Hvordan Surge Protective Device (SPD) fungerer

Hvordan Surge Protective Device (SPD) fungerer

En SPDs evne til å begrense overspenninger på det elektriske distribusjonsnettet ved å avlede overspenningsstrømmer er en funksjon av de overspenningsbeskyttende komponentene, den mekaniske strukturen til SPD og forbindelsen til det elektriske distribusjonsnettet. En SPD er ment å begrense forbigående overspenninger og avlede overspenningsstrøm, eller begge deler. Den inneholder minst en ikke -lineær komponent. I de enkleste termer er SPD -er ment å begrense forbigående overspenninger med et mål om å forhindre skade på utstyr og nedetid på grunn av forbigående spenningsoverspenninger som når enhetene de beskytter.

Tenk for eksempel på en vannmølle som er beskyttet av en trykkavlastningsventil. Trykkavlastningsventilen gjør ingenting før det oppstår en overtrykkspuls i vannforsyningen. Når det skjer, åpner ventilen og skyter det ekstra trykket til side, slik at det ikke når vannhjulet.

Hvis avlastningsventilen ikke var tilstede, kan overdreven trykk skade vannhjulet, eller kanskje koblingen til sagen. Selv om avlastningsventilen er på plass og fungerer som den skal, vil noen rester av trykkpulsen fremdeles nå hjulet. Men trykket vil ha blitt redusert nok til ikke å skade vannhjulet eller forstyrre driften. Dette beskriver handlingen til SPD. De reduserer transienter til nivåer som ikke vil skade eller forstyrre driften av sensitivt elektronisk utstyr.

Brukte teknologier

Hvilke teknologier brukes i SPD -er?

Fra IEEE Std. C62.72: Noen få vanlige overspenningsbeskyttende komponenter som brukes i produksjon av SPD-er er metalloksydvaristorer (MOV-er), nedbrytningsdioder for skred (ABD-er-tidligere kjent som silisiumskreddioder eller SAD-er) og gassutladningsrør (GDT). MOV er den mest brukte teknologien for beskyttelse av vekselstrømskretser. Overspenningsstrømmen til en MOV er relatert til tverrsnittsarealet og dets sammensetning. Generelt, jo større tverrsnittsarealet er, desto høyere er overspenningsstrømmen til enheten. MOV -er har vanligvis rund eller rektangulær geometri, men kommer i en mengde standarddimensjoner som spenner fra 7 mm (0.28 tommer) til 80 mm (3.15 tommer). Overspenningsstrømmen til disse overspenningsbeskyttende komponentene varierer mye og er avhengig av produsenten. Som omtalt tidligere i denne klausulen, ved å koble MOV -ene i et parallelt array, kan en overspenningsstrømverdi beregnes ved ganske enkelt å legge til overspenningsstrømkarakterene til de enkelte MOV -ene for å oppnå overspenningsstrømmen til matrisen. I den forbindelse bør det tas hensyn til koordinering av driftskarakteristikkene til de valgte MOV -ene.

Det er mange hypoteser om hvilken komponent, hvilken topologi og distribusjon av spesifikk teknologi gir den beste SPD for å avlede overspenningsstrøm. I stedet for å presentere alle alternativene, er det best at diskusjonen om overspenningsstrøm, nominell utladningsstrømvurdering eller overspenningsstrømskapasitet dreier seg om ytelsestestdata. Uavhengig av komponentene som brukes i designet, eller den spesifikke mekaniske strukturen som er utplassert, er det viktige at SPD har en overspenningsstrøm eller nominell utladningsstrøm som er egnet for applikasjonen.

En mer omfattende beskrivelse av disse komponentene følger. Komponentene som brukes i SPD -er varierer betydelig. Her er et utvalg av disse komponentene:

• Metalloksidvaristor (MOV)

Vanligvis består MOV -er av en rund eller rektangulær kropp av sintret sinkoksid med passende tilsetningsstoffer. Andre typer i bruk inkluderer rørformede former og flerlagsstrukturer. Varistorer har metallpartikkelelektroder som består av en sølvlegering eller annet metall. Elektrodene kan ha blitt påført kroppen ved screening og sintring eller ved andre prosesser avhengig av metallet som brukes. Varistorer har også ofte lednings- eller tappeledninger eller annen type avslutning som kan ha blitt loddet til elektroden.

Den grunnleggende ledningsmekanismen for MOV -er skyldes halvlederkryss ved grensen til sinkoksidkornene som dannes under en sintringsprosess. Varistoren kan betraktes som en multi-junction-enhet med mange korn som virker i serie-parallell kombinasjon mellom terminalene. Et skjematisk tverrsnitt av en typisk varistor er vist i figur 1.

