Ako funguje zariadenie na ochranu proti prepätiu (SPD)
Schopnosť SPD obmedziť prepätia v elektrickej rozvodnej sieti odklonom rázových prúdov je funkciou prepäťových ochranných komponentov, mechanickej štruktúry SPD a pripojenia k elektrickej rozvodnej sieti. SPD je určený na obmedzenie prechodných prepätí a odklonenie nárazového prúdu alebo oboch. Obsahuje najmenej jednu nelineárnu zložku. Zjednodušene povedané, SPD sú určené na obmedzenie prechodných prepätí s cieľom zabrániť poškodeniu zariadenia a prestojom v dôsledku prechodových prepätí, ktoré sa dostanú k zariadeniam, ktoré chránia.
Zvážte napríklad vodný mlyn chránený poistným ventilom. Tlakový poistný ventil nerobí nič, kým v prívode vody nenastane pretlak. Keď sa to stane, ventil sa otvorí a posunie dodatočný tlak stranou, aby sa nedostal k vodnému kolesu.
Ak by nebol k dispozícii poistný ventil, nadmerný tlak by mohol poškodiť vodné koleso alebo prepojenie píly. Aj keď je poistný ventil na svojom mieste a funguje správne, určitý zvyšok tlakového impulzu sa stále dostane na koleso. Tlak však bude dostatočne znížený, aby nepoškodil vodné koleso a nenarušil jeho činnosť. Toto popisuje činnosť SPD. Znižujú prechodové javy na úrovne, ktoré nepoškodia ani nenarušia činnosť citlivých elektronických zariadení.
Použité technológie
Aké technológie sa používajú v SPD?
Od spoločnosti IEEE Std. C62.72: Niekoľko bežných súčiastok na ochranu proti prepätiu používaných pri výrobe SPD sú varistory na báze oxidu kovu (MOV), lavínové diódy (ABD-predtým známe ako kremíkové lavínové diódy alebo SAD) a plynové výbojky (GDT). MOV sú najčastejšie používanou technológiou na ochranu obvodov striedavého prúdu. Hodnotenie rázového prúdu MOV súvisí s plochou prierezu a jeho zložením. Všeobecne platí, že čím väčšia je plocha prierezu, tým vyššie je hodnotenie zariadenia pri nárazovom prúde. MOV majú spravidla okrúhlu alebo obdĺžnikovú geometriu, ale prichádzajú s veľkým počtom štandardných rozmerov v rozsahu od 7 mm (0.28 palca) do 80 mm (3.15 palca). Hodnoty nárazových prúdov týchto komponentov chrániacich proti prepätiu sa veľmi líšia a závisia od výrobcu. Ako bolo diskutované vyššie v tejto klauzule, pripojením MOV v paralelnom poli by sa hodnota nárazového prúdu dala vypočítať jednoduchým pripočítaním hodnotení rázových prúdov k jednotlivým MOV dohromady, aby sa získalo hodnotenie rázového prúdu poľa. Pritom by sa mala zvážiť koordinácia prevádzkových charakteristík vybraných MOV.
Existuje mnoho hypotéz o tom, ktorá zložka, aká topológia a nasadenie konkrétnej technológie produkujú najlepšie SPD na odvádzanie nárazového prúdu. Namiesto toho, aby sme predstavili všetky možnosti, je najlepšie, aby sa diskusia o hodnotách nárazového prúdu, menovitom vybíjacom prúde alebo schopnostiach nárazového prúdu točila okolo údajov o výkonnostných testoch. Bez ohľadu na komponenty použité v konštrukcii alebo konkrétnej použitej mechanickej štruktúre je dôležité, aby SPD mal hodnotenie rázového prúdu alebo menovitý prúd vybíjacieho prúdu, ktoré je vhodné pre aplikáciu.
