Толқыннан қорғайтын құрылғы (SPD) қалай жұмыс істейді
SPD-дің электр тарату желісіндегі шамадан тыс кернеулерді шектеу қабілеті, кернеу токтарын бұру арқылы, кернеуден қорғайтын компоненттердің, SPD механикалық құрылымының және электр тарату желісіне қосылудың функциясы болып табылады. SPD өтпелі асқын кернеуді шектеуге және кернеу тогын немесе екеуін де бұруға арналған. Ол кем дегенде бір сызықты емес компоненттен тұрады. Қарапайым тілмен айтқанда, SPD құралдары өтпелі кернеуді шектеуге арналған, олар қорғайтын құрылғыларға өтпелі кернеудің жоғарылауына байланысты жабдықтың зақымдануы мен тоқтап қалуын болдырмайды.
Мысалы, қысымды төмендететін клапанмен қорғалған су диірменін қарастырайық. Қысымды төмендететін клапан сумен жабдықтауда артық қысым импульсі пайда болғанша ештеңе жасамайды. Бұл жағдайда клапан судың дөңгелегіне жетпеуі үшін қосымша қысымды ашады және сыртқа шығарады.
Егер рельефті клапан болмаса, шамадан тыс қысым су дөңгелегіне немесе араның байланысына зақым келтіруі мүмкін. Рельефті клапан орнында және дұрыс жұмыс істеп тұрса да, қысым импульсінің кейбір қалдықтары әлі де дөңгелекке жетеді. Бірақ қысым су дөңгелегіне зақым келтірмеу немесе оның жұмысын бұзбау үшін жеткілікті түрде төмендейді. Бұл SPDs әрекетін сипаттайды. Олар өтпелі кезеңді сезімтал электронды жабдықтың жұмысын бұзбайтын немесе бұзбайтын деңгейге дейін төмендетеді.
Қолданылған технологиялар
SPD -де қандай технологиялар қолданылады?
IEEE Std. C62.72: SPD өндірісінде қолданылатын бірнеше қарапайым кернеуден қорғайтын компоненттер-металл оксиді варисторлары (MOV), қар көшкінін бұзу диодтары (АБД-бұрын кремнийлі көшкін диодтары немесе SADs) және газды шығаратын түтіктер (GDTs). MOV - айнымалы ток тізбектерін қорғаудың ең жиі қолданылатын технологиясы. MOV-тің ағымдағы рейтингі көлденең қиманың ауданына және оның құрамына байланысты. Жалпы алғанда, көлденең қиманың ауданы неғұрлым үлкен болса, құрылғының кернеу тогының рейтингі соғұрлым жоғары болады. MOV әдетте дөңгелек немесе тікбұрышты геометрияға ие, бірақ стандартты өлшемдердің көптігі 7 мм (0.28 дюйм) мен 80 мм (3.15 дюйм) аралығында болады. Бұл қорғаныс компоненттерінің ағымдағы рейтингі әр түрлі және өндірушіге байланысты. Бұрын осы тармақта талқыланғандай, MOV -ті параллель массивке қосу арқылы, массивтің толқындық ағымдағы рейтингісін алу үшін жеке MOV -тің толқындық ағымдағы рейтингтерін қосу арқылы ағымдағы ток мәнін есептеуге болады. Бұл ретте таңдалған MOV -тің жұмыс сипаттамаларын үйлестіруді ескеру қажет.
Қандай компонент, қандай топология және нақты технологияны қолдану кернеу тогын бұру үшін ең жақсы SPD шығаратыны туралы көптеген гипотезалар бар. Барлық опцияларды ұсынудың орнына, ағымдағы рейтингі, номиналды разряд ағымдағы рейтингі немесе ағымдық мүмкіндіктер туралы талқылау өнімділік тестінің деректеріне байланысты болғаны жөн. Дизайнда қолданылатын компоненттерге немесе қолданылатын нақты механикалық құрылымға қарамастан, SPD -де қосымшаға сәйкес келетін ағымдық рейтингі немесе номиналды разрядтық ток рейтингі бар болғаны маңызды.
