서지 보호 장치(SPD) 작동 방식

서지 보호 장치(SPD) 작동 방식

서지 전류를 전환하여 배전 네트워크의 과전압을 제한하는 SPD의 기능은 서지 보호 구성 요소, SPD의 기계적 구조 및 배전 네트워크에 대한 연결의 기능입니다. SPD는 과도 과전압을 제한하고 서지 전류를 전환하거나 둘 모두를 제한하기 위한 것입니다. 적어도 하나의 비선형 구성 요소를 포함합니다. 가장 간단한 용어로, SPD는 보호하는 장치에 도달하는 과도 전압 서지로 인한 장비 손상 및 가동 중지 시간을 방지하기 위한 목적으로 과도 과전압을 제한하기 위한 것입니다.

예를 들어, 압력 릴리프 밸브로 보호되는 물레방아를 생각해 보십시오. 압력 릴리프 밸브는 급수 장치에 과압 펄스가 발생할 때까지 아무 작업도 수행하지 않습니다. 그런 일이 발생하면 밸브가 열리고 추가 압력을 옆으로 분로하여 물레방아에 닿지 않도록 합니다.

릴리프 밸브가 없으면 과도한 압력으로 인해 물레방아가 손상되거나 톱의 연결 장치가 손상될 수 있습니다. 릴리프 밸브가 제자리에 있고 제대로 작동하더라도 압력 펄스의 일부는 여전히 휠에 도달합니다. 그러나 물레방아를 손상시키거나 작동을 방해하지 않을 정도로 압력이 감소될 것입니다. 이것은 SPD의 동작을 설명합니다. 민감한 전자 장비의 작동을 손상시키거나 방해하지 않는 수준으로 과도 현상을 줄입니다.

사용 된 기술

SPD에는 어떤 기술이 사용됩니까?

IEEE Std. C62.72: SPD 제조에 사용되는 몇 가지 일반적인 서지 보호 부품은 금속 산화물 배리스터(MOV), 애벌런치 브레이크다운 다이오드(ABD – 이전에 실리콘 애벌랜치 다이오드 또는 SAD로 알려짐) 및 가스 방전관(GDT)입니다. MOV는 AC 전원 회로의 보호를 위해 가장 일반적으로 사용되는 기술입니다. MOV의 서지 전류 정격은 단면적 및 구성과 관련이 있습니다. 일반적으로 단면적이 클수록 장치의 서지 전류 정격이 높아집니다. MOV는 일반적으로 원형 또는 직사각형 형상이지만 7mm(0.28인치)에서 80mm(3.15인치) 범위의 다양한 표준 치수로 제공됩니다. 이러한 서지 보호 부품의 서지 전류 정격은 매우 다양하며 제조업체에 따라 다릅니다. 이 절의 앞부분에서 논의한 바와 같이 MOV를 병렬 어레이로 연결함으로써 어레이의 서지 전류 등급을 얻기 위해 개별 MOV의 서지 전류 등급을 간단히 더함으로써 서지 전류 값을 계산할 수 있습니다. 이때 선택한 MOV의 작동 특성 조정을 고려해야 합니다.

어떤 구성 요소, 어떤 토폴로지 및 특정 기술의 배포가 서지 전류 전환을 위한 최상의 SPD를 생성하는지에 대한 많은 가설이 있습니다. 모든 옵션을 제시하는 대신 서지 전류 정격, 공칭 방전 전류 정격 또는 서지 전류 기능에 대한 논의가 성능 테스트 데이터를 중심으로 진행되는 것이 가장 좋습니다. 설계에 사용된 구성 요소나 배치된 특정 기계 구조에 관계없이 중요한 것은 SPD가 해당 애플리케이션에 적합한 서지 정격 전류 또는 공칭 방전 전류 정격을 갖는다는 것입니다.

이러한 구성 요소에 대한 자세한 설명은 다음과 같습니다. SPD에 사용되는 구성 요소는 상당히 다양합니다. 다음은 해당 구성 요소의 샘플입니다.

