Cách thức hoạt động của Thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền (SPD)

Khả năng của SPD trong việc hạn chế quá áp trên mạng phân phối điện bằng cách chuyển hướng dòng điện đột biến là một chức năng của các thành phần bảo vệ chống đột biến, cấu trúc cơ học của SPD và kết nối với mạng phân phối điện. SPD được thiết kế để hạn chế quá áp thoáng qua và chuyển hướng dòng điện đột biến, hoặc cả hai. Nó chứa ít nhất một thành phần phi tuyến. Nói một cách đơn giản nhất, SPDs nhằm hạn chế quá áp thoáng qua với mục tiêu ngăn ngừa hư hỏng thiết bị và thời gian ngừng hoạt động do quá điện áp quá độ tới các thiết bị mà chúng bảo vệ.

Ví dụ, hãy xem xét một nhà máy nước được bảo vệ bằng van giảm áp. Van giảm áp không làm gì cho đến khi xảy ra xung quá áp trong nguồn nước. Khi điều đó xảy ra, van sẽ mở ra và gạt áp suất phụ sang một bên, để nó không chạm tới bánh xe nước.

Nếu không có van xả, áp suất quá cao có thể làm hỏng bánh xe nước hoặc có thể là mối liên kết của cưa. Ngay cả khi van xả đã được đặt đúng vị trí và hoạt động bình thường, một số tàn dư của xung áp suất vẫn sẽ đến bánh xe. Nhưng áp suất sẽ được giảm đủ để không làm hỏng bánh xe nước hoặc làm gián đoạn hoạt động của nó. Điều này mô tả hoạt động của SPDs. Chúng giảm quá độ xuống mức không làm hỏng hoặc gián đoạn hoạt động của thiết bị điện tử nhạy cảm.

Công nghệ được sử dụng

Những công nghệ nào được sử dụng trong SPDs?

Từ IEEE Std. C62.72: Một số thành phần chống sét lan truyền phổ biến được sử dụng trong sản xuất SPD là biến thể oxit kim loại (MOV), điốt đánh thủng tuyết lở (ABD - trước đây được gọi là điốt tuyết lở silicon hoặc SAD) và ống phóng điện (GDT). MOV là công nghệ được sử dụng phổ biến nhất để bảo vệ mạch nguồn AC. Đánh giá dòng điện tăng của MOV có liên quan đến diện tích mặt cắt ngang và thành phần của nó. Nói chung, diện tích mặt cắt ngang càng lớn thì dòng điện xung của thiết bị càng cao. MOV nói chung có dạng hình tròn hoặc hình chữ nhật nhưng có rất nhiều kích thước tiêu chuẩn khác nhau, từ 7 mm (0.28 inch) đến 80 mm (3.15 inch). Xếp hạng dòng điện tăng của các thành phần bảo vệ chống đột biến này rất khác nhau và phụ thuộc vào nhà sản xuất. Như đã thảo luận trước đó trong điều này, bằng cách kết nối các MOV trong một mảng song song, giá trị dòng điện tăng có thể được tính bằng cách chỉ cần thêm các xếp hạng dòng điện tăng của các MOV riêng lẻ với nhau để có được xếp hạng dòng điện tăng của mảng. Khi làm như vậy, cần cân nhắc phối hợp các đặc điểm hoạt động của các MOV được lựa chọn.

Có nhiều giả thuyết về thành phần nào, cấu trúc liên kết nào và việc triển khai công nghệ cụ thể tạo ra SPD tốt nhất để chuyển hướng dòng điện đột biến. Thay vì trình bày tất cả các tùy chọn, tốt nhất là thảo luận về xếp hạng dòng điện tăng, Xếp hạng dòng điện phóng điện danh nghĩa hoặc khả năng dòng điện tăng xung quanh dữ liệu kiểm tra hiệu suất. Bất kể các thành phần được sử dụng trong thiết kế, hoặc cấu trúc cơ khí cụ thể được triển khai, điều quan trọng là SPD có xếp hạng dòng điện tăng hoặc Xếp hạng dòng điện phóng điện danh nghĩa phù hợp với ứng dụng.

Sau đây là mô tả chi tiết hơn về các thành phần này. Các thành phần được sử dụng trong SPDs khác nhau đáng kể. Dưới đây là một mẫu của các thành phần đó:

Biến thể oxit kim loại (MOV)

Thông thường, MOV bao gồm một thân hình tròn hoặc hình chữ nhật bằng kẽm oxit thiêu kết với các chất phụ gia thích hợp. Các loại khác đang được sử dụng bao gồm hình dạng ống và cấu trúc nhiều lớp. Biến trở có điện cực hạt kim loại bao gồm hợp kim bạc hoặc kim loại khác. Các điện cực có thể đã được áp dụng cho cơ thể bằng cách sàng lọc và thiêu kết hoặc bằng các quy trình khác tùy thuộc vào kim loại được sử dụng. Các biến trở cũng thường có dây dẫn hoặc dây dẫn tab hoặc một số loại đầu cuối khác có thể đã được hàn vào điện cực.

