Як працюють пристрої захисту від перенапруги (SPD)

Як працюють пристрої захисту від перенапруги (SPD)

Здатність SPD обмежувати перенапруги в електророзподільній мережі шляхом відведення струмів перенапруги є функцією компонентів захисту від перенапруги, механічної структури SPD та підключення до електричної розподільної мережі. SPD призначений для обмеження перехідних перенапруг і відведення перенапруги або обох. Він містить принаймні один нелінійний компонент. Простіше кажучи, SPD призначені для обмеження перехідних перенапруг з метою запобігання пошкодженню обладнання та простою внаслідок перехідних стрибків напруги, що досягають пристроїв, які вони захищають.

Наприклад, розглянемо водяний млин, захищений запобіжним клапаном. Запобіжний клапан нічого не робить, доки в подачі води не виникне імпульс надмірного тиску. Коли це відбувається, клапан відкривається і відводить додатковий тиск убік, щоб він не досяг водяного колеса.

Якщо запобіжного клапана не було, надлишковий тиск може пошкодити водяне колесо або, можливо, тягу для пилки. Навіть якщо запобіжний клапан на місці і працює належним чином, деякий залишок імпульсу тиску все одно досягне колеса. Але тиск буде достатньо знижений, щоб не пошкодити водяне колесо або не порушити його роботу. Тут описується дія SPD. Вони зменшують перехідні процеси до рівнів, які не пошкодять і не порушать роботу чутливого електронного обладнання.

Використовувані технології

Які технології використовуються в SPD?

З стандартного стандарту IEEE C62.72: Кілька поширених компонентів, що захищають від перенапруги, що використовуються у виробництві SPD, це варистори з оксиду металу (MOV), лавинні пробійні діоди (ABD-раніше відомі як кремнієві лавинні діоди або САД) та газорозрядні трубки (GDT). MOV є найбільш часто використовуваною технологією захисту ланцюгів живлення змінного струму. Номінальний струм стрибка MOV пов'язаний з площею поперечного перерізу та його складом. Загалом, чим більша площа поперечного перерізу, тим вище номінальний струм приладу пристрою. MOV, як правило, мають круглу або прямокутну геометрію, але бувають у безлічі стандартних розмірів від 7 мм (0.28 дюйма) до 80 мм (3.15 дюйма). Номінальні значення струму стрибка цих компонентів захисту від перенапруг сильно варіюються і залежать від виробника. Як обговорювалося раніше в цьому пункті, шляхом з'єднання MOV в паралельному масиві, значення струму стрибка можна обчислити простим додаванням номінальних значень струму перенапруги окремих MOV разом, щоб отримати рейтинг струму стрибка масиву. При цьому слід звернути увагу на координацію робочих характеристик обраних MOV.

Існує багато гіпотез про те, який компонент, яка топологія та застосування конкретних технологій створюють найкращі SPD для відведення струму стрибка. Замість того, щоб подавати всі варіанти, краще, щоб обговорення номінального струму, номінального струму розряду або можливостей струму стрибка оберталося навколо даних перевірки продуктивності. Незалежно від компонентів, що використовуються при проектуванні, або конкретної механічної конструкції, що має значення, важливо, що SPD має номінальний струм стрибка або номінальний розрядний струм, відповідний для застосування.

Нижче наведено більш детальний опис цих компонентів. Компоненти, що використовуються в SPD, значно відрізняються. Ось вибірка цих компонентів:

• Варистор з оксиду металу (MOV)

Як правило, MOV складаються з круглої або прямокутної форми з спеченого оксиду цинку з відповідними добавками. Інші використовувані типи включають трубчасті форми та багатошарові конструкції. Варистори мають електроди з металевих частинок, що складаються зі сплаву срібла або іншого металу. Електроди могли бути нанесені на корпус шляхом просіювання та спікання або іншими способами залежно від використовуваного металу. Варистори також часто мають дроти або шлейфи або інший тип закінчення, яке може бути припаяне до електрода.

Основний механізм провідності MOV є результатом напівпровідникових переходів на межі зерен оксиду цинку, утворених під час процесу спікання. Варистор можна розглядати як багатоперехідний пристрій з багатьма зернами, що діють у послідовно-паралельній комбінації між клемами. Схематичний вид у поперечному перерізі типового варистора показаний на малюнку 1.