• 금속 산화물 배리스터(MOV)

일반적으로 MOV는 적절한 첨가제가 포함된 소결 산화아연의 원형 또는 직사각형 몸체로 구성됩니다. 사용 중인 다른 유형에는 관 모양 및 다층 구조가 포함됩니다. 배리스터에는 은 합금 또는 기타 금속으로 구성된 금속 입자 전극이 있습니다. 전극은 사용된 금속에 따라 스크리닝 및 소결 또는 기타 공정에 의해 신체에 적용될 수 있습니다. 배리스터에는 종종 와이어 또는 탭 리드 또는 전극에 납땜되었을 수 있는 다른 유형의 종단이 있습니다.

MOV의 기본 전도 메커니즘은 소결 과정에서 형성된 산화아연 입자 경계의 반도체 접합에서 비롯됩니다. 배리스터는 터미널 사이에 직렬-병렬 조합으로 작용하는 많은 입자가 있는 다중 접합 장치로 간주될 수 있습니다. 일반적인 배리스터의 개략적인 단면도는 그림 1에 나와 있습니다.

배리스터는 단자를 통해 흐르는 서지 전류가 수십 년에 걸쳐 변하는 동안 단자에 걸쳐 비교적 작은 전압 변화를 유지하는 특성이 있습니다. 이 비선형 동작을 통해 라인을 가로질러 분로로 연결될 때 서지 전류를 전환하고 해당 라인에 연결된 장비를 보호하는 값으로 라인을 가로지르는 전압을 제한할 수 있습니다.

• Avalanche Breakdown Diode(ADB)

이러한 장치는 SAD(실리콘 애벌랜치 다이오드) 또는 TVS(과도 전압 억제기)라고도 합니다. 기본 형태의 PN 접합 항복 다이오드는 양극(P)과 음극(N)으로 구성된 단일 PN 접합입니다. 그림 2a를 참조하십시오. DC 회로 애플리케이션에서 보호기는 장치의 음극(N) 쪽에 양의 전위가 적용되도록 역 바이어스됩니다. 그림 2b를 참조하십시오.

애벌랜치 다이오드에는 1) 순방향 바이어스(낮은 임피던스), 2) 오프 상태(높은 임피던스), 3) 역방향 바이어스 항복(상대적으로 낮은 임피던스)의 세 가지 작동 영역이 있습니다. 이러한 영역은 그림 3에서 볼 수 있습니다. P 영역에 양의 전압이 있는 순방향 바이어스 모드에서 전압이 순방향 바이어스 다이오드 전압 VFS를 초과하면 다이오드는 임피던스가 매우 낮습니다. VFS는 일반적으로 1V 미만이며 아래에 정의되어 있습니다. 오프 상태는 0V에서 N 영역의 양의 VBR 바로 아래까지 확장됩니다. 이 영역에서 흐르는 유일한 전류는 낮은 항복 전압 다이오드에 대한 온도 의존 누설 전류와 제너 터널링 전류입니다. 역 바이어스 항복 영역은 N 영역에서 양의 VBR로 시작합니다. VBR에서 접합을 가로지르는 전자는 접합 영역의 높은 필드에 의해 충분히 가속되어 전자 충돌로 인해 캐스케이드 또는 눈사태가 생성되고 전자와 정공이 생성됩니다. 그 결과 다이오드의 저항이 급격히 떨어집니다. 순방향 바이어스 및 역방향 바이어스 항복 영역 모두 보호를 위해 사용할 수 있습니다.

애벌랜치 다이오드의 전기적 특성은 본질적으로 비대칭입니다. 백투백 접합으로 구성된 대칭 애벌런치 다이오드 보호 제품도 제조됩니다.

• 가스 방전관(GDT)

가스 방전관은 작은 간격으로 분리되고 세라믹 또는 유리 실린더로 고정되는 두 개 이상의 금속 전극으로 구성됩니다. 실린더는 비활성 가스 혼합물로 채워져 불꽃 방전이 일어나며 전극에 충분한 전압이 가해지면 마지막으로 아크 상태가 됩니다.

