Kako deluje naprava za zaščito pred prenapetostjo (SPD)

Kako deluje naprava za zaščito pred prenapetostjo (SPD)

Sposobnost SPD za omejevanje prenapetosti na električnem distribucijskem omrežju z odvračanjem prenapetostnih tokov je odvisna od komponent, ki ščitijo pred prenapetostjo, mehanske strukture SPD in povezave z električnim distribucijskim omrežjem. Namen SPD je omejiti prehodne prenapetosti in preusmeriti prenapetostni tok ali oboje. Vsebuje vsaj eno nelinearno komponento. Preprosto povedano, namenjeni so SPD za omejevanje prehodnih prenapetosti s ciljem preprečevanja poškodb opreme in izpadov zaradi prehodnih napetostnih sunkov, ki dosežejo naprave, ki jih ščitijo.

Na primer, razmislite o vodnem mlinu, zaščitenem s tlačnim ventilom. Ventil za razbremenitev tlaka ne stori ničesar, dokler se v dovodu vode ne pojavi impulz nadtlaka. Ko se to zgodi, se ventil odpre in odstrani dodaten tlak, da ne pride do vodnega kolesa.

Če varnostnega ventila ni bilo, bi lahko pretiran tlak poškodoval vodno kolo ali morda povezavo žage. Čeprav je varnostni ventil nameščen in deluje pravilno, bo do kolesa še vedno prišel del ostanka tlačnega impulza. Toda tlak bo dovolj zmanjšan, da ne poškoduje vodnega kolesa ali moti njegovega delovanja. To opisuje delovanje SPD. Zmanjšajo prehode na ravni, ki ne bodo poškodovale ali motile delovanja občutljive elektronske opreme.

Uporabljene tehnologije

Katere tehnologije se uporabljajo v SPD -jih?

Iz IEEE Std. C62.72: Nekaj ​​pogostih komponent za zaščito pred prenapetostjo, ki se uporabljajo pri izdelavi SPD-jev, so kovinski oksidni varistorji (MOVs), lavinske razgradne diode (ABD-prej znane kot silicijeve lavinske diode ali SAD) in cevi za izpust plina (GDT). MOV so najpogosteje uporabljena tehnologija za zaščito izmeničnih tokokrogov. Ocena prenapetostnega toka MOV je povezana s površino preseka in njegovo sestavo. Na splošno je večja površina preseka, večja je vrednost prenapetostnega toka naprave. MOV so na splošno okrogle ali pravokotne geometrije, vendar so na voljo v številnih standardnih dimenzijah od 7 mm (0.28 palca) do 80 mm (3.15 palca). Ocene prenapetostnega toka teh prenapetostnih komponent se zelo razlikujejo in so odvisne od proizvajalca. Kot smo že omenili v tem oddelku, bi lahko s povezovanjem MOV -jev v vzporednem nizu izračunali vrednost prenapetostnega toka tako, da preprosto dodamo ocene prenapetostnega toka posameznih MOV -jev skupaj, da dobimo oceno prenapetostnega toka matrike. Pri tem je treba upoštevati usklajevanje delovnih značilnosti izbranih MOV.

Obstaja veliko hipotez o tem, katera komponenta, kakšna topologija in uporaba posebne tehnologije proizvaja najboljši SPD za preusmerjanje prenapetostnega toka. Namesto da bi predstavili vse možnosti, je najbolje, da se razprava o oceni prenapetostnega toka, nazivni oceni trenutnega praznjenja ali zmogljivostih prenapetostnega toka vrti okoli podatkov o preskusu delovanja. Ne glede na komponente, ki se uporabljajo pri načrtovanju, ali na specifično mehansko strukturo, ki je nameščena, je pomembno, da ima SPD oceno prenapetostnega toka ali nazivno nazivno moč praznjenja, ki je primerna za uporabo.

