Hoe overspanningsbeveiliging (SPD) werkt

Hoe overspanningsbeveiliging (SPD) werkt

Het vermogen van een SPD om overspanningen op het elektrische distributienetwerk te beperken door piekstromen om te leiden, is een functie van de overspanningsbeveiligingscomponenten, de mechanische structuur van de SPD en de verbinding met het elektrische distributienetwerk. Een SPD is bedoeld om voorbijgaande overspanningen te beperken en piekstroom om te leiden, of beide. Het bevat ten minste één niet-lineaire component. In de eenvoudigste bewoordingen zijn SPD's bedoeld om tijdelijke overspanningen te beperken met als doel schade aan apparatuur en uitvaltijd te voorkomen als gevolg van tijdelijke spanningspieken die de apparaten bereiken die ze beschermen.

Denk bijvoorbeeld aan een watermolen beschermd door een overdrukventiel. Het overdrukventiel doet niets totdat er een overdrukpuls optreedt in de watertoevoer. Als dat gebeurt, gaat de klep open en shunt de extra druk opzij, zodat deze het waterrad niet bereikt.

Als de ontlastklep niet aanwezig was, zou overmatige druk het waterrad kunnen beschadigen, of misschien de koppeling voor de zaag. Hoewel de ontlastklep op zijn plaats zit en naar behoren werkt, zal een restant van de drukpuls nog steeds het wiel bereiken. Maar de druk zal voldoende zijn verminderd om het waterrad niet te beschadigen of de werking ervan te verstoren. Dit beschrijft de werking van SPD's. Ze verminderen transiënten tot niveaus die de werking van gevoelige elektronische apparatuur niet beschadigen of verstoren.

Gebruikte technologieën

Welke technologieën worden gebruikt in SPD's?

Van IEEE Std. C62.72: Enkele veel voorkomende overspanningsbeveiligingscomponenten die worden gebruikt bij de productie van SPD's zijn metaaloxidevaristors (MOV's), lawinedoorslagdiodes (ABD's - voorheen bekend als siliciumlawinediodes of SAD's) en gasontladingsbuizen (GDT's). MOV's zijn de meest gebruikte technologie voor de bescherming van wisselstroomcircuits. De piekstroomclassificatie van een MOV is gerelateerd aan het dwarsdoorsnede-oppervlak en de samenstelling ervan. Over het algemeen geldt: hoe groter het dwarsdoorsnede-oppervlak, hoe hoger de piekstroomwaarde van het apparaat. MOV's hebben over het algemeen een ronde of rechthoekige geometrie, maar zijn verkrijgbaar in een overvloed aan standaardafmetingen, variërend van 7 mm (0.28 inch) tot 80 mm (3.15 inch). De overspanningsstroomwaarden van deze overspanningsbeveiligingscomponenten lopen sterk uiteen en zijn afhankelijk van de fabrikant. Zoals eerder in deze paragraaf besproken, kan door de MOV's in een parallelle array aan te sluiten, een piekstroomwaarde worden berekend door simpelweg de piekstroomclassificaties van de afzonderlijke MOV's bij elkaar op te tellen om de piekstroomclassificatie van de array te verkrijgen. Daarbij moet rekening worden gehouden met de afstemming van de bedrijfskenmerken van de geselecteerde MOV's.

Er zijn veel hypothesen over welk onderdeel, welke topologie en de inzet van specifieke technologie de beste SPD produceert voor het omleiden van piekstroom. In plaats van alle opties te presenteren, is het het beste dat de discussie over piekstroom, nominale ontlaadstroom of piekstroommogelijkheden draait om prestatietestgegevens. Ongeacht de componenten die in het ontwerp zijn gebruikt of de specifieke mechanische structuur die is ingezet, het gaat erom dat de SPD een piekstroomwaarde of nominale ontlaadstroomwaarde heeft die geschikt is voor de toepassing.

