Kā darbojas pārsprieguma aizsargierīce (SPD)

Kā darbojas pārsprieguma aizsargierīce (SPD)

SPD spēja ierobežot pārspriegumus elektrības sadales tīklā, novirzot pārsprieguma strāvas, ir atkarīga no pārsprieguma aizsargājošām sastāvdaļām, SPD mehāniskās struktūras un savienojuma ar elektrības sadales tīklu. SPD ir paredzēts, lai ierobežotu pārejošus pārspriegumus un novirzītu pārsprieguma strāvu vai abus. Tas satur vismaz vienu nelineāru komponentu. Vienkāršāk sakot, SPD ir paredzēti, lai ierobežotu pārejošus pārspriegumus ar mērķi novērst iekārtu bojājumus un dīkstāves, ko rada pārejoši sprieguma pārspriegumi, kas sasniedz ierīces, kuras tās aizsargā.

Piemēram, apsveriet ūdens dzirnavas, kas aizsargātas ar spiediena samazināšanas vārstu. Spiediena samazināšanas vārsts neko nedara, kamēr ūdens padevē nenotiek pārspiediena impulss. Kad tas notiek, vārsts atveras un novirza papildu spiedienu malā, lai tas nesasniegtu ūdens riteni.

Ja drošības vārsts nebija, pārmērīgs spiediens var sabojāt ūdens riteni vai, iespējams, zāģa saiti. Lai gan drošības vārsts ir vietā un darbojas pareizi, dažas spiediena impulsa paliekas joprojām sasniegs riteni. Bet spiediens būs pietiekami samazināts, lai nesabojātu ūdens riteni vai netraucētu tā darbību. Tas raksturo VPD darbību. Tie samazina pārejas posmus līdz tādam līmenim, kas nebojā un neizjauc jutīgu elektronisko iekārtu darbību.

Izmantotās tehnoloģijas

Kādas tehnoloģijas tiek izmantotas VPD?

No IEEE Std. C62.72: Daži izplatīti SPD ražošanā izmantotie komponenti ir metāla oksīda varistori (MOV), lavīnu sadalīšanas diodes (ABD-agrāk pazīstami kā silīcija lavīnas diodes vai VAD) un gāzizlādes caurules (GDT). MOV ir visbiežāk izmantotā tehnoloģija maiņstrāvas barošanas ķēžu aizsardzībai. MOV pārsprieguma strāvas reitings ir saistīts ar šķērsgriezuma laukumu un tā sastāvu. Parasti, jo lielāks ir šķērsgriezuma laukums, jo lielāks ir ierīces pārsprieguma strāvas vērtējums. MOV parasti ir apaļas vai taisnstūrveida ģeometrijas, bet tiem ir daudz standarta izmēru, sākot no 7 mm (0.28 collas) līdz 80 mm (3.15 collas). Šo pārsprieguma aizsargkomponentu pārsprieguma strāvas nominālvērtības ir ļoti atšķirīgas un ir atkarīgas no ražotāja. Kā minēts iepriekš šajā klauzulā, savienojot MOV paralēlā masīvā, pārsprieguma strāvas vērtību var aprēķināt, vienkārši pievienojot atsevišķu MOV pārsprieguma strāvas vērtējumus kopā, lai iegūtu masīva pārsprieguma strāvas novērtējumu. To darot, jāņem vērā izvēlēto MOV ekspluatācijas īpašību koordinācija.

Pastāv daudzas hipotēzes par to, kāda sastāvdaļa, kāda topoloģija un īpašas tehnoloģijas ieviešana rada vislabāko SPD pārsprieguma strāvas novirzīšanai. Tā vietā, lai piedāvātu visas iespējas, vislabāk ir apspriest pārsprieguma strāvas nominālo vērtību, nominālo izlādes strāvas vērtējumu vai pārsprieguma strāvas iespējas ap veiktspējas testa datiem. Neatkarīgi no konstrukcijā izmantotajām sastāvdaļām vai izmantotās īpašās mehāniskās struktūras ir svarīgi, lai VPD būtu pielietojamā sprieguma vai nominālā izlādes strāvas vērtība.

