Hur Surge Protective Device (SPD) fungerar

Hur Surge Protective Device (SPD) fungerar

En SPD: s förmåga att begränsa överspänningar på det elektriska distributionsnätet genom att avleda överspänningsströmmar är en funktion av de överspänningsskyddande komponenterna, SPD: s mekaniska struktur och anslutningen till det elektriska distributionsnätet. En SPD är avsedd att begränsa övergående överspänningar och avleda överspänningsström, eller båda. Den innehåller minst en olinjär komponent. I de enklaste termerna är SPD: er avsedda att begränsa övergående överspänningar med ett mål att förhindra skador på utrustningen och driftstopp på grund av att övergående spänningsstötar når de enheter de skyddar.

Tänk till exempel på en vattenkvarn som skyddas av en tryckavlastningsventil. Tryckavlastningsventilen gör ingenting förrän en övertryckspuls uppstår i vattentillförseln. När det händer öppnar ventilen och shuntar det extra trycket åt sidan, så att det inte når vattenhjulet.

Om avlastningsventilen inte fanns kunde överdrivet tryck skada vattenhjulet eller kanske länken för sågen. Även om avlastningsventilen är på plats och fungerar som den ska, kommer en rest av tryckpulsen fortfarande att nå ratten. Men trycket kommer att ha reducerats tillräckligt för att inte skada vattenhjulet eller störa dess funktion. Detta beskriver hur SPD: er fungerar. De reducerar transienter till nivåer som inte kommer att skada eller störa driften av känslig elektronisk utrustning.

Tekniker som används

Vilken teknik används i SPD?

Från IEEE Std. C62.72: Några vanliga överspänningsskyddande komponenter som används vid tillverkning av SPD: er är metalloxidvaristorer (MOV), lavindelningsdioder (ABD-tidigare kända som kiselskalindioder eller SAD) och gasurladdningsrör (GDT). MOV är den mest använda tekniken för skydd av växelströmskretsar. Överströmsströmmen för en MOV är relaterad till tvärsnittsarean och dess sammansättning. I allmänhet, ju större tvärsnittsarea, desto högre överspänningsström är enheten. MOV har i allmänhet rund eller rektangulär geometri men finns i en uppsjö av standardmått som sträcker sig från 7 mm (0.28 tum) till 80 mm (3.15 tum). Överspänningsströmmen för dessa överspänningsskyddskomponenter varierar mycket och är beroende av tillverkaren. Som diskuterats tidigare i denna klausul, genom att ansluta MOV: erna i en parallell uppsättning, kan ett överspänningsströmvärde beräknas genom att helt enkelt lägga till överspänningsströmvärdena för de enskilda MOV: erna för att erhålla matningsströmvärdet för gruppen. Därvid bör man överväga samordning av driftskarakteristiken för de valda MOV: erna.

Det finns många hypoteser om vilken komponent, vilken topologi och distribution av specifik teknik som ger den bästa SPD för att avleda överspänningsström. I stället för att presentera alla alternativen är det bäst att diskussionen om överspänningsström, nominell urladdningsström eller överspänningsströmkapacitet kretsar kring prestandatestdata. Oavsett vilka komponenter som används i konstruktionen, eller den specifika mekaniska konstruktion som används, är det viktigt att SPD har en överspänningsström eller nominell urladdningsström som är lämplig för applikationen.

En mer omfattande beskrivning av dessa komponenter följer. Komponenterna som används i SPD varierar avsevärt. Här är ett urval av dessa komponenter:

• Metalloxidvaristor (MOV)

Vanligtvis består MOV av en rund eller rektangulär formad kropp av sintrad zinkoxid med lämpliga tillsatser. Andra typer som används inkluderar rörformiga former och flerskiktsstrukturer. Varistorer har metallpartikelelektroder som består av en silverlegering eller annan metall. Elektroderna kan ha applicerats på kroppen genom screening och sintring eller genom andra processer beroende på vilken metall som används. Varistorer har också ofta tråd- eller flikledare eller någon annan typ av avslutning som kan ha lödts till elektroden.

Den grundläggande ledningsmekanismen för MOV är resultatet av halvledarkopplingar vid gränsen för zinkoxidkornen som bildas under en sintringsprocess. Varistorn kan betraktas som en multi-junction-enhet med många korn som verkar i serieparallell kombination mellan terminalerna. En schematisk tvärsnittsvy av en typisk varistor visas i figur 1.

