Како функционише уређај за заштиту од пренапона (СПД)
Способност СПД-а да ограничи пренапоне на електричној дистрибутивној мрежи преусмеравањем пренапонских струја је функција компонената за заштиту од пренапона, механичке структуре СПД-а и прикључка на електричну дистрибутивну мрежу. СПД је намењен ограничавању прелазних пренапона и преусмеравању пренапонске струје, или обоје. Садржи најмање једну нелинеарну компоненту. Најједноставније речено, СПД -ови су намијењени ограничавању пролазних пренапона с циљем спрјечавања оштећења опреме и застоја услијед пролазних скокова напона који долазе до уређаја које штите.
На пример, размислите о воденом млину заштићеном вентилом за смањење притиска. Вентил за смањење притиска не ради ништа док се у доводу воде не појави импулс превисоког притиска. Када се то догоди, вентил се отвара и одводи додатни притисак у страну, тако да не допире до воденог точка.
Ако сигурносни вентил није био присутан, превелики притисак би могао оштетити водени точак или можда спој пиле. Иако је сигурносни вентил постављен и ради исправно, неки остатак импулса притиска и даље ће допирати до точка. Али притисак ће бити довољно смањен да не оштети водени точак или поремети његов рад. Ово описује деловање СПД -а. Они смањују прелазе на нивое који неће оштетити или ометати рад осетљиве електронске опреме.
Коришћене технологије
Које технологије се користе у СПД -овима?
Од ИЕЕЕ Стд. Ц62.72: Неколико уобичајених компоненти за заштиту од пренапона које се користе у производњи СПД-а су варистори од метал-оксида (МОВ), диоде за пробијање лавина (АБД-раније познате као силиконске лавине диоде или САД) и цеви за пражњење гаса (ГДТ). МОВ -ови су најчешће коришћена технологија за заштиту струјних кола наизменичне струје. Пренапонска струја МОВ-а повезана је с површином попречног пресјека и његовим саставом. Уопштено говорећи, што је већа површина попречног пресека, већа је и струјна снага уређаја. МОВ -ови су опћенито округле или правокутне геометрије, али долазе у мноштву стандардних димензија у распону од 7 мм (0.28 инча) до 80 мм (3.15 инча). Оцене пренапонских струја ових компонената за заштиту од пренапона увелике варирају и зависе од произвођача. Као што је раније речено у овој клаузули, повезивањем МОВ -ова у паралелни низ, вредност пренапонске струје могла би се израчунати једноставним сабирањем оцена пренапонске струје појединачних МОВ -ова заједно како би се добила оцена пренапонске струје низа. При томе треба узети у обзир координацију радних карактеристика одабраних МОВ -ова.
Постоје многе хипотезе о томе која компонента, која топологија и примена одређене технологије производи најбољи СПД за преусмеравање пренапонске струје. Уместо представљања свих опција, најбоље је да се расправа о оцени струје пренапона, номиналној струји пражњења или могућностима струје пренапона окрене око података о перформансама. Без обзира на компоненте које се користе у дизајну, или на специфичну механичку структуру, важно је да СПД има напон струје пренапона или називну номиналну струју пражњења која је погодна за примену.
Следи опширнији опис ових компоненти. Компоненте које се користе у СПД -има значајно се разликују. Ево узорка ових компоненти:
Метални оксидни варистор (МОВ)
Обично се МОВ -и састоје од округлог или правоугаоног тела од синтерованог цинковог оксида са одговарајућим адитивима. Други типови који се користе укључују цевасте облике и вишеслојне структуре. Варистори имају електроде од металних честица које се састоје од легуре сребра или другог метала. Електроде су можда нанесене на тело ситовањем и синтеровањем или другим поступцима у зависности од коришћеног метала. Варистори такође често имају жице или језичке или неку другу врсту завршетка која је можда лемљена на електроду.
Основни механизам провођења МОВ -а резултат је полуводичких спојева на граници зрна оксида цинка насталих током процеса синтеровања. Варистор се може сматрати уређајем са више спојева са много зрна који делују у серијски паралелној комбинацији између стезаљки. Схематски приказ попречног пресјека типичног варистора приказан је на слици 1.
