Kaip veikia viršįtampių apsaugos įtaisas (SPD)

Kaip veikia viršįtampių apsaugos įtaisas (SPD)

BPD gebėjimas apriboti elektros skirstomojo tinklo viršįtampius, nukreipiant viršįtampių sroves, priklauso nuo viršįtampių apsaugančių komponentų, BPD mechaninės struktūros ir prijungimo prie elektros skirstomojo tinklo. SPD skirtas apriboti laikinus viršįtampius ir nukreipti viršįtampio srovę arba abu. Jame yra bent vienas netiesinis komponentas. Paprasčiau tariant, SPD yra skirti apriboti trumpalaikį viršįtampį, kad būtų išvengta įrangos pažeidimų ir prastovų dėl laikinų įtampos šuolių, pasiekiančių jų saugomus įrenginius.

Pavyzdžiui, apsvarstykite vandens malūną, apsaugotą slėgio mažinimo vožtuvu. Slėgio mažinimo vožtuvas nieko nedaro, kol vandens tiekimo sistemoje neįvyksta viršslėgio impulsas. Kai tai atsitiks, vožtuvas atsidaro ir pašalina papildomą slėgį, kad jis nepasiektų vandens rato.

Jei nėra apsauginio vožtuvo, per didelis slėgis gali sugadinti vandens ratą arba galbūt pjūklo jungtį. Nors apsauginis vožtuvas yra vietoje ir veikia tinkamai, šiek tiek slėgio impulso likučių vis tiek pasieks ratą. Tačiau slėgis bus pakankamai sumažintas, kad nepažeistumėte vandens rato ir nesutrikdytumėte jo veikimo. Tai apibūdina BPD veikimą. Jie sumažina pereinamuosius iki lygių, kurie nepažeis ir netrukdys jautrios elektroninės įrangos veikimui.

Naudotos technologijos

Kokios technologijos naudojamos BPD?

Iš IEEE Std. C62.72: Kai kurie paplitę apsaugos nuo viršįtampių komponentai, naudojami gaminant SPD, yra metalo oksido varistoriai (MOV), lavinų skilimo diodai (ABD-anksčiau žinomi kaip silicio lavinos diodai arba BAD) ir dujų išleidimo vamzdžiai (GDT). MOV yra dažniausiai naudojama kintamosios srovės elektros grandinių apsaugos technologija. MOV viršįtampio srovės įvertis yra susijęs su skerspjūvio plotu ir jo sudėtimi. Apskritai, kuo didesnis skerspjūvio plotas, tuo didesnė prietaiso viršįtampio srovė. MOV paprastai yra apvalios arba stačiakampės geometrijos, tačiau yra daugybė standartinių matmenų, pradedant nuo 7 mm (0.28 colio) iki 80 mm (3.15 colio). Šių viršįtampių apsaugos nuo viršįtampių vertės labai skiriasi ir priklauso nuo gamintojo. Kaip aptarta anksčiau šiame punkte, prijungus MOV lygiagrečiame masyve, viršįtampio srovės vertę galima apskaičiuoti tiesiog pridedant atskirų MOV viršįtampio srovės reitingus, kad būtų gautas masyvo viršįtampio srovės įvertis. Tai darant reikėtų atsižvelgti į pasirinktų MOV veikimo charakteristikų koordinavimą.

Yra daug hipotezių, koks komponentas, kokia topologija ir konkrečios technologijos diegimas sukuria geriausią BPD, skirtą nukreipti viršįtampio srovę. Užuot pateikę visas parinktis, geriausia, kad diskusijos apie viršįtampio srovės vertę, nominalią iškrovimo srovės vertę ar viršįtampio srovės galimybes būtų susijusios su našumo bandymo duomenimis. Nepriklausomai nuo konstrukcijoje naudojamų komponentų ar naudojamos konkrečios mechaninės struktūros, svarbu, kad BPD būtų tinkamos šiam tikslui viršįtampio arba nominalios išleidimo srovės.