Varistorer har egenskapen att upprätthålla en relativt liten spänningsförändring över sina terminaler medan överspänningsströmmen som flödar genom dem varierar över flera decenniers storlek. Denna olinjära åtgärd gör att de kan avleda strömmen från en överspänning när de är anslutna i shunt över linjen och begränsa spänningen över linjen till värden som skyddar utrustningen som är ansluten till den linjen.

• Avalanche Breakdown Diode (ADB)

Dessa enheter är också kända som kisel lavinodiod (SAD) eller transient spänningsdämpare (TVS). PN -korsningens nedbrytningsdiod är i sin grundform en enda PN -korsning som består av en anod (P) och en katod (N). Se figur 2a. I applikationer för likströmskretsar är skyddet omvänt förspänt så att en positiv potential appliceras på katodens (N) sida av enheten. Se figur 2b.

Skreddioden har tre driftsregioner, 1) förspänning framåt (låg impedans), 2) avstängt tillstånd (hög impedans) och 3) omvänd förspänning (relativt låg impedans). Dessa regioner kan ses i figur 3. I förspänningsläget framåt med en positiv spänning på P -regionen har dioden mycket låg impedans när spänningen överstiger framspänningsdiodspänningen, VFS. VFS är vanligtvis mindre än 1 V och definieras nedan. Avstängt tillstånd sträcker sig från 0 V till strax under en positiv VBR på N -regionen. I denna region är de enda strömmarna som flödar temperaturberoende läckströmmar och Zenertunnelströmmar för lågspänningsdioder. Omvänt förspänningsregion börjar med en positiv VBR på N -regionen. Vid VBR elektroner som korsar korsningen accelereras tillräckligt av det höga fältet i korsningsområdet att elektronkollisioner resulterar i att en kaskad, eller lavin, av elektroner och hål skapas. Resultatet är en kraftig minskning av diodens motstånd. Både regionerna framåt och bakåtfördelning kan användas som skydd.

En lavindiods elektriska egenskaper är i sig asymmetriska. Symmetriska lavinskyddsmedel som består av back to back -korsningar tillverkas också.

• Gasurladdningsrör (GDT)

Gasurladdningsrör består av två eller flera metallelektroder separerade med ett litet gap och hålls av en keram- eller glascylinder. Cylindern är fylld med en ädelgasblandning, som gnistor över till en glödurladdning och slutligen ett ljusbågstillstånd när tillräcklig spänning appliceras på elektroderna.

När en långsamt stigande spänning över gapet når ett värde som huvudsakligen bestäms av elektrodavståndet, gastrycket och gasblandningen, startar inkopplingsprocessen vid gnistspänningen (nedbrytning). När väl gnistan inträffar är olika driftstillstånd möjliga, beroende på den externa kretsen. Dessa tillstånd visas i figur 4. Vid strömmar som är mindre än glöd-till-båge-övergångsströmmen existerar ett glödområde. Vid låga strömmar i glödområdet är spänningen nästan konstant; vid höga glödströmmar kan vissa typer av gasrör komma in i ett onormalt glödområde där spänningen ökar. Utöver detta onormala glödområde minskar gasurladdningsrörets impedans i övergångsregionen till lågspänningsbågens tillstånd. Båge-till-glöd-övergångsströmmen kan vara lägre än glöd-till-båge-övergången. Den elektriska GDT -egenskapen, tillsammans med den externa kretsen, bestämmer GDT: s förmåga att släcka efter överspänning, och bestämmer också den energi som försvinner i avledaren under överspänningen.

Om den applicerade spänningen (t.ex. transient) stiger snabbt, kan den tid det tar för joniserings-/bågbildningsprocessen tillåta att den transienta spänningen överstiger det värde som krävs för nedbrytning i föregående stycke. Denna spänning definieras som impulsnedbrytningsspänningen och är i allmänhet en positiv funktion av stigningshastigheten för den applicerade spänningen (transient).

En enda kammare tre-elektrod GDT har två hålrum separerade med en mittringelektrod. Hålet i mittelektroden tillåter gasplasma från ett ledande hålrum att initiera ledning i det andra hålrummet, även om den andra kavitetsspänningen kan ligga under gnistspänningen.

På grund av deras växling och robusta konstruktion kan GDT överskrida andra SPD-komponenter i strömförande kapacitet. Många telekommunikations -GDT kan enkelt bära överspänningsströmmar upp till 10 kA (8/20 µs vågform). Beroende på konstruktion och storlek på GDT kan dessutom överströmningar på> 100 kA uppnås.

