Översikt över överspänningsskydd (AC och DC POWER, DATALINE, COAXIAL, GAS TUBES)

Surge Protection Device (eller överspänningsdämpare eller överspänningsavledare) är en apparat eller anordning som är utformad för att skydda elektriska apparater från spänningstoppar. Ett överspänningsskydd försöker begränsa spänningen som tillförs en elektrisk enhet genom att antingen blockera eller kortsluta för att jorda oönskade spänningar över en säker tröskel. Den här artikeln diskuterar främst specifikationer och komponenter som är relevanta för den typ av skydd som leder (kortsluter) en spänningsspets till marken; det finns dock viss täckning av andra metoder.

En kraftstång med inbyggt överspänningsskydd och flera uttag
Termerna överspänningsskyddsenhet (SPD) och transient voltage surge suppressor (TVSS) används för att beskriva elektriska apparater som vanligtvis är installerade i kraftdistributionspaneler, processkontrollsystem, kommunikationssystem och andra tunga industriella system för att skydda mot elektriska överspänningar och spikar, inklusive de som orsakas av blixtar. Nedskalade versioner av dessa enheter installeras ibland i elektriska paneler för bostadsservicesingrar för att skydda utrustning i ett hushåll från liknande faror.

Översikt över AC-överspänningsskydd

Översikt över övergående överspänningar

Användarna av elektronisk utrustning och telefon- och databehandlingssystem måste möta problemet med att hålla denna utrustning i drift trots de övergående överspänningar som orsakas av blixtar. Det finns flera orsaker till detta faktum (1) den höga integrationen av elektroniska komponenter gör utrustningen mer sårbar, (2) avbrott i tjänsten är oacceptabelt (3) dataöverföringsnät täcker stora områden och utsätts för fler störningar.

Övergående överspänningar har tre huvudorsaker:

  • blixt~~POS=TRUNC
  • Industriella och omkopplare
  • Elektrostatisk urladdning (ESD)ACImageöversikt

blixt~~POS=TRUNC

Lightning, undersökt sedan Benjamin Franklins första forskning 1749, har paradoxalt nog blivit ett växande hot mot vårt mycket elektroniska samhälle.

Blixtbildning

En blixt genereras mellan två zoner med motsatt laddning, vanligtvis mellan två stormmoln eller mellan ett moln och marken.

Blixten kan gå flera mil och gå framåt mot marken i på varandra följande steg: ledaren skapar en mycket joniserad kanal. När den når marken sker den verkliga blixt- eller returslag. En ström i tiotusentals ampere kommer sedan att resa från mark till moln eller vice versa via den joniserade kanalen.

Direkt blixt

Vid urladdningsögonblicket finns det ett impulsströmflöde som sträcker sig från 1,000 200,000 till XNUMX XNUMX amperetoppar, med en stigtid på ungefär några mikrosekunder. Denna direkta effekt är en liten faktor för skador på elektriska och elektroniska system eftersom den är mycket lokaliserad.
Det bästa skyddet är fortfarande det klassiska blixtstången eller Lightning Protection System (LPS), utformad för att fånga ut urladdningsströmmen och leda den till en viss punkt.

Indirekta effekter

Det finns tre typer av indirekta blixteffekter:

Påverkan på luftledningen

Sådana ledningar är mycket exponerade och kan träffas direkt av blixtnedslag, som först förstör kablarna helt eller delvis och sedan orsakar höga spänningar som naturligt färdas längs ledarna till ledningsansluten utrustning. Skadans omfattning beror på avståndet mellan strejken och utrustningen.

Ökningen av markpotentialen

Blixtflödet i marken orsakar jordpotentialökningar som varierar beroende på strömintensiteten och den lokala jordimpedansen. I en installation som kan anslutas till flera områden (t.ex. länk mellan byggnader) kommer en strejk att orsaka en mycket stor potentialskillnad och utrustning som är ansluten till de drabbade nätverken kommer att förstöras eller allvarligt störas.

Elektromagnetisk strålning

Blixten kan betraktas som en antenn som är flera mil hög och bär en impulsström på flera tiondelar kilo-ampere, som utstrålar intensiva elektromagnetiska fält (flera kV / m vid mer än 1 km). Dessa fält inducerar starka spänningar och strömmar i linjer nära eller på utrustning. Värdena beror på avståndet från blixt och länkens egenskaper.