Cơ chế dẫn truyền cơ bản của MOV là kết quả của các điểm nối bán dẫn ở ranh giới của các hạt oxit kẽm được hình thành trong quá trình thiêu kết. Varistor có thể được coi là một thiết bị đa điểm nối với nhiều hạt hoạt động kết hợp song song nối tiếp giữa các đầu cuối. Hình 1

Các biến trở có đặc tính duy trì sự thay đổi điện áp tương đối nhỏ trên các đầu nối của chúng trong khi dòng điện tăng vọt qua chúng thay đổi trong vài thập kỷ độ lớn. Hành động phi tuyến này cho phép chúng chuyển hướng dòng điện của dòng điện tăng khi được kết nối trong shunt trên đường dây và giới hạn điện áp trên đường dây đến các giá trị bảo vệ thiết bị được kết nối với đường dây đó.

Diode phá vỡ tuyết lở (ADB)

Những thiết bị này còn được gọi là diode tuyết lở silicon (SAD) hoặc bộ triệt tiêu điện áp thoáng qua (TVS). Diode đánh thủng mối nối PN, ở dạng cơ bản, là một mối nối PN đơn bao gồm một cực dương (P) và một cực âm (N). Xem Hình 2a. Trong các ứng dụng mạch điện một chiều, bộ bảo vệ được phân cực ngược sao cho điện thế dương được đặt vào phía cực âm (N) của thiết bị. Xem Hình 2b.

Diode tuyết lở có ba vùng hoạt động, 1) phân cực thuận (trở kháng thấp), 2) trạng thái tắt (trở kháng cao), và 3) phân cực ngược (trở kháng tương đối thấp). Các vùng này có thể được nhìn thấy trong Hình 3. Trong chế độ phân cực thuận với điện áp dương trên vùng P, diode có trở kháng rất thấp khi điện áp vượt quá điện áp diode phân cực thuận, VFS. VFS thường nhỏ hơn 1 V và được định nghĩa dưới đây. Trạng thái tắt kéo dài từ 0 V đến ngay dưới VBR dương trên vùng N. Trong vùng này, các dòng duy nhất chạy là dòng rò phụ thuộc nhiệt độ và dòng tạo đường hầm Zener cho các điốt điện áp đánh thủng thấp. Vùng phân cực ngược bắt đầu với VBR dương trên vùng N. Tại VBR, các điện tử băng qua đường giao nhau được tăng tốc đủ bởi trường cao trong vùng tiếp giáp mà sự va chạm của điện tử dẫn đến một dòng thác, hoặc tuyết lở, các điện tử và lỗ trống được tạo ra. Kết quả là điện trở của diode giảm mạnh. Cả hai vùng phân cực thuận và phân cực ngược đều có thể được sử dụng để bảo vệ.

Các đặc tính điện của một diode tuyết lở về bản chất là không đối xứng. Các sản phẩm bảo vệ đi-ốt tuyết lở đối xứng bao gồm các điểm nối phía sau cũng được sản xuất.

Ống xả khí (GDT)

Ống phóng khí gồm hai hoặc nhiều điện cực kim loại ngăn cách nhau bằng một khe hở nhỏ và được giữ bởi một ống hình trụ bằng sứ hoặc thủy tinh. Xylanh chứa đầy một hỗn hợp khí cao cấp, tạo ra sự phóng điện phát sáng và cuối cùng là điều kiện hồ quang khi đặt đủ điện áp vào các điện cực.

Khi điện áp tăng từ từ qua khe hở đạt đến giá trị được xác định chủ yếu bởi khoảng cách điện cực, áp suất khí và hỗn hợp khí, thì quá trình bật bắt đầu ở điện áp đánh thủng (đánh thủng). Khi phóng tia lửa điện xảy ra, có thể có nhiều trạng thái hoạt động khác nhau, tùy thuộc vào mạch điện bên ngoài. Các trạng thái này được thể hiện trong Hình 4. Tại các dòng điện nhỏ hơn dòng điện chuyển tiếp từ phát sáng sang hồ quang, một vùng phát sáng tồn tại. Ở dòng điện thấp trong vùng phát sáng, điện áp gần như không đổi; ở dòng phát sáng cao, một số loại ống khí có thể đi vào vùng phát sáng bất thường, trong đó điện áp tăng lên. Ngoài vùng phát sáng bất thường này, trở kháng của ống phóng điện giảm trong vùng chuyển tiếp sang điều kiện hồ quang điện áp thấp. Dòng chuyển đổi từ hồ quang sang phát sáng có thể thấp hơn dòng chuyển đổi từ hồ quang sang hồ quang. Đặc tính điện GDT, kết hợp với mạch bên ngoài, xác định khả năng dập tắt của GDT sau khi vượt qua một đợt tăng, và cũng xác định năng lượng tiêu tán trong bộ chống sét trong quá trình tăng.

