Cum funcționează dispozitivul de protecție la supratensiune (SPD)
Capacitatea unui SPD de a limita supratensiunile din rețeaua electrică de distribuție prin devierea curenților de supratensiune este o funcție a componentelor de protecție la supratensiune, a structurii mecanice a SPD și a conexiunii la rețeaua electrică de distribuție. Un SPD este destinat să limiteze supratensiunile tranzitorii și să devieze curentul de supratensiune sau ambele. Conține cel puțin o componentă neliniară. În termeni simpli, SPD-urile sunt destinate să limiteze supratensiunile tranzitorii cu scopul de a preveni deteriorarea echipamentelor și timpul de nefuncționare din cauza supratensiunilor de tensiune tranzitorie care ajung la dispozitivele pe care le protejează.
De exemplu, luați în considerare o moară de apă protejată de o supapă de presiune. Supapa de presiune nu face nimic până când nu apare un impuls de suprapresiune în alimentarea cu apă. Când se întâmplă acest lucru, supapa se deschide și evită presiunea suplimentară deoparte, astfel încât să nu ajungă la roata de apă.
Dacă supapa de siguranță nu a fost prezentă, o presiune excesivă ar putea deteriora roata de apă sau poate legătura pentru ferăstrău. Chiar dacă supapa de siguranță este în poziție și funcționează corect, o parte a impulsului de presiune va ajunge în continuare la roată. Dar presiunea va fi redusă suficient pentru a nu deteriora roata de apă sau a perturba funcționarea acesteia. Aceasta descrie acțiunea SPD-urilor. Acestea reduc tranzitorii la niveluri care nu vor deteriora sau perturba funcționarea echipamentelor electronice sensibile.
Tehnologii utilizate
Ce tehnologii sunt utilizate în SPD-uri?
De la IEEE Std. C62.72: Câteva componente obișnuite de protecție la supratensiune utilizate la fabricarea SPD sunt varistoarele de oxid de metal (MOV), diodele de avalanșă (ABD - cunoscute anterior ca diode de avalanșă de siliciu sau SAD) și tuburile de descărcare a gazelor (GDT). MOV-urile sunt cea mai frecvent utilizată tehnologie pentru protecția circuitelor de alimentare de curent alternativ. Evaluarea curentului de supratensiune al unui MOV este legată de aria secțiunii transversale și de compoziția sa. În general, cu cât aria secțiunii transversale este mai mare, cu atât este mai mare curentul de supratensiune al dispozitivului. MOV-urile sunt, în general, de geometrie rotundă sau dreptunghiulară, dar vin într-o multitudine de dimensiuni standard variind de la 7 mm (0.28 inch) la 80 mm (3.15 inch). Valorile curente de supratensiune ale acestor componente de protecție la supratensiune variază foarte mult și depind de producător. După cum sa discutat mai devreme în această clauză, prin conectarea MOV-urilor într-o matrice paralelă, o valoare a curentului de supratensiune ar putea fi calculată prin simpla adăugare a valorilor curentului de supratensiune ale MOV-urilor individuale împreună pentru a obține valoarea curentului de supratensiune a matricei. În acest sens, trebuie luată în considerare coordonarea caracteristicilor de funcționare ale MOV-urilor selectate.
Există multe ipoteze cu privire la ce componentă, ce topologie și implementarea unei tehnologii specifice produce cel mai bun SPD pentru devierea curentului de supratensiune. În loc să prezentați toate opțiunile, este cel mai bine ca discuția despre evaluarea curentului de supratensiune, Ratingul nominal al curentului de descărcare sau capacitățile curentului de supratensiune să se învârtă în jurul datelor testelor de performanță. Indiferent de componentele utilizate în proiectare sau de structura mecanică specifică desfășurată, ceea ce contează este că SPD are un curent nominal de supratensiune sau un curent nominal de descărcare nominal care este potrivit pentru aplicație.