Бұл компоненттердің кеңірек сипаттамасы төменде келтірілген. SPD -де қолданылатын компоненттер айтарлықтай ерекшеленеді. Міне, сол компоненттердің үлгісі:
Металл оксиді варисторы (MOV)
Әдетте, MOVs сәйкес қоспалары бар мырыш тотығының дөңгеленген немесе тікбұрышты пішінінен тұрады. Қолданылатын басқа түрлерге құбырлы пішіндер мен көп қабатты құрылымдар жатады. Варисторларда күміс қорытпасынан немесе басқа металдан тұратын металл бөлшектерінің электродтары бар. Электродтар денеге скрининг, агломерация немесе қолданылған металға байланысты басқа процестер арқылы қолданылған болуы мүмкін. Варисторларда жиі сым немесе ілгектер немесе электродқа дәнекерленген болуы мүмкін басқа аяқтау түрлері болады.
MOV -тің негізгі өткізгіштік механизмі агломерация процесінде түзілген мырыш оксиді түйіршіктерінің шекарасындағы жартылай өткізгіштердің түйісуінен туындайды. Варистор терминалдардың арасында сериялы-параллель комбинацияда әрекет ететін көптеген дәндері бар көпқабатты құрылғы деп санауға болады. Кәдімгі варистордың көлденең қимасының схемалық көрінісі 1-суретте көрсетілген.
Варисторлар терминалдарында кернеудің шамалы өзгерісін сақтай алатын қасиетке ие, ал олар арқылы өтетін толқындар шамасы бірнеше ондаған жылдар бойы өзгереді. Бұл сызықты емес әрекет оларға желінің бойында шунт қосылған кезде кернеудің ағымын бұруға және желідегі кернеуді сол желіге қосылған жабдықты қорғайтын мәндерге шектеуге мүмкіндік береді.
Қар көшкінінің бұзылу диоды (АДБ)
Бұл құрылғылар сонымен қатар кремний көшкін диоды (SAD) немесе өтпелі кернеуді басу құралы (TVS) ретінде белгілі. PN түйінінің бұзылу диоды, өзінің негізгі түрінде, анодтан (P) және катодтан (N) тұратын бір PN түйіні болып табылады. 2а суретін қараңыз. Тұрақты ток тізбегіндегі қосымшаларда құрылғының катодты (N) жағына оң потенциал қолданылатындай, протектор кері бағытталған. 2b суретін қараңыз.
Қар көшкіні диодында үш жұмыс аймағы бар: 1) ілгерілеу (төмен импеданс), 2) өшіру күйі (жоғары импеданс) және 3) кері ауытқу (салыстырмалы түрде төмен импеданс). Бұл аймақтарды 3 -суреттен көруге болады. Р аймағындағы оң кернеуі бар тура бағыт режимінде кернеу тура диодты кернеуден, VFS асқаннан кейін, диодтың кедергісі өте төмен болады. VFS әдетте 1 В -тан төмен және төменде анықталған. Өшіру күйі 0 В -тан N аймағында оң VBR -ден төменге дейін созылады. Бұл аймақта температураға тәуелді ағып кететін токтар мен кернеудің төмен диодтары үшін Зенердің туннельдік ағындары ғана ағып жатыр. Қарама -қайшылықты бөлу аймағы N аймағындағы оң VBR -дан басталады. VBR -де электрондар түйісу аймағындағы жоғары өріспен жеткілікті жылдамдықпен жүреді, сондықтан электрондардың соқтығысуы электрондар мен тесіктердің каскадына немесе қар көшкініне әкеледі. Нәтижесінде диодтың қарсыласуының күрт төмендеуі байқалады. Қорғау үшін алға бұрылу мен кері бұрылу аймағын қолдануға болады.
Көшкін диодының электрлік сипаттамалары ассиметриялық болып табылады. Симметриялық қар көшкінінен қорғайтын диодты қорғау құралдары да шығарылады.
Газ шығару түтігі (GDT)
Газ шығару құбырлары кішкене саңылаумен бөлінген және керамикалық немесе шыны цилиндрмен ұсталған екі немесе одан да көп металл электродтардан тұрады. Цилиндр асыл газ қоспасымен толтырылған, ол жарқыраған разрядқа түседі және ақырында электродтарға жеткілікті кернеу берілген кезде доғалық күйге түседі.
