כיצד פועל מכשיר הגנה מפני נחשול (SPD)

כיצד פועל מכשיר הגנה מפני נחשול (SPD)

יכולתו של SPD להגביל מתח יתר ברשת ההפצה החשמלית על ידי הסטת זרמי נחשולים היא פונקציה של הרכיבים המגינים על המתח, המבנה המכני של ה- SPD והחיבור לרשת ההפצה החשמלית. SPD נועד להגביל מתח יתר חולף ולהסיט זרם נחשול, או שניהם. הוא מכיל רכיב לא לינארי אחד לפחות. במילים הפשוטות ביותר, SPDs נועדו להגביל מתח יתר חולף במטרה למנוע נזק לציוד והשבתה עקב התנפחות מתח חולפת המגיעה למכשירים שהם מגנים עליהם.

לדוגמה, שקול טחנת מים המוגנת על ידי שסתום להורדת לחץ. שסתום הפחתת הלחץ אינו עושה דבר עד להופעת דופק בלחץ יתר באספקת המים. כאשר זה קורה, השסתום נפתח ומרחיק את הלחץ הנוסף הצידה, כך שהוא לא יגיע לגלגל המים.

אם לא היה שסתום ההקלות, לחץ יתר עלול לפגוע בגלגל המים, או אולי בהצמדה למסור. למרות שסתום ההקלה במקום ועובד כראוי, שריד כלשהו מדופק הלחץ עדיין יגיע לגלגל. אבל הלחץ היה מופחת מספיק כדי לא לפגוע בגלגל המים או לשבש את פעולתו. זה מתאר את הפעולה של SPDs. הם מפחיתים ארעיים לרמות שלא יפגעו או יפריעו לפעולה של ציוד אלקטרוני רגיש.

טכנולוגיות משומשות

אילו טכנולוגיות משמשות ב- SPDs?

מ- IEEE Std. C62.72: כמה רכיבים נפוצים המגינים על נחשול המשמשים בייצור SPD הם וריסטורים של תחמוצת מתכת (MOV), דיודות התמוטטות מפולת מפולות (ABDs-שנקראו בעבר דיודות מפולת של סיליקון או SAD) וצינורות פריקת גז (GDT). MOVs הם הטכנולוגיה הנפוצה ביותר להגנה על מעגלים חשמליים. דירוג הנוכחי של נחשול MOV קשור לאזור החתך והרכבו. באופן כללי, ככל ששטח החתך גדול יותר, כך דירוג הנוכחי של המכשיר גבוה יותר. MOVs בדרך כלל הם בעלי גיאומטריה עגולה או מלבנית אך מגיעים בשלל ממדים סטנדרטיים הנעים בין 7 מ"מ (0.28 אינץ ') ל -80 מ"מ (3.15 אינץ'). דירוגי זרם הזינוק של רכיבים אלה המגינים על נחשול משתנים מאוד ותלויים ביצרן. כפי שנדון קודם לכן בסעיף זה, על ידי חיבור ה- MOVs במערך מקביל, ניתן לחשב ערך זרם נחשול פשוט על ידי הוספת דירוגי זרם הזינוק של ה- MOVs הבודדים יחד כדי להשיג את דירוג הנוכחי של נחשול המערך. בכך יש לשקול תיאום מאפייני ההפעלה של ה- MOV שנבחרו.

ישנן השערות רבות לגבי איזה מרכיב, איזו טופולוגיה ופריסת טכנולוגיה ספציפית מייצרת את ה- SPD הטוב ביותר להסטת זרם גל. במקום להציג את כל האפשרויות, עדיף שהדיון בדירוג הנוכחי של נחשול, דירוג זרם פריקה נומינלי או יכולות זרם נחשול יסוב על נתוני בדיקת ביצועים. ללא קשר לרכיבים המשמשים בעיצוב, או למבנה המכני הספציפי שנפרס, מה שחשוב הוא של- SPD יש דירוג זרם נחשול או דירוג זרם פריקה נומינלי המתאים ליישום.

