Si funksionon pajisja mbrojtëse e mbingarkesës (SPD)

Si funksionon pajisja mbrojtëse e mbingarkesës (SPD)

Aftësia e një SPD për të kufizuar mbitensionet në rrjetin e shpërndarjes elektrike duke devijuar rrymat e rritjes është një funksion i përbërësve mbrojtës nga rryma, struktura mekanike e SPD dhe lidhja me rrjetin e shpërndarjes elektrike. Një SPD ka për qëllim të kufizojë mbitensionet kalimtare dhe të devijojë rrymën e rritjes, ose të dyja. Ai përmban të paktën një përbërës jolinear. Në termat më të thjeshtë, SPD -të kanë për qëllim të kufizojnë mbitensionet kalimtare me qëllim parandalimin e dëmtimit të pajisjeve dhe kohën e ndërprerjes për shkak të rritjeve kalimtare të tensionit që arrijnë pajisjet që mbrojnë.

Për shembull, merrni parasysh një mulli uji të mbrojtur nga një valvul lehtësues presioni. Valvula e lehtësimit të presionit nuk bën asgjë derisa të ndodhë një impuls mbi presion në furnizimin me ujë. Kur kjo të ndodhë, valvula hapet dhe shmang presionin shtesë mënjanë, në mënyrë që të mos arrijë tek rrota e ujit.

Nëse valvula lehtësuese nuk ishte e pranishme, presioni i tepërt mund të dëmtojë rrotën e ujit, ose ndoshta lidhjen për sharrën. Edhe pse valvula e lehtësimit është në vend dhe funksionon siç duhet, një pjesë e mbetur e impulsit të presionit do të arrijë akoma në timon. Por presioni do të jetë zvogëluar aq sa të mos dëmtojë rrotën e ujit ose të prishë funksionimin e tij. Kjo përshkruan veprimin e SPD -ve. Ato i ulin kalimtarët në nivele që nuk do të dëmtojnë ose prishin funksionimin e pajisjeve elektronike të ndjeshme.

Teknologjitë e përdorura

Cilat teknologji përdoren në SPD?

Nga IEEE Std. C62.72: Disa përbërës të zakonshëm mbrojtës nga rryma të përdorura në prodhimin e SPD-ve janë varistorët e oksidit të metalit (MOVs), diodat e prishjes së ortekut (ABDs-të njohur më parë si diodat e ortekut të silikonit ose SAD), dhe tubat e shkarkimit të gazit (GDTs). MOV -të janë teknologjia më e përdorur për mbrojtjen e qarqeve të energjisë AC. Vlerësimi i rrymës së rritjes së një MOV lidhet me zonën e seksionit kryq dhe përbërjen e tij. Në përgjithësi, sa më e madhe të jetë zona e seksionit kryq, aq më i lartë është vlerësimi i rrymës së valës së pajisjes. MOV -të në përgjithësi janë të gjeometrisë së rrumbullakët ose drejtkëndëshe, por vijnë në një bollëk të dimensioneve standarde që variojnë nga 7 mm (0.28 inç) në 80 mm (3.15 inç). Vlerësimet e rrymës së valës së këtyre përbërësve mbrojtës të rrymës ndryshojnë shumë dhe varen nga prodhuesi. Siç u diskutua më herët në këtë klauzolë, duke lidhur MOV -të në një grup paralel, një vlerë e rrymës së rritjes mund të llogaritet duke shtuar thjesht vlerësimet e rrymës së valës së MOV -ve individuale së bashku për të marrë vlerësimin e rrymës së rrymës së grupit. Duke vepruar kështu, duhet t'i kushtohet vëmendje koordinimit të karakteristikave të funksionimit të MOV -ve të përzgjedhura.

