電湧保護裝置 (SPD) 的工作原理

 

SPD 通過轉移浪湧電流來限製配電網絡上過電壓的能力取決於浪湧保護組件、SPD 的機械結構以及與配電網絡的連接。 SPD 旨在限制瞬態過電壓和轉移浪湧電流，或兩者兼而有之。 它包含至少一個非線性分量。 簡而言之，SPD 旨在限制瞬態過電壓，目的是防止由於瞬態電壓浪湧到達它們所保護的設備而導致設備損壞和停機。

例如，考慮一個受洩壓閥保護的水磨機。 在供水中出現過壓脈沖之前，洩壓閥不會執行任何操作。 當這種情況發生時，閥門打開並將額外的壓力分流到一邊，使其不會到達水輪。

如果沒有安全閥，過大的壓力可能會損壞水輪，或者可能是鋸的連桿。 即使安全閥就位並正常工作，一些殘餘的壓力脈衝仍會到達車輪。 但是壓力已經降低到不會損壞水輪或中斷其運行。 這描述了 SPD 的操作。 它們將瞬變降低到不會損壞或中斷敏感電子設備運行的水平。

使用的技術

SPD 中使用了哪些技術？

來自 IEEE 標準C62.72：用於製造 SPD 的一些常見浪湧保護組件是金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)、雪崩擊穿二極管 (ABD – 以前稱為矽雪崩二極管或 SAD) 和氣體放電管 (GDT)。 MOV 是最常用的交流電源電路保護技術。 MOV 的浪湧電流額定值與截面積及其組成有關。 一般來說，截面積越大，器件的浪湧電流額定值就越高。 MOV 通常具有圓形或矩形幾何形狀，但有多種標準尺寸，範圍從 7 毫米（0.28 英寸）到 80 毫米（3.15 英寸）。 這些浪湧保護組件的浪湧電流額定值差異很大，並且取決於製造商。 正如本節前面所討論的，通過連接並聯陣列中的 MOV，可以通過簡單地將各個 MOV 的額定浪湧電流相加以獲得陣列的額定浪湧電流來計算浪湧電流值。 這樣做時，應考慮協調所選 MOV 的操作特性。

金屬氧化物壓敏電阻 - MOV

關於什麼組件、什麼拓撲結構以及特定技術的部署可以產生用於分流浪湧電流的最佳 SPD，存在多種假設。 最好圍繞性能測試數據來討論浪湧電流額定值、額定放電電流額定值或浪湧電流能力，而不是提供所有選項。 無論設計中使用的組件或部署的特定機械結構如何，重要的是 SPD 具有適合應用的浪湧電流額定值或標稱放電電流額定值。

下面是對這些組件的更廣泛的描述。 SPD 中使用的組件差異很大。 以下是這些組件的示例：

  • 金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)

通常，MOV 由帶有合適添加劑的燒結氧化鋅的圓形或矩形體組成。 使用的其他類型包括管狀和多層結構。 壓敏電阻具有由銀合金或其他金屬組成的金屬顆粒電極。 根據所使用的金屬，電極可能已經通過篩选和燒結或通過其他工藝施加到身體上。 壓敏電阻通常還具有可能已焊接到電極上的導線或接頭引線或某些其他類型的終端。

MOV 的基本導電機制源於在燒結過程中形成的氧化鋅晶粒邊界處的半導體結。 壓敏電阻可以被認為是一種多結器件，其中許多晶粒在端子之間以串並聯組合方式起作用。 典型壓敏電阻的橫截面示意圖如圖 1 所示。

MOV微結構示意圖

壓敏電阻具有在其端子上保持相對較小電壓變化的特性，而流過它們的浪湧電流在幾十年的幅度內變化。 這種非線性作用使他們能夠在跨線路並聯連接時轉移浪湧電流，並將線路兩端的電壓限制為保護連接到該線路的設備的值。

  • 雪崩擊穿二極管 (ADB)

這些器件也稱為矽雪崩二極管 (SAD) 或瞬態電壓抑制器 (TVS)。 PN 結擊穿二極管的基本形式是由陽極 (P) 和陰極 (N) 組成的單個 PN 結。 參見圖 2a。 在直流電路應用中，保護器被反向偏置，從而將正電位施加到器件的陰極 (N) 側。 參見圖 2b。

圖2 雪崩二極管的基本形式

雪崩二極管具有三個工作區域，1）正向偏置（低阻抗），2）關斷狀態（高阻抗），3）反向偏置擊穿（相對低阻抗）。 這些區域可以在圖 3 中看到。在 P 區域上具有正電壓的正向偏置模式下，一旦電壓超過正向偏置二極管電壓 VFS，二極管就會具有非常低的阻抗。 VFS 通常小於 1 V，定義如下。 關斷狀態從 0 V 延伸到 N 區域的正 VBR 以下。 在該區域中，流動的唯一電流是低擊穿電壓二極管的溫度相關漏電流和齊納隧道電流。 反向偏置擊穿區從 N 區的正 VBR 開始。 在 VBR 處，穿過結的電子被結區中的高場充分加速，電子碰撞導致電子和空穴的級聯或雪崩。 結果是二極管的電阻急劇下降。 正向偏壓和反向偏壓擊穿區域均可用於保護。

