hlífðarhlutum. Ennfremur geta endurteknar bylgjur valdið því að SPD aftengingar sem eru virkjaðir með hitauppstreymi virka ótímabært vegna hitunar á spennuhlífarhlutum. Einkenni SPD geta breyst þegar það nær lok þjónustunnar-til dæmis getur mæld takmörkunarspenna aukist eða minnkað.

Í tilraun til að forðast niðurbrot vegna spennuhönnunar hanna margir SPD framleiðendur SPD með mikla spennu núverandi getu annaðhvort með því að nota líkamlega stærri hluti eða með því að tengja marga hluti samhliða. Þetta er gert til að forðast líkur á að farið sé yfir einkunnir SPD sem samsetningar nema í mjög sjaldgæfum og óvenjulegum tilvikum. Velgengni þessarar aðferðar er studd af langri endingartíma og sögu núverandi SPDs sett upp sem hafa verið hannaðir með þessum hætti.

Að því er varðar samhæfingu SPD og eins og fram kemur með tilliti til bylgju núverandi, þá er rökrétt að hafa SPD með hærri bylgjustraumum staðsett við þjónustubúnaðinn þar sem PDS er mest fyrir áhrifum til að koma í veg fyrir ótímabæra öldrun; á meðan, SPDs lengra niðri frá þjónustubúnaði sem ekki verða fyrir ytri uppsprettum bylgja gæti haft lægri einkunn. Með góðri höggvörnarkerfi og samhæfingu er hægt að forðast ótímabæra öldrun SPD.

Aðrar orsakir SPD bilunar eru:

• Uppsetningarvillur
• Misnotkun vöru vegna spennuhlutfalls
• Viðvarandi ofspennuviðburðir

Þegar kúgunarbúnaður bilar, gerir hann það oftast sem stutt og veldur því að straumur rennur í gegnum bilaða íhlutinn. Magn núverandi sem er tiltækt til að flæða í gegnum þennan bilaða íhlut er fall af tiltækum bilunarstraumi og er knúið áfram af rafkerfinu. Frekari upplýsingar um bilunarstrauma er að finna í SPD Safety Related Information.