Ka shumë hipoteza se çfarë përbërësi, çfarë topologjie dhe vendosja e teknologjisë specifike prodhon SPD -në më të mirë për devijimin e rrymës së lartë. Në vend që të paraqisni të gjitha opsionet, është më mirë që diskutimi i vlerësimit të rrymës së rrymës, Vlerësimi Aktual i Shkarkimit Nominal, ose aftësitë e rrymës së rritjes të sillen rreth të dhënave të testit të performancës. Pavarësisht nga përbërësit e përdorur në dizajn, ose struktura specifike mekanike e vendosur, ajo që ka rëndësi është që SPD të ketë një vlerësim të rrymës së lartë ose Vlerësimin Nominal të Shkarkimit që është i përshtatshëm për aplikimin.

Një përshkrim më i gjerë i këtyre përbërësve vijon. Komponentët e përdorur në SPD ndryshojnë shumë. Këtu është një mostër e atyre përbërësve:

• Varistor oksid metali (MOV)

Në mënyrë tipike, MOV përbëhen nga një trup i rrumbullakët ose drejtkëndor i oksidit të zinkut të sinterizuar me aditivë të përshtatshëm. Llojet e tjera në përdorim përfshijnë forma tubulare dhe struktura me shumë shtresa. Varistorët kanë elektroda grimcash metalike të përbëra nga një aliazh argjendi ose metal tjetër. Elektrodat mund të jenë aplikuar në trup me anë të shqyrtimit dhe sinterimit ose me procese të tjera në varësi të metalit të përdorur. Varistorët gjithashtu shpesh kanë tela ose tela ose ndonjë lloj tjetër përfundimi që mund të jenë ngjitur në elektrodë.

Mekanizmi themelor i përcjelljes së MOV rezulton nga kryqëzimet gjysmëpërçuese në kufirin e kokrrave të oksidit të zinkut të formuar gjatë një procesi të sinterimit. Varistori mund të konsiderohet një pajisje me shumë kryqëzime me shumë kokrra që veprojnë në kombinim serial-paralel midis terminaleve. Një pamje skematike e seksionit kryq të një varistori tipik është treguar në Figurën 1.

Varistorët kanë vetinë të mbajnë një ndryshim relativisht të vogël të tensionit në terminalet e tyre, ndërsa rryma e rrymës që rrjedh përmes tyre ndryshon gjatë disa dekadave të madhësisë. Ky veprim jolinear u lejon atyre të devijojnë rrymën e një rryme kur lidhen në shunt përgjatë vijës dhe të kufizojnë tensionin përgjatë linjës në vlerat që mbrojnë pajisjet e lidhura me atë linjë.

• Dioda e prishjes së ortekut (ADB)

Këto pajisje njihen gjithashtu si dioda orteku i silikonit (SAD) ose shtypës i tensionit kalimtar (TVS). Dioda e prishjes së kryqëzimit PN, në formën e saj bazë, është një kryqëzim i vetëm PN i përbërë nga një anodë (P) dhe një katodë (N). Shih Figurën 2a. Në aplikimet e qarkut DC, mbrojtësi është i njëanshëm i kundërt i tillë që një potencial pozitiv të aplikohet në anën e katodës (N) të pajisjes. Shih Figurën 2b.

Dioda e ortekut ka tre zona operimi, 1) paragjykim përpara (rezistencë e ulët), 2) gjendje jashtë (rezistencë e lartë) dhe 3) prishje e anësisë së kundërt (rezistencë relativisht e ulët). Këto rajone mund të shihen në Figurën 3. Në mënyrën e paragjykimit përpara me një tension pozitiv në rajonin P, dioda ka rezistencë shumë të ulët sapo tensioni të tejkalojë tensionin e diodës së paragjykimit përpara, VFS. VFS është zakonisht më pak se 1 V dhe përcaktohet më poshtë. Gjendja e fikur shtrihet nga 0 V në pak më poshtë një VBR pozitive në rajonin N. Në këtë rajon, rrymat e vetme që rrjedhin janë rrymat e rrjedhjes të varura nga temperatura dhe rrymat e tunelit Zener për diodat e tensionit të ulët të prishjes. Rajoni i prishjes së anshmërisë së kundërt fillon me një VBR pozitive në rajonin N. Në elektronet VBR që kalojnë kryqëzimin përshpejtohen mjaft nga fusha e lartë në rajonin e kryqëzimit që përplasjet e elektroneve rezultojnë në një kaskadë, ose ortek, të elektroneve dhe vrimave që krijohen. Rezultati është një rënie e mprehtë e rezistencës së diodës. Të dy rajonet e paragjykimit të anësisë së kundërt dhe të kundërt mund të përdoren për mbrojtje.