Toliau pateikiamas išsamesnis šių komponentų aprašymas. SPD naudojami komponentai labai skiriasi. Štai šių komponentų pavyzdys:

• Metalo oksido varistorius (MOV)

Paprastai MOV sudaro apvalus arba stačiakampis sukepinto cinko oksido korpusas su tinkamais priedais. Kiti naudojami tipai yra vamzdinės formos ir daugiasluoksnės konstrukcijos. Varistoriai turi metalinių dalelių elektrodus, sudarytus iš sidabro lydinio ar kito metalo. Priklausomai nuo naudojamo metalo, elektrodai gali būti uždėti ant kūno atrankos ir sukepinimo būdu arba kitais būdais. Varistoriai taip pat dažnai turi laidų ar skirtukų laidus arba kitokio tipo galus, kurie galėjo būti prilituoti prie elektrodo.

Pagrindinis MOV laidumo mechanizmas atsiranda dėl puslaidininkių jungčių ties cinko oksido grūdelių, susidarančių sukepinimo proceso metu, riba. Varistorius gali būti laikomas kelių jungčių įtaisu, kuriame yra daug grūdelių, veikiančių nuosekliai lygiagrečiai tarp gnybtų. Scheminis tipinio varistoriaus skerspjūvio vaizdas parodytas 1 paveiksle.

Varistoriai turi savybę išlaikyti santykinai nedidelį įtampos pokytį savo gnybtuose, o per juos tekanti viršįtampio srovė kinta per kelis dešimtmečius. Šis netiesinis veiksmas leidžia jiems nukreipti viršįtampio srovę, kai prijungtas prie šuntavimo per visą liniją, ir apriboti įtampą visoje linijoje iki reikšmių, apsaugančių prie tos linijos prijungtą įrangą.

• Lavinų suskirstymo diodas (ADB)

Šie prietaisai taip pat žinomi kaip silicio lavinos diodas (SAD) arba trumpalaikis įtampos slopintuvas (TVS). Pagrindinė PN jungties suskirstymo diodas yra viena PN jungtis, susidedanti iš anodo (P) ir katodo (N). Žr. 2a paveikslą. Naudojant nuolatinės srovės grandines, apsauga yra atvirkščiai nukreipta taip, kad prietaiso katodo (N) pusėje būtų teigiamas potencialas. Žr. 2b paveikslą.

Lavinos diodas turi tris veikimo sritis: 1) į priekį nukreiptą (mažos varžos), 2) išjungtos būsenos (didelės varžos) ir 3) atvirkštinio šališkumo suskirstymą (palyginti maža varža). Šiuos regionus galima pamatyti 3 paveiksle. Į priekinio poslinkio režimą, kai P sritis turi teigiamą įtampą, diodas turi labai mažą varžą, kai įtampa viršija priekinio poslinkio diodo įtampą VFS. VFS paprastai yra mažesnis nei 1 V ir yra apibrėžtas toliau. Išjungta būsena tęsiasi nuo 0 V iki šiek tiek žemiau teigiamo VBR N regione. Šiame regione vienintelės tekančios srovės yra nuo temperatūros priklausančios nuotėkio srovės ir „Zener“ tunelio srovės, skirtos žemos gedimo įtampos diodams. Atvirkštinio šališkumo suskirstymo regionas prasideda teigiamu VBR N regione. Kai VBR elektronus, kertančius sankryžą, pakankamai pagreitina aukštas jungties srities laukas, dėl kurio susidūrus elektronams susidaro elektronų ir skylių kaskados arba lavina. Rezultatas yra staigus diodo atsparumo sumažėjimas. Apsaugai gali būti naudojami tiek priekinio, tiek atvirkštinio šališkumo suskirstymo regionai.

Lavinos diodo elektrinės charakteristikos iš esmės yra asimetriškos. Taip pat gaminami simetriški lavinų diodų apsaugos produktai, susidedantys iš nugaros ir nugaros jungčių.

• Dujų išleidimo vamzdis (GDT)

Dujų išleidimo vamzdžiai susideda iš dviejų ar daugiau metalinių elektrodų, atskirtų mažu tarpeliu ir laikomi keramikos ar stiklo cilindro. Balionas pripildytas tauriųjų dujų mišinio, kuris kibirkščiuoja į švytėjimo iškrovą ir galiausiai lanko būseną, kai į elektrodus įvedama pakankama įtampa.

