Како работи заштитниот уред за пренапони (SPD)

Како работи заштитниот уред за пренапони (SPD)

Способноста на СПД да ги ограничи пренапоните на електричната дистрибутивна мрежа со пренасочување на пренапонските струи е функција на пренапонските заштитни компоненти, механичката структура на СПД и поврзувањето со електричната дистрибутивна мрежа. SPD има за цел да ги ограничи преодните пренапони и да пренасочи пренапонска струја, или и двете. Содржи најмалку една нелинеарна компонента. Во наједноставни термини, СПД се наменети да ги ограничат преодните пренапони со цел да спречат оштетување на опремата и прекин поради преодните бранови на напон што ги достигнуваат уредите што ги штитат.

На пример, размислете за водена воденица заштитена со вентил за ослободување од притисок. Вентилот за ослободување од притисок не прави ништо додека не се појави пулс со прекумерен притисок во водоснабдувањето. Кога тоа ќе се случи, вентилот се отвора и го избегнува дополнителниот притисок настрана, така што нема да стигне до воденото тркало.

Ако вентилот за ослободување не беше присутен, прекумерниот притисок може да го оштети тркалото за вода, или можеби врската за пилата. Иако олеснувачкиот вентил е на место и работи правилно, остаток од притисокот на притисокот сепак ќе стигне до тркалото. Но, притисокот ќе биде доволно намален за да не го оштети воденото тркало или да го наруши неговото функционирање. Ова го опишува дејството на СПБ. Тие ги намалуваат преодните до нивоа што нема да ја оштетат или нарушат работата на чувствителната електронска опрема.

Користени технологии

Кои технологии се користат во СПБ?

Од IEEE Std. C62.72: Неколку вообичаени компоненти за заштита од пренапони што се користат во производството на СПБ се варистори од метален оксид (МОВ), лавини за разложување диоди (АБД-порано познати како силициумски лавови диоди или ЕЦД) и цевки за испуштање гасови (ГДТ). МОВ се најчесто користената технологија за заштита на кола за напојување со наизменична струја. Рејтингот на пренапонската струја на МОВ е поврзан со површината на пресекот и неговиот состав. Општо земено, колку е поголема површината на напречниот пресек, толку е поголем рејтингот на пренапонската струја на уредот. МОВ генерално се со тркалезна или правоаголна геометрија, но доаѓаат во плетеница со стандардни димензии кои се движат од 7 мм (0.28 инчи) до 80 мм (3.15 инчи). Оценките за пренапонска струја на овие заштитни компоненти за пренапони варираат во голема мера и зависат од производителот. Како што беше дискутирано порано во оваа клаузула, со поврзување на МОВ во паралелна низа, вредноста на пренапонската струја може да се пресмета со едноставно додавање на рејтингот на пренапонската струја на поединечните МОВ заедно за да се добие рејтингот на пренапонската струја на низата. Притоа, треба да се земе предвид координацијата на оперативните карактеристики на избраните МОВ.

Постојат многу хипотези за тоа која компонента, каква топологија и распоредување на специфична технологија произведува најдобра СПД за пренасочување на пренапонската струја. Наместо да ги презентирате сите опции, најдобро е дискусијата за рејтингот на пренапонска струја, Номинален тековен рејтинг за празнење или способности за пренапонска струја да се врти околу податоците од тестот за изведба. Без оглед на компонентите што се користат во дизајнот, или распоредената специфична механичка структура, она што е важно е дека СПД има рејтинг на пренапонска струја или Номинален тековен рејтинг за празнење што е соодветен за апликацијата.

Следува поопширен опис на овие компоненти. Компонентите што се користат во СПБ значително се разликуваат. Еве примерок од тие компоненти:

• Метален оксид варистор (MOV)

Обично, MOV се состојат од тркалезно или правоаголно тело од синтеруван цинк оксид со соодветни адитиви. Други видови во употреба вклучуваат тубуларни форми и повеќеслојни структури. Варисторите имаат електроди од метални честички составени од сребрена легура или друг метал. Електродите можеби биле нанесени на телото со скрининг и синтерување или со други процеси во зависност од користениот метал. Варисторите, исто така, честопати имаат жици или спојници или некој друг тип на завршница што можеби се залемени на електродата.

Основниот механизам на спроводливост на МОВ произлегува од полупроводнички споеви на границата на зрната од цинк оксид формирани за време на процесот на синтерување. Варисторот може да се смета за повеќенаменски уред со многу зрна што дејствуваат во серија-паралелна комбинација помеѓу терминалите. Шематски приказ на пресек на типичен варистор е прикажан на слика 1.