להלן תיאור נרחב יותר של רכיבים אלה. הרכיבים המשמשים ב- SPD משתנים במידה ניכרת. להלן דוגמא של רכיבים אלה:

• וריסטור תחמוצת מתכת (MOV)

בדרך כלל, MOVs מורכבים מגוף עגול או מלבני של תחמוצת אבץ מסוננת עם תוספים מתאימים. סוגים אחרים בשימוש כוללים צורות צינורות ומבנים מרובי שכבות. לוריסטורים יש אלקטרודות חלקיקי מתכת המורכבות מסגסוגת כסף או מתכת אחרת. ייתכן שהאלקטרודות הוחלו על הגוף על ידי סינון וסינון או על ידי תהליכים אחרים בהתאם למתכת המשמשת. לאריסטורים יש לעתים קרובות גם חוטים או מוליכים לשונית או סוג אחר של סיום שאולי מולחם לאלקטרודה.

מנגנון ההולכה הבסיסי של MOVs נובע מצמתים של מוליכים למחצה בגבול גרגירי תחמוצת האבץ הנוצרים במהלך תהליך סינתר. הוואריסטור עשוי להיחשב למכשיר רב-צומת עם גרגרים רבים הפועלים בצירוף מקביל-סדרתי בין המסופים. מבט חתך סכמטי של וריסטור טיפוסי מוצג באיור 1.

לוריסטורים יש את המאפיין לשמור על שינוי מתח קטן יחסית על פני מסופיהם בעוד שזרם הזינוק הזורם בהם משתנה על פני מספר עשורים של גודל. פעולה לא לינארית זו מאפשרת להם להסיט את זרם הזינוק בעת חיבור ב shunt לרוחב הקו ולהגביל את המתח מעבר לקו לערכים המגינים על הציוד המחובר לקו זה.

• דיודת התפלגות מפולת שלגים (ADB)

מכשירים אלה ידועים גם בשם דיודת מפולת סיליקון (SAD) או מדכאת מתח חולף (TVS). דיודת התמוטטות צומת PN, בצורתה הבסיסית, היא צומת PN אחת המורכבת מאנודה (P) וקתודה (N). ראה איור 2 א. ביישומי מעגל DC, המגן מוטה לאחור כך שפוטנציאל חיובי מופעל על הצד הקתודה (N) של המכשיר. ראה איור 2 ב.

דיודת המפולת כוללת שלושה אזורי הפעלה, 1) הטיה קדימה (עכבה נמוכה), 2) מצב כבוי (עכבה גבוהה), ו -3) התמוטטות הטיה הפוכה (עכבה נמוכה יחסית). ניתן לראות אזורים אלה באיור 3. במצב הטיה קדימה עם מתח חיובי באזור P, לדיודה יש ​​עכבה נמוכה מאוד ברגע שהמתח חורג ממתח הדיודה ההטיה קדימה, VFS. VFS בדרך כלל פחות מ- 1 V ומוגדר להלן. מצב הכיבוי משתרע מ 0 וולט ממש מתחת ל- VBR חיובי באזור N. באזור זה, הזרמים היחידים הזורמים הם זרמי דליפה תלויי טמפרטורה וזרמי מנהרות זנר לדודות מתח התמוטטות נמוכות. אזור פירוק ההטיה ההפוכה מתחיל ב- VBR חיובי באזור N. ב- VBR האלקטרונים שחוצים את הצומת מואצים מספיק על ידי השדה הגבוה באזור הצומת, כך שהתנגשויות אלקטרונים גורמות למפל, או מפולת, של אלקטרונים וחורים. התוצאה היא ירידה חדה בהתנגדות של הדיודה. ניתן להשתמש הן באזורי הפירוק קדימה והן באזורי התמוטטות הפוכה.

המאפיינים החשמליים של דיודת מפולת הם אסימטריים במהותם. כמו כן מיוצרים מוצרי הגנה לדיודה מפולת סימטרית המורכבת מצמתים בגב.

• צינור פריקת גז (GDT)

צינורות פריקת גז מורכבים משתי אלקטרודות מתכת או יותר המופרדות בפער קטן ומוחזקות בגליל קרמיקה או זכוכית. הגליל מלא בתערובת של גז אציל, שמתגלה לפריקה זוהרת ולבסוף למצב קשת כאשר מתח מספיק על האלקטרודות.