Sledi podrobnejši opis teh sestavin. Komponente, ki se uporabljajo v SPD, se zelo razlikujejo. Tu je vzorec teh sestavin:

• Kovinski oksidni varistor (MOV)

Običajno so MOV sestavljeni iz okroglega ali pravokotnega telesa iz sintranega cinkovega oksida z ustreznimi dodatki. Druge vrste v uporabi vključujejo cevaste oblike in večplastne strukture. Varistorji imajo elektrode iz kovinskih delcev, sestavljene iz srebrne zlitine ali druge kovine. Elektrode so bile morda nanesene na telo s presejanjem in sintranjem ali z drugimi postopki, odvisno od uporabljene kovine. Varistorji imajo pogosto tudi žice ali jezičke ali kakšno drugo vrsto zaključka, ki je morda spajkana na elektrodo.

Osnovni prevodni mehanizem MOV je posledica polprevodniških stikov na meji zrn cinkovega oksida, ki nastanejo med procesom sintranja. Varistor se lahko šteje za napravo z več stiki z mnogimi zrni, ki delujejo v zaporedno vzporedni kombinaciji med priključki. Shematski pogled na prerez tipičnega varistorja je prikazan na sliki 1.

Varistorji imajo lastnost, da vzdržujejo relativno majhno spremembo napetosti na svojih sponkah, medtem ko prenapetostni tok, ki teče skozi njih, variira v več desetletjih. To nelinearno dejanje jim omogoča, da preusmerijo prenapetostni tok, ko so priključeni v šant preko linije in omejijo napetost na liniji na vrednosti, ki ščitijo opremo, priključeno na to linijo.

• Avalanche breakdown dioda (ADB)

Te naprave so znane tudi kot silicijeva lavinska dioda (SAD) ali zaviralka prehodne napetosti (TVS). Prelomna dioda PN stika je v svoji osnovni obliki en sam PN spoj, sestavljen iz anode (P) in katode (N). Glej sliko 2a. Pri aplikacijah enosmernega tokokroga je zaščitnik obratno pristranski, tako da se na katodni (N) strani naprave uporabi pozitiven potencial. Glej sliko 2b.

Lavinska dioda ima tri delovne regije, 1) premik naprej (nizka impedanca), 2) stanje izklopa (visoka impedanca) in 3) razčlenitev povratne pristranskosti (relativno nizka impedanca). Ta območja so prikazana na sliki 3. V načinu prednapetosti s pozitivno napetostjo na območju P ima dioda zelo nizko impedanco, ko napetost preseže napetost diode naprej pristranskosti, VFS. VFS je običajno manjši od 1 V in je opredeljen spodaj. Izklopljeno stanje sega od 0 V do tik pod pozitivnim VBR na območju N. Na tem področju so edini tokovi, ki tečejo, temperaturno odvisni uhajalni tokovi in ​​Zenerjevi predorski tokovi za diode z nizko prekinitveno napetostjo. Regija povratne pristranskosti se začne s pozitivnim VBR na območju N. Na VBR elektrone, ki prečkajo stičišče, zaradi visokega polja v območju stičišča dovolj pospeši, da trki elektronov povzročijo kaskado ali plaz elektronov in lukenj. Rezultat je močan padec upora diode. Za zaščito se lahko uporabljata območji razčlenitve tako naprej kot nazaj.

Električne lastnosti plazovne diode so same po sebi asimetrične. Proizvajajo se tudi simetrični izdelki za zaščito pred plazovitimi diodami, ki so sestavljeni iz stikov med hrbtom in hrbtom.

• Plinska cev (GDT)

Cevi za odvajanje plina so sestavljene iz dveh ali več kovinskih elektrod, ločenih z majhno režo in pritrjenih s keramičnim ali steklenim cilindrom. Jeklenka je napolnjena z mešanico žlahtnega plina, ki preide v sijoč izpust in nazadnje v stanje obloka, ko na elektrode deluje zadostna napetost.