Варистори мають властивість підтримувати відносно невелику зміну напруги на своїх клемах, тоді як імпульсний струм, що протікає через них, змінюється протягом кількох десятиліть. Ця нелінійна дія дозволяє їм відводити струм стрибка при підключенні по шунту по лінії та обмежувати напругу на лінії до значень, що захищають обладнання, підключене до цієї лінії.

• Лавинний пробійний діод (ADB)

Ці пристрої також відомі як кремнієвий лавинний діод (SAD) або пригнічувач перехідної напруги (TVS). Пробійний діод PN -переходу в його базовій формі являє собою єдиний PN -перехід, що складається з анода (P) і катода (N). Див. Малюнок 2а. У схемах постійного струму захист має зворотне зміщення, так що позитивний потенціал подається на катодну (N) сторону пристрою. Див. Малюнок 2b.

Лавиновий діод має три робочі області: 1) прямий зсув (низький опір), 2) вимкнений стан (високий опір) і 3) пробій зворотного зсуву (відносно низький опір). Ці області можна побачити на малюнку 3. У режимі прямого зсуву з позитивною напругою на ділянці Р, діод має дуже низький опір, як тільки напруга перевищує напругу на діоді прямого зсуву, VFS. VFS зазвичай менше 1 В і визначається нижче. Вимкнений стан поширюється від 0 В до трохи нижче позитивного VBR на N -області. У цьому регіоні єдиними потоками, які протікають, є залежні від температури струми витоку та стабілітрові тунельні струми для діодів з низькою напругою пробою. Область зриву зворотного зсуву починається з позитивного VBR на N -області. На VBR електрони, що перетинають перехід, достатньо прискорюються великим полем в області переходу, тому зіткнення електронів призводять до каскаду, або лавини, електронів і дірок. В результаті відбувається різке падіння опору діода. Регіони зсуву вперед і назад можуть бути використані для захисту.

Електричні характеристики лавинного діода є внутрішньо асиметричними. Виробляються також симетричні засоби захисту від лавинних діодів, що складаються із з'єднань спина до спини.

• Газовідвідна трубка (GDT)

Газорозрядні трубки складаються з двох або більше металевих електродів, розділених невеликим зазором і утримуваних керамічним або скляним циліндром. Балон наповнений сумішшю благородних газів, яка перетворюється в тліючий розряд і, нарешті, в стан дуги, коли на електроди подається достатня напруга.

Коли повільно зростаюча напруга на зазорі досягає значення, яке визначається, перш за все, інтервалом між електродами, тиском газу та газовою сумішшю, процес увімкнення ініціюється при напрузі іскрозабезпечення (пробою). Після того, як відбувається іскроутворення, можливі різні робочі стани, залежно від зовнішньої схеми. Ці стани показані на рисунку 4. При струмах, менших за перехідний струм тліючого спалювання, існує область світіння. При малих струмах в області світіння напруга майже постійна; при великих струмах світіння деякі типи газових труб можуть потрапити в аномальну область світіння, в якій зростає напруга. За межами цієї аномальної області світіння опір газорозрядної трубки зменшується в області переходу в стан низьковольтної дуги. Струм переходу від дуги до світіння може бути меншим за перехід від свічення до дуги. Електрична характеристика GDT у поєднанні з зовнішньою схемою визначає здатність GDT гаситись після проходження струму, а також визначає енергію, що розсіюється в розряднику під час перенапруги.

Якщо прикладена напруга (наприклад, перехідна) швидко зростає, час, необхідний для процесу іонізації/утворення дуги, може дозволити перехідній напрузі перевищити значення, необхідне для пробою у попередньому параграфі. Ця напруга визначається як напруга пробою імпульсу і, як правило, є позитивною функцією швидкості зростання прикладеної напруги (перехідної).

Однокамерний триелектродний GDT має дві порожнини, розділені центральним кільцевим електродом. Отвір у центральному електроді дозволяє газовій плазмі з провідної порожнини ініціювати провідність в іншій порожнині, навіть якщо напруга іншої порожнини може бути нижче напруги іскрозабезпечення.

Через свою комутаційну дію та міцну конструкцію, ГДТ можуть перевершувати інші компоненти SPD за потужністю струмопровідності. Багато телекомунікаційних ГРТ можуть легко переносити струми імпульсу до 10 кА (форма хвилі 8/20 мкс). Крім того, залежно від конструкції та розміру ГРТ, можна досягти стрибків струму> 100 кА.