Tālāk ir sniegts plašāks šo komponentu apraksts. VPD izmantotie komponenti ievērojami atšķiras. Šeit ir šo sastāvdaļu paraugs:

• Metāla oksīda varistors (MOV)

Parasti MOV sastāv no apaļa vai taisnstūra formas saķepināta cinka oksīda ar piemērotām piedevām. Citi izmantotie veidi ietver cauruļveida formas un daudzslāņu konstrukcijas. Varistoriem ir metāla daļiņu elektrodi, kas sastāv no sudraba sakausējuma vai cita metāla. Elektrodi, iespējams, tika uzklāti uz ķermeņa, veicot skrīningu un saķepināšanu vai izmantojot citus procesus atkarībā no izmantotā metāla. Varistoriem bieži ir arī vadu vai cilpu vadi vai cita veida atvienošana, kas, iespējams, ir pielodēta pie elektroda.

MOV pamata vadīšanas mehānisms rodas no pusvadītāju savienojumiem pie saķepināšanas procesā izveidoto cinka oksīda graudu robežas. Varistoru var uzskatīt par daudzsavienojumu ierīci ar daudziem graudiem, kas darbojas virknē paralēli kombinācijā starp spailēm. Tipiska varistora shematisks šķērsgriezuma skats ir parādīts 1. attēlā.

Varistoriem ir īpašība uzturēt salīdzinoši nelielas sprieguma izmaiņas savos termināļos, kamēr pārsprieguma strāva, kas plūst caur tiem, mainās vairāku gadu desmitu garumā. Šī nelineārā darbība ļauj tiem novirzīt pārsprieguma strāvu, kad tie ir savienoti šuntā pa līniju, un ierobežot spriegumu visā līnijā līdz vērtībām, kas aizsargā šai līnijai pievienoto aprīkojumu.

• Lavīnu sadalīšanās diode (ADB)

Šīs ierīces ir pazīstamas arī kā silīcija lavīnas diode (SAD) vai pārejošs sprieguma slāpētājs (TVS). PN krustojuma sadalīšanās diode savā pamata formā ir viens PN krustojums, kas sastāv no anoda (P) un katoda (N). Skatīt 2.a attēlu. Līdzstrāvas ķēdes lietojumos aizsargs ir pretēji novirzīts tā, ka ierīces katoda (N) pusē tiek pielietots pozitīvs potenciāls. Skatīt 2.b attēlu.

Lavīnas diodei ir trīs darbības reģioni: 1) priekšējā novirze (zema pretestība), 2) izslēgts stāvoklis (augsta pretestība) un 3) apgrieztā novirzes sadalījums (salīdzinoši zema pretestība). Šos reģionus var redzēt 3. attēlā. Priekšējā slīpuma režīmā ar pozitīvu spriegumu P reģionā diodei ir ļoti zema pretestība, kad spriegums pārsniedz priekšējās slīpuma diodes spriegumu VFS. VFS parasti ir mazāks par 1 V, un tas ir definēts zemāk. Izslēgtais stāvoklis ir no 0 V līdz nedaudz zem pozitīva VBR Z reģionā. Šajā reģionā vienīgās plūsmas ir no temperatūras atkarīgas noplūdes strāvas un Zenera tuneļu strāvas zema sprieguma diodēm. Reversā aizspriedumu sadalījuma reģions sākas ar pozitīvu VBR N reģionā. Pie VBR elektronus, kas šķērso krustojumu, pietiekami paātrina savienojuma apgabala augstais lauks, un elektronu sadursmes rezultātā rodas elektronu un caurumu kaskāde jeb lavīna. Rezultāts ir straujš diodes pretestības kritums. Aizsardzībai var izmantot gan priekšējās, gan apgrieztās novirzes sadalījuma reģionus.

Lavīnas diodes elektriskās īpašības pēc būtības ir asimetriskas. Tiek ražoti arī simetriski lavīnas diodes aizsardzības produkti, kas sastāv no savienojumiem pret muguru.

• Gāzes izplūdes caurule (GDT)

Gāzes izplūdes caurules sastāv no diviem vai vairākiem metāla elektrodiem, kas atdalīti ar nelielu spraugu un turēti no keramikas vai stikla cilindra. Balons ir piepildīts ar cēlgāzu maisījumu, kas, dzirkstot uz elektrodiem, rada dzirksteles un galu galā loka stāvokli.