Hierna volgt een uitgebreidere beschrijving van deze onderdelen. De componenten die in SPD's worden gebruikt, variëren aanzienlijk. Hier is een greep uit die componenten:

• Metaaloxidevaristor (MOV)

MOV's bestaan ​​typisch uit een rond of rechthoekig lichaam van gesinterd zinkoxide met geschikte additieven. Andere soorten die in gebruik zijn, zijn onder meer buisvormige vormen en meerlaagse structuren. Varistoren hebben elektroden met metalen deeltjes die bestaan ​​uit een zilverlegering of een ander metaal. De elektroden kunnen op het lichaam zijn aangebracht door afscherming en sinteren of door andere processen, afhankelijk van het gebruikte metaal. Varistors hebben ook vaak draad- of tab-leads of een ander type afsluiting die mogelijk aan de elektrode is gesoldeerd.

Het basisgeleidingsmechanisme van MOV's is het resultaat van halfgeleiderovergangen op de grens van de zinkoxidekorrels die tijdens een sinterproces worden gevormd. De varistor kan worden beschouwd als een multi-junction-apparaat met veel korrels die in serie-parallelle combinatie tussen de terminals werken. Een schematische dwarsdoorsnede van een typische varistor wordt getoond in figuur 1.

Varistors hebben de eigenschap een relatief kleine spanningsverandering over hun terminals te handhaven, terwijl de piekstroom die er doorheen vloeit over meerdere decennia van grootte varieert. Door deze niet-lineaire actie kunnen ze de stroom van een stroomstoot omleiden wanneer ze in shunt over de lijn zijn aangesloten en de spanning over de lijn beperken tot waarden die de apparatuur die op die lijn is aangesloten beschermen.

• Lawinedoorslagdiode (ADB)

Deze apparaten zijn ook bekend als siliciumlawinediode (SAD) of transiënte spanningsonderdrukker (TVS). De doorslagdiode van de PN-overgang is in zijn basisvorm een ​​enkele PN-overgang die bestaat uit een anode (P) en een kathode (N). Zie figuur 2a. In DC-circuittoepassingen is de beschermer omgekeerd voorgespannen zodat een positieve potentiaal wordt toegepast op de kathode (N)-zijde van het apparaat. Zie figuur 2b.

De lawinediode heeft drie werkgebieden, 1) voorwaartse voorspanning (lage impedantie), 2) uit-toestand (hoge impedantie) en 3) omgekeerde voorspanningsdoorslag (relatief lage impedantie). Deze gebieden zijn te zien in figuur 3. In de voorwaartse voorspanningsmodus met een positieve spanning op het P-gebied, heeft de diode een zeer lage impedantie zodra de spanning de voorwaartse voorspanningsdiodespanning, VFS, overschrijdt. VFS is gewoonlijk minder dan 1 V en wordt hieronder gedefinieerd. De uit-toestand strekt zich uit van 0 V tot net onder een positieve VBR in het N-gebied. In dit gebied zijn de enige stromen die vloeien temperatuurafhankelijke lekstromen en Zener-tunnelstromen voor diodes met een lage doorslagspanning. Het reverse bias-doorslaggebied begint met een positieve VBR op het N-gebied. Bij VBR worden elektronen die de junctie oversteken voldoende versneld door het hoge veld in het junctiegebied dat elektronenbotsingen resulteren in een cascade, of lawine, van elektronen en gaten die worden gecreëerd. Het resultaat is een scherpe daling van de weerstand van de diode. Zowel de voorwaartse voorspanning als de achterwaartse voorspanningsdoorslaggebieden kunnen worden gebruikt voor bescherming.

De elektrische eigenschappen van een lawinediode zijn intrinsiek asymmetrisch. Er worden ook symmetrische lawinediodebeschermingsproducten vervaardigd die bestaan ​​uit back-to-back junctions.

• Gasontladingsbuis (GDT)

Gasontladingsbuizen bestaan ​​uit twee of meer metalen elektroden, gescheiden door een kleine opening en vastgehouden door een keramische of glazen cilinder. De cilinder is gevuld met een edelgasmengsel, dat overgaat in een glimontlading en uiteindelijk een boogtoestand wanneer er voldoende spanning op de elektroden wordt aangelegd.