Varistorer har egenskapen til å opprettholde en relativt liten spenningsendring over terminalene sine, mens overspenningsstrømmen som strømmer gjennom dem varierer over flere tiår med størrelse. Denne ikke -lineære handlingen gjør at de kan avlede strømmen til en overspenning når de er tilkoblet i shunt over linjen og begrense spenningen over linjen til verdier som beskytter utstyret som er koblet til den linjen.

• Avalanche Breakdown Diode (ADB)

Disse enhetene er også kjent som silisiumskreddiode (SAD) eller transient voltage suppressor (TVS). PN -kryss -sammenbruddsdioden, i sin grunnform, er en enkelt PN -kryssing som består av en anode (P) og en katode (N). Se figur 2a. I applikasjoner for likestrømskretser er beskyttelsen omvendt forspent slik at et positivt potensial påføres katoden (N) siden av enheten. Se figur 2b.

Skreddioden har tre driftsområder, 1) forspenning forover (lav impedans), 2) av tilstand (høy impedans), og 3) omvendt skjevhet (relativt lav impedans). Disse områdene kan sees på figur 3. I forspenningsmodusen med en positiv spenning på P -regionen har dioden veldig lav impedans når spenningen overskrider forspenningsdiaspenningen, VFS. VFS er vanligvis mindre enn 1 V og er definert nedenfor. Av -tilstanden strekker seg fra 0 V til like under en positiv VBR på N -regionen. I denne regionen er de eneste strømmer som strømmer temperaturavhengige lekkasjestrømmer og Zener tunnelingstrømmer for lavspenningsdioder. Nedbrytningsområdet for omvendt skjevhet begynner med en positiv VBR på N -regionen. Ved VBR elektroner som krysser krysset akselereres nok av det høye feltet i kryssområdet at elektronkollisjoner resulterer i en kaskade, eller skred, av elektroner og hull som oppstår. Resultatet er et kraftig fall i motstanden til dioden. Både nedadgående forspennings- og omvendt forspenningsområder kan brukes for beskyttelse.

De elektriske egenskapene til en skreddiode er iboende asymmetriske. Symmetriske skreddiodebeskyttelsesprodukter bestående av rygg til rygg -kryss produseres også.

• Gassutladningsrør (GDT)

Gassutladningsrør består av to eller flere metallelektroder som er atskilt med et lite hull og holdt i en keramisk eller glass sylinder. Sylinderen er fylt med en edelgassblanding, som gnistrer over til en glødende utladning og til slutt en lysbue -tilstand når tilstrekkelig spenning tilføres elektrodene.

Når en langsomt stigende spenning over gapet når en verdi som først og fremst bestemmes av elektrodeavstanden, gasstrykket og gassblandingen, starter oppstartsprosessen ved gnistspenningen (nedbrytning). Når gnist-over skjer, er forskjellige driftstilstander mulige, avhengig av den eksterne kretsen. Disse tilstandene er vist i figur 4. Ved strømmer som er mindre enn glød-til-bue-overgangsstrømmen, eksisterer det en glødregion. Ved lave strømmer i glødområdet er spenningen nesten konstant; ved høye glødestrømmer kan noen typer gassrør komme inn i et unormalt lysområde der spenningen øker. Utover dette unormale glødområdet reduseres gassutladningsrørimpedansen i overgangsområdet til lavspenningsbue-tilstanden. Bue-til-glød-overgangsstrømmen kan være lavere enn glød-til-bue-overgangen. Den elektriske GDT -egenskapen, i forbindelse med den eksterne kretsen, bestemmer GDTs evne til å slukke etter at en overspenning har passert, og bestemmer også energien som forsvinner i avlederen under overspenningen.

Hvis den påførte spenningen (f.eks. Forbigående) stiger raskt, kan tiden det tar for ioniserings-/bueformingsprosessen tillate at transientspenningen overskrider verdien som kreves for sammenbrudd i forrige avsnitt. Denne spenningen er definert som impulsbruddsspenningen og er generelt en positiv funksjon av stigningshastigheten til den påførte spenningen (forbigående).

En enkeltkammer tre-elektrode GDT har to hulrom atskilt med en senterringelektrode. Hullet i senterelektroden tillater gassplasma fra et ledende hulrom å starte ledning i det andre hulrommet, selv om den andre hulromsspenningen kan være under gnist-over-spenningen.

På grunn av deres byttevirkning og robuste konstruksjon, kan GDT-er overskride andre SPD-komponenter i strømførende evne. Mange GDT -er for telekommunikasjon kan enkelt bære overspenningsstrømmer så høye som 10 kA (8/20 µs bølgeform). Avhengig av design og størrelse på GDT kan det også oppnås overspenningsstrømmer på> 100 kA.

Konstruksjonen av gassutladningsrør er slik at de har svært lav kapasitans - vanligvis mindre enn 2 pF. Dette tillater bruk i mange høyfrekvente kretsprogrammer.