Аралық бойынша баяу көтерілетін кернеу электродтар аралығы, газ қысымы мен газ қоспасы арқылы анықталатын мәнге жеткенде, қосу процесі ұшқындық (бұзылу) кернеуден басталады. Ұшқын пайда болғаннан кейін сыртқы схемаға байланысты әр түрлі жұмыс жағдайлары мүмкін. Бұл күйлер 4-суретте көрсетілген. Жарықтан доғаға дейінгі өтпелі токтан аз токтарда жарқырау аймағы бар. Жарқыраған аймақтағы төмен токтарда кернеу тұрақты болады; жоғары жарқыраған ток кезінде газ түтіктерінің кейбір түрлері кернеу жоғарылайтын аномалды жарқыл аймағына кіруі мүмкін. Бұл қалыпты жарқырау аймағынан басқа, газды шығару түтігінің кедергісі төмен вольтты доғалық күйге өту аймағында төмендейді. Доғадан жарыққа ауысу тогы жарқылдан доғаға қарағанда төмен болуы мүмкін. GDT электрлік сипаттамасы, сыртқы схемамен бірге, GDT -тің кернеу өткеннен кейін сөну қабілетін анықтайды, сонымен қатар толқу кезінде ұстағышта бөлінетін энергияны анықтайды.
Егер қолданылатын кернеу (мысалы, өтпелі) тез көтерілсе, ионизация/доғаның түзілу процесіне кететін уақыт өтпелі кернеудің алдыңғы абзацтағы үзіліс үшін қажетті мәннен асып кетуіне мүмкіндік беруі мүмкін. Бұл кернеу импульстік бұзылу кернеуі ретінде анықталады және әдетте қолданылатын кернеудің (өтпелі) өсу жылдамдығының оң функциясы болып табылады.
Бір камералы үш электродты GDT орталық сақиналы электродпен бөлінген екі қуысқа ие. Орталық электродтағы тесік өткізгіш қуыстың газ плазмасына басқа қуыста өткізуді бастауға мүмкіндік береді, дегенмен басқа қуыстың кернеуі ұшқын кернеуден төмен болуы мүмкін.
Коммутаторлық әрекеті мен берік конструкциясына байланысты, GDTs ток өткізгіштігі бойынша басқа SPD компоненттерінен асып кетуі мүмкін. Көптеген телекоммуникациялық GDT 10 кА (8/20 мкс толқындық формасы) жоғары токтарды оңай тасымалдай алады. Сонымен қатар, GDT дизайнына және көлеміне байланысты> 100 кА толқындық токтарға қол жеткізуге болады.
Газ шығару құбырларының құрылысы олардың сыйымдылығы өте төмен - әдетте 2 пФ төмен. Бұл оларды жоғары жиілікті тізбектердің көптеген қосымшаларында қолдануға мүмкіндік береді.
ГДТ жұмыс істеген кезде олар сезімтал электроникаға әсер ететін жоғары жиілікті сәулеленуді тудыруы мүмкін. Сондықтан GDT тізбектерін электроникадан белгілі бір қашықтықта орналастырған дұрыс. Қашықтық электрониканың сезімталдығына және электрониканың қаншалықты жақсы қорғалғанына байланысты. Эффектіні болдырмаудың тағы бір әдісі - GDT -ны экрандалған қоршауға орналастыру.
GDT анықтамасы
Құрылғыны немесе персоналды немесе екеуін де жоғары өтпелі кернеуден қорғауға арналған газ қоспасы мен қысымы бақылауда болатындай герметикалық жабылған екі немесе үш металл электродтары бар бос орын немесе бірнеше бос орындар.
Or
Құрылғыны немесе персоналды немесе екеуін де жоғары өтпелі кернеуден қорғауға арналған, атмосфералық қысымдағы ауадан басқа, жабық ағызу ортасындағы саңылау немесе саңылаулар.
- LCR сүзгілері
Бұл компоненттер әр түрлі болады:
- энергетикалық қабілеттілік
- Қолжетімділігі
- Сенімділік
- құны
- тиімділігі
IEEE Std C62.72-ден: SPD-дің электр тарату желісіндегі асқын кернеулерді бұру арқылы шамадан тыс кернеулерді шектеу қабілеті-кернеуден қорғайтын компоненттердің, SPD-дің механикалық құрылымының және электр тарату желісіне қосылудың функциясы. SPD-ді өндіруде қолданылатын бірнеше жалпы кернеуден қорғайтын компоненттер MOV, SASD және газ разрядтық түтіктер болып табылады, олардың ішінде MOV ең көп қолданылады. MOV-тің ағымдағы рейтингі көлденең қиманың ауданына және оның құрамына байланысты. Жалпы алғанда, көлденең қиманың ауданы неғұрлым үлкен болса, құрылғының ток күші соғұрлым жоғары болады. MOV әдетте дөңгелек немесе тікбұрышты геометрияға ие, бірақ стандартты өлшемдердің көптігі 7 мм (0.28 дюйм) мен 80 мм (3.15 дюйм) аралығында болады. Бұл қорғаныс компоненттерінің ағымдағы рейтингі әр түрлі және өндірушіге байланысты. MOV -ті параллель массивке қосу арқылы, ағымдық рейтингі бойынша теориялық рейтингі жиымның ағымдық рейтингісін алу үшін жеке MOV -тің ағымдағы рейтингтерін қосу арқылы есептелуі мүмкін.