Wanneer een langzaam stijgende spanning over de spleet een waarde bereikt die voornamelijk wordt bepaald door de elektrodenafstand, gasdruk en gasmengsel, begint het inschakelproces bij de vonkoverspanning (doorslagspanning). Als er een vonkoverslag optreedt, zijn er verschillende bedrijfstoestanden mogelijk, afhankelijk van de externe circuits. Deze toestanden worden weergegeven in figuur 4. Bij stromen die kleiner zijn dan de overgangsstroom van gloei naar boog, bestaat een gloeigebied. Bij lage stromen in het gloeigebied is de spanning bijna constant; bij hoge glimstromen kunnen sommige soorten gasbuizen een abnormaal glimgebied binnendringen waarin de spanning toeneemt. Voorbij dit abnormale gloeigebied neemt de impedantie van de gasontladingsbuis af in het overgangsgebied naar de laagspanningsboogconditie. De overgangsstroom van boog naar gloed kan lager zijn dan de overgang van gloed naar boog. De elektrische karakteristiek van de GDT, in combinatie met het externe circuit, bepaalt het vermogen van de GDT om te doven na het passeren van een piek, en bepaalt ook de energie die tijdens de piek in de afleider wordt gedissipeerd.

Als de aangelegde spanning (bijv. tijdelijke spanning) snel stijgt, kan de tijd die nodig is voor het ionisatie-/boogvormingsproces ertoe leiden dat de tijdelijke spanning de waarde overschrijdt die vereist is voor doorslag in de vorige paragraaf. Deze spanning wordt gedefinieerd als de doorslagspanning van de impuls en is in het algemeen een positieve functie van de stijgsnelheid van de aangelegde spanning (transiënt).

Een GDT met drie elektrodes met één kamer heeft twee holtes, gescheiden door een centrale ringelektrode. Door het gat in de middenelektrode kan gasplasma uit een geleidende holte geleiding in de andere holte initiëren, ook al kan de spanning van de andere holte lager zijn dan de vonkoverspanning.

Vanwege hun schakelactie en robuuste constructie, kunnen GDT's andere SPD-componenten in stroomdragend vermogen overtreffen. Veel telecommunicatie-GDT's kunnen gemakkelijk piekstromen tot 10 kA (8/20 µs golfvorm) dragen. Verder kunnen, afhankelijk van het ontwerp en de grootte van de GDT, piekstromen van > 100 kA worden bereikt.

De constructie van gasontladingsbuizen is zodanig dat ze een zeer lage capaciteit hebben – doorgaans minder dan 2 pF. Dit maakt hun gebruik in veel hoogfrequente circuittoepassingen mogelijk.

Wanneer GDT's werken, kunnen ze hoogfrequente straling genereren, die gevoelige elektronica kan beïnvloeden. Het is daarom verstandig om GDT-schakelingen op een bepaalde afstand van de elektronica te plaatsen. De afstand is afhankelijk van de gevoeligheid van de elektronica en hoe goed de elektronica is afgeschermd. Een andere methode om het effect te voorkomen, is door de GDT in een afgeschermde behuizing te plaatsen.

Definities voor GDT

Een opening, of meerdere openingen met twee of drie metalen elektroden die hermetisch zijn afgesloten zodat het gasmengsel en de druk onder controle zijn, ontworpen om apparatuur of personeel, of beide, te beschermen tegen hoge transiënte spanningen.

Or

Een spleet of openingen in een omsloten ontladingsmedium, anders dan lucht bij atmosferische druk, ontworpen om apparatuur of personeel, of beide, te beschermen tegen hoge transiënte spanningen.

• LCR-filters

Deze componenten variëren in hun:

• energie vermogen
• beschikbaarheid
• betrouwbaarheid
• kosten
• effectiviteit

Uit IEEE Std C62.72: Het vermogen van een SPD om overspanningen op het elektrische distributienetwerk te beperken door piekstromen om te leiden, is een functie van de overspanningsbeveiligingscomponenten, de mechanische structuur van de SPD en de verbinding met het elektrische distributienetwerk. Een paar veel voorkomende overspanningsbeveiligingscomponenten die worden gebruikt bij de productie van SPD's zijn MOV's, SASD's en gasontladingsbuizen, waarbij MOV's het grootste gebruik hebben. De piekstroomclassificatie van een MOV is gerelateerd aan het dwarsdoorsnede-oppervlak en de samenstelling ervan. Over het algemeen geldt: hoe groter het dwarsdoorsnede-oppervlak, hoe hoger de piekstroomwaarde van het apparaat. MOV's hebben over het algemeen een ronde of rechthoekige geometrie, maar zijn verkrijgbaar in een overvloed aan standaardafmetingen, variërend van 7 mm (0.28 inch) tot 80 mm (3.15 inch). De overspanningsstroomwaarden van deze overspanningsbeveiligingscomponenten lopen sterk uiteen en zijn afhankelijk van de fabrikant. Door de MOV's in een parallelle array aan te sluiten, kan een theoretische piekstroomwaarde worden berekend door simpelweg de stroomwaarden van de afzonderlijke MOV's bij elkaar op te tellen om de piekstroomclassificatie van de array te verkrijgen.