Karakteristikat elektrike të një diodë orteku janë në thelb asimetrike. Prodhohen gjithashtu produkte simetrike të mbrojtjes së diodës nga orteku që përbëhen nga kryqëzimet mbrapa me shpinën.

• Tubi i shkarkimit të gazit (GDT)

Tubat e shkarkimit të gazit përbëhen nga dy ose më shumë elektroda metalike të ndara nga një hendek i vogël dhe të mbajtura nga një cilindër qeramike ose qelqi. Cilindri është i mbushur me një përzierje gazi fisnik, i cili ndizet në një shkarkesë shkëlqimi dhe më në fund një gjendje harku kur aplikohet tension i mjaftueshëm në elektroda.

Kur një tension ngadalë në rritje në hendek arrin një vlerë të përcaktuar kryesisht nga distanca e elektrodave, presioni i gazit dhe përzierja e gazit, procesi i ndezjes fillon në tensionin e ndezjes (prishjes). Pasi ndodh ndezja, gjendjet e ndryshme të funksionimit janë të mundshme, në varësi të qarkut të jashtëm. Këto gjendje janë treguar në Figurën 4. Në rrymat më të vogla se rryma e kalimit të shkëlqimit në hark, ekziston një rajon shkëlqimi. Në rrymat e ulëta në rajonin e shkëlqimit, tensioni është pothuajse konstant; në rrymat e larta të ndriçimit, disa lloje të tubave të gazit mund të hyjnë në një rajon jonormal të ndriçimit në të cilin rritet tensioni. Përtej këtij rajoni jonormal të shkëlqimit, rezistenca e tubit të shkarkimit të gazit zvogëlohet në rajonin e kalimit në gjendjen e harkut të tensionit të ulët. Rryma e kalimit të harkut në shkëlqim mund të jetë më e ulët se kalimi i shkëlqimit në hark. Karakteristika elektrike GDT, në lidhje me qarkun e jashtëm, përcakton aftësinë e GDT për të shuar pas kalimit të një rritjeje, dhe gjithashtu përcakton energjinë e shpërndarë në ndaluesin gjatë ngritjes.

Nëse tensioni i aplikuar (p.sh. kalimtar) rritet me shpejtësi, koha e marrë për procesin e jonizimit/formimit të harkut mund të lejojë që tensioni kalimtar të tejkalojë vlerën e kërkuar për prishjen në paragrafin e mëparshëm. Ky tension përcaktohet si tension i prishjes së impulsit dhe në përgjithësi është një funksion pozitiv i shkallës së rritjes së tensionit të aplikuar (kalimtar).

Një dhomë e vetme me tre elektroda GDT ka dy zgavra të ndara nga një elektrodë unazë qendrore. Vrima në elektrodën qendrore lejon që plazma e gazit nga një zgavër përcjellëse të fillojë përcjelljen në zgavrën tjetër, edhe pse tensioni tjetër i zgavrës mund të jetë nën tensionin e ndezjes.

Për shkak të veprimit të tyre ndërrues dhe ndërtimit të thyer, GDT-të mund të tejkalojnë përbërësit e tjerë të SPD-së në aftësinë bartëse të rrymës. Shumë GDT të telekomunikacionit mund të mbajnë me lehtësi rryma të larta deri në 10 kA (forma e valës 8/20 µs). Më tej, në varësi të modelit dhe madhësisë së GDT, mund të arrihen rryma të larta prej> 100 kA.