Kad lēnām pieaugošais spriegums pāri spraugai sasniedz vērtību, ko galvenokārt nosaka elektrodu atstarpe, gāzes spiediens un gāzes maisījums, ieslēgšanās process sākas pie aizdedzes (sadalīšanās) sprieguma. Pēc dzirksteļošanas ir iespējami dažādi darbības stāvokļi atkarībā no ārējās shēmas. Šie stāvokļi ir parādīti 4. attēlā. Pie strāvām, kas ir mazākas par pārejas strāvu uz kvēlspuldzi, pastāv kvēlošanas reģions. Pie zemām strāvām spīduma reģionā spriegums ir gandrīz nemainīgs; pie lielām kvēlspuldzēm dažu veidu gāzes caurules var iekļūt neparastā spīduma apgabalā, kurā palielinās spriegums. Papildus šim neparastajam spīduma apgabalam gāzes izplūdes caurules pretestība samazinās pārejas reģionā zemsprieguma loka stāvoklī. Pārejas strāva no loka uz mirdzumu var būt mazāka nekā pāreja no spīduma uz loka. GDT elektriskā īpašība kopā ar ārējo shēmu nosaka GDT spēju nodzēst pēc pārsprieguma pārejas, kā arī nosaka enerģiju, kas izkliedēta sprieguma pārsprieguma laikā.

Ja pielietotais spriegums (piemēram, pārejošs) strauji palielinās, laiks, kas vajadzīgs jonizācijas/loka veidošanās procesam, var ļaut pārejošam spriegumam pārsniegt vērtību, kas nepieciešama sadalīšanai iepriekšējā punktā. Šis spriegums tiek definēts kā impulsa pārtraukuma spriegums, un tas parasti ir pozitīva pielietotā sprieguma (pārejoša) pieauguma ātruma funkcija.

Vienas kameras trīs elektrodu GDT ir divi dobumi, kas atdalīti ar centra gredzena elektrodu. Caurums centrālajā elektrodā ļauj gāzes plazmai no vadošas dobuma uzsākt vadīšanu otrā dobumā, pat ja otra dobuma spriegums var būt zemāks par dzirksteles spriegumu.

Sakarā ar pārslēgšanas darbību un izturīgo konstrukciju, GDT var pārsniegt citus SPD komponentus ar strāvas pārneses spēju. Daudzi telekomunikāciju GDT var viegli pārnest līdz 10 kA (8/20 µs viļņu forma) pārsprieguma strāvas. Turklāt, atkarībā no GDT konstrukcijas un lieluma, var sasniegt> 100 kA pārsprieguma strāvas.

Gāzes izplūdes cauruļu konstrukcija ir tāda, ka tām ir ļoti zema kapacitāte - parasti mazāka par 2 pF. Tas ļauj tos izmantot daudzās augstfrekvences ķēdes lietojumprogrammās.

Kad GDT darbojas, tie var radīt augstfrekvences starojumu, kas var ietekmēt jutīgu elektroniku. Tāpēc ir prātīgi novietot GDT shēmas noteiktā attālumā no elektronikas. Attālums ir atkarīgs no elektronikas jutības un no tā, cik labi elektronika ir aizsargāta. Vēl viena metode, kā izvairīties no efekta, ir GDT ievietošana ekranētā korpusā.

GDT definīcijas

Sprauga vai vairākas spraugas ar diviem vai trim metāla elektrodiem, kas hermētiski noslēgti tā, lai gāzu maisījums un spiediens tiktu kontrolēti, un kas paredzēti, lai aizsargātu aparātu vai personālu vai abus no augsta pārejoša sprieguma.

Or

Sprauga vai spraugas slēgtā izplūdes vidē, kas nav gaiss ar atmosfēras spiedienu un ir paredzēts, lai aizsargātu aparātu vai personālu vai abus no augsta pārejoša sprieguma.

• LCR filtri

Šīs sastāvdaļas atšķiras pēc to īpašībām:

• enerģijas iespējas
• pieejamība
• uzticamība
• izmaksāt
• efektivitāte

No IEEE Std C62.72: SPD spēja ierobežot pārspriegumus elektrības sadales tīklā, novirzot pārsprieguma strāvas, ir atkarīga no pārsprieguma aizsargājošām sastāvdaļām, SPD mehāniskās struktūras un savienojuma ar elektrības sadales tīklu. Daži bieži sastopami pārsprieguma aizsardzības komponenti, ko izmanto SPD ražošanā, ir MOV, SASD un gāzizlādes caurules, un MOV ir vislielākais lietojums. MOV pārsprieguma strāvas reitings ir saistīts ar šķērsgriezuma laukumu un tā sastāvu. Kopumā, jo lielāks ir šķērsgriezuma laukums, jo lielāks ir ierīces pārsprieguma strāvas vērtējums. MOV parasti ir apaļas vai taisnstūrveida ģeometrijas, bet tiem ir daudz standarta izmēru, sākot no 7 mm (0.28 collas) līdz 80 mm (3.15 collas). Šo pārsprieguma aizsardzības komponentu pārsprieguma strāvas nominālvērtības ir ļoti atšķirīgas un ir atkarīgas no ražotāja. Savienojot MOV paralēlā masīvā, teorētisko pārsprieguma strāvas reitingu var aprēķināt, vienkārši pievienojot atsevišķu MOV pašreizējos vērtējumus kopā, lai iegūtu masīva pārsprieguma strāvas vērtējumu.