Er zijn veel hypothesen over welk onderdeel, welke topologie en de inzet van specifieke technologie de beste SPD produceert voor het omleiden van piekstroom. In plaats van al deze argumenten te presenteren en de lezer deze onderwerpen te laten ontcijferen, is het het beste dat de discussie over piekstroomclassificatie, nominale ontladingsstroomclassificatie of piekstroommogelijkheden draait om prestatietestgegevens. Ongeacht de componenten die in het ontwerp zijn gebruikt of de specifieke mechanische structuur die is ingezet, het gaat erom dat de SPD een piekstroomwaarde of nominale ontlaadstroomwaarde heeft die geschikt is voor de toepassing en, waarschijnlijk het belangrijkste, dat de SPD de transiënte overspanningen tot niveaus die schade aan de beschermde apparatuur voorkomen, gezien de verwachte piekomgeving.

Basis bedrijfsmodi

De meeste SPD's hebben drie basisbedieningsmodi:

• In afwachting van
• Omleidend

In elke modus vloeit er stroom door de SPD. Wat echter misschien niet wordt begrepen, is dat er in elke modus een ander type stroom kan bestaan.

De wachtmodus

Onder normale stroomsituaties wanneer "schone stroom" wordt geleverd binnen een elektrisch distributiesysteem, vervult de SPD een minimale functie. In de wachtmodus wacht de SPD op het optreden van een overspanning en verbruikt hij weinig of geen wisselstroom; voornamelijk die welke wordt gebruikt door de bewakingscircuits.

De omleidingsmodus

Bij het detecteren van een voorbijgaande overspanningsgebeurtenis, schakelt de SPD over naar de omleidingsmodus. Het doel van een SPD is om de schadelijke impulsstroom weg te leiden van kritische belastingen, terwijl tegelijkertijd de resulterende spanningsgrootte wordt teruggebracht tot een laag, onschadelijk niveau.

Zoals gedefinieerd door ANSI/IEEE C62.41.1-2002, duurt een typische stroomtransiënt slechts een fractie van een cyclus (microseconden), een fragment van tijd in vergelijking met de continue stroom van een 60 Hz sinusvormig signaal.

De grootte van de piekstroom is afhankelijk van de bron. Blikseminslagen, bijvoorbeeld, die in zeldzame gevallen stroomsterkten van meer dan enkele honderdduizenden ampère kunnen bevatten. Binnen een faciliteit zullen intern gegenereerde tijdelijke gebeurtenissen echter lagere stroomsterkten produceren (minder dan een paar duizend of honderd ampère).

Aangezien de meeste SPD's zijn ontworpen om grote piekstromen te verwerken, is een prestatiebenchmark de geteste nominale ontlaadstroomclassificatie (In). Vaak verward met foutstroom, maar niet gerelateerd, is deze grote stroomsterkte een indicatie van de geteste herhaalde weerstandscapaciteit van het product.

Van IEEE Std. C62.72: De nominale ontlaadstroom oefent het vermogen van een SPD uit om te worden onderworpen aan herhaalde stroompieken (15 totale pieken) van een geselecteerde waarde zonder schade, degradatie of een verandering in de gemeten beperkende spanningsprestaties van een SPD. De nominale ontladingsstroomtest omvat de gehele SPD inclusief alle overspanningsbeveiligingscomponenten en interne of externe SPD-scheiders. Tijdens de test mag geen enkel onderdeel of scheider defect raken, het circuit openen, beschadigd raken of verslechteren. Om een ​​bepaalde classificatie te bereiken, moet het gemeten grensspanningsprestatieniveau van de SPD worden gehandhaafd tussen de pre-test en post-test vergelijking. Het doel van deze tests is om het vermogen en de prestaties van een SPD aan te tonen als reactie op pieken die in sommige gevallen ernstig zijn, maar die kunnen worden verwacht bij de serviceapparatuur, binnen een faciliteit of op de installatielocatie.