Варистори имају својство да одржавају релативно малу промену напона на својим стезаљкама, док пренапонска струја која протиче кроз њих варира током неколико деценија. Ова нелинеарна радња омогућава им да преусмере струју пренапона када су повезани у шант преко линије и ограниче напон преко линије на вредности које штите опрему повезану на ту линију.
Диода за пробијање лавине (АДБ)
Ови уређаји су познати и као силиконска лавинска диода (САД) или пригушивач прелазног напона (ТВС). Диода за пробијање ПН споја у свом основном облику је један ПН спој који се састоји од аноде (П) и катоде (Н). Погледајте слику 2а. У апликацијама једносмерног кола заштитник је обрнуто пристрасан тако да се позитиван потенцијал примењује на катодну (Н) страну уређаја. Погледајте слику 2б.
Лавинска диода има три радна региона, 1) преднапон (ниска импеданса), 2) искључено стање (висока импеданса) и 3) слом уназад (релативно ниска импеданса). Ови делови се могу видети на слици 3. У режиму преднапона са позитивним напоном на П подручју, диода има веома ниску импеданцију када напон пређе напон диоде са пристрасношћу, ВФС. ВФС је обично мањи од 1 В и доле је дефинисан. Искључено стање се протеже од 0 В до мало испод позитивног ВБР на Н подручју. У овом региону једине струје које протичу су струје цурења зависне од температуре и Зенер -ове тунелске струје за диоде ниског напона пробоја. Регион обрнуте пристрасности почиње позитивним ВБР на Н подручју. На ВБР електрони који прелазе спој су довољно убрзани високим пољем у подручју споја па судари електрона резултирају каскадом или лавином електрона и рупа. Резултат је нагли пад отпора диоде. За заштиту се могу користити и предња и пристрасна подручја разбијања пристрасности.
Електричне карактеристике лавине диоде су суштински асиметричне. Производе се и симетрични производи за заштиту од лавине диоде који се састоје од спојева леђа и леђа.
Цев за пражњење гаса (ГДТ)
Цеви за пражњење гаса се састоје од две или више металних електрода одвојених малим размаком и држане керамичким или стакленим цилиндром. Цилиндар је напуњен мешавином племенитог гаса, који се прелива у сјајно пражњење и коначно стање лука када се на електроде примени довољан напон.
Када полако растући напон преко зазора достигне вредност која је првенствено одређена размаком електрода, притиском гаса и смешом гасова, процес укључивања започиње при напону искривљења (пробоја). Када дође до пребацивања искре, могућа су различита радна стања, у зависности од спољашњег кола. Ова стања су приказана на слици 4. Код струја мањих од прелазне струје ужареног лука постоји подручје сјаја. При малим струјама у области сјаја, напон је скоро константан; при великим струјама сјаја, неке врсте гасних цеви могу ући у абнормално подручје сјаја у којем се напон повећава. Изван овог абнормалног подручја сјаја, импеданса цеви за пражњење гаса се смањује у прелазном региону у стање нисконапонског лука. Прелазна струја лука у сјај може бити нижа од преласка у сјај у лук. Електрична карактеристика ГДТ -а, заједно са спољним колом, одређује способност ГДТ -а да се угаси након проласка удара, а такође одређује и енергију која се расипа у одводнику током пренапона.
Ако примењени напон (нпр. Прелазни) брзо расте, време потребно за процес јонизације/формирања лука може дозволити да прелазни напон пређе вредност потребну за квар у претходном пасусу. Овај напон је дефинисан као импулсни прекидни напон и генерално је позитивна функција брзине пораста примењеног напона (прелазни).
ГДТ са три коморе са једном комором има две шупљине одвојене централном електродом. Рупа у средишњој електроди омогућава гасној плазми из проводне шупљине да покрене проводљивост у другој шупљини, иако напон друге шупљине може бити испод напона превртања.
Због свог преклопног дејства и робусне конструкције, ГДТ-и могу премашити друге компоненте СПД-а у способностима ношења струје. Многи телекомуникациони ГДТ -ови могу лако да пренесу пренапонске струје до 10 кА (таласни облик 8/20 µс). Надаље, овисно о дизајну и величини ГДТ -а, могу се постићи пренапонске струје> 100 кА.
Конструкција цеви за пражњење гаса је таква да имају веома мали капацитет - генерално мањи од 2 пФ. Ово омогућава њихову употребу у многим апликацијама за високофреквентна кола.