Kai lėtai kylanti įtampa per tarpą pasiekia vertę, kurią pirmiausia lemia elektrodų tarpas, dujų slėgis ir dujų mišinys, įjungimo procesas prasideda kibirkšties (suskirstymo) įtampa. Kai atsiranda kibirkštis, galimos įvairios veikimo būsenos, priklausomai nuo išorinės grandinės. Šios būsenos parodytos 4 paveiksle. Esant srovėms, mažesnėms nei perėjimo nuo švytėjimo į lanką srovė, egzistuoja švytėjimo sritis. Esant mažoms srovėms švytėjimo srityje, įtampa yra beveik pastovi; esant didelėms švytėjimo srovėms, kai kurių tipų dujų vamzdžiai gali patekti į nenormalų švytėjimo regioną, kuriame įtampa didėja. Be šio nenormalaus švytėjimo regiono, dujų išleidimo vamzdžio varža pereinamojoje srityje į žemos įtampos lanko būseną sumažėja. Lanko ir švytėjimo perėjimo srovė gali būti mažesnė nei perėjimas nuo švytėjimo į lanką. GDT elektrinė charakteristika kartu su išorine grandine lemia GDT gebėjimą užgesinti, kai praeina viršįtampis, ir taip pat nustato energiją, išsisklaidančią ribotuvo metu.

Jei įtampa (pvz., Trumpalaikė) sparčiai didėja, jonizacijos/lanko formavimo procesui skirtas laikas gali leisti praeinančiai įtampai viršyti ankstesnėje pastraipoje nurodytą gedimą. Ši įtampa apibrėžiama kaip impulsinė gedimo įtampa ir paprastai yra teigiama taikomos įtampos (trumpalaikės) kilimo greičio funkcija.

Vienos kameros trijų elektrodų GDT turi dvi ertmes, atskirtas centrinio žiedo elektrodu. Centrinio elektrodo skylė leidžia dujų plazmai iš laidžios ertmės pradėti laidumą kitoje ertmėje, nors kita ertmės įtampa gali būti mažesnė už kibirkšties įtampą.

Dėl savo perjungimo ir tvirtos konstrukcijos GDT gali viršyti kitus SPD komponentus srovės nešimo galimybėmis. Daugelis telekomunikacijų GDT gali lengvai perduoti iki 10 kA (8/20 µs bangos formos) viršįtampio sroves. Be to, priklausomai nuo GDT konstrukcijos ir dydžio, galima pasiekti> 100 kA viršįtampių sroves.

Dujų išleidimo vamzdžių konstrukcija yra tokia, kad jų talpa yra labai maža - paprastai mažesnė nei 2 pF. Tai leidžia juos naudoti daugelyje aukšto dažnio grandinių programų.

Kai GDT veikia, jie gali generuoti aukšto dažnio spinduliuotę, kuri gali turėti įtakos jautriai elektronikai. Todėl protinga GDT grandines pastatyti tam tikru atstumu nuo elektronikos. Atstumas priklauso nuo elektronikos jautrumo ir elektronikos ekranavimo. Kitas būdas išvengti poveikio yra GDT įdėjimas į ekranuotą gaubtą.

GDT apibrėžimai

Tarpas arba keli tarpai su dviem ar trimis metaliniais elektrodais hermetiškai uždaryti taip, kad būtų kontroliuojamas dujų mišinys ir slėgis, skirti aparatui ar personalui arba abiem apsaugoti nuo didelės pereinamosios įtampos.

Or

Tarpas ar tarpai uždaroje išleidimo terpėje, išskyrus orą, esant atmosferos slėgiui, skirti aparatui ar personalui arba abiem apsaugoti nuo didelės pereinamosios įtampos.

• LCR filtrai

Šie komponentai skiriasi:

• energijos pajėgumas
• Prieinamumas
• patikimumas
• kaina
• efektyvumas

Iš IEEE Std C62.72: SPD galimybė apriboti viršįtampius elektros skirstomajame tinkle, nukreipiant viršįtampio sroves, priklauso nuo viršįtampių apsaugančių komponentų, BPD mechaninės struktūros ir prijungimo prie elektros skirstomojo tinklo. Kai kurie paplitę apsaugos nuo viršįtampių komponentai, naudojami gaminant SPD, yra MOV, SASD ir dujų išleidimo vamzdžiai, daugiausia naudojami MOV. MOV viršįtampio srovės įvertis yra susijęs su skerspjūvio plotu ir jo sudėtimi. Apskritai, kuo didesnis skerspjūvio plotas, tuo didesnė prietaiso viršįtampio srovė. MOV paprastai yra apvalios arba stačiakampės geometrijos, tačiau yra daugybė standartinių matmenų, svyruojančių nuo 7 mm (0.28 colio) iki 80 mm (3.15 colio). Šių viršįtampių apsaugos nuo viršįtampių vertės labai skiriasi ir priklauso nuo gamintojo. Sujungus MOV lygiagrečiame masyve, teorinį viršįtampio srovės įvertinimą galima apskaičiuoti tiesiog sudėjus atskirų MOV dabartines reitingus, kad būtų gautas masyvo viršįtampio srovės įvertis.