Urmează o descriere mai extinsă a acestor componente. Componentele utilizate în SPD variază considerabil. Iată un eșantionare a acestor componente:
Varistor de oxid metalic (MOV)
De obicei, MOV-urile constau dintr-un corp de formă rotundă sau dreptunghiulară de oxid de zinc sinterizat cu aditivi adecvați. Alte tipuri de utilizare includ forme tubulare și structuri multistrat. Varistoarele au electrozi cu particule metalice constând dintr-un aliaj de argint sau alt metal. Este posibil ca electrozii să fi fost aplicați pe corp prin screening și sinterizare sau prin alte procese în funcție de metalul utilizat. Varistorii au, de asemenea, adesea cabluri de sârmă sau filet sau un alt tip de terminare care ar fi putut fi lipit cu electrodul.
Mecanismul de conducere de bază al MOV rezultă din joncțiunile semiconductoare la limita granulelor de oxid de zinc formate în timpul unui proces de sinterizare. Varistorul poate fi considerat un dispozitiv cu joncțiuni multiple, cu multe boabe care acționează în combinație serie-paralelă între terminale. O vedere în secțiune transversală schematică a unui varistor tipic este prezentată în Figura 1.
Varistoarele au proprietatea de a menține o schimbare de tensiune relativ mică între bornele lor, în timp ce curentul de supratensiune care curge prin ele variază pe o lungime de câteva decenii. Această acțiune neliniară le permite să devieze curentul unei supratensiuni atunci când este conectat în șunt peste linie și să limiteze tensiunea peste linie la valori care protejează echipamentul conectat la acea linie.
Diodă de avalanșă (ADB)
Aceste dispozitive sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de diodă de avalanșă de siliciu (SAD) sau supresor de tensiune tranzitorie (TVS). Dioda de defalcare a joncțiunii PN, în forma sa de bază, este o singură joncțiune PN formată dintr-un anod (P) și un catod (N). Vezi Figura 2a. În aplicațiile circuitului de curent continuu, protectorul este polarizat invers, astfel încât un potențial pozitiv să fie aplicat pe latura catodului (N) a dispozitivului. Vezi Figura 2b.
Dioda de avalanșă are trei regiuni de funcționare, 1) polarizare directă (impedanță scăzută), 2) stare oprită (impedanță ridicată) și 3) defecțiune inversă polarizare (impedanță relativ scăzută). Aceste regiuni pot fi văzute în Figura 3. În modul de polarizare directă cu o tensiune pozitivă pe regiunea P, dioda are o impedanță foarte mică odată ce tensiunea depășește tensiunea diodei de polarizare directă, VFS. VFS este de obicei mai mic de 1 V și este definit mai jos. Starea oprită se extinde de la 0 V la chiar sub un VBR pozitiv pe regiunea N. În această regiune, singurii curenți care curg sunt curenții de scurgere dependenți de temperatură și curenții de tunelare Zener pentru diode cu tensiune de avarie redusă. Regiunea de distrugere a polarizării inversă începe cu un VBR pozitiv pe regiunea N. La VBR, electronii care traversează joncțiunea sunt suficient de accelerați de câmpul ridicat din regiunea de joncțiune, încât coliziile de electroni duc la crearea unei cascade sau avalanșe de electroni și găuri. Rezultatul este o scădere bruscă a rezistenței diodei. Atât regiunile de distorsiune directă cât și de distorsiune inversă pot fi utilizate pentru protecție.
Caracteristicile electrice ale unei diode de avalanșă sunt intrinsec asimetrice. De asemenea, sunt fabricate produse de protecție a diodelor de avalanșă simetrice, care constau din joncțiuni spate-spate.
Tub de evacuare a gazului (GDT)
Tuburile de descărcare a gazului constau din doi sau mai mulți electrozi metalici separați printr-un mic spațiu și ținuți de un cilindru din ceramică sau sticlă. Cilindrul este umplut cu un amestec de gaze nobile, care scânteie într-o descărcare de strălucire și în cele din urmă o stare de arc atunci când este aplicată o tensiune suficientă electrozilor.