Nasleduje rozsiahlejší opis týchto komponentov. Komponenty použité v ochranných ochranných prvkoch sa výrazne líšia. Tu je ukážka týchto komponentov:
Varistor na báze oxidu kovu (MOV)
MOV obvykle pozostávajú z guľatého alebo obdĺžnikového telesa zo spekaného oxidu zinočnatého s vhodnými prísadami. Medzi ďalšie používané typy patria rúrkové tvary a viacvrstvové štruktúry. Varistory majú elektródy s kovovými časticami pozostávajúce zo zliatiny striebra alebo iného kovu. Elektródy môžu byť na telo nanesené preosievaním a spekaním alebo inými procesmi v závislosti od použitého kovu. Varistory majú často aj drôtové alebo záložkové vývody alebo iný typ zakončenia, ktoré mohlo byť spájkované s elektródou.
Základný mechanizmus vedenia MOV je výsledkom polovodičových spojení na hranici zŕn oxidu zinočnatého vytvorených počas procesu spekania. Varistor možno považovať za viacjazyčné zariadenie s mnohými zrnami pôsobiacimi v sérii a paralelných kombináciách medzi svorkami. Schematický pohľad v reze na typický varistor je znázornený na obrázku 1.
Varistory majú vlastnosť udržiavať relatívne malú zmenu napätia na svojich svorkách, zatiaľ čo rázový prúd, ktorý nimi preteká, sa líši v priebehu niekoľkých desaťročí. Táto nelineárna akcia im umožňuje odkloniť prúd rázu, keď je zapojený v skrate cez vedenie, a obmedziť napätie na linke na hodnoty, ktoré chránia zariadenie pripojené k tomuto vedeniu.
Lavínová poruchová dióda (ADB)
Tieto zariadenia sú tiež známe ako silikónová lavínová dióda (SAD) alebo supresor prechodného napätia (TVS). Poruchová dióda prechodu PN je vo svojej základnej forme jediný prechod PN pozostávajúci z anódy (P) a katódy (N). Pozri obrázok 2a. V aplikáciách DC obvodu je chránič predpätý tak, že na katódovú (N) stranu zariadenia je aplikovaný kladný potenciál. Pozri obrázok 2b.
Lavínová dióda má tri operačné oblasti, 1) predpätie dopredu (nízka impedancia), 2) vypnutý stav (vysoká impedancia) a 3) rozpad reverzného predpätia (relatívne nízka impedancia). Tieto oblasti je možné vidieť na obrázku 3. V režime predpätia vpred s kladným napätím v oblasti P má dióda veľmi nízku impedanciu, akonáhle napätie prekročí napätie predpätia diódy VFS. VFS je zvyčajne menší ako 1 V a je definovaný nižšie. Vypnutý stav sa rozprestiera od 0 V do tesne pod kladný VBR v oblasti N. V tejto oblasti prúdia iba zvodové prúdy závislé od teploty a tunelové prúdy Zener pre diódy s nízkym poruchovým napätím. Oblasť rozpadu reverzného predpätia začína pozitívnym VBR v N oblasti. Pri VBR sú elektróny prechádzajúce križovatkou dostatočne zrýchlené vysokým poľom v oblasti spoja, takže zrážky elektrónov majú za následok kaskádu alebo lavínu vytvárania elektrónov a dier. Výsledkom je prudký pokles odporu diódy. Na ochranu je možné použiť oblasti rozdelenia predpätia dopredu aj dozadu.
Elektrické charakteristiky lavínovej diódy sú vo svojej podstate asymetrické. Vyrábajú sa tiež symetrické výrobky na ochranu pred lavínovou diódou, ktoré pozostávajú zo spojov chrbtom k sebe.
Plynová výbojka (GDT)
Plynové výbojky sa skladajú z dvoch alebo viacerých kovových elektród oddelených malou medzerou a držaných keramickým alebo skleneným valcom. Valec je naplnený zmesou vzácnych plynov, ktorá po iskrení dostatočným napätím na elektródy iskrí do žeravého výboja a nakoniec do stavu oblúka.