갭에서 천천히 상승하는 전압이 주로 전극 간격, 가스 압력 및 가스 혼합물에 의해 결정되는 값에 도달하면 켜기 프로세스가 스파크 오버(파괴) 전압에서 시작됩니다. 스파크 오버가 발생하면 외부 회로에 따라 다양한 작동 상태가 가능합니다. 이러한 상태는 그림 4에 나와 있습니다. 글로우-아크 전이 전류보다 작은 전류에서 글로우 영역이 존재합니다. 글로우 영역의 낮은 전류에서 전압은 거의 일정합니다. 높은 글로우 전류에서 일부 유형의 가스관은 전압이 증가하는 비정상적인 글로우 영역으로 들어갈 수 있습니다. 이 비정상적인 글로우 영역 너머에서 가스 방전관 임피던스는 저전압 아크 조건으로의 전이 영역에서 감소합니다. 아크에서 글로우로의 전이 전류는 글로우에서 아크로의 전이보다 낮을 수 있습니다. 외부 회로와 함께 GDT의 전기적 특성은 서지 통과 후 소화하는 GDT의 능력을 결정하고 서지 동안 어레스터에서 소산되는 에너지도 결정합니다.

인가 전압(예: 과도)이 급격히 상승하면 이온화/아크 형성 과정에 걸리는 시간으로 인해 과도 전압이 이전 단락의 항복에 필요한 값을 초과할 수 있습니다. 이 전압은 임펄스 항복 전압으로 정의되며 일반적으로 인가된 전압(과도)의 상승률의 양의 함수입니다.

단일 챔버 XNUMX전극 GDT에는 중심 링 전극으로 분리된 XNUMX개의 공동이 있습니다. 중심 전극의 구멍은 다른 공동 전압이 스파크 오버 전압보다 낮을 수 있지만 전도성 공동의 가스 플라즈마가 다른 공동의 전도를 시작하도록 합니다.

스위칭 동작과 견고한 구조로 인해 GDT는 전류 전달 기능에서 다른 SPD 구성 요소를 능가할 수 있습니다. 많은 통신 GDT는 10kA(8/20µs 파형)의 높은 서지 전류를 쉽게 전달할 수 있습니다. 또한 GDT의 설계 및 크기에 따라 >100kA의 서지 전류를 달성할 수 있습니다.

가스 방전관의 구조는 매우 낮은 정전용량(일반적으로 2pF 미만)을 갖도록 되어 있습니다. 이를 통해 많은 고주파 회로 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.

GDT가 작동할 때 민감한 전자 장치에 영향을 줄 수 있는 고주파 방사선을 생성할 수 있습니다. 따라서 GDT 회로를 전자 장치에서 특정 거리에 배치하는 것이 좋습니다. 거리는 전자 장치의 감도와 전자 장치가 얼마나 잘 차폐되는지에 ​​따라 다릅니다. 영향을 피하는 또 다른 방법은 GDT를 차폐된 인클로저에 배치하는 것입니다.

GDT에 대한 정의

높은 과도 전압으로부터 장치나 사람 또는 둘 다를 보호하기 위해 설계된 가스 혼합물과 압력이 제어될 수 있도록 XNUMX개 또는 XNUMX개의 금속 전극이 완전히 밀봉된 갭 또는 여러 갭.

Or

높은 과도 전압으로부터 장치나 사람 또는 둘 다를 보호하도록 설계된 대기압의 공기가 아닌 밀폐된 방전 매체의 틈입니다.

• LCR 필터

이러한 구성 요소는 다음과 같이 다양합니다.

• 에너지 능력
• 유효성
• 신뢰성
• 비용
• 유효성

IEEE Std C62.72에서: 서지 전류를 전환하여 배전 네트워크의 과전압을 제한하는 SPD의 기능은 서지 보호 구성 요소, SPD의 기계적 구조 및 배전 네트워크 연결의 기능입니다. SPD 제조에 사용되는 몇 가지 일반적인 서지 보호 부품은 MOV, SASD 및 가스 방전관이며 MOV가 가장 많이 사용됩니다. MOV의 서지 전류 정격은 단면적 및 구성과 관련이 있습니다. 일반적으로 단면적이 클수록 장치의 서지 정격 전류가 높아집니다. MOV는 일반적으로 원형 또는 직사각형 형상이지만 7mm(0.28인치)에서 80mm(3.15인치)에 이르는 다양한 표준 치수로 제공됩니다. 이러한 서지 보호 부품의 서지 전류 정격은 매우 다양하며 제조업체에 따라 다릅니다. MOV를 병렬 어레이로 연결함으로써 어레이의 서지 전류 등급을 얻기 위해 개별 MOV의 전류 등급을 간단히 더함으로써 이론적인 서지 전류 등급을 계산할 수 있습니다.