Ndërtimi i tubave të shkarkimit të gazit është i tillë që ato kanë kapacitet shumë të ulët - në përgjithësi më pak se 2 pF. Kjo lejon përdorimin e tyre në shumë aplikime të qarkut me frekuencë të lartë.

Kur funksionojnë GDT-të, ato mund të gjenerojnë rrezatim me frekuencë të lartë, i cili mund të ndikojë në elektronikën e ndjeshme. Prandaj është e mençur të vendosni qarqet GDT në një distancë të caktuar nga elektronika. Distanca varet nga ndjeshmëria e elektronikës dhe sa mirë elektronika është e mbrojtur. Një metodë tjetër për të shmangur efektin është vendosja e GDT në një rrethim të mbrojtur.

Përkufizimet për GDT

Një hendek, ose disa boshllëqe me dy ose tre elektroda metalike të mbyllura hermetikisht në mënyrë që përzierja dhe presioni i gazit të jenë nën kontroll, i krijuar për të mbrojtur aparatet ose personelin, ose të dyja, nga tensione të larta kalimtare.

Or

Një hendek ose boshllëqe në një mjedis shkarkimi të mbyllur, përveç ajrit në presionin atmosferik, i krijuar për të mbrojtur aparatet ose personelin, ose të dyja, nga tensionet e larta kalimtare.

• Filtrat LCR

Këta përbërës ndryshojnë në përbërjen e tyre:

• aftësinë për energji
• disponueshmëri
• siguri
• kosto
• efikasitet

Nga IEEE Std C62.72: Aftësia e një SPD për të kufizuar mbitensionet në rrjetin e shpërndarjes elektrike duke devijuar rrymat e rritjes është një funksion i përbërësve mbrojtës nga rryma, struktura mekanike e SPD dhe lidhja me rrjetin e shpërndarjes elektrike. Disa përbërës të zakonshëm mbrojtës nga rryma të përdorura në prodhimin e SPD-ve janë MOV, SASD dhe tubat e shkarkimit të gazit, me MOV që kanë përdorimin më të madh. Vlerësimi i rrymës së rritjes së një MOV lidhet me zonën e seksionit kryq dhe përbërjen e tij. Në përgjithësi, sa më e madhe të jetë zona e seksionit kryq, aq më i lartë është vlerësimi i rrymës së valës së pajisjes. MOV -të në përgjithësi janë të gjeometrisë së rrumbullakët ose drejtkëndëshe, por vijnë në një bollëk të dimensioneve standarde që variojnë nga 7 mm (0.28 in) në 80 mm (3.15 in). Vlerësimet e rrymës së valës së këtyre përbërësve mbrojtës të rrymës ndryshojnë shumë dhe varen nga prodhuesi. Duke lidhur MOV -të në një grup paralel, një vlerësim teorik i rrymës së rritjes mund të llogaritet duke shtuar thjesht vlerësimet aktuale të MOV -ve individuale së bashku për të marrë vlerësimin e rrymës së ngritjes së grupit.

Ka shumë hipoteza se çfarë përbërësi, çfarë topologjie dhe vendosja e teknologjisë specifike prodhon SPD -në më të mirë për devijimin e rrymës së lartë. Në vend që të paraqisni të gjitha këto argumente dhe ta lini lexuesin të deshifrojë këto tema, është mirë që diskutimi i vlerësimit të rrymës së rrymës, Vlerësimit Aktual të Shkarkimit Nominal, ose aftësive të rrymës së ngritjes të sillet rreth të dhënave të testit të performancës. Pavarësisht nga përbërësit e përdorur në dizajn, ose struktura specifike mekanike e vendosur, ajo që ka rëndësi është që SPD të ketë një vlerësim të rrymës së lartë ose Vlerësimin Nominal të Shkarkimit aktual që është i përshtatshëm për aplikimin dhe, ndoshta më e rëndësishmja, që SPD kufizon kalueshmërinë mbitensionet në nivele që parandalojnë dëmtimin e pajisjeve që mbrohen duke pasur parasysh mjedisin e pritshëm të rritjes.