Industriella störningar
En industriell överspänning täcker ett fenomen som orsakas av att elektriska källor slås på eller av.
Industriella stigningar orsakas av:

  • Startmotorer eller transformatorer
  • Start av neon- och natriumljus
  • Byt kraftnät
  • Byt "studs" i en induktiv krets
  • Drift av säkringar och brytare
  • Fallande kraftledningar
  • Dåliga eller intermittenta kontakter

Dessa fenomen genererar transienter på flera kV med stigande tider av mikrosekundens ordning, störande utrustning i nätverk som störningskällan är ansluten till.

Elektrostatiska överspänningar

Elektriskt har en människa en kapacitans som sträcker sig från 100 till 300 picofarader och kan ta en laddning på så mycket som 15kV genom att gå på mattan, sedan röra vid något ledande föremål och urladdas på några mikrosekunder, med en ström på cirka tio ampere . Alla integrerade kretsar (CMOS, etc.) är ganska utsatta för denna typ av störning, vilket i allmänhet elimineras genom skärmning och jordning.

Effekter av överspänningar

Överspänningar har många typer av effekter på elektronisk utrustning i minskande ordning:

Förstörelse:

  • Spänningsnedbrytning av halvledarkorsningar
  • Destruktion av limning av komponenter
  • Förstörelse av spår av PCB eller kontakter
  • Förstörelse av försök / tyristorer med dV / dt.

Störningar i drift:

  • Slumpmässig användning av spärrar, tyristorer och triacs
  • Radering av minne
  • Programfel eller kraschar
  • Data- och överföringsfel

Tidigt åldrande:

Komponenter som utsätts för överspänning har en kortare livslängd.

Överspänningsskydd

Surge Protection Device (SPD) är en erkänd och effektiv lösning för att lösa överspänningsproblemet. För bästa effekt måste det dock väljas utifrån applikationsrisken och installeras i enlighet med teknikens regler.

Översikt över enhetsskydd för likström

Bakgrund och skydd

Utility-Interactive eller Grid-Tie Solar Photovoltaic (PV) Systems är mycket krävande och kostnadskrävande projekt. De kräver ofta att solcellssystemet ska vara i drift i flera decennier innan det kan ge önskad avkastning på investeringen.
Många tillverkare garanterar en livslängd på mer än 20 år medan växelriktaren i allmänhet bara garanteras i 5-10 år. Alla kostnader och avkastning på investeringar beräknas utifrån dessa tidsperioder. Många solcellssystem når emellertid inte mognad på grund av dessa applikations exponerade natur och dess sammankoppling tillbaka till elnätet. Solcellernas solpaneler, med sin metallram och monterade utomhus eller på hustaken, fungerar som en mycket bra blixtstång. Av denna anledning är det klokt att investera i en överspänningsskyddsenhet eller SPD för att eliminera dessa potentiella hot och därmed maximera systemets livslängd. Kostnaden för ett omfattande överspänningsskyddssystem är mindre än 1% av de totala systemutgifterna. Var noga med att använda komponenter som är UL1449 4: e utgåvan och är typ 1-komponentmonteringar (1CA) för att säkerställa att ditt system har det bästa överspänningsskyddet som finns på marknaden.

För att analysera hela hotnivån för installationen måste vi göra en riskbedömning.

  • Risk för driftstopp - Områden med kraftig blixt och instabil ström är mer utsatta.
  • Risk för sammankoppling av ström - Ju större ytan är på solcellsanläggningen, desto mer exponering för direkta och / eller inducerade blixtnedslag.
  • Risk för applikationens ytarea - AC-nätet är en sannolik källa för växlingstransienter och / eller inducerade blixtnedslag.
  • Geografisk risk - Konsekvenser av systemstopp är inte bara begränsade till utbyte av utrustning. Ytterligare förluster kan bero på förlorade beställningar, lediga arbetstagare, övertid, missnöje med kund / ledning, snabba fraktkostnader och snabba fraktkostnader.

Rekommendera metoder

1) Jordningssystem

Överspänningsskydd shuntar transienter till jordjordningssystemet. En jordbana med låg impedans, vid samma potential, är avgörande för överspänningsskyddet att fungera korrekt. Alla kraftsystem, kommunikationslinjer, jordade och ojordade metallföremål måste vara potentialutjämnade för att skyddsplanen ska fungera effektivt.