Nếu điện áp đặt vào (ví dụ quá độ) tăng nhanh, thì thời gian cần thiết cho quá trình ion hóa / hình thành hồ quang có thể cho phép điện áp quá độ vượt quá giá trị cần thiết cho đánh thủng trong đoạn trước. Điện áp này được định nghĩa là điện áp đánh thủng xung và nói chung là một hàm số dương của tốc độ tăng của điện áp đặt vào (quá độ).

GDT ba điện cực một buồng có hai khoang được ngăn cách bởi một điện cực vòng trung tâm. Lỗ trên điện cực trung tâm cho phép plasma khí từ một khoang dẫn điện bắt đầu dẫn điện trong khoang kia, mặc dù điện áp của khoang kia có thể thấp hơn điện áp quá dòng tia lửa điện.

Do hoạt động chuyển mạch và kết cấu chắc chắn, GDT có thể vượt xa các thành phần SPD khác về khả năng mang dòng điện. Nhiều GDT viễn thông có thể dễ dàng mang dòng đột biến cao tới 10 kA (dạng sóng 8/20 µs). Hơn nữa, tùy thuộc vào thiết kế và kích thước của GDT, có thể đạt được dòng tăng> 100 kA.

Cấu tạo của các ống phóng khí sao cho chúng có điện dung rất thấp - thường nhỏ hơn 2 pF. Điều này cho phép sử dụng chúng trong nhiều ứng dụng mạch tần số cao.

Khi GDT hoạt động, chúng có thể tạo ra bức xạ tần số cao, có thể ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử nhạy cảm. Do đó, nên đặt các mạch GDT ở một khoảng cách nhất định so với thiết bị điện tử. Khoảng cách phụ thuộc vào độ nhạy của thiết bị điện tử và mức độ che chắn của thiết bị điện tử. Một phương pháp khác để tránh ảnh hưởng là đặt GDT trong một vỏ bọc được che chắn.

Định nghĩa cho GDT

Một khe hở, hoặc một số khe hở có hai hoặc ba điện cực kim loại được bịt kín để hỗn hợp khí và áp suất được kiểm soát, được thiết kế để bảo vệ thiết bị hoặc nhân viên, hoặc cả hai, khỏi điện áp quá độ cao.

Khe hở hoặc các khe hở trong môi trường phóng điện kín, không phải là không khí ở áp suất khí quyển, được thiết kế để bảo vệ thiết bị hoặc nhân viên, hoặc cả hai, khỏi điện áp quá độ cao.

Bộ lọc LCR

Các thành phần này khác nhau về:

khả năng năng lượng
sẵn có
độ tin cậy
chi phí
hiệu quả

Theo IEEE Std C62.72: Khả năng của SPD trong việc hạn chế quá áp trên mạng phân phối điện bằng cách chuyển hướng dòng điện đột biến là một chức năng của các thành phần bảo vệ chống đột biến, cấu trúc cơ học của SPD và kết nối với mạng phân phối điện. Một số thành phần chống sét lan truyền phổ biến được sử dụng trong sản xuất SPD là MOV, SASD và ống phóng khí, trong đó MOV có mức sử dụng lớn nhất. Đánh giá dòng điện tăng của MOV có liên quan đến diện tích mặt cắt ngang và thành phần của nó. Nói chung, diện tích mặt cắt ngang càng lớn thì dòng điện xung của thiết bị càng cao. MOV nói chung có dạng hình học tròn hoặc hình chữ nhật nhưng có rất nhiều kích thước tiêu chuẩn khác nhau, từ 7 mm (0.28 in) đến 80 mm (3.15 in). Xếp hạng dòng điện tăng của các thành phần bảo vệ chống đột biến này rất khác nhau và phụ thuộc vào nhà sản xuất. Bằng cách kết nối các MOV trong một mảng song song, đánh giá dòng điện tăng theo lý thuyết có thể được tính bằng cách chỉ cần thêm các xếp hạng hiện tại của các MOV riêng lẻ lại với nhau để có được đánh giá dòng điện tăng của mảng.