כאשר מתח עולה לאט על פני הפער מגיע לערך שנקבע בעיקר על ידי מרווח האלקטרודות, לחץ הגז ותערובת הגז, תהליך ההדלקה מתחיל במתח ההתלקחות (התמוטטות). לאחר התרחשות ניצוץ, יתכנו מצבי הפעלה שונים, בהתאם למעגל החיצוני. מצבים אלה מוצגים באיור 4. בזרמים הנמוכים מזרם המעבר הזוהר לקשת, קיים אזור זוהר. בזרמים נמוכים באזור הזוהר, המתח כמעט קבוע; בזרמי זוהר גבוהים, סוגים מסוימים של צינורות גז עלולים להיכנס לאזור זוהר חריג שבו המתח עולה. מעבר לאזור זוהר חריג זה עכבת צינור פריקת הגז יורדת באזור המעבר למצב קשת במתח נמוך. זרם המעבר של קשת לזוהר עשוי להיות נמוך יותר ממעבר הזוהר לקשת. המאפיין החשמלי של GDT, יחד עם המעגל החיצוני, קובע את יכולתו של ה- GDT לכבות לאחר מעבר של נחשול, וגם קובע את האנרגיה המתפוגגת במעצר במהלך הזינוק.

אם המתח המופעל (למשל חולף) עולה במהירות, הזמן שלוקח לתהליך היוונות/יצירת קשת עשוי לאפשר למתח הארעי לחרוג מהערך הנדרש לפירוק בפסקה הקודמת. מתח זה מוגדר כמתח התמוטטות הדחפים והוא בדרך כלל פונקציה חיובית של קצב עליית המתח המופעל (חולף).

תא GDT תלת אלקטרודה חד יחיד בעל שני חללים המופרדים על ידי אלקטרודה טבעת מרכזית. החור באלקטרודה המרכזית מאפשר לפלזמת גז מחלל מוליך ליזום הולכה בחלל השני, למרות שמתח החלל השני עשוי להיות מתחת למתח הניצוץ.

בגלל פעולת המיתוג והבנייה המחוספסת שלהם, GDTs יכולים לחרוג מרכיבי SPD אחרים ביכולת הנשיאה הנוכחית. GDT תקשורת רבים יכולים בקלות לשאת זרמי נחשול גבוהים עד 10 kA (צורת גל של 8/20 µs). יתר על כן, בהתאם לעיצוב וגודל ה- GDT, ניתן להשיג זרמי נחשול של> 100 kA.

בניית צינורות פריקת גז היא כזו שיש להם קיבול נמוך מאוד - בדרך כלל פחות מ -2 pF. זה מאפשר את השימוש בהם ביישומי מעגלים בתדר גבוה.

כאשר GDT פועלים, הם עשויים לייצר קרינה בתדירות גבוהה, שיכולה להשפיע על אלקטרוניקה רגישה. לכן כדאי למקם מעגלי GDT במרחק מסוים מהאלקטרוניקה. המרחק תלוי ברגישות האלקטרוניקה ובאיזו מידה האלקטרוניקה מוגנת. שיטה נוספת להימנע מההשפעה היא הצבת ה- GDT במארז מוגן.

הגדרות ל- GDT

פער, או מספר פערים עם שתיים או שלוש אלקטרודות מתכת אטומות הרמטית כך שתערובת הגז והלחץ יהיו תחת שליטה, שנועדו להגן על מכשירים או כוח אדם, או שניהם, מפני מתח חולף גבוה.

Or

פער או פערים במדיום פריקה סגור, מלבד אוויר בלחץ אטמוספרי, שנועד להגן על מכשירים או על כוח אדם, או שניהם, מפני מתח חולף גבוה.

• מסנני LCR

רכיבים אלה משתנים:

• יכולת אנרגיה
• זמינות
• אמינות
• עלות
• יְעִילוּת

מתוך IEEE Std C62.72: היכולת של SPD להגביל מתח יתר ברשת ההפצה החשמלית על ידי הסטת זרמי נחשולים היא פונקציה של הרכיבים המגינים על המתח, המבנה המכני של ה- SPD והחיבור לרשת ההפצה החשמלית. כמה רכיבים נפוצים המגינים על נחשול המשמשים בייצור SPDs הם MOVs, SASDs וצינורות פריקת גז, כאשר ל- MOVs יש את השימוש הגדול ביותר. דירוג הנוכחי של נחשול MOV קשור לאזור החתך והרכבו. באופן כללי, ככל ששטח החתך גדול יותר, כך דירוג הנוכחי של המכשיר גבוה יותר. MOVs הם בדרך כלל בעלי גיאומטריה עגולה או מלבנית אך מגיעים בשלל ממדים סטנדרטיים הנעים בין 7 מ"מ ל -0.28 מ"מ (80 אינץ '). דירוגי זרם הזינוק של רכיבים אלה המגינים על נחשול משתנים מאוד ותלויים ביצרן. על ידי חיבור ה- MOVs במערך מקביל, ניתן לחשב דירוג זרם תיאורטי על ידי פשוט הוספת הדירוגים הנוכחיים של ה- MOVs הבודדים יחד כדי להשיג את דירוג זרם הזינוק של המערך.