Pastāv daudzas hipotēzes par to, kāda sastāvdaļa, kāda topoloģija un īpašas tehnoloģijas ieviešana rada vislabāko SPD pārsprieguma strāvas novirzīšanai. Tā vietā, lai sniegtu visus šos argumentus un ļautu lasītājam atšifrēt šīs tēmas, vislabāk ir apspriest pārsprieguma strāvas vērtējumu, nominālo izlādes strāvas reitingu vai pārsprieguma strāvas iespējas ap veiktspējas testa datiem. Neatkarīgi no projektā izmantotajām sastāvdaļām vai izmantotās īpašās mehāniskās struktūras ir svarīgi, lai SPD būtu pieplūdes strāvas nominālais vai nominālā izlādes strāvas reitings, kas ir piemērots lietojumam, un, iespējams, vissvarīgāk, ka SPD ierobežo pārejošo pārspriegums līdz līmenim, kas novērš aizsargājamo iekārtu bojājumus, ņemot vērā paredzamo pārsprieguma vidi.

Pamata darbības režīmi

Lielākajai daļai SPD ir trīs pamata darbības režīmi:

• Gaida
• Novirzīšana

Katrā režīmā caur SPD plūst strāva. Tomēr var nesaprast, ka katrā režīmā var pastāvēt cita veida strāva.

Gaidīšanas režīms

Parastās barošanas situācijās, kad elektrības sadales sistēmā tiek piegādāta “tīra jauda”, SPD veic minimālu funkciju. Gaidīšanas režīmā SPD gaida pārsprieguma rašanos un patērē nelielu maiņstrāvu vai tās nemaz neizmanto; galvenokārt to, ko izmanto uzraudzības ķēdes.

Pāradresācijas režīms

Nosakot pārejošu pārsprieguma notikumu, SPD pārslēdzas novirzīšanas režīmā. SPD mērķis ir novirzīt kaitīgo impulsu strāvu prom no kritiskajām slodzēm, vienlaikus samazinot tā radīto sprieguma lielumu līdz zemam, nekaitīgam līmenim.

Kā definēts ANSI/IEEE C62.41.1-2002, tipiska strāvas pāreja ilgst tikai cikla daļu (mikrosekundes), laika fragmentu, salīdzinot ar nepārtrauktu 60 Hz sinusoidāla signāla plūsmu.

Pārsprieguma strāvas stiprums ir atkarīgs no tā avota. Piemēram, zibens spērieni, kas retos gadījumos var saturēt strāvas stiprumu, kas pārsniedz vairākus simtus tūkstošu ampēru. Tomēr objektā iekšēji ģenerēti pārejoši notikumi radīs zemāku strāvas lielumu (mazāk nekā dažus tūkstošus vai simtus ampēru).

Tā kā lielākā daļa SPD ir paredzēti lielu pārsprieguma strāvu apstrādei, viens veiktspējas kritērijs ir produkta pārbaudītā nominālā izlādes strāvas vērtība (In). Šis lielais strāvas lielums bieži tiek sajaukts ar bojājuma strāvu, bet nav saistīts ar to, un tas norāda uz produkta pārbaudīto atkārtoto izturību.

No IEEE Std. C62.72: Nominālā izlādes strāvas nominālā vērtība nodrošina SPD spēju tikt pakļautam atkārtotiem izvēlētās vērtības strāvas pārspriegumiem (kopējiem 15 pārspriegumiem) bez bojājumiem, bojājumiem vai izmaiņām SPD izmērītajos ierobežojošajos spriegumos. Nominālā izlādes strāvas pārbaude ietver visu SPD, ieskaitot visus pārsprieguma aizsardzības komponentus un iekšējos vai ārējos SPD atdalītājus. Pārbaudes laikā neviena sastāvdaļa vai atvienotājs nedrīkst sabojāties, atvērt ķēdi, tikt bojāts vai sabojāties. Lai sasniegtu konkrētu novērtējumu, SPD izmērītais ierobežojošā sprieguma veiktspējas līmenis jāsaglabā starp pirmspārbaudes un pēcpārbaudes salīdzinājumu. Šo testu mērķis ir parādīt SPD spējas un veiktspēju, reaģējot uz pārspriegumiem, kas dažos gadījumos ir smagi, bet kurus var sagaidīt apkalpojošajā iekārtā, objektā vai uzstādīšanas vietā.