2) Underjordisk anslutning från extern PV-matris till elektrisk styrutrustning

Om möjligt bör anslutningen mellan den externa solcellsmätaren och den interna effektkontrollutrustningen vara underjordisk eller elektriskt skyddad för att begränsa risken för direkta blixtnedslag och / eller koppling.

3) Koordinerat skyddssystem

Alla tillgängliga kraft- och kommunikationsnätverk bör hanteras med överspänningsskydd för att eliminera sårbarheter i PV-systemet. Detta skulle inkludera den primära strömförsörjningen för växelström, växelriktarens växelström, växelriktarens likströmsingång, PV-strängkombinerare och andra relaterade data / signallinjer som Gigabit Ethernet, RS-485, 4-20mA strömslinga, PT-100, RTD och telefonmodem.

Data Line Surge Protection Device Översikt

Översikt över datalinjer

Telekommunikations- och dataöverföringsenheter (PBX, modem, dataterminaler, sensorer osv ...) är alltmer sårbara för blixtinducerade spänningssteg. De har blivit mer känsliga, komplexa och har en ökad sårbarhet för inducerade stigningar på grund av deras möjliga anslutning över flera olika nätverk. Dessa enheter är viktiga för företagens kommunikation och informationsbehandling. Som sådan är det klokt att försäkra dem mot dessa potentiellt dyra och störande händelser. Ett överspänningsskydd för datalinjer som är installerat direkt, framför en känslig utrustning kommer att öka deras livslängd och bibehålla kontinuiteten i flödet av din information.

Överspänningsskyddsteknik

Alla överspänningsskydd för telefon- och datalinjer är baserade på en pålitlig flerstegshybridkrets som kombinerar tunga gasutsläppsrör (GDT) och snabbt reagerande kiselavinadioder (SAD). Denna typ av krets ger

  • 5 kA nominell urladdningsström (15 gånger utan förstörelse enligt IEC 61643)
  • Mindre än 1 nanosekunds svarstid
  • Felsäkert frånkopplingssystem
  • Design med låg kapacitet minimerar signalförlust

Parametrar för att välja ett överspänningsskydd

För att välja rätt överspänningsskydd för din installation, tänk på följande:

  • Nominell och maximal linjespänning
  • Maximal linjeström
  • Antal linjer
  • Dataöverföringshastighet
  • Anslutningstyp (skruvterminal, RJ, ATT110, QC66)
  • Montering (DIN-skena, ytmontering)

Installation

För att vara effektivt måste överspänningsskyddet installeras i enlighet med följande principer.

Jordpunkten för överspänningsskyddet och den skyddade utrustningen måste vara bunden.
Skyddet installeras vid anläggningens serviceingång för att avleda impulsströmmen så snart som möjligt.
Överspänningsskyddet måste installeras i närheten av skyddad utrustning mindre än 90 fot. Om denna regel inte kan följas måste sekundära överspänningsskydd installeras nära utrustningen.
Jordledaren (mellan skyddets jordutgång och installationskopplingskretsen) måste vara så kort som möjligt (mindre än 1.5 meter) och ha en tvärsnittsarea på minst 0.50 mm i kvadrat.
Jordmotståndet måste följa den lokala elektriska koden. Ingen speciell jordning behövs.
Skyddade och oskyddade kablar måste hållas isär för att begränsa kopplingen.

SÄKERHETSKLASSNINGAR

Teststandarder och installationsrekommendationer för kommunikationslinjeöverspänningsskydd måste uppfylla följande standarder:

UL497B: Skydd för datakommunikation och brandlarmskretsar
IEC 61643-21: Tester av överspänningsskydd för kommunikationslinjer
IEC 61643-22; Val / installation av överspänningsskydd för kommunikationslinjer
NF EN 61643-21: Tester av överspänningsskydd för kommunikationslinjer
Guide UTE C15-443: Val / installation av överspänningsskydd

Särskilda villkor: Blixtskyddssystem

Om strukturen som ska skyddas är utrustad med ett LPS (Lightning Protection System), måste överspänningsskyddet för telekom eller datalinjer som är installerade vid byggnadens serviceingång testas till en direkt blixtimpuls 10 / 350us vågform med ett minimum överspänningsström på 2.5 kA (D1-kategoritest IEC-61643-21).