Ko počasi naraščajoča napetost v reži doseže vrednost, ki jo določajo predvsem razmik elektrod, tlak plina in mešanica plinov, se postopek vklopa začne pri napetosti preboja (prekinitve). Ko pride do iskrenja, so možna različna stanja delovanja, odvisno od zunanjega vezja. Ta stanja so prikazana na sliki 4. Pri tokovih, ki so manjši od prehodnega toka sijaja v oblok, obstaja območje sijaja. Pri nizkih tokovih v sijočem območju je napetost skoraj konstantna; pri visokih sijočih tokovih lahko nekatere vrste plinskih cevi vstopijo v nenormalno sijoče območje, v katerem se napetost poveča. Poleg tega nenormalnega območja žarenja se impedanca cevi za izpust plina v prehodnem območju zmanjša v stanje nizkonapetostnega loka. Prehodni tok med oblokom in sijajem je lahko nižji od prehoda med sijajem in lokom. Električna značilnost GDT v povezavi z zunanjim vezjem določa sposobnost GDT, da ugasne po prehodu prenapetosti, prav tako pa določi energijo, ki se med odvajalom odvaja v odvodniku.

Če uporabljena napetost (npr. Prehodna) hitro narašča, lahko čas, potreben za postopek ionizacije/oblikovanja loka, prehodni napetosti preseže vrednost, potrebno za razčlenitev v prejšnjem odstavku. Ta napetost je opredeljena kot impulzna prekinitvena napetost in je na splošno pozitivna funkcija stopnje naraščanja uporabljene napetosti (prehodna).

Enokomorna tri elektroda GDT ima dve votlini, ločeni s sredinsko obročno elektrodo. Luknja v osrednji elektrodi omogoča plinski plazmi iz prevodne votline, da sproži prevodnost v drugi votlini, čeprav je napetost druge votline lahko pod napetostjo prestrezanja.

Zaradi preklopnega delovanja in robustne konstrukcije lahko GDT presegajo druge komponente SPD glede na zmogljivost prenosa toka. Mnogi telekomunikacijski GDT lahko zlahka prenesejo prenapetostne tokove do 10 kA (valovna oblika 8/20 µs). Nadalje je odvisno od zasnove in velikosti GDT mogoče doseči prenapetostne tokove> 100 kA.

Konstrukcija cevi za izpust plina je takšna, da imajo zelo nizko kapacitivnost - običajno manj kot 2 pF. To omogoča njihovo uporabo v številnih visokofrekvenčnih vezjih.

Ko delujejo GDT, lahko proizvajajo visokofrekvenčno sevanje, ki lahko vpliva na občutljivo elektroniko. Zato je pametno GDT vezja postaviti na določeno razdaljo od elektronike. Razdalja je odvisna od občutljivosti elektronike in od tega, kako dobro je zaščitena elektronika. Druga metoda za izogibanje učinku je, da GDT postavite v zaščiteno ohišje.

Opredelitve za GDT

Vrzel ali več vrzeli z dvema ali tremi kovinskimi elektrodami, ki so hermetično zaprte, tako da sta mešanica in tlak plina pod nadzorom, zasnovani za zaščito aparatov ali osebja ali obojega pred visokimi prehodnimi napetostmi.

Or

Vrzel ali vrzeli v zaprtem izpustnem mediju, razen zraka pri atmosferskem tlaku, namenjene zaščiti aparatov ali osebja ali obojega pred visokimi prehodnimi napetostmi.

• LCR filtri

Te komponente se med seboj razlikujejo:

• energijske zmogljivosti
• razpoložljivost
• zanesljivost
• stroški
• učinkovitost

Iz standarda IEEE Std C62.72: Sposobnost SPD za omejevanje prenapetosti v električnem distribucijskem omrežju z preusmeritvijo prenapetostnih tokov je odvisna od komponent, ki ščitijo pred prenapetostjo, mehanske strukture SPD in povezave z električnim distribucijskim omrežjem. Nekaj ​​pogostih komponent za zaščito pred prenapetostjo, ki se uporabljajo pri izdelavi SPD, so MOV, SASD in cevi za izpust plina, pri čemer se MOV največ uporabljajo. Ocena prenapetostnega toka MOV je povezana s površino preseka in njegovo sestavo. Na splošno je večja površina preseka, večja je vrednost prenapetostnega toka naprave. MOV so na splošno okrogle ali pravokotne geometrije, vendar so na voljo v številnih standardnih dimenzijah od 7 mm (0.28 palca) do 80 mm (3.15 palca). Ocene prenapetostnega toka teh prenapetostnih komponent se zelo razlikujejo in so odvisne od proizvajalca. S povezovanjem MOV v vzporednem nizu bi lahko izračunali teoretično oceno prenapetostnega toka, tako da preprosto seštejemo trenutne ocene posameznih MOV skupaj, da dobimo oceno prenapetostnega toka matrike.