Варисторите имаат својство да одржуваат релативно мала промена на напонот низ нивните терминали, додека струјата на струја што тече низ нив варира во текот на неколку децении на големината. Ова нелинеарно дејство им овозможува да ја пренасочат струјата на напливот кога се поврзани во шант преку линијата и да го ограничат напонот преку линијата до вредности што ја штитат опремата поврзана со таа линија.

• Лавина распаѓачка диода (АДБ)

Овие уреди се познати и како силициумска лавина диода (SAD) или преоден потиснувач на напон (TVS). Диодата на распаѓање на раскрсницата PN, во својата основна форма, е еден PN спој кој се состои од анода (P) и катода (N). Видете слика 2а. Во апликациите на DC колото, заштитникот е обратно пристрасен така што позитивниот потенцијал се применува на катодната (N) страна на уредот. Видете слика 2б.

Лавината диода има три оперативни региони, 1) пристрасност напред (ниска импеданса), 2) исклучена состојба (висока импеданса) и 3) дефект на обратна пристрасност (релативно ниска импеданса). Овие региони може да се видат на слика 3. Во режимот на пристрасност напред со позитивен напон на регионот P, диодата има многу ниска импеданса откако напонот ќе го надмине напонот на диодната пристрасна напред, VFS. VFS обично е помал од 1 V и е дефиниран подолу. Исклучената состојба се протега од 0 V до нешто под позитивниот VBR на N регионот. Во овој регион, единствените струи што течат се струи на истекување зависни од температурата и тунелски струи на Зенер за диоди со низок прекин на напонот. Регионот на дефект на обратна пристрасност започнува со позитивен VBR на регионот N. Кај електроните со VBR што ја преминуваат раскрсницата се доволно забрзани со високото поле во спојниот регион, така што судирот на електрони резултира со каскада, или лавина, од создавање електрони и дупки. Резултатот е остар пад на отпорноста на диодата. И областите за распаѓање на предрасудата и обратната пристрасност може да се користат за заштита.

Електричните карактеристики на лавината диода се суштински асиметрични. Се произведуваат и симетрични производи за заштита од лавина од диоди, кои се состојат од крстосници од грб назад.

• Цевка за испуштање гас (ГДТ)

Цевките за испуштање гас се состојат од две или повеќе метални електроди одделени со мала празнина и држени со керамички или стаклен цилиндар. Цилиндерот е исполнет со мешавина од благородни гасови, која испарува во испуштање на сјај и конечно состојба на лак кога се применува доволен напон на електродите.

Кога бавно растечкиот напон низ јазот достигнува вредност одредена првенствено од растојанието на електродата, притисокот на гасот и мешавината на гас, процесот на вклучување започнува при напон на искра (дефект). Штом се појави искра, можни се различни работни состојби, во зависност од надворешното коло. Овие состојби се прикажани на слика 4. При струи помали од струјата на сјај во лак, постои регион на сјај. При ниски струи во регионот на сјај, напонот е речиси константен; при високи струи на сјај, некои видови гасни цевки може да навлезат во абнормален регион на сјај во кој се зголемува напонот. Надвор од овој ненормален сјаен регион, импедансата на цевката за испуштање гас се намалува во преодниот регион во состојба на нисконапонски лак. Преодната струја од лак до сјај може да биде помала од транзицијата на сјај во лак. Електричната карактеристика на ГДТ, заедно со надворешното коло, ја одредува способноста на ГДТ да се изгасне по минување на наплив, а исто така ја одредува и енергијата што се троши во прекинувачот за време на напливот.

Ако применетиот напон (на пр. Минлив) рапидно расте, времето потребно за процесот на јонизација/формирање лак може да дозволи преодниот напон да ја надмине вредноста потребна за дефект во претходниот став. Овој напон е дефиниран како напон на прекин на импулсот и генерално е позитивна функција на стапката на пораст на применетиот напон (минлив).

Една коморна три-електрода GDT има две шуплини одделени со централна прстенеста електрода. Дупката во централната електрода овозможува плазма на гас од проводна празнина да иницира спроводливост во другата празнина, иако напонот на другата празнина може да биде под напонот на искрата.

Поради нивното префрлување и солидната конструкција, ГДТ можат да ги надминат другите компоненти на СПД во способноста за носење струја. Многу телекомуникациски ГДТ можат лесно да пренесат пренапони на струја и до 10 kA (бранова форма на 8/20 µs). Понатаму, во зависност од дизајнот и големината на GDT, може да се постигнат пренапонски струи> 100 kA.