어떤 구성 요소, 어떤 토폴로지 및 특정 기술의 배포가 서지 전류 전환을 위한 최상의 SPD를 생성하는지에 대한 많은 가설이 있습니다. 이러한 모든 주장을 제시하고 독자가 이러한 주제를 해독하도록 하는 대신 서지 전류 정격, 공칭 방전 전류 정격 또는 서지 전류 기능에 대한 논의가 성능 테스트 데이터를 중심으로 진행되는 것이 가장 좋습니다. 설계에 사용된 구성 요소나 배치된 특정 기계 구조에 관계없이 중요한 것은 SPD가 애플리케이션에 적합한 서지 전류 정격 또는 공칭 방전 전류 정격을 갖고 있고, 아마도 가장 중요한 것은 SPD가 과도 전류를 제한한다는 것입니다. 예상되는 서지 환경에서 보호되는 장비의 손상을 방지하는 수준까지의 과전압.

기본 작동 모드

대부분의 SPD에는 세 가지 기본 작동 모드가 있습니다.

• 대기 중
• 전환

각 모드에서 전류는 SPD를 통해 흐릅니다. 그러나 이해할 수 없는 것은 각 모드에 다른 유형의 전류가 존재할 수 있다는 것입니다.

대기 모드

배전 시스템 내에서 "깨끗한 전원"이 공급되는 정상적인 전원 상황에서 SPD는 최소한의 기능을 수행합니다. 대기 모드에서 SPD는 과전압이 발생하기를 기다리고 있으며 AC 전력을 거의 또는 전혀 소비하지 않습니다. 주로 모니터링 회로에서 사용됩니다.

전환 모드

일시적인 과전압 이벤트를 감지하면 SPD가 전환 모드로 변경됩니다. SPD의 목적은 손상되는 임펄스 전류를 임계 부하에서 멀리 돌리는 동시에 결과적인 전압 크기를 낮고 무해한 수준으로 줄이는 것입니다.

ANSI/IEEE C62.41.1-2002에 정의된 바와 같이 일반적인 과도 전류는 60Hz 사인파 신호의 연속 흐름과 비교할 때 시간의 단편인 사이클(마이크로초)의 일부만 지속됩니다.

서지 전류의 크기는 소스에 따라 다릅니다. 예를 들어, 드물게 발생하는 낙뢰에는 수십만 암페어를 초과하는 전류 크기가 포함될 수 있습니다. 그러나 시설 내에서 내부적으로 생성된 과도 현상은 더 낮은 전류 크기(수천 또는 수백 암페어 미만)를 생성합니다.

대부분의 SPD는 큰 서지 전류를 처리하도록 설계되었으므로 한 가지 성능 벤치마크는 제품의 테스트를 거친 공칭 방전 전류 정격(In)입니다. 종종 오류 전류와 혼동되지만 관련이 없는 이 큰 전류 크기는 제품의 테스트된 반복 내력 용량을 나타냅니다.

IEEE Std. C62.72: 공칭 방전 전류 등급은 SPD의 측정된 제한 전압 성능의 손상, 저하 또는 변화 없이 선택된 값의 반복적인 전류 서지(총 15개의 서지)를 받는 SPD의 능력을 행사합니다. 공칭 방전 전류 테스트에는 모든 서지 보호 구성 요소와 내부 또는 외부 SPD 단로기를 포함한 전체 SPD가 포함됩니다. 테스트 중에 구성 요소 또는 단로기가 고장나거나, 회로가 열리거나, 손상되거나 성능이 저하되지 않아야 합니다. 특정 정격을 달성하려면 사전 테스트와 사후 테스트 비교 간에 SPD의 측정된 제한 전압 성능 수준을 유지해야 합니다. 이 테스트의 목적은 경우에 따라 심각하지만 서비스 장비, 시설 내 또는 설치 위치에서 예상될 수 있는 서지에 대한 응답으로 SPD의 기능과 성능을 입증하는 것입니다.