ישנן השערות רבות לגבי איזה מרכיב, איזו טופולוגיה ופריסת טכנולוגיה ספציפית מייצרת את ה- SPD הטוב ביותר להסטת זרם גל. במקום להציג את כל הטיעונים הללו ולתת לקורא לפענח נושאים אלה, עדיף שהדיון בדירוג הנוכחי של נחשול, דירוג זרם נומינלי או יכולות זרם נחשול יסוב על נתוני בדיקת ביצועים. ללא קשר לרכיבים המשמשים בעיצוב, או למבנה המכני הספציפי שנפרס, מה שחשוב הוא של- SPD יש דירוג זרם נחשול או דירוג זרם פריקה נומינלי המתאים ליישום, וכנראה החשוב ביותר, כי ה- SPD מגביל את החולף מתח יתר לרמות המונעות נזק לציוד המוגן בהתחשב בסביבת הזינוק הצפויה.

מצבי הפעלה בסיסיים

לרוב SPDs יש שלושה מצבי הפעלה בסיסיים:

• ממתינה
• מסיט

בכל מצב הזרם זורם דרך ה- SPD. אולם מה שלא ניתן להבין הוא שבכל מצב יכול להתקיים זרם מסוג אחר.

מצב ההמתנה

במצבי חשמל רגילים כאשר "כוח נקי" מסופק בתוך מערכת הפצה חשמלית, ה- SPD מבצע פונקציה מינימלית. במצב ההמתנה, ה- SPD ממתין להופעת מתח יתר והוא צורך מעט או לא מעט חשמל; בעיקר זה המשמש את מעגלי הניטור.

מצב ההסטה

כאשר הוא מזהה אירוע מתח חולף, ה- SPD עובר למצב הסטה. מטרתו של SPD היא להסיט את זרם הדחף המזיק מעומסים קריטיים, תוך הפחתת עוצמת המתח המתקבלת לרמה נמוכה ובלתי מזיקה.

כפי שהוגדר על ידי ANSI/IEEE C62.41.1-2002, חולף זרם אופייני נמשך רק חלק קטן ממחזור (מיקרו שניות), פרק זמן בהשוואה לזרימה רציפה של אות סינוסואידאלי של 60 הרץ.

גודל זרם הזינוק תלוי במקורו. ברקים, למשל, שיכולים במקרים נדירים להכיל גודל זרם העולה על כמה מאות אלפי אמפר. בתוך מתקן, עם זאת, אירועים חולפים שנוצרו באופן פנימי יניבו גודל זרם נמוך יותר (פחות מכמה אלפי או מאות אמפר).

מכיוון שרוב ה- SPD מיועדים להתמודד עם זרמי נחשולים גדולים, מדד ביצועים אחד הוא הדירוג הנוכחי הנומינלי של פריקה נומינלית (In). עוצמת הזרם הגדולה הזו, לעתים קרובות מבולבלת עם זרם תקלות, אך אינה קשורה, מהווה אינדיקציה ליכולת ההתמודדות החוזרת ונשנית של המוצר.

מ- IEEE Std. C62.72: הדירוג הנוכחי של פריקה נומינלית מפעיל את היכולת של SPD להיחשף לזרמים חוזרים ונשנים של זרם (15 סה"כ נחשולים) של ערך נבחר ללא נזק, התדרדרות או שינוי בביצועי המתח המגביל הנמדד של SPD. בדיקת זרם הפריקה הנומינלית כוללת את כל SPD כולל כל רכיבי המגן מפני נחשולי מתח ומנתקי SPD פנימיים או חיצוניים. במהלך הבדיקה, אין רכיב או נתק רשאי להיכשל, לפתוח את המעגל, להיפגע או להידרדר. על מנת להשיג דירוג מסוים, יש לשמור על רמת ביצועי המתח המגביל הנמדד של ה- SPD בין ההשוואה לפני הבדיקה לבין ההשוואה לאחר הבדיקה. מטרת הבדיקות הללו היא להוכיח את היכולת והביצועים של SPD בתגובה להתפרצויות שבמקרים מסוימים קשות אך עשויות להיות צפויות בציוד השירות, בתוך מתקן או במיקום ההתקנה.