Када ГДТ раде, могу стварати високофреквентно зрачење, што може утицати на осетљиву електронику. Стога је паметно поставити ГДТ кола на одређену удаљеност од електронике. Удаљеност зависи од осетљивости електронике и од тога колико је електроника заштићена. Други начин да се избегне ефекат је постављање ГДТ -а у заштићено кућиште.
Дефиниције за ГДТ
Прорез или неколико празнина са две или три металне електроде које су херметички затворене тако да су мешавина гаса и притисак под контролом, дизајнирани да заштите апарате или особље, или обоје, од високих пролазних напона.
Or
Празнина или празнине у затвореном медијуму за пражњење, осим ваздуха при атмосферском притиску, дизајнирани да заштите апарате или особље, или обоје, од високих прелазних напона.
- ЛЦР филтери
Ове компоненте се разликују по:
- енергетске способности
- доступност
- поузданост
- коштати
- ефикасност
Из ИЕЕЕ Стд Ц62.72: Способност СПД-а да ограничи пренапоне на електричној дистрибутивној мрежи преусмеравањем пренапонских струја је функција компонената за заштиту од пренапона, механичке структуре СПД-а и везе са електричном дистрибутивном мрежом. Неколико уобичајених компоненти за заштиту од пренапона које се користе у производњи СПД-ова су МОВ, САСД и цијеви за пражњење плина, при чему се МОВ-и имају највећа употреба. Пренапонска струја МОВ-а повезана је с површином попречног пресјека и његовим саставом. Уопштено говорећи, што је већа површина попречног пресека, то је већа напонска струја уређаја. МОВ -ови су опћенито округле или правокутне геометрије, али долазе у мноштву стандардних димензија у распону од 7 мм (0.28 инча) до 80 мм (3.15 инча). Оцене пренапонских струја ових компонената за заштиту од пренапона увелике варирају и зависе од произвођача. Повезивањем МОВ -ова у паралелни низ, теоретска оцена струје пренапона могла би се израчунати једноставним збрајањем тренутних оцена појединачних МОВ -ова заједно како би се добила оцена пренапонске струје низа.
Постоје многе хипотезе о томе која компонента, која топологија и примена одређене технологије производи најбољи СПД за преусмеравање пренапонске струје. Уместо да изнесете све ове аргументе и допустите читаоцу да дешифрује ове теме, најбоље је да се расправа о оцени струје пренапона, номиналној оцени струје пражњења или могућностима струје пренапона врти око података о перформансама. Без обзира на компоненте које се користе у дизајну, или на специфичну механичку структуру, важно је да СПД има напон струје пренапона или Номиналну струју пражњења која је погодна за примену и, вероватно најважније, да СПД ограничава пролазни пренапони до нивоа који спречавају оштећења опреме која се штити с обзиром на очекивано окружење пренапона.
Основни начини рада
Већина СПД -ова има три основна начина рада:
- Чека се
- Преусмеравање
У сваком режиму, струја протиче кроз СПД. Оно што се можда не разуме је да у сваком режиму може постојати различита врста струје.
Режим чекања
У нормалним ситуацијама напајања када се „чиста енергија“ напаја унутар електричног дистрибутивног система, СПД обавља минималну функцију. У режиму чекања, СПД чека да дође до пренапона и троши мало или нимало наизменичне струје; првенствено оно што користе кола за надзор.
Режим преусмеравања
Када детектује пролазни догађај пренапона, СПД прелази у режим преусмеравања. Сврха СПД -а је да одврати штетну импулсну струју од критичних оптерећења, истовремено смањујући резултирајућу величину напона на низак, безопасан ниво.
Како је дефинисано у АНСИ/ИЕЕЕ Ц62.41.1-2002, типични тренутни прелазни ток траје само делић циклуса (микросекунде), фрагмент времена у поређењу са континуираним током синусоидног сигнала од 60 Хз.
Величина ударне струје зависи од њеног извора. На пример, удари грома који у ретким случајевима могу да садрже јачине струје веће од неколико стотина хиљада ампера. Унутар објекта, међутим, интерно генерисани пролазни догађаји ће произвести мање јачине струје (мање од неколико хиљада или стотину ампера).