Koaxial överspänningsskydd Enhetsöversikt

Skydd för radiokommunikationsutrustning

Radiokommunikationsutrustning som används i fasta, nomadiska eller mobila applikationer är särskilt utsatt för blixtnedslag på grund av deras användning i utsatta områden. Den vanligaste störningen av servicekontinuiteten beror på övergående strömningar som härrör från direkta blixtnedslag till antennpolen, det omgivande marksystemet eller induceras på anslutningar mellan dessa två områden.
Radioutrustning som används i CDMA-, GSM / UMTS-, WiMAX- eller TETRA-basstationer måste beakta denna risk för att säkerställa oavbruten service. LSP erbjuder tre specifika överspänningsskyddsteknologier för radiofrekvens (RF) -kommunikationslinjer som är individuellt lämpade för de olika driftskraven i varje system.

RF-överspänningsskyddsteknik
Gasrör DC Pass-skydd
P8AX-serien

Gasutsläppsrör (GDT) DC Pass Protection är den enda överspänningsskyddskomponenten som kan användas på mycket högfrekvent överföring (upp till 6 GHz) på grund av dess mycket låga kapacitans. I ett GDT-baserat koaxialt överspänningsskydd är GDT ansluten parallellt mellan den centrala ledaren och den externa skärmen. Enheten fungerar när dess överströmningsspänning uppnås, under ett överspänningsförhållande och ledningen kortsluts kort (bågspänning) och avleds från känslig utrustning. Tändspänningen beror på överspänningens stigning. Ju högre dV / dt för överspänningen, desto högre är överspänningsskyddets tändspänning. När överspänningen försvinner återgår gasurladdningsröret till sitt normala passiva, högisolerade tillstånd och är redo att fungera igen.
GDT förvaras i en specialdesignad hållare som maximerar ledningen vid stora överspänningshändelser och ändå mycket lätt kan tas bort om underhåll krävs på grund av ett livsscenario. P8AX-serien kan användas på koaxialledningar som kör likspänningar upp till - / + 48V DC.

Hybridskydd
DC Pass - CXF60-serien
DC-blockerad - CNP-DCB-serien

Hybrid DC Pass Protection är en sammanslutning av filtreringskomponenter och ett tungt gasurladdningsrör (GDT). Denna design ger en utmärkt låg restspänning för lågfrekventa störningar på grund av elektriska transienter och ger fortfarande en hög överspänningsströmförmåga.

Quarter Wave DC Blockerat skydd
PRC-serien

Quarter Wave DC Blocked Protection är ett aktivt bandpassfilter. Den har inga aktiva komponenter. Snarare stämmer kroppen och motsvarande stubbe till en fjärdedel av önskad våglängd. Detta tillåter endast ett specifikt frekvensband att passera genom enheten. Eftersom blixt endast fungerar på ett mycket litet spektrum, från några hundra kHz till några MHz, är det och alla andra frekvenser kortslutna till jord. PRC-tekniken kan väljas för ett mycket smalt band eller bredband beroende på applikation. Den enda begränsningen för överspänningsström är tillhörande anslutningstyp. Vanligtvis kan en 7/16 Din-kontakt hantera 100 kA 8 / 20us medan en N-typ kontakt kan hantera upp till 50 kA 8/20 us.

Koaxial-överspänningsskydd-översikt

SÄKERHETSKLASSNINGAR

UL497E - Skydd för antennledare

Parametrar för att välja ett koaxialt överspänningsskydd

Informationen som krävs för att korrekt välja ett överspänningsskydd för din applikation är följande:

  • Frekvensområde
  • Linjespänning
  • Anslutningstyp
  • Könstyp
  • Montering
  • Teknologi

INSTALLATION

Korrekt installation av ett koaxialt överspänningsskydd beror till stor del på dess anslutning till ett jordningssystem med låg impedans. Följande regler måste följas strikt:

  • Potentialjordningssystem: Alla anslutningsledare i installationen måste vara sammankopplade med varandra och anslutas tillbaka till jordningssystemet.
  • Anslutning med låg impedans: Koaxialöverspänningsskyddet måste ha en låg motståndsanslutning till marksystemet.