Конструкцијата на цевки за испуштање гас е таква што тие имаат многу ниска капацитивност - генерално помала од 2 pF. Ова овозможува нивна употреба во многу апликации со високофреквентни кола.

Кога работат ГДТ, тие можат да генерираат високофреквентно зрачење, што може да влијае на чувствителната електроника. Затоа е мудро да ги поставите GDT кола на одредено растојание од електрониката. Растојанието зависи од чувствителноста на електрониката и од тоа колку е добро заштитена електрониката. Друг метод за да се избегне ефектот е да се стави GDT во заштитено куќиште.

Дефиниции за ГДТ

Јаз, или неколку празнини со две или три метални електроди херметички затворени така што мешавината и притисокот на гасот се под контрола, дизајнирани да ги заштитат апаратите или персоналот, или и двете, од високи преодни напони.

Or

Јаз или празнини во затворен медиум за празнење, освен воздухот при атмосферски притисок, дизајниран да ги заштити апаратите или персоналот, или и двете, од високи преодни напони.

• LCR филтри

Овие компоненти се разликуваат по нив:

• енергетска способност
• достапност
• сигурност
• чини
• ефикасност

Од IEEE Std C62.72: Способноста на SPD да ги ограничи пренапоните на електричната дистрибутивна мрежа со пренасочување на пренапонските струи е функција на пренапонските заштитни компоненти, механичката структура на SPD и поврзувањето со електричната дистрибутивна мрежа. Неколку вообичаени компоненти за заштита од пренапони што се користат во производството на СПБ се МОВ, САСД и цевки за испуштање гасови, при што МОВ имаат најголема употреба. Рејтингот на пренапонската струја на МОВ е поврзан со површината на пресекот и неговиот состав. Општо земено, колку е поголема површината на пресекот, толку е повисок рејтингот на пренапонската струја на уредот. МОВ генерално се со тркалезна или правоаголна геометрија, но доаѓаат во плетеница со стандардни димензии кои се движат од 7 мм (0.28 инчи) до 80 мм (3.15 инчи). Оценките за пренапонска струја на овие заштитни компоненти за пренапони варираат во голема мера и зависат од производителот. Со поврзување на МОВ во паралелна низа, може да се пресмета теоретски рејтинг на пренапонска струја со едноставно додавање на тековните оценки на поединечните МОВ заедно за да се добие рејтингот на пренапонската струја на низата.

Постојат многу хипотези за тоа која компонента, каква топологија и распоредување на специфична технологија произведува најдобра СПД за пренасочување на пренапонската струја. Наместо да ги презентирате сите овие аргументи и да му дозволите на читателот да ги дешифрира овие теми, најдобро е дискусијата за рејтингот на пренапонска струја, Номинален тековен рејтинг за празнење или способности за пренапони да се врти околу податоците од тестот за изведба. Без оглед на компонентите што се користат во дизајнот, или распоредената специфична механичка структура, она што е важно е дека СПД има рејтинг на пренапонска струја или Номинален тековен рејтинг на празнење што е соодветен за апликацијата и, најверојатно најважно, дека СПД го ограничува минливото пренапони до нивоа што спречуваат оштетување на опремата што е заштитена со оглед на очекуваната пренапонска средина.

Основни режими на работа

Повеќето СПД имаат три основни режими на работа:

• Се чека
• Пренасочување

Во секој режим, струјата тече низ SPD. Меѓутоа, она што можеби не може да се разбере е дека може да постои различен тип на струја во секој режим.

Режим на чекање

Во нормални ситуации со напојување кога „чиста енергија“ се снабдува во електричен дистрибутивен систем, СПД врши минимална функција. Во режим на чекање, СПД чека да се појави пренапон и троши мала или никаква струја; првенствено она што го користат мониторинг кола.

Режим на пренасочување

Кога ќе почувствува минлив настан за пренапон, СПД се менува во режим на пренасочување. Целта на SPD е да ја пренасочи штетната импулсна струја подалеку од критичните оптоварувања, истовремено намалувајќи ја нејзината резултирачка јачина на напон на ниско, безопасно ниво.

Како што е дефинирано со ANSI/IEEE C62.41.1-2002, типична струја минлива трае само дел од циклусот (микросекунди), фрагмент од времето во споредба со континуираниот проток на синусоидален сигнал од 60Hz.

Големината на пренапонската струја зависи од неговиот извор. На пример, ударите на гром што во ретки случаи може да содржат тековни величини што надминуваат неколку стотици илјади засилувачи. Во рамките на објектот, сепак, внатрешно генерираните минливи настани ќе произведуваат помали тековни величини (помалку од неколку илјади или сто ампери).