Mënyrat themelore të funksionimit

Shumica e SPD -ve kanë tre mënyra themelore të funksionimit:

• Në pritje
• devijues

Në secilën mënyrë, rryma rrjedh përmes SPD. Sidoqoftë, ajo që mund të mos kuptohet është se një lloj i ndryshëm i rrymës mund të ekzistojë në secilën mënyrë.

Mënyra e pritjes

Nën situatat normale të energjisë kur "energjia e pastër" furnizohet brenda një sistemi të shpërndarjes elektrike, SPD kryen funksion minimal. Në mënyrën e pritjes, SPD është duke pritur që të ndodhë një mbitensioni dhe po konsumon pak ose aspak energji AC; kryesisht atë të përdorur nga qarqet e monitorimit.

Mënyra e devijimit

Me të ndjerë një ngjarje kalimtare të mbitensionit, SPD ndryshon në Modalitetin e Devijimit. Qëllimi i një SPD është të devijojë rrymën e impulsit të dëmshëm nga ngarkesat kritike, duke zvogëluar njëkohësisht madhësinë e tensionit që rezulton në një nivel të ulët, të padëmshëm.

Siç përcaktohet nga ANSI/IEEE C62.41.1-2002, një kalimtare tipike e rrymës zgjat vetëm një pjesë të një cikli (mikrosekonda), një fragment i kohës kur krahasohet me rrjedhën e vazhdueshme të një sinjali sinusoidal 60Hz.

Madhësia e rrymës së rritjes varet nga burimi i saj. Goditjet e rrufesë, për shembull, që në raste të rralla mund të përmbajnë madhësi aktuale që tejkalojnë disa qindra mijëra amperë. Brenda një objekti, megjithatë, ngjarjet kalimtare të krijuara nga brenda do të prodhojnë madhësi më të ulëta të rrymës (më pak se disa mijëra ose qindra amperë).

Meqenëse shumica e SPD -ve janë të dizajnuara për të trajtuar rryma të mëdha të rritjes, një pikë referimi e performancës është Vlerësimi Nominal i Shkarkimit të Testuar të produktit (Në). Shpesh i ngatërruar me rrymën e defektit, por të palidhur, kjo madhësi e madhe aktuale është një tregues i kapacitetit të përballuar të testuar të produktit.

Nga IEEE Std. C62.72: Vlerësimi Nominal i Shkarkimit aktual ushtron aftësinë e SPD për t'iu nënshtruar rritjeve të përsëritura të rrymës (15 ngritje totale) të një vlere të zgjedhur pa dëmtime, degradime ose ndryshime në performancën e matur të tensionit kufizues të një SPD. Testi Nominal i Shkarkimit aktual përfshin të gjithë SPD duke përfshirë të gjithë përbërësit mbrojtës të rrymës dhe shkëputësit SPD të brendshëm ose të jashtëm. Gjatë provës, asnjë përbërës ose shkëputës nuk lejohet të dështojë, të hapë qarkun, të dëmtohet ose të degradojë. Për të arritur një vlerësim të veçantë, niveli i matur i performancës së matur të tensionit të SPD duhet të mbahet midis krahasimit para-test dhe atij pas testit. Qëllimi i këtyre testeve është të demonstrojë aftësinë dhe performancën e një SPD në përgjigje të rritjeve që në disa raste janë të rënda, por mund të priten në pajisjet e shërbimit, brenda një objekti ose në vendin e instalimit.

Për shembull, një SPD me një kapacitet nominal aktual të shkarkimit prej 10,000 ose 20,000 amps për modalitet do të thotë që produkti duhet të jetë në gjendje të përballojë në mënyrë të sigurt një magnitudë aktuale kalimtare prej 10,000 ose 20,000 amps të paktën 15 herë, në secilën nga mënyrat e mbrojtjes.