Keď pomaly rastúce napätie cez medzeru dosiahne hodnotu určenú predovšetkým rozstupom elektród, tlakom plynu a zmesou plynov, proces zapínania sa spustí pri iskrivom (poruchovom) napätí. Akonáhle dôjde k iskreniu, sú možné rôzne prevádzkové stavy v závislosti od externých obvodov. Tieto stavy sú znázornené na obrázku 4. Pri prúdoch menších, ako je prechodový prúd medzi žiarou a oblúkom, existuje oblasť žiara. Pri nízkych prúdoch v oblasti žiary je napätie takmer konštantné; pri vysokých svetelných prúdoch môžu niektoré typy plynových rúrok vstúpiť do abnormálnej oblasti žiary, v ktorej sa napätie zvyšuje. Mimo tejto abnormálnej oblasti žiary sa impedancia plynovej výbojky znižuje v prechodovej oblasti do stavu nízkeho oblúka. Prechodový prúd oblúka na žiaru môže byť nižší ako prechod žiara na oblúk. Elektrická charakteristika GDT v spojení s vonkajšími obvodmi určuje schopnosť GDT zhasnúť po prechode rázu a tiež určuje energiu rozptýlenú v zvodiči počas prepätia.
Ak aplikované napätie (napr. Prechodové) rýchlo stúpa, čas potrebný na proces tvorby ionizácie/oblúka môže umožniť prechodovému napätiu prekročiť hodnotu potrebnú na prerušenie v predchádzajúcom odseku. Toto napätie je definované ako napätie impulzného prierazu a je spravidla pozitívnou funkciou rýchlosti nárastu aplikovaného napätia (prechodného).
Jednokomorová trojelektródová GDT má dve dutiny oddelené stredovou prstencovou elektródou. Otvor v stredovej elektróde umožňuje plynovej plazme z vodivej dutiny iniciovať vedenie v druhej dutine, aj keď napätie druhej dutiny môže byť pod iskrivým napätím.
Vďaka svojmu spínaciemu účinku a robustnej konštrukcii môžu GDT prevyšovať ostatné súčiastky SPD schopnosťou prenášať prúd. Mnoho telekomunikačných GDT môže ľahko prenášať rázové prúdy až 10 kA (priebeh 8/20 µs). Ďalej, v závislosti od konštrukcie a veľkosti GDT, je možné dosiahnuť rázové prúdy> 100 kA.
Konštrukcia plynových výbojok je taká, že majú veľmi nízku kapacitu - spravidla menej ako 2 pF. To umožňuje ich použitie v mnohých aplikáciách vysokofrekvenčných obvodov.
Keď GDT fungujú, môžu vytvárať vysokofrekvenčné žiarenie, ktoré môže ovplyvniť citlivú elektroniku. Je preto múdre umiestniť obvody GDT v určitej vzdialenosti od elektroniky. Vzdialenosť závisí od citlivosti elektroniky a od toho, ako dobre je elektronika tienená. Ďalšou metódou, ako sa vyhnúť účinku, je umiestniť GDT do tieneného krytu.
Definície pre GDT
Medzera alebo niekoľko medzier s dvoma alebo tromi kovovými elektródami hermeticky uzavretými tak, aby plynná zmes a tlak boli pod kontrolou, navrhnuté tak, aby chránili prístroj alebo personál alebo oboje pred vysokými prechodovými napätiami.
Or
Medzera alebo medzery v uzavretom výbojovom médiu, inom ako vzduch pri atmosférickom tlaku, navrhnuté tak, aby chránilo prístroj alebo personál alebo oboje pred vysokými prechodovými napätiami.
- LCR filtre
Tieto komponenty sa líšia v týchto:
- energetická schopnosť
- dostupnosť
- spoľahlivosť
- náklady
- účinnosť
Z IEEE Std C62.72: Schopnosť SPD obmedziť prepätia v elektrickej distribučnej sieti odvádzaním rázových prúdov je funkciou prepäťových ochranných komponentov, mechanickej štruktúry SPD a pripojenia k elektrickej distribučnej sieti. Niekoľko bežných súčiastok na ochranu pred prepätím používaných pri výrobe SPD sú MOV, SASD a plynové výbojky, pričom najväčšie využitie majú MOV. Hodnotenie rázového prúdu MOV súvisí s plochou prierezu a jeho zložením. Všeobecne platí, že čím väčšia je plocha prierezu, tým vyššie je hodnotenie zariadenia pri nárazovom prúde. MOV majú spravidla okrúhlu alebo obdĺžnikovú geometriu, ale prichádzajú v množstve štandardných rozmerov v rozsahu od 7 mm (0.28 palca) do 80 mm (3.15 palca). Hodnoty nárazových prúdov týchto komponentov chrániacich proti prepätiu sa veľmi líšia a závisia od výrobcu. Pripojením MOV v paralelnom poli by sa dalo vypočítať teoretické hodnotenie nárazového prúdu jednoduchým sčítaním aktuálnych hodnotení jednotlivých MOV dohromady, aby sa získalo hodnotenie nárazového prúdu poľa.