Có nhiều giả thuyết về thành phần nào, cấu trúc liên kết nào và việc triển khai công nghệ cụ thể tạo ra SPD tốt nhất để chuyển hướng dòng điện đột biến. Thay vì trình bày tất cả các lập luận này và để người đọc giải mã các chủ đề này, tốt nhất là thảo luận về xếp hạng dòng điện tăng, Xếp hạng dòng điện phóng điện danh nghĩa hoặc khả năng dòng điện tăng xung quanh dữ liệu kiểm tra hiệu suất. Bất kể các thành phần được sử dụng trong thiết kế hoặc cấu trúc cơ khí cụ thể được triển khai, điều quan trọng là SPD có xếp hạng dòng điện tăng hoặc Xếp hạng dòng điện phóng điện danh nghĩa phù hợp với ứng dụng và có lẽ quan trọng nhất là SPD giới hạn dòng điện quá điện áp đến mức ngăn ngừa thiệt hại cho thiết bị được bảo vệ trong môi trường tăng đột biến dự kiến.

Các chế độ hoạt động cơ bản

Hầu hết các SPD đều có ba chế độ hoạt động cơ bản:

Đang chờ
Chuyển hướng

Trong mỗi chế độ, dòng điện chạy qua SPD. Tuy nhiên, điều có thể không hiểu là một loại dòng điện khác nhau có thể tồn tại trong mỗi chế độ.

Chế độ chờ

Trong các tình huống nguồn điện bình thường khi "nguồn điện sạch" được cung cấp trong hệ thống phân phối điện, SPD thực hiện chức năng tối thiểu. Trong chế độ chờ, SPD đang chờ xảy ra quá áp và tiêu thụ ít hoặc không có điện xoay chiều; chủ yếu được sử dụng bởi các mạch giám sát.

Chế độ chuyển hướng

Khi cảm nhận sự kiện quá áp thoáng qua, SPD sẽ chuyển sang Chế độ chuyển hướng. Mục đích của SPD là chuyển hướng dòng điện xung gây hại ra khỏi các tải quan trọng, đồng thời giảm cường độ điện áp kết quả của nó xuống mức thấp, vô hại.

Theo định nghĩa của ANSI / IEEE C62.41.1-2002, thoáng qua dòng điện điển hình chỉ kéo dài một phần của chu kỳ (micro giây), một đoạn thời gian khi so sánh với dòng liên tục của tín hiệu hình sin 60Hz.

Độ lớn của dòng điện tăng phụ thuộc vào nguồn của nó. Chẳng hạn, các tia sét có thể xảy ra với cường độ dòng điện vượt quá vài trăm nghìn amps. Tuy nhiên, trong một cơ sở, các sự kiện thoáng qua được tạo ra bên trong sẽ tạo ra cường độ dòng điện thấp hơn (nhỏ hơn vài nghìn hoặc trăm ampe).

Vì hầu hết các SPD được thiết kế để xử lý dòng điện đột biến lớn, một điểm chuẩn hiệu suất là Xếp hạng dòng điện phóng điện danh nghĩa đã được thử nghiệm (In) của sản phẩm. Thường bị nhầm lẫn với dòng điện sự cố, nhưng không liên quan, cường độ dòng điện lớn này là một dấu hiệu về khả năng chịu đựng lặp đi lặp lại đã được thử nghiệm của sản phẩm.

Từ IEEE Std. C62.72: Đánh giá dòng điện phóng điện danh nghĩa thực hành khả năng của SPD để chịu dòng điện lặp lại (tổng cộng 15 dòng điện) của một giá trị đã chọn mà không bị hư hỏng, suy giảm hoặc thay đổi hiệu suất điện áp giới hạn đo được của SPD. Thử nghiệm Dòng điện phóng điện danh nghĩa bao gồm toàn bộ SPD bao gồm tất cả các thành phần bảo vệ chống sét lan truyền và các bộ ngắt kết nối SPD bên trong hoặc bên ngoài. Trong quá trình thử nghiệm, không được phép có linh kiện hoặc bộ ngắt kết nối nào bị hỏng, hở mạch, bị hỏng hoặc xuống cấp. Để đạt được một đánh giá cụ thể, mức hiệu suất điện áp giới hạn đo được của SPD phải được duy trì giữa so sánh trước thử nghiệm và sau thử nghiệm. Mục đích của các thử nghiệm này là để chứng minh khả năng và hiệu suất của SPD để đối phó với các đợt tăng đột biến trong một số trường hợp là nghiêm trọng nhưng có thể xảy ra tại thiết bị bảo dưỡng, trong cơ sở hoặc tại vị trí lắp đặt.