Når GDT-er fungerer, kan de generere høyfrekvent stråling, noe som kan påvirke sensitiv elektronikk. Det er derfor lurt å plassere GDT -kretser i en viss avstand fra elektronikken. Avstanden avhenger av følsomheten til elektronikken og hvor godt elektronikken er skjermet. En annen metode for å unngå effekten er å plassere GDT i et skjermet kabinett.

Definisjoner for GDT

Et gap, eller flere hull med to eller tre metallelektroder hermetisk lukket slik at gassblanding og trykk er under kontroll, designet for å beskytte apparat eller personell, eller begge deler, mot høye forbigående spenninger.

Or

Et gap eller hull i et lukket utladningsmedium, annet enn luft ved atmosfærisk trykk, designet for å beskytte apparater eller personell, eller begge deler, mot høye forbigående spenninger.

• LCR -filtre

Disse komponentene varierer i:

• energikapasitet
• tilgjengelighet
• pålitelighet
• koste
• effektivitet

Fra IEEE Std C62.72: En SPDs evne til å begrense overspenninger på det elektriske distribusjonsnettet ved å avlede overspenningsstrømmer er en funksjon av de overspenningsbeskyttende komponentene, den mekaniske strukturen til SPD og forbindelsen til det elektriske distribusjonsnettet. Noen få vanlige overspenningsbeskyttende komponenter som brukes i produksjon av SPD er MOV, SASD og gassutladningsrør, med MOV som har størst bruk. Overspenningsstrømmen til en MOV er relatert til tverrsnittsarealet og dets sammensetning. Generelt, jo større tverrsnittsarealet er, desto høyere er overspenningsstrømmen til enheten. MOV -er har vanligvis rund eller rektangulær geometri, men kommer i en mengde standarddimensjoner som spenner fra 7 mm (0.28 tommer) til 80 mm (3.15 tommer). Overspenningsstrømmen til disse overspenningsbeskyttende komponentene varierer mye og er avhengig av produsenten. Ved å koble MOV -ene i et parallelt array, kan en teoretisk overspenningsstrømkarakter beregnes ved ganske enkelt å legge til strømverdiene for de enkelte MOV -ene for å få matrisens overspenningsstrøm.

Det er mange hypoteser om hvilken komponent, hvilken topologi og distribusjon av spesifikk teknologi gir den beste SPD for å avlede overspenningsstrøm. I stedet for å presentere alle disse argumentene og la leseren dechiffrere disse emnene, er det best at diskusjonen om overspenningsstrøm, nominell utladningsstrømvurdering eller overspenningsstrømskapasitet dreier seg om ytelsestestdata. Uavhengig av komponentene som brukes i designet, eller den spesifikke mekaniske strukturen som brukes, er det viktige at SPD har en overspenningsstrøm eller nominell utladningsstrøm som er egnet for applikasjonen, og sannsynligvis viktigst at SPD begrenser forbigående overspenning til nivåer som forhindrer skade på utstyret som beskyttes gitt det forventede overspenningsmiljøet.

Grunnleggende driftsmoduser

De fleste SPD -er har tre grunnleggende driftsmoduser:

• Venter
• Viderekobling

I hver modus flyter strøm gjennom SPD. Det som kanskje ikke er forstått, er imidlertid at en annen type strøm kan eksistere i hver modus.

Venter -modus

Under normale strømforhold når "ren strøm" leveres i et elektrisk distribusjonssystem, utfører SPD minimal funksjon. I ventemodus venter SPD på overspenning og bruker lite eller ingen vekselstrøm. først og fremst det som brukes av overvåkningskretsene.

Omdirigeringsmodus

Ved registrering av en forbigående overspenningshendelse, endres SPD til viderekoblingsmodus. Formålet med en SPD er å avlede den skadelige impulsstrømmen vekk fra kritiske belastninger, samtidig som den reduserer den resulterende spenningsstørrelsen til et lavt, ufarlig nivå.

Som definert av ANSI/IEEE C62.41.1-2002 varer en typisk strømtransient bare en brøkdel av en syklus (mikrosekunder), et fragment av tid sammenlignet med den kontinuerlige strømmen av et 60Hz, sinusformet signal.

Størrelsen på overspenningsstrømmen er avhengig av kilden. Lynnedslag, for eksempel, som i sjeldne tilfeller kan inneholde strømstyrker som overstiger flere hundre tusen ampere. Innenfor et anlegg vil internt genererte forbigående hendelser imidlertid gi lavere strømstyrker (mindre enn noen få tusen eller hundre ampere).