Piemēram, SPD ar nominālo izlādes strāvas jaudu 10,000 20,000 vai 10,000 20,000 ampēri vienā režīmā nozīmē, ka izstrādājumam vajadzētu droši izturēt pārejošu strāvas lielumu 15 XNUMX vai XNUMX XNUMX ampēri vismaz XNUMX reizes katrā aizsardzības režīmā.

Dzīves beigas scenāriji

No IEEE Std C62.72: vislielākais drauds SPD ilgtermiņa uzticamībai varētu būt nevis pārspriegums, bet gan atkārtots īslaicīgs vai īslaicīgs pārspriegums (TOV vai “uzbriest”), kas var rasties PDS. SPD ar MCOV, kas ir nedroši tuvu nominālajam sistēmas spriegumam, ir vairāk pakļauti šādiem pārspriegumiem, kas var izraisīt priekšlaicīgu SPD novecošanos vai priekšlaicīgu kalpošanas laiku. Īkšķis, ko bieži izmanto, ir noteikt, vai VPD MCOV ir vismaz 115% no sistēmas nominālā sprieguma katram konkrētajam aizsardzības veidam. Tas ļaus SPD neietekmēt parastās PDS sprieguma izmaiņas.

Tomēr, izņemot ilgstošus pārsprieguma notikumus, SPD laika gaitā var novecot vai pasliktināties vai sasniegt savu ekspluatācijas beigu stāvokli, jo pārspriegumi pārsniedz SPD vērtējumus par pārsprieguma strāvu, pārsprieguma notikumu rašanās ātrumu, pārsprieguma ilgumu vai šo notikumu kombinācija. Atkārtoti pārsprieguma notikumi ar ievērojamu amplitūdu noteiktā laika periodā var pārkarst SPD komponentus un izraisīt pārsprieguma aizsargkomponentu novecošanos. Turklāt pārsprieguma pārspriegumi var izraisīt termiski aktivizētu SPD atvienotāju priekšlaicīgu darbību pārsprieguma aizsargkomponentu sakarsēšanas dēļ. SPD raksturlielumi var mainīties, kad tas sasniedz ekspluatācijas beigu stāvokli-piemēram, izmērītie ierobežojošie spriegumi var palielināties vai samazināties.

Cenšoties izvairīties no bojājumiem pārsprieguma dēļ, daudzi SPD ražotāji izstrādā SPD ar lielu pārsprieguma strāvas spēju, vai nu izmantojot fiziski lielākus komponentus, vai paralēli savienojot vairākus komponentus. Tas tiek darīts, lai izvairītos no iespējamības, ka VPD kā montāžas reitingi tiek pārsniegti, izņemot ļoti retus un izņēmuma gadījumus. Šīs metodes panākumus atbalsta šādā veidā izstrādāto esošo VPD ilgs kalpošanas laiks un vēsture.

Attiecībā uz VPD koordināciju un, kā minēts attiecībā uz pārsprieguma strāvas nominālvērtībām, ir loģiski, ka VPD ar augstāku pārsprieguma strāvas nominālu atrodas apkalpošanas iekārtā, kur PDS ir visvairāk pakļauta pārspriegumiem, lai palīdzētu novērst priekšlaicīgu novecošanos; tikmēr SPD, kas atrodas tālāk no servisa aprīkojuma, kas nav pakļauti ārējiem pārsprieguma avotiem, var būt zemāki. Ar labu pārsprieguma aizsardzības sistēmas dizainu un koordināciju var izvairīties no priekšlaicīgas SPD novecošanās.

Citi SPD atteices cēloņi ir:

• Instalācijas kļūdas
• Izstrādājuma nepareiza piemērošana tā sprieguma nominālvērtībai
• Ilgstoši pārsprieguma notikumi

Ja slāpēšanas komponents neizdodas, tas visbiežāk notiek kā īssavienojums, izraisot strāvas plūsmu caur bojāto komponentu. Pieejamās strāvas daudzums, kas plūst caur šo neveiksmīgo komponentu, ir pieejamās bojājuma strāvas funkcija, un to darbina energosistēma. Lai iegūtu papildinformāciju par kļūmju strāvām, dodieties uz SPD ar drošību saistīto informāciju.