Как работает устройство защиты от перенапряжения (SPD)

Как работает устройство защиты от перенапряжения (SPD)

Способность SPD ограничивать перенапряжения в электрической распределительной сети путем отвода импульсных токов является функцией компонентов защиты от перенапряжения, механической конструкции SPD и подключения к электрической распределительной сети. УЗИП предназначен для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсного тока или того и другого. Он содержит как минимум одну нелинейную составляющую. Проще говоря, SPD предназначены для ограничения переходных перенапряжений с целью предотвращения повреждения оборудования и простоев из-за переходных скачков напряжения, достигающих устройств, которые они защищают.

Например, рассмотрим водяную мельницу, защищенную предохранительным клапаном. Клапан сброса давления ничего не делает, пока в водопроводе не возникнет импульс избыточного давления. Когда это происходит, клапан открывается и сбрасывает дополнительное давление в сторону, так что оно не достигает водяного колеса.

Если предохранительный клапан отсутствовал, избыточное давление могло повредить водяное колесо или, возможно, рычаг пилы. Несмотря на то, что предохранительный клапан находится на месте и работает должным образом, часть импульса давления все равно достигнет колеса. Но давление будет уменьшено настолько, чтобы не повредить водяное колесо и не нарушить его работу. Это описывает действие SPD. Они снижают переходные процессы до уровней, которые не повредят или не нарушат работу чувствительного электронного оборудования.

Используемые технологии

Какие технологии используются в УЗИП?

Из IEEE Std. C62.72: Несколько распространенных компонентов защиты от перенапряжения, используемых при производстве SPD, - это металлооксидные варисторы (MOV), диоды лавинного пробоя (ABD - ранее известные как кремниевые лавинные диоды или SAD) и газоразрядные трубки (GDT). MOV - это наиболее часто используемая технология для защиты силовых цепей переменного тока. Рейтинг импульсного тока MOV зависит от площади поперечного сечения и его состава. Как правило, чем больше площадь поперечного сечения, тем выше номинальный импульсный ток устройства. MOV обычно имеют круглую или прямоугольную геометрию, но бывают множества стандартных размеров от 7 мм (0.28 дюйма) до 80 мм (3.15 дюйма). Номинальные значения импульсного тока этих компонентов защиты от импульсных перенапряжений сильно различаются и зависят от производителя. Как обсуждалось ранее в этом разделе, путем соединения MOV в параллельном массиве значение импульсного тока может быть вычислено путем простого сложения номинальных значений импульсного тока отдельных MOV вместе, чтобы получить номинальный импульсный ток массива. При этом следует учитывать согласование рабочих характеристик выбранных MOV.

Существует множество гипотез относительно того, какой компонент, какая топология и развертывание конкретной технологии дает лучший SPD для отвода импульсного тока. Вместо того, чтобы представлять все варианты, лучше всего, чтобы обсуждение рейтинга импульсного тока, номинального тока разряда или возможностей импульсного тока вращалось вокруг данных испытаний производительности. Независимо от компонентов, используемых в конструкции, или конкретной развернутой механической конструкции, важно то, что SPD имеет номинальный ток импульсного перенапряжения или номинальный ток разряда, который подходит для данного приложения.

Ниже приводится более подробное описание этих компонентов. Компоненты, используемые в SPD, значительно различаются. Вот примеры этих компонентов:

• Металлооксидный варистор (MOV)

Обычно MOV состоят из тела круглой или прямоугольной формы из спеченного оксида цинка с подходящими добавками. Другие используемые типы включают трубчатые формы и многослойные конструкции. Варисторы имеют электроды с металлическими частицами, состоящими из сплава серебра или другого металла. Электроды могут быть нанесены на тело путем просеивания и спекания или другими способами в зависимости от используемого металла. Варисторы также часто имеют провода или выводы или какой-либо другой тип оконечной нагрузки, которые могли быть припаяны к электроду.

Основной механизм проводимости MOV возникает из-за полупроводниковых переходов на границе зерен оксида цинка, образовавшихся в процессе спекания. Варистор можно рассматривать как многопереходное устройство с множеством зерен, действующих в последовательно-параллельной комбинации между выводами. Схематический вид в разрезе типичного варистора показан на рисунке 1.

Варисторы обладают свойством поддерживать относительно небольшое изменение напряжения на своих выводах, в то время как импульсный ток, протекающий через них, изменяется на несколько десятков лет. Это нелинейное действие позволяет им отводить ток скачка при шунтирующем подключении к линии и ограничивать напряжение на линии до значений, которые защищают оборудование, подключенное к этой линии.