Konstruktionen av gasurladdningsrör är sådan att de har mycket låg kapacitans - i allmänhet mindre än 2 pF. Detta gör att de kan användas i många högfrekventa kretstillämpningar.

När GDT fungerar, kan de generera högfrekvent strålning, vilket kan påverka känslig elektronik. Det är därför klokt att placera GDT -kretsar på ett visst avstånd från elektroniken. Avståndet beror på elektronikens känslighet och hur väl elektroniken är skärmad. En annan metod för att undvika effekten är att placera GDT i en skärmad kapsling.

Definitioner för GDT

Ett gap eller flera luckor med två eller tre metallelektroder som är hermetiskt förslutna så att gasblandning och tryck är under kontroll, utformade för att skydda apparater eller personal, eller båda, från höga övergående spänningar.

Or

Ett gap eller luckor i ett slutet urladdningsmedium, annat än luft vid atmosfärstryck, utformade för att skydda apparater eller personal, eller båda, från höga övergående spänningar.

• LCR -filter

Dessa komponenter varierar i:

• energikapacitet
• tillgänglighet
• tillförlitlighet
• kosta
• effektivitet

Från IEEE Std C62.72: SPD: s förmåga att begränsa överspänningar på det elektriska distributionsnätet genom att avleda överspänningsströmmar är en funktion av de överspänningsskyddande komponenterna, SPD: ns mekaniska struktur och anslutningen till det elektriska distributionsnätet. Några vanliga överspänningsskyddande komponenter som används vid tillverkning av SPD är MOV, SASD och gasurladdningsrör, med MOV som har störst användning. Överströmsströmmen för en MOV är relaterad till tvärsnittsarean och dess sammansättning. I allmänhet, ju större tvärsnittsarean är, desto högre är överspänningsströmmen för enheten. MOV har i allmänhet rund eller rektangulär geometri men finns i en uppsjö av standardmått som sträcker sig från 7 mm (0.28 tum) till 80 mm (3.15 tum). Överspänningsströmmen för dessa överspänningsskyddskomponenter varierar mycket och är beroende av tillverkaren. Genom att ansluta MOV: erna i en parallell array kan man beräkna en teoretisk överspänningsström genom att helt enkelt lägga till de enskilda MOV: s strömvärden för att erhålla matrisens överspänningsström.

Det finns många hypoteser om vilken komponent, vilken topologi och distribution av specifik teknik som ger den bästa SPD för att avleda överspänningsström. Istället för att presentera alla dessa argument och låta läsaren dechiffrera dessa ämnen är det bäst att diskussionen om överspänningsström, nominell urladdningsström eller överspänningsströmkapacitet kretsar kring prestandatestdata. Oavsett komponenterna som används i konstruktionen, eller den specifika mekaniska konstruktionen som används, är det viktigt att SPD har en överspänningsström eller nominell urladdningsström som är lämplig för applikationen och, förmodligen viktigast av allt, att SPD begränsar transienten överspänningar till nivåer som förhindrar skador på utrustningen som skyddas med tanke på den förväntade överspänningsmiljön.

Grundläggande driftsätt

De flesta SPD har tre grundläggande driftslägen:

• Avvaktan
• Vidarekoppla

I varje läge flödar ström genom SPD. Vad som dock inte kan förstås är att en annan typ av ström kan existera i varje läge.

Läget Väntar

Under normala energisituationer när "ren ström" levereras i ett elektriskt distributionssystem utför SPD: n minimal funktion. I vänteläget väntar SPD på att en överspänning ska inträffa och förbrukar lite eller ingen växelström; främst den som används av övervakningskretsarna.

Omdirigeringsläget

Vid avkänning av en övergående överspänningshändelse växlar SPD: n till omdirigeringsläget. Syftet med en SPD är att avleda den skadliga impulsströmmen från kritiska laster, samtidigt som dess reducerade spänningsstorlek reduceras till en låg, ofarlig nivå.

Som definierat av ANSI/IEEE C62.41.1-2002 varar en typisk strömtransient bara en bråkdel av en cykel (mikrosekunder), ett fragment av tid jämfört med det kontinuerliga flödet av en sinusformad signal på 60 Hz.

Storleken på överspänningsströmmen beror på dess källa. Blixtnedslag, till exempel, som i sällsynta fall kan innehålla strömstyrkor som överstiger flera hundratusen ampere. Inom en anläggning kommer dock internt genererade övergående händelser att ge lägre strömstorlekar (mindre än några tusen eller hundra ampere).