Конструкція газорозрядних труб така, що вони мають дуже низьку ємність - зазвичай менше 2 пФ. Це дозволяє використовувати їх у багатьох високочастотних схемах.

Коли GDT працюють, вони можуть генерувати високочастотне випромінювання, яке може впливати на чутливу електроніку. Тому розумно розмістити схеми GDT на певній відстані від електроніки. Відстань залежить від чутливості електроніки і від того, наскільки добре електроніка захищена. Інший спосіб уникнути ефекту - розмістити ГРТ у екранованому корпусі.

Визначення для GDT

Зазор або кілька зазорів з двома або трьома металевими електродами, герметично закритими, щоб суміш газу та тиск контролювалися, призначені для захисту апарату чи персоналу, або обох, від високих перехідних напруг.

Or

Зазор або зазори у закритому розрядному середовищі, крім повітря при атмосферному тиску, призначені для захисту апарату чи персоналу, або обох, від високих перехідних напруг.

• LCR фільтри

Ці компоненти різняться між собою:

• енергетичні можливості
• наявність
• надійність
• коштувати
• ефективність

З IEEE Std C62.72: Здатність SPD обмежувати перенапруги в електричній розподільній мережі шляхом відведення струмів стрибка залежить від компонентів захисту від перенапруги, механічної структури SPD та підключення до електричної мережі розподілу. Кілька поширених компонентів захисту від перенапруг, що використовуються у виробництві SPD,-це MOV, SASD та газорозрядні трубки, причому MOV мають найбільше використання. Номінальний струм стрибка MOV пов'язаний з площею поперечного перерізу та його складом. Загалом, чим більша площа поперечного перерізу, тим вище номінальний струм приладу пристрою. MOV, як правило, мають круглу або прямокутну геометрію, але бувають у безлічі стандартних розмірів від 7 мм (0.28 дюйма) до 80 мм (3.15 дюйма). Номінальні значення струму стрибка цих компонентів захисту від перенапруг сильно варіюються і залежать від виробника. Підключивши MOV до паралельного масиву, можна розрахувати теоретичний рейтинг струму стрибка, просто додаючи поточні номінали окремих MOV разом, щоб отримати рейтинг струму стрибка масиву.

Існує багато гіпотез про те, який компонент, яка топологія та застосування конкретних технологій створюють найкращі SPD для відведення струму стрибка. Замість того, щоб викладати всі ці аргументи та дозволяти читачеві розшифровувати ці теми, краще, щоб обговорення номінальної напруги струму, номінальної номінальної напруги розряду або можливостей струму стрибка оберталося навколо даних перевірки продуктивності. Незалежно від компонентів, використаних при проектуванні, або конкретної механічної конструкції, що має значення, важливо, що SPD має номінальний струм стрибка або номінальний номінальний струм розряду, який підходить для застосування, і, мабуть, найголовніше, що SPD обмежує перехідні перенапруги до рівнів, які запобігають пошкодженню обладнання, що захищається, з огляду на очікуване середовище перенапруг.

Основні режими роботи

Більшість SPD мають три основні режими роботи:

• Чекає
• Відволікання

У кожному режимі струм протікає через SPD. Однак не зрозуміло, що в кожному режимі може існувати різний тип струму.

Режим очікування

За умов нормального живлення, коли «чиста потужність» подається в систему розподілу електроенергії, SPD виконує мінімальну функцію. У режимі очікування SPD очікує на виникнення перенапруги і споживає мало або взагалі не споживає електроенергії; перш за все те, що використовується схемами моніторингу.

Режим відведення

Після виявлення перехідної події перенапруги, SPD переходить у режим відведення. Метою SPD є відведення пошкоджуючого імпульсного струму від критичних навантажень, одночасно зменшуючи його результуючу величину напруги до низького, нешкідливого рівня.

Як визначено ANSI/IEEE C62.41.1-2002, типовий перехідний струм триває лише частка циклу (мікросекунди), фрагмент часу у порівнянні з безперервним потоком синусоїдального сигналу 60 Гц.

Величина імпульсного струму залежить від його джерела. Наприклад, удар блискавки, який у рідкісних випадках може містити величину струму, що перевищує кілька сотень тисяч ампер. Однак усередині об'єкта перехідні події, що генеруються всередині, будуть виробляти менші величини струму (менше кількох тисяч або сотень ампер).