Yra daug hipotezių, koks komponentas, kokia topologija ir konkrečios technologijos diegimas sukuria geriausią BPD, skirtą nukreipti viršįtampio srovę. Užuot pateikęs visus šiuos argumentus ir leidęs skaitytojui iššifruoti šias temas, geriausia, kad diskusijos apie viršįtampio srovės vertę, nominalią iškrovos srovės vertę ar viršįtampio srovės galimybes būtų susijusios su našumo bandymo duomenimis. Nepriklausomai nuo konstrukcijoje naudojamų komponentų ar naudojamos konkrečios mechaninės struktūros, svarbu tai, kad BPD turi viršįtampio srovės vertę arba nominalią iškrovimo srovės vertę, kuri tinka šiai programai, ir, ko gero, svarbiausia, kad BPD riboja laikiną viršįtampiai iki lygių, kurie neleidžia pažeisti apsaugotos įrangos, atsižvelgiant į numatomą viršįtampių aplinką.

Pagrindiniai darbo režimai

Dauguma SPD turi tris pagrindinius darbo režimus:

• Laukiama
• Nukreipimas

Kiekvienu režimu srovė teka per SPD. Tačiau gali būti nesuprantama, kad kiekviename režime gali būti skirtingo tipo srovė.

Laukimo režimas

Esant normalioms maitinimo situacijoms, kai elektros paskirstymo sistemoje tiekiama „švari energija“, SPD atlieka minimalią funkciją. Laukimo režimu SPD laukia viršįtampio atsiradimo ir sunaudoja mažai arba visai nenaudoja kintamosios srovės energijos; visų pirma tai, ką naudoja stebėjimo grandinės.

Nukreipimo režimas

Pajutęs laikiną viršįtampio įvykį, SPD persijungia į nukreipimo režimą. SPD tikslas yra nukreipti žalingą impulsinę srovę nuo kritinių apkrovų, tuo pačiu sumažinant jos sukeltą įtampos dydį iki žemo, nekenksmingo lygio.

Kaip apibrėžta ANSI/IEEE C62.41.1-2002, tipinė srovės pereinamoji trukmė trunka tik ciklo dalį (mikrosekundes), laiko fragmentą, palyginti su nuolatiniu 60 Hz sinusinio signalo srautu.

Viršįtampio srovės stiprumas priklauso nuo jo šaltinio. Pavyzdžiui, žaibo smūgiai, kurių retais atvejais gali būti daugiau nei keli šimtai tūkstančių amperų. Tačiau įrenginyje viduje sugeneruoti trumpalaikiai įvykiai sukels mažesnį srovės stiprumą (mažiau nei kelis tūkstančius ar šimtus amperų).

Kadangi dauguma BPD yra skirti didelėms viršįtampių srovėms valdyti, vienas našumo etalonas yra produkto patikrinta nominali iškrovimo srovės vertė (In). Dažnai painiojama su gedimo srove, bet nesusijusi, šis didelis srovės dydis rodo gaminio išbandytą pakartotinį atlaikymo pajėgumą.

Iš IEEE Std. C62.72: Nominali iškrovos srovės vertė suteikia SPD galimybę būti pakartotinai pasirinktos vertės srovės šuoliams (iš viso 15 viršįtampių), nepažeidžiant, nepažeidžiant ir nepasikeitus BPD ribotai įtampai. Nominalios iškrovos srovės bandymas apima visą SPD, įskaitant visus apsaugos nuo viršįtampių komponentus ir vidinius arba išorinius SPD atjungiklius. Bandymo metu jokiam komponentui ar atjungikliui neleidžiama sugesti, atidaryti grandinės, sugadinti ar sugesti. Norint pasiekti tam tikrą įvertinimą, turi būti išlaikytas išmatuotas BPD ribinės įtampos veikimo lygis tarp prieš bandymą ir po bandymo palyginimo. Šių bandymų tikslas - parodyti BPD pajėgumą ir veikimą reaguojant į padidėjimus, kurie kai kuriais atvejais yra stiprūs, tačiau gali būti tikėtini aptarnaujančioje įrangoje, įrenginyje ar įrengimo vietoje.