Skenarët e Fundit të Jetës

Nga IEEE Std C62.72: Kërcënimi më i madh për besueshmërinë afatgjatë të SPD-ve mund të mos jenë rritjet, por mbitensionet e përsëritura momentale ose të përkohshme (TOV ose "fryrje") që mund të ndodhin në PDS. SPD-të me një MCOV-të cilat janë shumë afër tensionit nominal të sistemit janë më të ndjeshëm ndaj mbitensioneve të tilla që mund të çojnë në plakjen e parakohshme të SPD ose përfundimin e parakohshëm të jetës. Një rregull i përgjithshëm që përdoret shpesh është të përcaktohet nëse MCOV e SPD është të paktën 115% e tensionit nominal të sistemit për secilën mënyrë specifike të mbrojtjes. Kjo do të lejojë që SPD të mos preket nga ndryshimet normale të tensionit të PDS.

Megjithatë, përveç ngjarjeve të mbitensionit të qëndrueshëm, SPD-të mund të plaken, ose degradojnë, ose të arrijnë gjendjen e tyre të përfundimit të shërbimit me kalimin e kohës për shkak të rritjeve që tejkalojnë vlerësimet e SPD-ve për rrymën e rritjes, shkallën e shfaqjes së ngjarjeve të rritjes, kohëzgjatjen e rritjes , ose kombinimi i këtyre ngjarjeve. Ngjarjet e përsëritura të amplituda të rëndësishme gjatë një periudhe kohore mund të mbinxehen komponentët e SPD dhe të shkaktojnë plakjen e komponentëve mbrojtës të rritjes. Për më tepër, rritjet e përsëritura mund të bëjnë që shkëputësit SPD që aktivizohen termikisht të funksionojnë para kohe për shkak të ngrohjes së përbërësve mbrojtës të rrymës. Karakteristikat e një SPD mund të ndryshojnë ndërsa arrin gjendjen e tij të përfundimit të shërbimit-për shembull, tensionet kufizuese të matura mund të rriten ose ulen.

Në përpjekje për të shmangur degradimin për shkak të valëve, shumë prodhues të SPD dizajnojnë SPD me aftësi të larta të rrymës ose duke përdorur përbërës fizikisht më të mëdhenj ose duke lidhur paralelisht komponentë të shumtë. Kjo është bërë për të shmangur mundësinë që vlerësimet e SPD si një asamble të tejkalohen, përveç në raste shumë të rralla dhe të jashtëzakonshme. Suksesi i kësaj metode mbështetet nga jeta e gjatë e shërbimit dhe historia e SPD -ve ekzistuese të instaluara që janë krijuar në këtë mënyrë.

Në lidhje me koordinimin e SPD dhe, siç u tha në lidhje me vlerësimet aktuale të rritjes, është logjike që të ketë një SPD me vlerësime më të larta të rrymës së ngritjes të vendosura në pajisjet e shërbimit ku PDS është më e ekspozuar ndaj rritjeve për të ndihmuar në parandalimin e plakjes së parakohshme; ndërkohë, SPD-të më poshtë nga pajisjet e shërbimit që nuk janë të ekspozuar ndaj burimeve të jashtme të valëve mund të kenë vlerësime më të ulëta. Me dizenjimin dhe koordinimin e mirë të sistemit mbrojtës të rritjes, plakja e parakohshme e SPD mund të shmanget.

Shkaqe të tjera të dështimit të SPD përfshijnë:

• Gabimet e instalimit
• Zbatimi i gabuar i një produkti për vlerësimin e tensionit të tij
• Ngjarje të qëndrueshme mbi tensionin

Kur një komponent shtypës dështon, ai më së shpeshti e bën këtë si një të shkurtër, duke bërë që rryma të fillojë të rrjedhë përmes komponentit të dështuar. Sasia e rrymës në dispozicion që rrjedh përmes këtij komponenti të dështuar është një funksion i rrymës së prishjes në dispozicion dhe nxitet nga sistemi i energjisë. Për më shumë informacion mbi Rrymat e Gabimit shkoni te Informacioni i lidhur me Sigurinë SPD.