לדוגמה, SPD בעל קיבולת זרם פריקה נומינלית של 10,000 או 20,000 אמפר למצב פירושו שהמוצר צריך להיות מסוגל לעמוד בבטחה בעוצמת זרם חולף של 10,000 או 20,000 אמפר לפחות 15 פעמים, בכל אחת מצורות ההגנה.

תרחישי סוף החיים

מתוך IEEE Std C62.72: האיום הגדול ביותר על האמינות לטווח הארוך של SPDs עשוי להיות לא נחשולים, אלא מתח יתר רגעי או זמני (TOVs או "התנפחות") שיכולים להתרחש ב- PDS. SPDs עם MCOV-הקרובים באופן מסוכן למתח המערכת הנומינלי רגישים יותר למתח יתר שכזה שיכול להוביל להזדקנות SPD מוקדמת או סוף חיים מוקדם. כלל אצבע המשמש לעתים קרובות הוא לקבוע אם ה- MCOV של ה- SPD הוא לפחות 115% ממתח המערכת הנומינלי עבור כל אופן הגנה ספציפי. זה יאפשר ל SPD להיות מושפע משינויי המתח הרגילים של ה- PDS.

עם זאת, מלבד אירועי מתח יתר מתמשכים, SPDs יכולים להזדקן, או להידרדר, או להגיע למצב סיום השירות שלהם לאורך זמן עקב עליות החורגות מדירוג ה- SPD של זרם נחשול, שיעור התרחשות אירועי נחשול, משך ההתעוררות , או השילוב של אירועים אלה. אירועי נחשול חוזרים ונשנים בעלי משרעת משמעותית לאורך זמן יכולים להתחמם יתר על המידה על רכיבי ה- SPD ולגרום להזדקנות רכיבי המגן מפני נחשולי מתח. יתר על כן, נחשולים חוזרים ונשנים עלולים לגרום לנתקי SPD המופעלים תרמית לפעול בטרם עת בשל חימום הרכיבים המגינים על נחשול. המאפיינים של SPD יכולים להשתנות עם הגעתו למצב סיום השירות-לדוגמה, מתח ההגבלה הנמדד יכול לעלות או לרדת.

במאמץ להימנע מהידרדרות עקב נחשולים, יצרני SPD רבים מתכננים SPDs בעלי יכולות זרם נחשול גבוהות או באמצעות רכיבים גדולים פיזית או על ידי חיבור מרכיבים מרובים במקביל. זה נעשה כדי להימנע מהסבירות שדירוג ה- SPD כמכלול חורג ממעט במקרים נדירים ויוצאי דופן. הצלחתה של שיטה זו נתמכת בחיי השירות הארוכים ובהיסטוריה של התקני SPD קיימים שתוכננו באופן זה.

באשר לתיאום SPD וכאמור לגבי דירוגי זרם נחשולים, הגיוני שיש SPD בעל דירוג זרם גבוה יותר הממוקם בציוד השירות שבו ה- PDS חשוף ביותר לזינקים כדי לסייע במניעת הזדקנות מוקדמת; בינתיים, מקורות SPD יותר במורד ציוד השירות שאינם חשופים למקורות חיצוניים של נחשולים עשויים להיות בעלי דירוגים נמוכים יותר. בעזרת תכנון ותיאום מערכת הגנה מפני נחשולי מתח, ניתן להימנע מהזדקנות מוקדמת של SPD.

סיבות אחרות לכישלון SPD כוללות:

• שגיאות התקנה
• יישום שגוי של המוצר בדירוג המתח שלו
• אירועי המתח המתמשכים

כאשר רכיב דיכוי נכשל, לרוב הוא עושה זאת כקצר, וגורם לזרם להתחיל לזרום דרך הרכיב הכושל. כמות הזרם הזמין לזרימה דרך רכיב כושל זה היא פונקציה של זרם התקלה הזמין ומונעת על ידי מערכת החשמל. למידע נוסף על זרמי תקלה היכנסו למידע הקשור לבטיחות SPD.