• Диод лавинного пробоя (ADB)

Эти устройства также известны как кремниевый лавинный диод (SAD) или ограничитель переходного напряжения (TVS). Пробойный диод на PN-переходе, в своей основной форме, представляет собой одиночный PN-переход, состоящий из анода (P) и катода (N). См. Рисунок 2а. В схемах постоянного тока защитное устройство имеет обратное смещение, так что на катодную (N) сторону устройства подается положительный потенциал. См. Рисунок 2b.

Лавинный диод имеет три рабочих области: 1) прямое смещение (низкий импеданс), 2) выключенное состояние (высокий импеданс) и 3) пробой обратного смещения (относительно низкий импеданс). Эти области можно увидеть на рисунке 3. В режиме прямого смещения с положительным напряжением в области P диод имеет очень низкий импеданс, когда напряжение превышает напряжение прямого смещения VFS. VFS обычно меньше 1 В и определяется ниже. Состояние выключения простирается от 0 В до чуть ниже положительного значения VBR в области N. В этой области протекают только токи утечки, зависящие от температуры, и туннельные токи Зенера для диодов с низким пробивным напряжением. Область пробоя обратного смещения начинается с положительного VBR в области N. При VBR электроны, пересекающие переход, достаточно ускоряются сильным полем в области перехода, поэтому столкновения электронов приводят к возникновению каскада или лавины электронов и дырок. Результат - резкое падение сопротивления диода. Области пробоя как прямого смещения, так и обратного смещения могут использоваться для защиты.

Электрические характеристики лавинного диода по своей сути асимметричны. Выпускаются также изделия симметричной лавинной диодной защиты, состоящие из стыковых переходов.

• Газоразрядная трубка (ГДТ)

Газоразрядные трубки состоят из двух или более металлических электродов, разделенных небольшим зазором и удерживаемых керамическим или стеклянным цилиндром. Цилиндр заполнен смесью благородных газов, которая переходит в тлеющий разряд и, наконец, возникает дуга, когда на электроды подается достаточное напряжение.

Когда медленно возрастающее напряжение на зазоре достигает значения, определяемого в первую очередь расстоянием между электродами, давлением газа и газовой смесью, процесс включения начинается при напряжении пробоя (пробоя). Когда происходит искровой разряд, возможны различные рабочие состояния в зависимости от внешней схемы. Эти состояния показаны на рисунке 4. При токах, меньших, чем ток перехода от тлеющего к дуге, существует область тлеющего разряда. При малых токах в области свечения напряжение почти постоянно; при высоких токах свечения некоторые типы газовых трубок могут попасть в область аномального свечения, в которой увеличивается напряжение. За пределами этой области аномального свечения полное сопротивление газоразрядной трубки уменьшается в переходной области в состояние дуги низкого напряжения. Ток перехода от дуги к тлеющему может быть ниже, чем при переходе от тлеющего к дуге. Электрическая характеристика GDT в сочетании с внешней схемой определяет способность GDT гаснуть после прохождения перенапряжения, а также определяет энергию, рассеиваемую в разряднике во время перенапряжения.

Если приложенное напряжение (например, переходное) быстро растет, время, необходимое для процесса ионизации / образования дуги, может позволить переходному напряжению превысить значение, требуемое для пробоя, указанное в предыдущем абзаце. Это напряжение определяется как импульсное напряжение пробоя и обычно является положительной функцией скорости нарастания приложенного напряжения (переходного процесса).

Однокамерный трехэлектродный ГДТ имеет две полости, разделенные центральным кольцевым электродом. Отверстие в центральном электроде позволяет газовой плазме из проводящей полости инициировать проводимость в другой полости, даже если напряжение в другой полости может быть ниже напряжения искрового пробоя.

Из-за своего переключающего действия и прочной конструкции GDT могут превосходить другие компоненты SPD по токонесущей способности. Многие телекоммуникационные GDT могут легко переносить импульсные токи до 10 кА (форма волны 8/20 мкс). Кроме того, в зависимости от конструкции и размера GDT могут быть достигнуты импульсные токи> 100 кА.

Конструкция газоразрядных трубок такова, что они имеют очень низкую емкость - обычно менее 2 пФ. Это позволяет использовать их во многих высокочастотных схемах.