Қандай компонент, қандай топология және нақты технологияны қолдану кернеу тогын бұру үшін ең жақсы SPD шығаратыны туралы көптеген гипотезалар бар. Барлық осы аргументтерді келтірудің және оқырманға осы тақырыптарды шешуге мүмкіндік берудің орнына, ағымдағы рейтингті, ағымдағы номиналды разрядты немесе ағымдық мүмкіндіктерді талқылау өнімділік тестінің деректері төңірегінде болғаны дұрыс. Дизайнда қолданылатын компоненттерге немесе қолданылатын нақты механикалық құрылымға қарамастан, маңыздысы - SPD -дің ағымдағы рейтингі немесе қолданыстағы номиналды разрядтық ток рейтингісі бар және, ең бастысы, SPD өтпелі уақытты шектейді. күтілетін ауытқу жағдайында қорғалатын жабдықтың зақымдалуын болдырмайтын деңгейге шамадан тыс кернеулер.
Негізгі жұмыс режимдері
Көптеген SPD -дің үш негізгі жұмыс режимі бар:
- Күту
- Бағыттау
Әр режимде ток SPD арқылы өтеді. Түсінбейтін нәрсе, әр режимде токтың басқа түрі болуы мүмкін.
Күту режимі
Қалыпты қуат жағдайында электр тарату жүйесінде «таза қуат» берілсе, SPD минималды функцияны орындайды. Күту режимінде SPD шамадан тыс кернеудің пайда болуын күтеді және айнымалы токты аз немесе мүлде тұтынады; бірінші кезекте бақылау схемаларында қолданылады.
Айналым режимі
Өтпелі кернеудің өтпелі оқиғасын сезгенде, SPD бұрылу режиміне ауысады. SPD мақсаты - зақымданушы импульсті токты маңызды жүктемелерден алшақтату, сонымен бірге оның кернеу шамасын зиянсыз деңгейге дейін төмендету.
ANSI/IEEE C62.41.1-2002 анықтағандай, типтік ток өтпелі циклдің бір бөлігіне ғана созылады (микросекундтар), бұл үзіліс 60Гц, синусоидалы сигналдың үздіксіз ағынымен салыстырғанда.
Ток күшінің шамасы оның көзіне байланысты. Найзағай, мысалы, сирек жағдайларда бірнеше жүз мың амперден асатын ток шамалары болуы мүмкін. Қондырғы ішінде, ішкі жағдайдағы өтпелі оқиғалар ток күшін төмендетеді (бірнеше мың немесе жүз амперден аз).
SPD -дің көпшілігі үлкен толқындарды басқаруға арналғандықтан, өнімділіктің бір көрсеткіші - бұл өнімнің сыналған номиналды разряд ағымдағы рейтингі (In). Көбінесе ақаулық токпен шатастырылады, бірақ байланыссыз, бұл үлкен ток шамасы өнімнің сыналған төзімділік қабілеттілігінің көрсеткіші болып табылады.
IEEE Std. C62.72: Номиналды разряд ағымының рейтингі SPD -дің таңдалған мәндегі қайталанбайтын ток күшіне (15 жиынтық толқулар) ұшырауын, SPD -нің зақымдалуын, деградациясын немесе өлшенетін шектеулі кернеу өнімділігін өзгертпеу мүмкіндігін қолданады. Номиналды разрядтық ток сынағы барлық SPD -ді қамтиды, соның ішінде барлық қорғаныс компоненттері мен ішкі немесе сыртқы SPD ажыратқыштары. Сынақ кезінде бірде -бір компоненттің немесе ажыратқыштың істен шығуына, тізбектің ашылуына, бүлінуіне немесе тозуына жол берілмейді. Белгілі бір рейтингіге жету үшін, SPD-тің өлшеудің шектеулі кернеу өнімділігі тестке дейінгі және кейінгі салыстыру арасында сақталуы керек. Бұл сынақтардың мақсаты - кейбір жағдайларда ауыр, бірақ қызмет көрсететін жабдықта, қондырғыда немесе қондырғы орнында күтілетін толқындарға жауап ретінде SPD қабілеті мен өнімділігін көрсету.