Când o tensiune care crește încet peste spațiu atinge o valoare determinată în primul rând de distanța electrodului, presiunea gazului și amestecul de gaze, procesul de pornire începe la tensiunea de scânteie (rupere). Odată ce apare scânteia, sunt posibile diferite stări de funcționare, în funcție de circuitele externe. Aceste stări sunt prezentate în Figura 4. La curenți mai mici decât curentul de tranziție strălucire-arc, există o regiune de strălucire. La curenți mici în regiunea de strălucire, tensiunea este aproape constantă; la curenți mari de strălucire, unele tipuri de tuburi de gaz pot intra într-o regiune de strălucire anormală în care crește tensiunea. Dincolo de această regiune de strălucire anormală, impedanța tubului de descărcare a gazului scade în regiunea de tranziție în starea arcului de joasă tensiune. Curentul de tranziție arc-strălucire poate fi mai mic decât tranziția strălucire-arc. Caracteristica electrică GDT, împreună cu circuitele externe, determină capacitatea GDT de a se stinge după trecerea unei supratensiuni și determină, de asemenea, energia disipată în dispozitivul de descărcare în timpul supratensiunii.
Dacă tensiunea aplicată (de exemplu, tranzitorie) crește rapid, timpul necesar pentru procesul de formare a ionizării / arcului poate permite tensiunii tranzitorii să depășească valoarea necesară pentru defecțiune în paragraful anterior. Această tensiune este definită ca tensiunea de rupere a impulsului și este în general o funcție pozitivă a ratei de creștere a tensiunii aplicate (tranzitorie).
Un GDT cu trei electrozi cu o singură cameră are două cavități separate de un electrod inelar central. Gaura din electrodul central permite plasmei de gaz dintr-o cavitate conducătoare să inițieze conducerea în cealaltă cavitate, chiar dacă cealaltă tensiune a cavității poate fi sub tensiunea de scânteie.
Datorită acțiunii de comutare și a construcției robuste, GDT-urile pot depăși alte componente SPD în capacitatea de transportare a curentului. Multe GDT-uri de telecomunicații pot transporta cu ușurință curenți de supratensiune de până la 10 kA (forma de undă 8/20 µs). Mai mult, în funcție de design și dimensiunea GDT, se pot obține curenți de supratensiune> 100 kA.
Construcția tuburilor de descărcare a gazelor este de așa natură încât au o capacitate foarte mică - în general mai mică de 2 pF. Acest lucru permite utilizarea lor în multe aplicații de circuite de înaltă frecvență.
Când GDT-urile funcționează, acestea pot genera radiații de înaltă frecvență, care pot influența electronica sensibilă. Prin urmare, este înțelept să plasați circuitele GDT la o anumită distanță de electronice. Distanța depinde de sensibilitatea electronice și de cât de bine sunt protejate electronice. O altă metodă de evitare a efectului este plasarea GDT într-o incintă ecranată.
Definiții pentru GDT
Un spațiu sau mai multe goluri cu doi sau trei electrozi metalici sigilați ermetic, astfel încât amestecul de gaz și presiunea să fie sub control, concepute pentru a proteja aparatul sau personalul sau ambii, de tensiuni tranzitorii ridicate.
Or
O gol sau goluri dintr-un mediu de descărcare închis, altul decât aerul la presiune atmosferică, conceput pentru a proteja aparatul sau personalul sau ambii, de tensiuni tranzitorii ridicate.
- Filtre LCR
Aceste componente variază prin:
- capacitatea energetică
- disponibilitate
- încredere
- costa
- eficacitate
Din IEEE Std C62.72: Capacitatea unui SPD de a limita supratensiunile din rețeaua electrică de distribuție prin devierea curenților de supratensiune este o funcție a componentelor de protecție la supratensiune, a structurii mecanice a SPD și a conexiunii la rețeaua electrică de distribuție. Câteva componente obișnuite de protecție la supratensiune utilizate în fabricarea SPD-urilor sunt MOV-urile, SASD-urile și tuburile de descărcare a gazului, MOV-urile având cea mai mare utilizare. Evaluarea curentului de supratensiune al unui MOV este legată de aria secțiunii transversale și de compoziția sa. În general, cu cât aria secțiunii transversale este mai mare, cu atât este mai mare curentul de supratensiune al dispozitivului. MOV-urile sunt în general de geometrie rotundă sau dreptunghiulară, dar vin într-o multitudine de dimensiuni standard variind de la 7 mm (0.28 in) la 80 mm (3.15 in). Valorile curente de supratensiune ale acestor componente de protecție la supratensiune variază foarte mult și depind de producător. Prin conectarea MOV-urilor într-o matrice paralelă, puterea teoretică a curentului de supratensiune ar putea fi calculată prin simpla adăugare a valorilor curente ale MOV-urilor individuale împreună pentru a obține valoarea nominală a curentului de supratensiune a matricei.