Siden de fleste SPD -er er designet for å håndtere store overspenningsstrømmer, er en ytelses benchmark produktets testede nominelle utladningsstrøm (in). Ofte forvekslet med feilstrøm, men ikke relatert, er denne store strømstyrken en indikasjon på produktets testede gjentatte motstandskapasitet.

Fra IEEE Std. C62.72: Den nominelle utladningsstrømmen utøver en SPDs evne til å bli utsatt for repeterende strømstøt (15 totale overspenninger) av en valgt verdi uten skade, forringelse eller endring i målt begrensende spenningsytelse for en SPD. Nominell utladningsstrømstest inkluderer hele SPD inkludert alle overspenningsvernkomponenter og interne eller eksterne SPD -frakoblinger. Under testen er det ikke tillatt at noen komponent eller frakobling feiler, åpner kretsen, blir skadet eller ødelegges. For å oppnå en bestemt vurdering må det målte begrensende spenningsytelsesnivået til SPD opprettholdes mellom for-testen og etter-test sammenligningen. Hensikten med disse testene er å demonstrere evnen og ytelsen til en SPD som svar på overspenninger som i noen tilfeller er alvorlige, men kan forventes på serviceutstyret, i et anlegg eller på installasjonsstedet.

For eksempel betyr en SPD med en nominell utladningsstrømskapasitet på 10,000 20,000 eller 10,000 20,000 ampere per modus at produktet trygt skal kunne motstå en forbigående strømstyrke på 15 XNUMX eller XNUMX XNUMX ampere minst XNUMX ganger, i hver av beskyttelsesmåtene.

Scenarier for slutten av livet

Fra IEEE Std C62.72: Den største trusselen mot den langsiktige påliteligheten til SPD-er er kanskje ikke overspenninger, men gjentatte øyeblikkelige eller midlertidige overspenninger (TOVer eller "svulmer") som kan oppstå på PDS. SPD-er med en MCOV-som er prekært nær den nominelle systemspenningen, er mer utsatt for slike overspenninger som kan føre til for tidlig SPD-aldring eller for tidlig levetid. En tommelfingerregel som ofte brukes er å bestemme om MCOV for SPD er minst 115% av den nominelle systemspenningen for hver spesifikk beskyttelsesmåte. Dette vil tillate SPD å bli upåvirket av de normale spenningsvariasjonene til PDS.

Bortsett fra vedvarende overspenningshendelser kan imidlertid SPD-er eldes, eller degraderes, eller når tilstanden ved slutten av tjenesten over tid på grunn av overspenninger som overstiger SPD-karakterene for overspenningsstrøm, forekomsten av bølgehendelser, varigheten av overspenningen , eller kombinasjonen av disse hendelsene. Gjentatte overspenningshendelser med betydelig amplitude over en periode kan overopphetes SPD -komponentene og føre til at overspenningsbeskyttende komponenter blir eldre. Videre kan gjentatte overspenninger føre til at SPD -frakoblinger som er termisk aktivert, fungerer for tidlig på grunn av oppvarming av overspenningsbeskyttende komponenter. Egenskapene til en SPD kan endre seg når den når tilstanden ved slutten av tjenesten-for eksempel kan de målte begrensningsspenningene øke eller redusere.

I et forsøk på å unngå forringelse på grunn av overspenninger, designer mange SPD -produsenter SPD -er med høye strømspenningsegenskaper enten ved å bruke fysisk større komponenter eller ved å koble flere komponenter parallelt. Dette er gjort for å unngå sannsynligheten for at klassifiseringen av SPD som en samling overskrides bortsett fra i svært sjeldne og eksepsjonelle tilfeller. Suksessen til denne metoden støttes av den lange levetiden og historien til eksisterende installerte SPD -er som er designet på denne måten.

Når det gjelder SPD -koordinering og, som angitt med hensyn til overspenningsstrømmer, er det logisk å ha en SPD med høyere overspenningsstrømmer plassert ved serviceutstyret der PDS er mest utsatt for overspenninger for å forhindre tidlig aldring; I mellomtiden kan SPD-er ytterligere nedlinje fra serviceutstyret som ikke er utsatt for eksterne kilder til overspenning, kan ha lavere karakterer. Med god overspenningsbeskyttende systemdesign og koordinering kan tidlig SPD -aldring unngås.

Andre årsaker til SPD -svikt inkluderer:

• Installasjonsfeil
• Feil bruk av et produkt for dets spenningsvurdering
• Vedvarende overspenningshendelser

Når en undertrykkelseskomponent mislykkes, gjør den det som en kort stund, noe som får strøm til å begynne å strømme gjennom den mislykkede komponenten. Mengden strøm som er tilgjengelig for å strømme gjennom denne mislykkede komponenten er en funksjon av den tilgjengelige feilstrømmen og drives av kraftsystemet. For mer informasjon om feilstrømmer, gå til SPD -sikkerhetsrelatert informasjon.