예를 들어, 공칭 방전 전류 용량이 모드당 10,000 또는 20,000A인 SPD는 제품이 각 보호 모드에서 최소 10,000회 20,000 또는 15A의 과도 전류 크기를 안전하게 견딜 수 있어야 함을 의미합니다.

수명 종료 시나리오

IEEE Std C62.72에서: SPD의 장기 신뢰성에 대한 가장 큰 위협은 서지가 아니라 PDS에서 발생할 수 있는 반복적인 순간적 또는 일시적 과전압(TOV 또는 "상승")일 수 있습니다. 공칭 시스템 전압에 불안정하게 가까운 MCOV가 있는 SPD는 조기 SPD 노화 또는 조기 수명 종료로 이어질 수 있는 그러한 과전압에 더 취약합니다. 자주 사용되는 경험 법칙은 SPD의 MCOV가 각 특정 보호 모드에 대해 공칭 시스템 전압의 최소 115%인지 확인하는 것입니다. 이렇게 하면 SPD가 PDS의 정상 전압 변동에 영향을 받지 않을 수 있습니다.

그러나 지속적인 과전압 이벤트를 제외하고, SPD는 시간이 지남에 따라 서지 전류, 서지 이벤트 발생 비율, 서지 지속 시간에 대한 SPD 정격을 초과하는 서지로 인해 노후화되거나 성능이 저하되거나 서비스 종료 상태에 도달할 수 있습니다. , 또는 이러한 이벤트의 조합. 일정 기간 동안 상당한 진폭의 반복적인 서지 이벤트는 SPD 구성 요소를 과열시키고 서지 보호 구성 요소를 노후화할 수 있습니다. 또한, 반복적인 서지는 서지 보호 구성요소의 가열로 인해 열적으로 활성화된 SPD 단로기가 조기에 작동하도록 할 수 있습니다. SPD의 특성은 서비스 종료 조건에 도달함에 따라 변경될 수 있습니다. 예를 들어 측정된 제한 전압이 증가하거나 감소할 수 있습니다.

서지로 인한 성능 저하를 피하기 위해 많은 SPD 제조업체는 물리적으로 더 큰 구성 요소를 사용하거나 여러 구성 요소를 병렬로 연결하여 높은 서지 전류 기능을 갖춘 SPD를 설계합니다. 이는 매우 드물고 예외적인 경우를 제외하고 어셈블리로서의 SPD 등급이 초과될 가능성을 피하기 위해 수행됩니다. 이 방법의 성공은 이러한 방식으로 설계된 기존 SPD의 긴 서비스 수명과 이력에 의해 뒷받침됩니다.

SPD 조정과 관련하여 그리고 서지 전류 등급과 관련하여 언급된 바와 같이 조기 노화 방지를 돕기 위해 PDS가 서지에 가장 많이 노출되는 서비스 장비에 더 높은 서지 전류 등급을 가진 SPD를 배치하는 것이 논리적입니다. 한편, 외부 서지 소스에 노출되지 않은 서비스 장비의 SPD는 더 낮은 등급을 가질 수 있습니다. 우수한 서지 보호 시스템 설계 및 조정을 통해 조기 SPD 노화를 방지할 수 있습니다.

SPD 실패의 다른 원인은 다음과 같습니다.

• 설치 오류
• 정격 전압에 대한 제품의 오용
• 지속적인 과전압 이벤트

억제 구성 요소에 장애가 발생하면 대부분 단락으로 발생하여 장애가 발생한 구성 요소를 통해 전류가 흐르기 시작합니다. 이 고장난 구성요소를 통해 흐르는 데 사용할 수 있는 전류의 양은 사용 가능한 고장 전류의 함수이며 전원 시스템에 의해 구동됩니다. 오류 전류에 대한 자세한 내용은 SPD 안전 관련 정보를 참조하십시오.