Во время работы GDT могут генерировать высокочастотное излучение, которое может влиять на чувствительную электронику. Поэтому разумно разместить схемы GDT на определенном расстоянии от электроники. Расстояние зависит от чувствительности электроники и от того, насколько хорошо электроника экранирована. Другой способ избежать этого эффекта - поместить GDT в экранированный корпус.

Определения для GDT

Зазор или несколько зазоров с двумя или тремя металлическими электродами, герметично закрытыми так, чтобы газовая смесь и давление находились под контролем, предназначенные для защиты оборудования или персонала, или того и другого, от высоких переходных напряжений.

Or

Зазор или промежутки в замкнутой среде разряда, отличной от воздуха при атмосферном давлении, предназначенные для защиты оборудования или персонала, или того и другого, от высоких переходных напряжений.

• LCR фильтры

Эти компоненты различаются по своему:

• энергетическая способность
• свободных мест
• надежность
• стоят
• эффективность

Из IEEE Std C62.72: Способность SPD ограничивать перенапряжения в электрической распределительной сети путем отвода импульсных токов является функцией компонентов защиты от перенапряжения, механической конструкции SPD и подключения к электрической распределительной сети. Несколько распространенных компонентов защиты от перенапряжения, используемых при производстве SPD, - это MOV, SASD и газоразрядные трубки, причем MOV имеют самое широкое применение. Рейтинг импульсного тока MOV зависит от площади поперечного сечения и его состава. Как правило, чем больше площадь поперечного сечения, тем выше номинальный импульсный ток устройства. MOV обычно имеют круглую или прямоугольную геометрию, но бывают множества стандартных размеров от 7 мм (0.28 дюйма) до 80 мм (3.15 дюйма). Номинальные значения импульсного тока этих компонентов защиты от импульсных перенапряжений сильно различаются и зависят от производителя. Соединяя MOV в параллельном массиве, теоретический рейтинг импульсного тока может быть рассчитан путем простого сложения текущих значений отдельных MOV вместе, чтобы получить рейтинг импульсного тока массива.

Существует множество гипотез относительно того, какой компонент, какая топология и развертывание конкретной технологии дает лучший SPD для отвода импульсного тока. Вместо того, чтобы представлять все эти аргументы и позволять читателю расшифровать эти темы, лучше всего, чтобы обсуждение рейтинга импульсного тока, номинального номинального тока разряда или возможностей импульсного тока вращалось вокруг данных испытаний производительности. Независимо от компонентов, используемых в конструкции, или конкретной развернутой механической конструкции, важно то, что SPD имеет рейтинг импульсного тока или номинальный ток разряда, который подходит для данного приложения, и, что, вероятно, наиболее важно, что SPD ограничивает переходные процессы. перенапряжения до уровней, предотвращающих повреждение защищаемого оборудования в ожидаемых условиях перенапряжения.

Основные режимы работы

Большинство SPD имеют три основных режима работы:

• В ожидании
• Распределительный

В каждом режиме ток течет через SPD. Однако можно не понимать, что в каждом режиме может существовать ток разного типа.

Режим ожидания

В нормальных условиях электроснабжения, когда «чистая энергия» подается в систему распределения электроэнергии, УЗИП выполняет минимальную функцию. В режиме ожидания УЗИП ожидает возникновения перенапряжения и потребляет мало или совсем не потребляет мощность переменного тока; в первую очередь то, что используется схемами контроля.

Отводящий режим

При обнаружении переходного перенапряжения УЗИП переходит в режим переключения. Назначение УЗИП - отводить повреждающий импульсный ток от критических нагрузок, одновременно снижая результирующую величину напряжения до низкого, безвредного уровня.

Согласно определению ANSI / IEEE C62.41.1-2002, типичный переходный процесс по току длится только часть цикла (микросекунд), то есть фрагмент времени по сравнению с непрерывным потоком синусоидального сигнала с частотой 60 Гц.

Величина импульсного тока зависит от его источника. Например, удары молнии, которые в редких случаях могут иметь силу тока, превышающую несколько сотен тысяч ампер. Однако внутри объекта переходные процессы, генерируемые внутри, будут производить более низкие величины тока (менее нескольких тысяч или сотен ампер).

Поскольку большинство SPD предназначены для работы с большими импульсными токами, одним из критериев производительности является испытанный номинальный ток разряда (In). Эта большая величина тока, которую часто путают с током короткого замыкания, но не связана с ней, является показателем многократно проверенной выдерживаемой способности продукта.