Obstaja veliko hipotez o tem, katera komponenta, kakšna topologija in uporaba posebne tehnologije proizvaja najboljši SPD za preusmerjanje prenapetostnega toka. Namesto da bi predstavili vse te argumente in dovolili bralcu, da dešifrira te teme, je najbolje, da se razprava o oceni prenapetostnega toka, nazivni oceni nominalnega praznjenja ali zmogljivostih prenapetostnega toka vrti okoli podatkov o preskusu delovanja. Ne glede na komponente, ki so bile uporabljene pri načrtovanju, ali na specifično nameščeno mehansko strukturo, je pomembno, da ima SPD oceno prenapetostnega toka ali nazivno nazivno moč praznjenja, ki je primerna za uporabo, in verjetno najpomembneje, da SPD omejuje prehodne prenapetosti do ravni, ki preprečujejo poškodbe opreme, ki je zaščitena glede na pričakovano prenapetostno okolje.

Osnovni načini delovanja

Večina SPD -jev ima tri osnovne načine delovanja:

• Čakanje
• Preusmerjanje

V vsakem načinu tok teče skozi SPD. Kar pa morda ni razumljivo, je, da v vsakem načinu lahko obstaja drugačna vrsta toka.

Način čakanja

Pri normalnih pogojih napajanja, ko je v sistemu za distribucijo električne energije "čista moč", SPD opravlja minimalno funkcijo. V čakalnem načinu SPD čaka, da pride do prenapetosti, in porabi malo ali nič energije za izmenični tok; predvsem tiste, ki jih uporabljajo nadzorna vezja.

Preusmeritveni način

Ko zazna prehodni prenapetostni dogodek, se SPD spremeni v način preusmerjanja. Namen SPD je preusmeriti škodljiv impulzni tok stran od kritičnih obremenitev, hkrati pa zmanjšati nastalo napetost na nizko, neškodljivo raven.

Kot je opredeljeno v ANSI/IEEE C62.41.1-2002, tipičen trenutni prehod traja le del cikla (mikrosekunde), delček časa v primerjavi z neprekinjenim tokom 60Hz, sinusnega signala.

Velikost prenapetostnega toka je odvisna od njegovega vira. Udar strele, na primer, ki lahko v redkih primerih vsebuje jakosti toka, ki presega nekaj sto tisoč amperov. V objektu pa bodo interno ustvarjeni prehodni dogodki povzročili nižje jakosti toka (manj kot nekaj tisoč ali sto amperov).

Ker je večina SPD -jev zasnovanih za obvladovanje velikih prenapetostnih tokov, je eno merilo uspešnosti preizkušena nazivna ocena izpustnega toka izdelka (v). Pogosto se zamenjuje s tokom napake, vendar ni povezan, ta velika jakost toka je pokazatelj preizkušene ponavljajoče se zmogljivosti izdelka.

Iz IEEE Std. C62.72: Nominalni tok razelektritve uresničuje sposobnost SPD -ja, da je izpostavljen ponavljajočim se trenutnim sunkom (15 skupnim sunkom) izbrane vrednosti brez poškodb, degradacije ali spremembe v izmerjeni mejni napetosti SPD. Preskus nominalnega toka praznjenja vključuje celoten SPD, vključno z vsemi komponentami za zaščito pred prenapetostjo in notranjimi ali zunanjimi ločilniki SPD. Med preskusom ni dovoljeno, da nobena komponenta ali ločilnik odpove, odpre vezje, se poškoduje ali poslabša. Za dosego določene ocene je treba med primerjavo pred preskusom in po preskusu vzdrževati izmerjeno mejno raven napetosti SPD. Namen teh preskusov je dokazati zmogljivost in učinkovitost SPD kot odziv na prenapetost, ki je v nekaterih primerih huda, vendar bi jo bilo mogoče pričakovati na servisni opremi, v objektu ali na mestu namestitve.