Ví dụ: SPD có công suất dòng phóng danh định là 10,000 hoặc 20,000 ampe trên mỗi chế độ có nghĩa là sản phẩm phải có thể chịu được cường độ dòng điện thoáng qua 10,000 hoặc 20,000 ampe một cách an toàn, tối thiểu là 15 lần, ở mỗi chế độ bảo vệ.

Các tình huống cuối đời

Theo IEEE Std C62.72: Mối đe dọa lớn nhất đối với độ tin cậy lâu dài của SPDs có thể không phải là sự tăng vọt, mà là sự quá áp tức thời hoặc tạm thời lặp lại (TOV hoặc “phồng lên”) có thể xảy ra trên PDS. SPD có MCOV - gần với điện áp danh định của hệ thống một cách bấp bênh sẽ dễ bị quá áp như vậy có thể dẫn đến lão hóa SPD sớm hoặc hết tuổi thọ sớm. Một quy tắc chung thường được sử dụng là xác định xem MCOV của SPD có ít nhất là 115% điện áp danh định của hệ thống đối với từng chế độ bảo vệ cụ thể hay không. Điều này sẽ cho phép SPD không bị ảnh hưởng bởi các biến thể điện áp bình thường của PDS.

Tuy nhiên, ngoài các sự kiện quá áp liên tục, SPD có thể già đi, xuống cấp, hoặc đạt đến tình trạng cuối dịch vụ theo thời gian do mức tăng vượt quá mức xếp hạng của SPD cho dòng điện tăng, tỷ lệ xuất hiện sự kiện tăng, thời gian tăng , hoặc sự kết hợp của các sự kiện này. Các sự kiện tăng điện lặp đi lặp lại với biên độ đáng kể trong một khoảng thời gian có thể làm các thành phần SPD quá nóng và làm cho các thành phần bảo vệ xung điện bị lão hóa. Hơn nữa, sự tăng vọt lặp đi lặp lại có thể khiến các bộ ngắt kết nối SPD được kích hoạt nhiệt hoạt động sớm do sự gia nhiệt của các thành phần bảo vệ chống sét lan truyền. Các đặc tính của SPD có thể thay đổi khi nó đạt đến điều kiện cuối dịch vụ - ví dụ: điện áp giới hạn đo được có thể tăng hoặc giảm.

Trong một nỗ lực để tránh suy giảm chất lượng do dòng điện tăng vọt, nhiều nhà sản xuất SPD thiết kế SPDs với khả năng dòng điện tăng cao bằng cách sử dụng các thành phần vật lý lớn hơn hoặc bằng cách kết nối nhiều thành phần song song. Điều này được thực hiện để tránh khả năng xếp hạng của SPD với tư cách là một tổ hợp bị vượt quá ngoại trừ trong những trường hợp rất hiếm và đặc biệt. Sự thành công của phương pháp này được hỗ trợ bởi tuổi thọ lâu dài và lịch sử của các SPD hiện có được cài đặt đã được thiết kế theo kiểu này.

Liên quan đến phối hợp SPD và, như đã nêu đối với xếp hạng dòng điện tăng vọt, điều hợp lý là đặt một SPD có xếp hạng dòng điện tăng cao hơn đặt tại thiết bị dịch vụ nơi PDS tiếp xúc nhiều nhất với dòng điện tăng vọt để hỗ trợ ngăn ngừa lão hóa sớm; trong khi đó, các SPD ở tuyến dưới từ thiết bị dịch vụ không tiếp xúc với các nguồn tăng đột biến bên ngoài có thể có xếp hạng thấp hơn. Với thiết kế và phối hợp hệ thống chống sét lan truyền tốt, có thể tránh được lão hóa SPD sớm.

Các nguyên nhân khác của lỗi SPD bao gồm:

Lỗi cài đặt
Áp dụng sai sản phẩm đối với xếp hạng điện áp của nó
Các sự kiện quá áp liên tục

Khi một thành phần triệt tiêu bị lỗi, nó thường xảy ra hiện tượng đoản mạch, khiến dòng điện bắt đầu chạy qua thành phần bị lỗi. Lượng dòng điện có sẵn để chạy qua thành phần bị lỗi này là một hàm của dòng điện sự cố có sẵn và được điều khiển bởi hệ thống điện. Để biết thêm thông tin về Dòng Lỗi, hãy truy cập Thông tin Liên quan đến An toàn SPD.

Cách thức hoạt động của Thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền (SPD)