Оскільки більшість SPD призначені для роботи з великими струмами перенапруг, одним еталоном продуктивності є перевірений продуктом номінальний номінальний струм розряду (In). Часто плутають зі струмом несправності, але не пов'язані між собою, ця величина величини струму є свідченням перевіреної здатності продукту повторювати витримку.

З стандартного стандарту IEEE C62.72: Номінальний розрядний струм розряду реалізує здатність SPD піддаватися повторюваним стрибкам струму (15 загальних стрибків) вибраного значення без пошкоджень, погіршення або зміни вимірюваних показників граничної напруги SPD. Випробування номінального струму розряду включає весь SPD, включаючи всі компоненти захисту від перенапруги та внутрішні або зовнішні роз'єднувачі SPD. Під час випробування не дозволяється виходити з ладу, розривати ланцюг, пошкоджувати або деградувати жоден компонент або роз’єднувач. Для того, щоб досягти певного рейтингу, виміряний рівень граничної напруги SPD повинен підтримуватися між порівнянням до і після тесту. Мета цих випробувань - продемонструвати здатність та продуктивність SPD у відповідь на стрибки, які в деяких випадках є серйозними, але їх можна очікувати на сервісному обладнанні, у приміщенні або на місці установки.

Наприклад, SPD з номінальною потужністю струму розряду 10,000 або 20,000 ампер на режим означає, що виріб має бути здатним безпечно витримувати перехідний струм величиною 10,000 або 20,000 ампер мінімум 15 разів у кожному з режимів захисту.

Сценарії кінця життя

З IEEE Std C62.72: Найбільшою загрозою для довгострокової надійності SPD можуть бути не перенапруження, а повторювані миттєві або тимчасові перенапруги (TOV або «розбухання»), які можуть виникнути на PDS. SPD з MCOV-непевно близькі до номінальної напруги системи, більш сприйнятливі до таких перенапруг, які можуть призвести до передчасного старіння SPD або передчасного закінчення терміну служби. Емпіричне правило, яке часто використовується, полягає у визначенні, чи становить MCOV SPD щонайменше 115% номінальної напруги системи для кожного конкретного режиму захисту. Це дозволить не впливати на SPD від нормальних змін напруги PDS.

Однак, крім послідовних подій перенапруги, SPD можуть старіти, або погіршуватись, або з часом досягати стану припинення служби через перенапруги, що перевищують номінали SPD для струму перенапруги, швидкість виникнення подій перенапруги, тривалість стрибка. , або поєднання цих подій. Події, що повторюються, мають значну амплітуду протягом певного періоду часу, можуть перегріти компоненти SPD і призвести до їх старіння. Крім того, повторювані стрибки можуть викликати передчасну роботу роз'єднувачів SPD, які термічно активуються через нагрівання компонентів захисту від перенапруги. Характеристики SPD можуть змінюватися, коли вони досягають умов припинення служби-наприклад, виміряна гранична напруга може збільшуватися або зменшуватися.

Прагнучи уникнути деградації через перенапруги, багато виробників SPD проектують SPD з великими можливостями струму перенапруження або шляхом використання фізично більших компонентів, або шляхом паралельного з'єднання декількох компонентів. Це робиться для того, щоб уникнути ймовірності того, що рейтинги SPD як збірки будуть перевищені, за винятком дуже рідкісних та виняткових випадків. Успіх цього методу підтримується довгим терміном служби та історією існуючих SPD, які були розроблені таким чином.

Що стосується координації SPD і, як зазначено щодо рейтингів стрибкоподібного струму, логічно мати SPD з більш високими номінальними значеннями струму перенапруги, розташованого на сервісному обладнанні, де PDS найбільш схильний до стрибків, щоб запобігти передчасному старінню; тим часом, SPD, що знаходяться далі від сервісного обладнання, що не піддається впливу зовнішніх джерел перенапруг, можуть мати менші рейтинги. Завдяки гарній конструкції та координації системи захисту від перенапруг можна уникнути передчасного старіння SPD.

Інші причини відмови SPD включають:

• Помилки встановлення
• Неправильне застосування виробу для його номінальної напруги
• Тривалі події перенапруги

Коли компонент придушення виходить з ладу, він найчастіше робить це як коротке, в результаті чого струм починає протікати через вийшов з ладу компонент. Кількість струму, доступного для протікання через цей несправний компонент, є функцією доступного струму несправності і управляється системою живлення. Для отримання додаткової інформації про струми несправностей перейдіть до Інформації, що стосується безпеки SPD.