Existuje mnoho hypotéz o tom, ktorá zložka, aká topológia a nasadenie konkrétnej technológie produkujú najlepšie SPD na odvádzanie nárazového prúdu. Namiesto toho, aby sme predstavili všetky tieto argumenty a nechali čitateľa dešifrovať tieto témy, je najlepšie, aby sa diskusia o hodnotení nárazového prúdu, menovitom vybíjacom prúde alebo schopnostiach nárazového prúdu točila okolo údajov o výkonnostných testoch. Bez ohľadu na komponenty použité v konštrukcii alebo použitej špecifickej mechanickej štruktúre je dôležité, aby SPD mal hodnotenie rázového prúdu alebo menovitý prúd vybíjacieho prúdu, ktoré je vhodné pre aplikáciu, a čo je najdôležitejšie, aby SPD obmedzoval prechodové javy. prepätia na úrovne, ktoré zabraňujú poškodeniu zariadenia, ktoré je chránené vzhľadom na očakávané rázové prostredie.
Základné prevádzkové režimy
Väčšina SPD má tri základné prevádzkové režimy:
- Čaká sa
- presmerovanie
V každom režime preteká prúd cez SPD. Čo však nemusí byť pochopené, je to, že v každom režime môže existovať iný typ prúdu.
Režim čakania
Za normálnych podmienok napájania, keď je v rámci elektrického distribučného systému dodávaná „čistá energia“, SPD vykonáva minimálnu funkciu. V režime čakania SPD čaká na prepätie a spotrebúva malý alebo žiadny striedavý prúd; primárne ten, ktorý používajú monitorovacie obvody.
Režim presmerovania
Po zaznamenaní prechodnej udalosti prepätia sa SPD zmení na režim presmerovania. Účelom SPD je odviesť škodlivý impulzný prúd mimo kritických záťaží a súčasne znížiť jeho výslednú veľkosť napätia na nízku, neškodnú úroveň.
Ako je definované v ANSI/IEEE C62.41.1-2002, typický prechodový prúd trvá iba zlomok cyklu (mikrosekundy), čo je fragment času v porovnaní s kontinuálnym tokom 60 Hz, sínusového signálu.
Veľkosť nárazového prúdu závisí od jeho zdroja. Napríklad blesky, ktoré môžu v zriedkavých prípadoch obsahovať prúdové magnitúdy presahujúce niekoľko stoviek tisíc ampérov. V rámci zariadenia však interne generované prechodné udalosti budú produkovať nižšie prúdové veľkosti (menej ako niekoľko tisíc alebo sto ampérov).
Pretože väčšina SPD je navrhnutá tak, aby zvládala veľké nárazové prúdy, jedným benchmarkom výkonu je testovaný nominálny prúd vybíjaného prúdu (In). Táto veľká prúdová veľkosť, ktorá je často zamieňaná s poruchovým prúdom, ale nesúvisí s ňou, je znakom testovanej odolnosti voči opakovanému výboju výrobku.
Od spoločnosti IEEE Std. C62.72: Menovitý prúd vybíjacieho prúdu využíva schopnosť SPD vystaviť sa opakujúcim sa prúdovým rázom (15 celkových rázov) zvolenej hodnoty bez poškodenia, degradácie alebo zmeny nameraného výkonu obmedzujúceho napätia SPD. Test nominálneho vybíjacieho prúdu zahŕňa celý SPD vrátane všetkých komponentov prepäťovej ochrany a interné alebo externé odpojovače SPD. Počas testu nesmie dôjsť k poruche žiadneho komponentu ani odpojovača, otvorenia obvodu, poškodenia alebo poškodenia. Aby sa dosiahlo konkrétne hodnotenie, medzi porovnaním pred testom a po teste sa musí udržiavať nameraná úroveň výkonu SPD obmedzujúceho napätia. Účelom týchto skúšok je demonštrovať schopnosť a výkonnosť SPD v reakcii na prepätia, ktoré sú v niektorých prípadoch závažné, ale ktoré sa dajú očakávať na servisnom zariadení, v zariadení alebo na mieste inštalácie.