Из IEEE Std. C62.72: Номинальный ток разряда проверяет способность SPD подвергаться повторяющимся скачкам тока (всего 15 скачков) выбранного значения без повреждения, ухудшения или изменения измеренных характеристик предельного напряжения SPD. Тест номинального тока разряда включает в себя все УЗИП, включая все компоненты защиты от перенапряжения, а также внутренние или внешние разъединители УЗИП. Во время испытания ни один компонент или разъединитель не должен выходить из строя, размыкать цепь, быть поврежденным или выходить из строя. Чтобы достичь определенного номинала, измеренный уровень предельного напряжения SPD должен поддерживаться между предварительным и послетестовым сравнением. Целью этих испытаний является демонстрация возможностей и характеристик SPD в ответ на скачки напряжения, которые в некоторых случаях являются серьезными, но их можно ожидать на обслуживающем оборудовании, на предприятии или в месте установки.

Например, УЗИП с номинальной емкостью тока разряда 10,000 20,000 или 10,000 20,000 ампер на режим означает, что изделие должно быть в состоянии безопасно выдерживать переходный ток величиной 15 XNUMX или XNUMX XNUMX ампер минимум XNUMX раз в каждом из режимов защиты.

Сценарии конца жизни

Из IEEE Std C62.72: Наибольшую угрозу для долгосрочной надежности SPD могут представлять не скачки напряжения, а повторяющиеся мгновенные или временные перенапряжения (TOV или «выбросы»), которые могут возникать на PDS. УЗИП с MCOV, которые ненадежно близки к номинальному напряжению системы, более восприимчивы к таким перенапряжениям, которые могут привести к преждевременному старению УЗИП или преждевременному окончанию срока службы. Часто используется практическое правило, чтобы определить, составляет ли MCOV SPD не менее 115% от номинального напряжения системы для каждого конкретного режима защиты. Это позволит избежать воздействия на SPD нормальных колебаний напряжения PDS.

Однако, помимо устойчивых событий перенапряжения, УЗИП могут стареть, выходить из строя или достигать состояния прекращения эксплуатации с течением времени из-за скачков, превышающих номинальные значения УЗИП по импульсному току, скорости возникновения событий перенапряжения, продолжительности перенапряжения. , или сочетание этих событий. Повторяющиеся скачки напряжения значительной амплитуды в течение определенного периода времени могут привести к перегреву компонентов SPD и вызвать старение компонентов защиты от скачков напряжения. Кроме того, повторяющиеся скачки напряжения могут привести к преждевременному срабатыванию термически активируемых разъединителей SPD из-за нагрева компонентов защиты от перенапряжения. Характеристики УЗИП могут изменяться по мере того, как он достигает своего конечного состояния - например, измеренные предельные напряжения могут увеличиваться или уменьшаться.

Стремясь избежать деградации из-за скачков напряжения, многие производители SPD проектируют SPD с высокими импульсными токами, используя физически более крупные компоненты или путем параллельного соединения нескольких компонентов. Это сделано для того, чтобы избежать вероятности превышения рейтингов SPD как сборки, за исключением очень редких и исключительных случаев. Успех этого метода подтверждается длительным сроком службы и историей установленных SPD, которые были сконструированы таким образом.

Что касается координации SPD и, как указано в отношении номинальных значений импульсного тока, логично иметь SPD с более высокими номинальными значениями импульсного тока, расположенного на обслуживающем оборудовании, где PDS наиболее подвержен импульсным скачкам, чтобы помочь в предотвращении преждевременного старения; Между тем, SPD, находящиеся дальше от обслуживающего оборудования, которые не подвергаются воздействию внешних источников скачков напряжения, могут иметь меньшие рейтинги. Благодаря хорошей конструкции и согласованности системы защиты от перенапряжения можно избежать преждевременного старения УЗИП.

К другим причинам отказа SPD относятся:

• Ошибки установки
• Неправильное использование продукта для его номинального напряжения
• Устойчивые события перенапряжения

Когда компонент подавления выходит из строя, чаще всего происходит короткое замыкание, в результате чего ток начинает течь через вышедший из строя компонент. Количество тока, доступного для протекания через этот неисправный компонент, является функцией доступного тока повреждения и управляется системой питания. Для получения дополнительной информации о токах короткого замыкания перейдите в раздел «Информация, связанная с безопасностью SPD».