Översikt över gasutsläpp

Skydd för komponenter på PC-kortnivå

Dagens mikroprocessorbaserade elektroniska utrustning är alltmer sårbara för blixtinducerade spänningssvängningar och elektriska omkopplingstransienter eftersom de har blivit känsligare och komplexare att skydda på grund av deras höga chiptäthet, binära logiska funktioner och anslutning över olika nätverk. Dessa enheter är viktiga för ett företags kommunikation och informationsbehandling och kan vanligtvis ha en inverkan på slutresultatet. som sådan är det klokt att säkerställa dem mot dessa potentiellt dyra och störande händelser. Ett gasurladdningsrör eller GDT kan användas som en fristående komponent eller kombineras med andra komponenter för att skapa en flerstegsskyddskrets - gasröret fungerar som komponenten för hög energihantering. GDT används vanligtvis för att skydda kommunikations- och dataledningens likspänningsapplikationer på grund av dess mycket låga kapacitans. De ger dock mycket attraktiva fördelar på växelströmsledningen, inklusive ingen läckström, hög energihantering och bättre livslängdskaraktäristik.

TEKNIK FÖR UTSLÄPP AV GAS

Gasurladdningsröret kan betraktas som en typ av mycket snabb omkopplare som har konduktansegenskaper som förändras mycket snabbt, när en brytning inträffar, från öppen krets till kvasikortslutning (bågspänning ca 20 V). Det finns följaktligen fyra driftsdomäner i beteendet hos ett gasurladdningsrör:
gdt_labels

GDT kan betraktas som en mycket snabbverkande omkopplare som måste leda egenskaper som ändras mycket snabbt när en haveri inträffar och omvandlas från en öppen krets till en kvasikortslutning. Resultatet är en bågspänning på cirka 20V DC. Det finns fyra driftsteg innan röret växlar helt.

  • Icke-fungerande domän: Karaktäriseras av praktiskt taget oändlig isolationsmotstånd.
  • Glöddomän: Vid uppdelningen ökar konduktansen plötsligt. Om strömmen dräneras av gasurladdningsröret är mindre än cirka 0.5 A (ett grovt värde som skiljer sig från komponent till komponent) ligger lågspänningen över terminalerna i området 80-100V.
  • Bågregim: När strömmen ökar växlar gasurladdningsröret från lågspänning till bågspänning (20V). Det är denna domän som gasurladdningsröret är mest effektivt eftersom strömutmatningen kan nå flera tusen ampere utan att bågspänningen över terminalerna ökar.
  • Utrotning: Vid en förspänning ungefär lika med lågspänningen täcker gasurladdningsröret dess ursprungliga isoleringsegenskaper.

gdt_graph3-elektrodkonfiguration

Att skydda en tvåtrådsledning (till exempel ett telefonpar) med två 2-elektrodgasurladdningsrör kan orsaka följande problem:
Om den skyddade linjen utsätts för en överspänning i det gemensamma läget, sprider gnistöverspänningarna (+/- 20%), ett av gasurladdningsrören gnistor över en mycket kort tid före det andra (vanligtvis några mikrosekunder), kabeln som har gnistan över är därför jordad (försummar bågspänningarna), vilket förvandlar common-mode-överspänningen till en differentiell mode-överspänning. Detta är mycket farligt för den skyddade utrustningen. Risken försvinner när det andra gasurladdningsröret böjs över (några mikrosekunder senare).
3-elektrodgeometrin eliminerar denna nackdel. Gnistan över en pol orsakar en generell nedbrytning av enheten nästan omedelbart (några nanosekunder) eftersom det bara finns ett gasfylld hölje som rymmer alla de drabbade elektroderna.

Slutet av liv

Gasurladdningsrören är konstruerade för att motstå många impulser utan förstörelse eller förlust av de ursprungliga egenskaperna (typiska impulstester är 10 gånger x 5 kA impulser för varje polaritet).

Å andra sidan, en ihållande mycket hög ström, dvs 10A rms i 15 sekunder, med simulera att man släpper ut växelströmsledningen till en telekommunikationslinje och tar GDT omedelbart ur drift.

Om en felsäker livslängd är önskvärd, dvs kortslutningen som rapporterar ett fel till slutanvändaren när ledningsfelet upptäcks, bör gasurladdningsröret med felsäker funktion (extern kortslutning) väljas .