Napríklad SPD s nominálnou kapacitou vybíjacieho prúdu 10,000 20,000 alebo 10,000 20,000 ampérov na režim znamená, že výrobok by mal byť schopný bezpečne odolať veľkosti prechodného prúdu 15 XNUMX alebo XNUMX XNUMX ampérov minimálne XNUMX -krát v každom z režimov ochrany.
Scenáre konca života
Z IEEE Std C62.72: Najväčšou hrozbou pre dlhodobú spoľahlivosť SPD nemusia byť prepätia, ale opakované krátkodobé alebo dočasné prepätia (TOV alebo „napučania“), ktoré sa môžu vyskytnúť v PDS. SPD s MCOV-ktoré sú neisto blízko nominálneho sieťového napätia, sú náchylnejšie na také prepätia, ktoré môžu viesť k predčasnému starnutiu SPD alebo k predčasnému ukončeniu životnosti. Pravidlom, ktoré sa často používa, je určiť, či je MCOV SPD najmenej 115% nominálneho systémového napätia pre každý konkrétny režim ochrany. To umožní, aby SPD nebol ovplyvnený normálnymi zmenami napätia PDS.
Avšak okrem trvalých udalostí prepätia môžu SPD starnúť alebo sa môžu degradovať alebo dosiahnuť svoj stav po čase v dôsledku prepätí, ktoré presahujú hodnotenia SPD pre nárazový prúd, frekvenciu výskytu nárazových udalostí, trvanie prepätia , alebo kombináciou týchto udalostí. Opakujúce sa nárazové udalosti s výraznou amplitúdou počas určitého časového obdobia môžu prehriať súčiastky SPD a spôsobiť starnutie súčastí ochranných proti prepätiu. Opakované prepätia môžu ďalej spôsobiť, že odpínače SPD, ktoré sú tepelne aktivované, budú fungovať predčasne v dôsledku zahrievania komponentov prepäťovej ochrany. Charakteristiky SPD sa môžu meniť, keď dosiahne stav po ukončení prevádzky-napríklad namerané obmedzujúce napätie sa môže zvýšiť alebo znížiť.
V snahe vyhnúť sa degradácii v dôsledku prepätia navrhujú mnohí výrobcovia SPD SPD s vysokými schopnosťami rázového prúdu buď pomocou fyzicky väčších komponentov, alebo paralelným prepojením viacerých komponentov. To sa robí, aby sa zabránilo pravdepodobnosti prekročenia hodnotení SPD ako zostavy, s výnimkou veľmi zriedkavých a výnimočných prípadov. Úspech tejto metódy je podporený dlhou životnosťou a históriou existujúcich nainštalovaných SPD, ktoré boli navrhnuté týmto spôsobom.
Pokiaľ ide o koordináciu SPD a, ako je uvedené v súvislosti s hodnotami rázových prúdov, je logické mať na servisnom zariadení SPD s vyššími hodnotami rázových prúdov, kde je PDS najviac vystavený nárazovým rázom, aby pomohol predchádzať predčasnému starnutiu; medzitým môžu SPD ďalej zostupné zo servisného zariadenia, ktoré nie sú vystavené externým zdrojom prepätia, mať nižšie hodnotenie. Vďaka dobrej konštrukcii a koordinácii systému prepäťovej ochrany je možné zabrániť predčasnému starnutiu SPD.
Medzi ďalšie príčiny zlyhania SPD patria:
- Chyby pri inštalácii
- Nesprávna aplikácia výrobku pre jeho hodnotenie napätia
- Trvalé udalosti prepätia
Keď komponent potlačenia zlyhá, najčastejšie to urobí ako skrat, čím začne prúd prúdiť cez zlyhaný komponent. Množstvo prúdu, ktorý je k dispozícii na prietok týmto chybným komponentom, je funkciou dostupného poruchového prúdu a je poháňané energetickým systémom. Ďalšie informácie o poruchových prúdoch nájdete v informáciách týkajúcich sa bezpečnosti SPD.