Мысалы, разрядты токтың сыйымдылығы бір режим үшін 10,000 20,000 немесе 10,000 20,000 ампер болатын SPD өнім қорғаныс режимдерінің әрқайсысында кемінде 15 есе XNUMX XNUMX немесе XNUMX XNUMX амперлік өтпелі ток шамасына қауіпсіз түрде төтеп бере алатынын білдіреді.
Өмірдің соңы сценарийлері
IEEE Std C62.72-ден: SPD-дің ұзақ мерзімді сенімділігіне ең үлкен қауіп-бұл асқынулар емес, бірақ PDS-те пайда болатын қайталанатын уақытша немесе уақытша асқын кернеулер (TOV немесе «ісіну»). MCOV бар SPD-жүйенің номиналды кернеуіне өте жақын, мұндай шамадан тыс кернеулерге сезімтал, бұл SPD-тің ерте қартаюына немесе өмірінің мерзімінен бұрын аяқталуына әкелуі мүмкін. Жиі қолданылатын негізгі ереже SPD MCOV -нің әрбір нақты қорғаныс режимі үшін номиналды жүйелік кернеудің 115% -ынан кем емес екенін анықтау болып табылады. Бұл SPD -ге PDS қалыпты кернеудің өзгеруіне әсер етпеуге мүмкіндік береді.
Алайда, тұрақты шамадан тыс кернеу оқиғаларынан басқа, SPD ұзақ уақыт бойы қартаюға, нашарлауға немесе қызмет ету мерзімінің соңына жетуге мүмкіндік береді, себебі олар ток күші, толқын оқиғаларының пайда болу жылдамдығы, толқынның ұзақтығы бойынша SPD рейтингісінен асады. немесе осы оқиғалардың жиынтығы. Уақыт өте келе елеулі амплитудасы қайталанатын толқындық оқиғалар SPD компоненттерін қызып кетуіне және кернеудің қорғаныс компоненттерінің қартаюына әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, қайталанатын толқындар термиялық активтендірілген SPD ажыратқыштарының кернеудің қорғаныс компоненттерінің қызуына байланысты мерзімінен бұрын жұмыс істеуіне әкелуі мүмкін. SPD сипаттамалары оның қызмет ету мерзімінің соңына жеткенде өзгеруі мүмкін-мысалы, өлшенетін шектеу кернеуі жоғарылауы немесе төмендеуі мүмкін.
Толқындардың әсерінен деградацияға жол бермеу үшін көптеген SPD өндірушілері физикалық үлкен компоненттерді қолдану арқылы немесе бірнеше компоненттерді параллель қосу арқылы жоғары ток күші бар SPD -ді жобалайды. Бұл өте сирек және ерекше жағдайларды қоспағанда, SPD жиынтығы ретінде рейтингі асып кету ықтималдығын болдырмау үшін жасалады. Бұл әдістің сәтті болуын ұзақ уақыт қызмет ету мерзімі және осы үлгіде жасалған қолданыстағы SPD -дің тарихы растайды.
SPD үйлестіруге қатысты және ағымдағы рейтингтерге қатысты айтылғандай, PDS ертерек қартаюды болдырмауға көмектесу үшін PDS толқуларға көбірек ұшырайтын қызмет көрсететін қондырғыда жоғары ток күші бар SPD болуы қисынды; Сонымен қатар, сыртқы кернеу көздеріне ұшырамайтын қызмет көрсететін жабдықтардан төмен орналасқан SPD-лердің рейтингі төмен болуы мүмкін. Қорғаныс жүйесінің жақсы конструкциясы мен үйлестіруімен SPD -тің ерте қартаюын болдырмауға болады.
SPD сәтсіздігінің басқа себептері:
- Орнату қателері
- Өнімді кернеу дәрежесіне қате қолдану
- Тұрақты шамадан тыс кернеу оқиғалары
Өшіру компоненті істен шыққан кезде, ол көбінесе қысқа болады, нәтижесінде сәтсіз компонент арқылы ток ағып кетеді. Бұл істен шыққан компонент арқылы өтуге болатын ток мөлшері қол жетімді ақаулық токтың функциясы болып табылады және оны қуат жүйесі басқарады. Ақаулық токтар туралы қосымша ақпарат алу үшін SPD қауіпсіздігіне қатысты ақпаратты қараңыз.