Бидејќи повеќето СПД се дизајнирани да се справат со големи струи на пренапони, еден репер за перформанси е тестираниот номинален рејтинг на струја на производот (во). Често помешана со струја на дефект, но неповрзана, оваа голема струја е показател за тестираниот капацитет на производот што се повторува.

Од IEEE Std. C62.72: Номиналниот рејтинг на струја на празнење ја вежба способноста на СПД да подлежи на повторливи струи (15 вкупни бранови) со избрана вредност без оштетување, деградација или промена во измерените ограничувачки напонски перформанси на СПБ. Тестот за номинално празнење на струја го вклучува целиот СПД, вклучувајќи ги сите компоненти за заштита од пренапони и внатрешни или надворешни раскинувачи за СПД. За време на тестот, ниту една компонента или прекинувач не смее да пропадне, да го отвори колото, да се оштети или да се расипе. За да се постигне одреден рејтинг, измереното ниво на ограничувачки напонски перформанси на SPD мора да се одржува помеѓу пред-тест и пост-тест споредба. Целта на овие тестови е да се демонстрира способноста и перформансите на СПБ како одговор на пренапони кои во некои случаи се тешки, но може да се очекуваат кај сервисната опрема, во објектот или на локацијата за инсталација.

На пример, СПД со номинален капацитет на струја на празнење од 10,000 или 20,000 ампери по режим значи дека производот треба да може безбедно да издржи минлива струја од 10,000 или 20,000 ампери минимум 15 пати, во секој од начините на заштита.

Сценарија за крај на животот

Од IEEE Std C62.72: Најголемата закана за долгорочната сигурност на СПБ не може да бидат пренапони, туку повторените моментални или привремени пренапони (ТОВ или „отекувања“) што можат да се појават на ПДС. СПБ со MCOV-кои се несигурно блиску до номиналниот напон на системот се повеќе подложни на такви пренапони што можат да доведат до предвремено стареење на СПБ или предвремено завршување на животот. Општо правило што често се користи е да се утврди дали MCOV на SPD е најмалку 115% од номиналниот системски напон за секој специфичен начин на заштита. Ова ќе овозможи SPD да не биде засегната од нормалните варијации на напонот на PDS.

Сепак, настрана од одржливите настани за пренапон, СПБ може да стареат или деградираат или да ја достигнат својата состојба на крајот на услугата со текот на времето поради пренапони што ги надминуваат рејтингот на СПБ за пренапонска струја, стапката на појава на пренапонски настани, времетраење на напливот. , или комбинација на овие настани. Повторувачки настани со значителна амплитуда во одреден временски период може да ги прегреат компонентите на СПД и да предизвикаат стареење на заштитните компоненти на пренапонот. Понатаму, повторувачките бранови може да предизвикаат прекинувачи за СПД кои се термички активирани да работат предвреме поради загревање на заштитните компоненти за пренапони. Карактеристиките на SPD може да се променат кога ќе ја достигне својата состојба на крајот на услугата-на пример, измерените ограничувачки напони може да се зголемат или намалат.

Во обид да се избегне деградација поради пренапони, многу производители на СПД дизајнираат СПБ со способности за висока струја или со употреба на физички поголеми компоненти или со паралелно поврзување на повеќе компоненти. Ова е направено за да се избегне веројатноста дека рејтингот на СПД како собрание е надминат, освен во многу ретки и исклучителни случаи. Успехот на овој метод е поддржан од долгиот работен век и историјата на постојните инсталирани СПБ, дизајнирани на овој начин.

Во однос на координацијата на СПБ и, како што е наведено во врска со зголемените тековни рејтинзи, логично е да се има СПБ со повисоки оценки за струја на пренапони лоцирани во сервисната опрема каде што ПДС е најизложена на пренапони за да помогне во спречување на предвремено стареење; Во меѓувреме, СПБ, кои се надолу од услужната опрема и кои не се изложени на надворешни извори, можат да имаат помал рејтинг. Со добар дизајн и координација на системот за заштита од пренапони, може да се избегне предвремено стареење на СПБ.

Други причини за неуспехот на СПБ вклучуваат:

• Грешки при инсталирање
• Погрешна примена на производ за неговиот напонски рејтинг
• Одржани настани со пренапон

Кога компонентата за сузбивање не успее, најчесто тоа го прави кратко, предизвикувајќи струја да започне да тече низ неуспешната компонента. Количината на достапна струја што тече низ оваа неуспешна компонента е функција од достапната струја на дефект и е управувана од електроенергетскиот систем. За повеќе информации за дефектните струи, одете на информации поврзани со безбедноста на СПД.