Na primer, SPD z nazivno kapaciteto izpustnega toka 10,000 ali 20,000 amperov na način pomeni, da mora izdelek varno prenašati prehodni tok velikosti 10,000 ali 20,000 amperov najmanj 15 -krat v vsakem od načinov zaščite.

Scenariji konca življenja

Iz standarda IEEE Std C62.72: Največja grožnja dolgoročni zanesljivosti SPD morda ne bodo prenapetosti, temveč ponavljajoče se trenutne ali začasne prenapetosti (TOV ali »nabrekne«), ki se lahko pojavijo na PDS. SPD-ji z ​​MCOV-ki so negotovo blizu nazivne sistemske napetosti, so bolj dovzetni za takšne prenapetosti, ki lahko povzročijo prezgodnje staranje SPD-ja ali prezgodnji iztek njihove življenjske dobe. Splošno pravilo, ki se pogosto uporablja, je ugotoviti, ali je MCOV SPD vsaj 115% nazivne sistemske napetosti za vsak poseben način zaščite. To bo omogočilo, da normalne spremembe napetosti PDS ne vplivajo na SPD.

Poleg dolgotrajnih prenapetostnih dogodkov se lahko SPD starajo ali poslabšajo ali sčasoma dosežejo stanje prenehanja delovanja zaradi prenapetosti, ki presegajo ocene SPD za prenapetostni tok, stopnjo pojavljanja prenapetostnih dogodkov, trajanje prenapetosti ali kombinacijo teh dogodkov. Ponavljajoči se prenapetostni dogodki velike amplitude v določenem času lahko pregrejejo komponente SPD in povzročijo staranje zaščitnih komponent prenapetosti. Poleg tega lahko ponavljajoči se prenapetost povzroči, da odklopniki SPD, ki so termično aktivirani, predčasno delujejo zaradi segrevanja prenapetostnih komponent. Značilnosti SPD se lahko spremenijo, ko doseže stanje končne uporabe-na primer se lahko izmerjene mejne napetosti povečajo ali zmanjšajo.

V želji, da bi se izognili degradaciji zaradi prenapetosti, mnogi proizvajalci SPD oblikujejo SPD -je z visokim prenapetostnim tokom bodisi z uporabo fizično večjih komponent bodisi z vzporedno povezavo več komponent. To se naredi, da bi se izognili verjetnosti, da bodo ocene SPD kot sklopa presežene, razen v zelo redkih in izjemnih primerih. Uspeh te metode je podprt z dolgo življenjsko dobo in zgodovino nameščenih SPD -jev, ki so bili oblikovani na ta način.

Kar zadeva usklajevanje SPD in, kot je navedeno glede ocen prenapetostnega toka, je logično, da se SPD z višjimi vrednostmi prenapetostnega toka nahaja na servisni opremi, kjer je PDS najbolj izpostavljen prenapetostim, da bi pomagali pri preprečevanju prezgodnjega staranja; medtem pa imajo lahko SPD-ji, ki so bolj oddaljeni od servisne opreme in niso izpostavljeni zunanjim virom sunkov, manjše ocene. Z dobro zasnovo in koordinacijo prenapetostnega sistema se je mogoče izogniti prezgodnjemu staranju SPD.

Drugi vzroki za okvaro SPD so:

• Napake pri namestitvi
• Napačna uporaba izdelka zaradi njegove nazivne napetosti
• Trajni prenapetostni dogodki

Kadar komponenta za zatiranje ne uspe, je najpogosteje kratka, zaradi česar tok začne teči skozi okvarjeno komponento. Količina toka, ki je na voljo za pretok skozi to okvarjeno komponento, je odvisna od razpoložljivega toka napake in jo poganja elektroenergetski sistem. Za več informacij o tokovih napak pojdite na SPD varnostne informacije.