Pavyzdžiui, SPD, kurio nominali išleidimo srovės galia yra 10,000 20,000 arba 10,000 20,000 amperų kiekvienam režimui, reiškia, kad gaminys turi sugebėti saugiai atlaikyti 15 XNUMX arba XNUMX XNUMX amperų trumpalaikę srovę mažiausiai XNUMX kartų kiekvienu apsaugos būdu.

Gyvenimo pabaigos scenarijai

Iš IEEE Std C62.72: Didžiausia grėsmė ilgalaikiam BPD patikimumui gali būti ne viršįtampiai, o pakartotinis momentinis ar laikinas viršįtampis (TOV arba „išsipūtimas“), kuris gali atsirasti PDS. SPD su MCOV, kurie yra nesaugiai artimi vardinei sistemos įtampai, yra labiau jautrūs tokiems viršįtampiams, kurie gali sukelti ankstyvą BPD senėjimą arba ankstyvą eksploatacijos pabaigą. Dažnai naudojama taisyklė - nustatyti, ar BPD MCOV yra ne mažesnė kaip 115% nominalios sistemos įtampos kiekvienam konkrečiam apsaugos būdui. Tai leis SPD nepaveikti įprastų PDS įtampos svyravimų.

Tačiau, be nuolatinių viršįtampių įvykių, SPD gali senėti, pablogėti arba pasiekti eksploatacijos pabaigos būklę laikui bėgant dėl ​​viršįtampių, viršijančių BPD reitingus dėl viršįtampio srovės, viršįtampių įvykių dažnio ir bangos trukmės arba šių įvykių derinys. Pasikartojantys didelės amplitudės viršįtampiai per tam tikrą laiką gali perkaisti SPD komponentus ir sukelti viršįtampių apsaugos komponentų senėjimą. Be to, pasikartojantys viršįtampiai gali sukelti termiškai suaktyvintų SPD atjungiklių veikimą per anksti dėl kaitinimo nuo viršįtampių. SPD charakteristikos gali pasikeisti, kai jis pasiekia eksploatacijos pabaigos būklę-pavyzdžiui, išmatuota ribinė įtampa gali padidėti arba sumažėti.

Siekdami išvengti pablogėjimo dėl viršįtampių, daugelis BPD gamintojų projektuoja SPD, turinčius dideles viršįtampio srovės galimybes, naudodami fiziškai didesnius komponentus arba lygiagrečiai prijungdami kelis komponentus. Tai daroma siekiant išvengti tikimybės, kad BPD, kaip surinkimo, reitingai bus viršyti, išskyrus labai retus ir išskirtinius atvejus. Šio metodo sėkmę patvirtina ilgas tarnavimo laikas ir jau įdiegtų SPD, sukurtų tokiu būdu, istorija.

Kalbant apie BPD koordinavimą ir, kaip teigiama, kalbant apie viršįtampio srovės reitingus, logiška, kad SPD, turintis didesnį viršįtampio srovę, būtų aptarnaujamoje įrangoje, kur PDS yra labiausiai veikiamas šuolių, kad būtų išvengta priešlaikinio senėjimo; tuo tarpu SPD, esančios toliau nuo aptarnavimo įrangos, kurios nėra veikiamos išorinių viršįtampių šaltinių, gali būti prastesnės. Gerai projektuojant ir koordinuojant viršįtampių apsaugą, galima išvengti ankstyvo SPD senėjimo.

Kitos SPD gedimo priežastys:

• Diegimo klaidos
• Netinkamas produkto taikymas pagal jo įtampą
• Nuolatiniai įtampos įvykiai

Kai slopinimo komponentas sugenda, jis dažniausiai tai daro trumpai, todėl srovė pradeda tekėti per sugedusį komponentą. Srovės, kuri gali tekėti per šį sugedusį komponentą, kiekis priklauso nuo turimos gedimo srovės ir yra valdomas elektros sistemos. Norėdami gauti daugiau informacijos apie gedimų sroves, eikite į SPD saugos informaciją.