Există multe ipoteze cu privire la ce componentă, ce topologie și implementarea unei tehnologii specifice produce cel mai bun SPD pentru devierea curentului de supratensiune. În loc să prezentați toate aceste argumente și să lăsați cititorul să descifreze aceste subiecte, cel mai bine este că discuția despre evaluarea curentului de supratensiune, Ratingul nominal al curentului de descărcare sau capacitățile curentului de supratensiune se învârte în jurul datelor testelor de performanță. Indiferent de componentele utilizate în proiectare sau de structura mecanică specifică desfășurată, ceea ce contează este că SPD are un curent nominal de supratensiune sau un nominal nominal de curent de descărcare care este potrivit pentru aplicație și, probabil cel mai important, că SPD limitează tranzitorii supratensiuni la niveluri care împiedică deteriorarea echipamentului protejat având în vedere mediul de supratensiune așteptat.
Moduri de operare de bază
Majoritatea SPD-urilor au trei moduri de operare de bază:
- În așteptare
- distractiv
În fiecare mod, curentul circulă prin SPD. Ceea ce nu poate fi înțeles, totuși, este că poate exista un tip diferit de curent în fiecare mod.
Modul Așteptare
În situații normale de alimentare, când „energie curată” este furnizată într-un sistem de distribuție electrică, SPD îndeplinește o funcție minimă. În modul de așteptare, SPD așteaptă să apară o supratensiune și consumă puțină sau deloc energie electrică; în primul rând cea utilizată de circuitele de monitorizare.
Modul de deviere
La detectarea unui eveniment de supratensiune tranzitorie, SPD se schimbă în modul de deviere. Scopul unui SPD este de a devia curentul de impuls dăunător departe de sarcinile critice, reducând simultan magnitudinea tensiunii rezultate la un nivel scăzut, inofensiv.
Așa cum este definit de ANSI / IEEE C62.41.1-2002, un tranzitor tipic de curent durează doar o fracțiune de ciclu (microsecunde), un fragment de timp în comparație cu fluxul continuu al unui semnal sinusoidal de 60Hz.
Mărimea curentului de supratensiune depinde de sursa sa. Fulgerele, de exemplu, care pot, în cazuri rare, să conțină magnitudini actuale care depășesc câteva sute de mii de amperi. În cadrul unei facilități, totuși, evenimentele tranzitorii generate intern vor produce magnitudini de curent mai mici (mai puțin de câteva mii sau sute de amperi).
Deoarece majoritatea SPD-urilor sunt proiectate pentru a gestiona curenți mari de supratensiune, un punct de referință de performanță este evaluarea nominală a curentului de descărcare (In) al produsului. Adesea confundat cu curentul de defect, dar fără legătură, această magnitudine mare a curentului este o indicație a capacității de rezistență repetate testate a produsului.
De la IEEE Std. C62.72: Evaluarea nominală a curentului de descărcare exercită capacitatea unui SPD de a fi supus la supratensiuni repetitive de curent (15 supratensiuni totale) de o valoare selectată fără deteriorări, degradări sau o modificare a performanței măsurate de tensiune limită a unui SPD. Testul curentului nominal de descărcare include întregul SPD, inclusiv toate componentele de protecție la supratensiune și secționatoarele SPD interne sau externe. În timpul testului, nicio componentă sau întrerupător nu are voie să se defecteze, să deschidă circuitul, să fie deteriorată sau să se degradeze. Pentru a obține o anumită evaluare, nivelul de performanță măsurat al tensiunii limită a SPD trebuie menținut între comparația pre-test și post-test. Scopul acestor teste este de a demonstra capacitatea și performanța unui SPD ca răspuns la supratensiuni care, în unele cazuri, sunt severe, dar ar putea fi de așteptat la echipamentul de service, în cadrul unei instalații sau la locul de instalare.