Eftersom de flesta SPD: er är konstruerade för att hantera stora överspänningsströmmar, är ett prestandamätmärke produktens testade nominella urladdningsström (in). Ofta förvirrad med felström, men orelaterad, är denna stora strömstyrka en indikation på produktens testade upprepade motståndskapacitet.

Från IEEE Std. C62.72: Den nominella urladdningsströmvärderingen utövar en SPD: s förmåga att utsättas för repetitiva strömspänningar (15 totala överspänningar) av ett valt värde utan skada, försämring eller förändring av uppmätt begränsande spänningsprestanda hos ett SPD. Testet för nominell urladdningsström inkluderar hela SPD inklusive alla överspänningsskyddskomponenter och interna eller externa SPD -frånskiljare. Under testet får ingen komponent eller frånskiljare misslyckas, öppna kretsen, skadas eller försämras. För att uppnå en särskild klassificering måste den uppmätta begränsningsspänningens prestandanivå för SPD bibehållas mellan för- och eftertestjämförelsen. Syftet med dessa tester är att demonstrera kapaciteten och prestandan hos ett SPD som svar på överspänningar som i vissa fall är allvarliga men kan förväntas på serviceutrustningen, inom en anläggning eller på installationsplatsen.

Till exempel innebär en SPD med en nominell urladdningsströmskapacitet på 10,000 20,000 eller 10,000 20,000 ampere per läge att produkten säkert ska kunna motstå en övergående strömstyrka på 15 XNUMX eller XNUMX XNUMX ampere minst XNUMX gånger, i vart och ett av skyddslägena.

Scenarier för livets slut

Från IEEE Std C62.72: Det största hotet mot SPD: s långsiktiga tillförlitlighet är kanske inte överspänningar, utan de upprepade tillfälliga eller tillfälliga överspänningarna (TOV: er eller ”svällningar”) som kan uppstå på PDS. SPD med en MCOV-som är osäkert nära den nominella systemspänningen är mer mottagliga för sådana överspänningar som kan leda till för tidig SPD-åldring eller för tidig livslängd. En tumregel som ofta används är att avgöra om MCOV för SPD är minst 115% av den nominella systemspänningen för varje specifikt skyddssätt. Detta gör att SPD kan påverkas av de normala spänningsvariationerna för PDS.

Bortsett från ihållande överspänningshändelser kan dock SPD: er åldras, försämras eller nå sitt serviceavslut över tid på grund av överspänningar som överstiger SPD-värdena för överspänningsström, förekomsten av överspänningshändelser, överspänningens varaktighet eller kombinationen av dessa händelser. Upprepade överspänningshändelser med betydande amplitud över en tidsperiod kan överhettas SPD -komponenterna och få överspänningsskyddskomponenterna att åldras. Vidare kan repetitiva överspänningar få SPD -frånskiljare som är termiskt aktiverade att fungera i förtid på grund av uppvärmning av överspänningsskyddskomponenterna. Egenskaperna hos en SPD kan förändras när den når sitt servicetillstånd-till exempel kan de uppmätta begränsningsspänningarna öka eller minska.

I ett försök att undvika försämring på grund av överspänningar, designar många SPD -tillverkare SPD: er med hög spänningsströmskapacitet antingen genom att använda fysiskt större komponenter eller genom att ansluta flera komponenter parallellt. Detta görs för att undvika sannolikheten för att SPD: s klassificeringar som en sammansättning överskrids utom i mycket sällsynta och exceptionella fall. Framgången för denna metod stöds av den långa livslängden och historiken för befintliga installerade SPD: er som har utformats på detta sätt.

När det gäller SPD -samordning och, som anges med avseende på överspänningsströmmar, är det logiskt att ha en SPD med högre överspänningsströmmar belägen vid serviceutrustningen där PDS är mest utsatt för överspänningar för att förhindra för tidigt åldrande; under tiden kan SPD: er som ligger längre ner från serviceutrustningen som inte utsätts för externa överspänningskällor ha lägre betyg. Med bra överspänningsskyddssystemdesign och samordning kan för tidigt åldrande av SPD undvikas.

Andra orsaker till SPD -fel inkluderar:

• Installationsfel
• Felaktig tillämpning av en produkt för dess spänningsklassificering
• Ihållande överspänningshändelser

När en undertryckningskomponent misslyckas, gör den det oftast som en kort, vilket gör att ström börjar strömma genom den misslyckade komponenten. Mängden ström som är tillgänglig för att flöda genom denna felaktiga komponent är en funktion av den tillgängliga felströmmen och drivs av kraftsystemet. Mer information om felströmmar finns i SPD -säkerhetsrelaterad information.