Будући да је већина СПД -ова дизајнирана за руковање великим пренапонским струјама, једно мјерило перформанси је тестирана номинална струја пражњења производа (Ин). Често се меша са струјом грешке, али није повезана, ова велика струја је показатељ тестираног поновљеног издржљивог производа.
Од ИЕЕЕ Стд. Ц62.72: Номинална оцена струје пражњења вежба способност СПД -а да буде изложен понављајућим ударима струје (15 укупних скокова) изабране вредности без оштећења, деградације или промене у измереним граничним напонским карактеристикама СПД -а. Тест номиналне струје пражњења укључује читав СПД, укључујући све компоненте за заштиту од пренапона и унутрашње или вањске СПД растављаче. Током испитивања ниједној компоненти или растављачу није дозвољено да откаже, отвори круг, да се оштети или поквари. Да би се постигла одређена оцена, измерени гранични напонски ниво перформанси СПД-а мора се одржавати између поређења пре и после испитивања. Сврха ових тестова је показати способност и перформансе СПД -а као одговор на пренапоне који су у неким случајевима озбиљни, али се могу очекивати на сервисној опреми, унутар објекта или на мјесту инсталације.
На пример, СПД са номиналном струјом пражњења од 10,000 или 20,000 ампера по режиму значи да би производ требао бити у стању да безбедно издржи пролазну струју величине 10,000 или 20,000 ампера најмање 15 пута, у сваком од начина заштите.
Сценарији краја живота
Из стандарда ИЕЕЕ Стд Ц62.72: Највећа пријетња дугорочној поузданости СПД-а можда неће бити пренапони, већ поновљени тренутни или привремени пренапони (ТОВ-ови или „набрекнућа“) који се могу појавити на ПДС-у. СПД-ови са МЦОВ-ом-који су несигурно близу номиналног напона система, подложнији су таквим пренапонима који могу довести до прераног старења СПД-а или прераног истека животног века. Опште правило које се често користи је да се утврди да ли је МЦОВ СПД -а најмање 115% номиналног напона система за сваки одређени начин заштите. Ово ће омогућити да на СПД не утичу нормалне варијације напона ПДС -а.
Међутим, осим континуираних догађаја пренапона, СПД-ови могу старити, или се деградирати, или временом достићи стање престанка рада услед пренапона који премашују оцене СПД-а за струју пренапона, стопу појављивања догађаја пренапона, трајање пренапона , или комбинацију ових догађаја. Понављајући догађаји пренапона значајне амплитуде у одређеном временском периоду могу прегрејати компоненте СПД -а и узроковати старење заштитних компоненти пренапона. Надаље, понављајући пренапони могу узроковати преурањени рад СПД растављача који су термички активирани због загријавања компонената за заштиту од пренапона. Карактеристике СПД-а се могу мењати када достигне стање престанка рада-на пример, измерени гранични напони се могу повећати или смањити.
У настојању да избјегну деградацију због пренапона, многи произвођачи СПД -а дизајнирају СПД -ове са високим могућностима струје пренапона било кориштењем физички већих компоненти или паралелним повезивањем више компоненти. Ово је учињено како би се избегла вероватноћа да ће оцене СПД -а као склопа бити премашене, осим у врло ретким и изузетним случајевима. Успех ове методе подржан је дугим веком трајања и историјом постојећих СПД -ова инсталираних на овај начин.
Што се тиче координације СПД -а и, као што је наведено у погледу напона пренапонске струје, логично је да се СПД са већим напоном струје пренапона налази на сервисној опреми гдје је ПДС најизложенији ударима како би се спријечило прерано старење; у међувремену, СПД-ови даље од сервисне опреме који нису изложени спољним изворима пренапона могли би имати мање оцене. Уз добар дизајн и координацију система за заштиту од пренапона, може се избећи прерано старење СПД -а.
Други узроци квара СПД -а су:
- Грешке при инсталацији
- Погрешна примена производа због његовог напона
- Одрживи догађаји пренапона
Када компонента за потискивање не успе, најчешће то чини као кратак, узрокујући да струја почне да тече кроз неуспелу компоненту. Количина струје која може проћи кроз ову кварну компоненту је функција расположиве струје квара и покреће је електроенергетски систем. За више информација о струјама грешке идите на СПД информације у вези са безбедношћу.