De exemplu, un SPD cu o capacitate de descărcare nominală de 10,000 sau 20,000 amperi pe mod înseamnă că produsul ar trebui să poată rezista în siguranță la o magnitudine a curentului tranzitoriu de 10,000 sau 20,000 amperi de cel puțin 15 ori, în fiecare dintre modurile de protecție.
Scenarii de sfârșit de viață
Din IEEE Std C62.72: Cea mai mare amenințare la adresa fiabilității pe termen lung a SPD-urilor ar putea să nu fie supratensiunile, ci supratensiunile repetate momentane sau temporare (TOV-uri sau „umflături”) care pot apărea pe PDS. SPD-urile cu un MCOV - care sunt aproape precare de tensiunea nominală a sistemului sunt mai susceptibile la astfel de supratensiuni care pot duce la îmbătrânirea prematură a SPD sau la sfârșitul vieții premature. O regulă generală care este adesea utilizată este de a determina dacă MCOV al SPD este de cel puțin 115% din tensiunea nominală a sistemului pentru fiecare mod specific de protecție. Acest lucru va permite ca SPD să nu fie afectat de variațiile normale de tensiune ale PDS.
Cu toate acestea, în afară de evenimentele de supratensiune susținute, SPD-urile pot îmbătrâni sau se pot degrada sau pot atinge starea lor de sfârșit de serviciu în timp datorită supratensiunilor care depășesc ratingurile SPD-urilor pentru curentul de supratensiune, rata apariției evenimentelor de supratensiune, durata supratensiunii , sau combinația acestor evenimente. Evenimentele repetitive de amplitudine semnificativă pe o perioadă de timp pot supraîncălzi componentele SPD și pot cauza îmbătrânirea componentelor de protecție împotriva supratensiunii. În plus, supratensiunile repetitive pot face ca separatoarele SPD care sunt activate termic să funcționeze prematur datorită încălzirii componentelor de protecție la supratensiune. Caracteristicile unui SPD se pot schimba pe măsură ce atinge starea sa de sfârșit de serviciu - de exemplu, tensiunile limită măsurate pot crește sau scădea.
Într-un efort de a evita degradarea din cauza supratensiunilor, mulți producători de SPD proiectează SPD-uri cu capacități mari de curent de supratensiune fie utilizând componente fizice mai mari, fie conectând mai multe componente în paralel. Acest lucru se face pentru a evita probabilitatea ca ratingurile SPD ca ansamblu să fie depășite, cu excepția cazurilor foarte rare și excepționale. Succesul acestei metode este susținut de durata lungă de viață și de istoria SPD-urilor existente instalate care au fost proiectate în acest mod.
În ceea ce privește coordonarea SPD și, așa cum sa menționat în ceea ce privește ratingurile de curent de supratensiune, este logic să existe un SPD cu ratinguri de curent de supratensiune mai mari situate la echipamentul de service în care PDS este cel mai expus la supratensiuni pentru a ajuta la prevenirea îmbătrânirii premature; între timp, SPD-urile în continuare descendente de la echipamentele de service care nu sunt expuse la surse externe de supratensiuni ar putea avea ratinguri mai mici. Cu o bună proiectare și coordonare a sistemului de protecție la supratensiuni, îmbătrânirea prematură a SPD poate fi evitată.
Alte cauze ale eșecului SPD includ:
- Erori de instalare
- Aplicarea greșită a unui produs pentru evaluarea tensiunii sale
- Evenimente de supratensiune susținute
Atunci când o componentă de suprimare eșuează, cel mai adesea o face ca un scurtcircuit, provocând curentul să înceapă să curgă prin componenta eșuată. Cantitatea de curent disponibilă pentru a curge prin această componentă defectă este o funcție a curentului de defecțiune disponibil și este acționată de sistemul de alimentare. Pentru mai multe informații despre curenții de defecțiune, accesați SPD Informații referitoare la siguranță.