Välja ett gasurladdningsrör

  • Informationen som krävs för att korrekt välja ett överspänningsskydd för din applikation är följande:
    DC-gnistöverspänning (volt)
  • Impuls gnista över spänning (volt)
  • Urladdningsströmskapacitet (kA)
  • Isolationsmotstånd (Gohms)
  • Kapacitans (pF)
  • Montering (ytmontering, standardkablar, anpassade kablar, hållare)
  • Förpackning (tejp och rulle, ammunitionspaket)

Utbudet av DC-gnistöverspänning tillgänglig:

  • Minst 75V
  • Genomsnitt 230V
  • Högspänning 500V
  • Mycket högspänning 1000 till 3000V

* Toleransen för nedbrytningsspänningen är i allmänhet +/- 20%

gdt_chart
urladdningsström

Detta beror på gasens egenskaper, volymen och materialet i elektroden plus dess behandling. Detta är den viktigaste egenskapen hos GDT och den som skiljer den från den andra skyddsanordningen, dvs Varistors, Zener-dioder, etc. ... Det typiska värdet är 5 till 20 kA med en 8 / 20us-impuls för standardkomponenter. Detta är värdet som gasurladdningsröret tål upprepade gånger (minst 10 impulser) utan att dess grundläggande specifikationer förstörs eller ändras.

Impuls Sparkover -spänning

Gnistöverspänningen i närvaro av en brant front (dV / dt = 1kV / us); impulsspänningen ökar med den ökande dV / dt.

Isolationsmotstånd och kapacitans

Dessa egenskaper gör gasurladdningsröret praktiskt taget osynligt under normala driftsförhållanden. Isolationsmotståndet är mycket högt (> 10 Gohm) medan kapacitansen är mycket låg (<1 pF).

SÄKERHETSKLASSNINGAR

Teststandarder och installationsrekommendationer för kommunikationslinjeöverspänningsskydd måste uppfylla följande standarder:

  • UL497B: Skydd för datakommunikation och brandlarmskretsar

INSTALLATION

För att vara effektivt måste överspänningsskyddet installeras i enlighet med följande principer.

  • Jordpunkten för överspänningsskyddet och den skyddade utrustningen måste vara bunden.
  • Skyddet installeras vid anläggningens serviceingång för att avleda impulsströmmen så snart som möjligt.
  • Överspänningsskyddet måste installeras i närheten av skyddad utrustning mindre än 90 fot. Om denna regel inte kan följas måste sekundära överspänningsskydd installeras nära utrustningen
  • Jordledaren (mellan skyddets jordutgång och installationskretsen) måste vara så kort som möjligt (mindre än 1.5 fot eller 0.50 meter) och ha en tvärsnittsarea på minst 2.5 mm i kvadrat.
  • Jordmotståndet måste följa den lokala elektriska koden. Ingen speciell jordning behövs.
  • Skyddade och oskyddade kablar måste hållas isär för att begränsa kopplingen.

UNDERHÅLL

LSP-gasurladdningsrör kräver inget underhåll eller byte under normala förhållanden. De är konstruerade för att klara upprepade, kraftiga strömningar utan skador.
Ändå är det klokt att planera för det värsta fallet och av den anledningen; LSP har utformats för att ersätta skyddskomponenter där det är praktiskt. Statusen för ditt datalinjeöverspänningsskydd kan testas med LSPs modell SPT1003. Denna enhet är konstruerad för att testa för DC-gnistöverspänning, spänningsspänning och ledningskontinuitet (valfritt) för överspänningsskyddet. SPT1003 är en kompakt tryckknappsenhet med digital display. Testarens spänningsområde är 0 till 999 volt. Det kan testa enskilda komponenter som GDT, dioder, MOV eller fristående enheter som är utformade för AC- eller DC-applikationer.

SÄRSKILDA VILLKOR: BELYSNINGSSKYDDSSYSTEM

Om strukturen som ska skyddas är utrustad med ett LPS (Lightning Protection System), måste överspänningsskydd för telekom, datalinjer eller växelströmsledningar som installeras vid byggnadens serviceingång testas med en direkt blixtimpuls 10 / 350us vågform med en minsta överspänningsström på 2.5 kA (D1-kategoritest IEC-61643-21).