Een SPD met een nominale ontlaadstroomcapaciteit van 10,000 of 20,000 ampère per modus betekent bijvoorbeeld dat het product minimaal 10,000 keer een tijdelijke stroomsterkte van 20,000 of 15 ampère moet kunnen weerstaan, in elk van de beveiligingsmodi.

Scenario's voor einde levensduur

Uit IEEE Std C62.72: De grootste bedreiging voor de betrouwbaarheid van SPD's op de lange termijn zijn mogelijk geen pieken, maar de herhaalde tijdelijke of tijdelijke overspanningen (TOV's of "swells") die kunnen optreden op de PDS. SPD's met een MCOV - die gevaarlijk dicht bij de nominale systeemspanning liggen, zijn gevoeliger voor dergelijke overspanningen die kunnen leiden tot voortijdige veroudering van de SPD of voortijdig einde van de levensduur. Een vuistregel die vaak wordt gebruikt, is om te bepalen of de MCOV van de SPD ten minste 115% van de nominale systeemspanning is voor elke specifieke beveiligingsmodus. Hierdoor wordt de SPD niet beïnvloed door de normale spanningsvariaties van de PDS.

Afgezien van aanhoudende overspanningsgebeurtenissen, kunnen SPD's echter in de loop van de tijd verouderen, verslechteren of hun einde-servicetoestand bereiken als gevolg van pieken die de SPD's-classificaties voor piekstroom overschrijden, de mate van optreden van piekgebeurtenissen, duur van de piek , of de combinatie van deze gebeurtenissen. Herhaalde overspanningsgebeurtenissen met een aanzienlijke amplitude gedurende een bepaalde periode kunnen de SPD-componenten oververhitten en de overspanningsbeveiligingscomponenten doen verouderen. Verder kunnen herhaalde pieken ertoe leiden dat SPD-scheidingsschakelaars die thermisch worden geactiveerd, voortijdig werken vanwege de verwarming van de overspanningsbeveiligingscomponenten. De kenmerken van een SPD kunnen veranderen wanneer deze het einde van de levensduur bereikt - de gemeten limietspanningen kunnen bijvoorbeeld toenemen of afnemen.

In een poging om degradatie als gevolg van pieken te voorkomen, ontwerpen veel SPD-fabrikanten SPD's met hoge piekstroommogelijkheden, hetzij door fysiek grotere componenten te gebruiken of door meerdere componenten parallel aan te sluiten. Dit wordt gedaan om de kans te vermijden dat de classificaties van de SPD als assemblage worden overschreden, behalve in zeer zeldzame en uitzonderlijke gevallen. Het succes van deze methode wordt ondersteund door de lange levensduur en geschiedenis van bestaande SPD's die op deze manier zijn ontworpen.

Met betrekking tot de SPD-coördinatie en, zoals vermeld met betrekking tot de nominale piekstroomwaarden, is het logisch om een ​​SPD met hogere piekstroomwaarden te plaatsen bij de serviceapparatuur waar de PDS het meest wordt blootgesteld aan pieken om vroegtijdige veroudering te helpen voorkomen; ondertussen kunnen SPD's verder downline van de serviceapparatuur die niet worden blootgesteld aan externe bronnen van spanningspieken een lagere classificatie hebben. Met een goed ontwerp en coördinatie van het overspanningsbeveiligingssysteem kan vroegtijdige SPD-veroudering worden voorkomen.

Andere oorzaken van SPD-falen zijn onder meer:

• Installatie fouten
• Verkeerde toepassing van een product vanwege de nominale spanning
• Aanhoudende overspanningsgebeurtenissen

Wanneer een onderdrukkingscomponent faalt, gebeurt dit meestal als een kortsluiting, waardoor er stroom door de defecte component begint te vloeien. De hoeveelheid stroom die beschikbaar is om door dit defecte onderdeel te stromen, is een functie van de beschikbare foutstroom en wordt aangedreven door het voedingssysteem. Ga voor meer informatie over foutstromen naar SPD Safety Related Information.