圖3 PN結擊穿二極管IV特性

雪崩二極管的電氣特性本質上是不對稱的。 還生產由背對背結組成的對稱雪崩二極管保護產品。

  • 氣體放電管（GDT）

氣體放電管由兩個或多個由小間隙隔開並由陶瓷或玻璃圓柱體固定的金屬電極組成。 圓柱體內充滿惰性氣體混合物，當向電極施加足夠的電壓時，該混合物會產生輝光放電，最終形成電弧狀態。

當間隙上緩慢上升的電壓達到主要由電極間距、氣體壓力和氣體混合物決定的值時，導通過程在擊穿（擊穿）電壓處開始。 一旦發生跳火，根據外部電路，各種操作狀態都是可能的。 這些狀態如圖 4 所示。在小于輝光到電弧過渡電流的電流下，存在輝光區。 在輝光區的低電流下，電壓幾乎是恆定的； 在高輝光電流下，某些類型的氣體管可能會進入電壓升高的異常輝光區。 在這個異常輝光區之外，氣體放電管阻抗在過渡區降低到低壓電弧狀態。 電弧到輝光過渡電流可以低于輝光到電弧過渡電流。 GDT 電氣特性與外部電路一起決定了 GDT 在通過浪湧後熄滅的能力，也決定了浪湧期間避雷器中耗散的能量。

如果施加的電壓（例如瞬態）迅速上升，電離/電弧形成過程所花費的時間可能會使瞬態電壓超過上一段中擊穿所需的值。 該電壓被定義為脈衝擊穿電壓，通常是外加電壓（瞬態）上升率的正函數。

單室三電極 GDT 有兩個由中心環形電極隔開的腔。 中心電極中的孔允許來自導電腔的氣體等離子體在另一個腔中啟動導電，即使另一個腔電壓可能低於擊穿電壓。

由於其開關動作和堅固的結構，GDT 的載流能力可以超過其他 SPD 組件。 許多電信 GDT 可以輕鬆承載高達 10 kA（8/20 µs 波形）的浪湧電流。 此外，根據 GDT 的設計和尺寸，可以實現 >100 kA 的浪湧電流。

氣體放電管的結構使得它們具有非常低的電容——通常小於 2 pF。 這允許它們在許多高頻電路應用中使用。

當 GDT 運行時，它們可能會產生高頻輻射，這會影響敏感的電子設備。 因此，將 GDT 電路放置在距電子設備一定距離的位置是明智的。 距離取決於電子設備的靈敏度以及電子設備的屏蔽程度。 避免這種影響的另一種方法是將 GDT 放置在屏蔽外殼中。

圖 4 典型的 GDT 伏安特性

GDT 的定義

一個或多個帶有兩個或三個金屬電極的間隙密封，以便氣體混合物和壓力得到控制，旨在保護設備或人員或兩者免受高瞬態電壓的影響。

Or

封閉放電介質中的一個或多個間隙，大氣壓下的空氣除外，旨在保護設備或人員或兩者免受高瞬態電壓的影響。

  • LCR 過濾器

這些組件的不同之處在於：

  • 能源能力
  • 可用性
  • 可靠性
  • 成本
  • 效用

來自 IEEE Std C62.72：SPD 通過轉移浪湧電流來限製配電網絡上過電壓的能力取決於浪湧保護組件、SPD 的機械結構以及與配電網絡的連接。 用於製造 SPD 的幾種常見浪湧保護組件是 MOV、SASD 和氣體放電管，其中 MOV 使用量最大。 MOV 的浪湧電流額定值與截面積及其組成有關。 一般來說，截面積越大，器件的浪湧電流額定值就越高。 MOV 通常具有圓形或矩形幾何形狀，但有多種標準尺寸，範圍從 7 毫米（0.28 英寸）到 80 毫米（3.15 英寸）。 這些浪湧保護組件的浪湧電流額定值差異很大，並且取決於製造商。 通過以並聯陣列連接 MOV，可以通過簡單地將各個 MOV 的額定電流相加以獲得陣列的額定浪湧電流來計算理論浪湧電流額定值。

關於什麼組件、什麼拓撲結構以及特定技術的部署可以產生用於分流浪湧電流的最佳 SPD，存在多種假設。 與其提出所有這些論點並讓讀者解讀這些主題，不如圍繞性能測試數據來討論額定浪湧電流、額定放電電流或浪湧電流能力。 無論設計中使用的組件或部署的特定機械結構如何，重要的是 SPD 具有適合應用的額定浪湧電流或額定放電電流，而且可能最重要的是，SPD 限制了瞬態考慮到預期的浪湧環境，過壓水平可以防止損壞受保護設備。

基本操作模式

大多數 SPD 具有三種基本操作模式：

  • 等待
  • 轉移

在每種模式下，電流都會流過 SPD。 然而，可能無法理解的是，每種模式中可能存在不同類型的電流。

等待模式

在配電系統內提供“清潔電源”的正常電源情況下，SPD 執行的功能最少。 在等待模式下，SPD 正在等待發生過壓並且消耗很少或不消耗交流電源； 主要用於監控電路。

分流模式

檢測到瞬態過壓事件後，SPD 會變為分流模式。 SPD 的目的是將破壞性脈衝電流從關鍵負載轉移，同時將其產生的電壓幅度降低到低、無害的水平。

根據 ANSI/IEEE C62.41.1-2002 的定義，典型的電流瞬變僅持續一個週期的一小部分（微秒），與 60Hz 正弦信號的連續流相比，這是一個時間片段。

60hz 瞬態

浪湧電流的大小取決於其來源。 例如，雷擊在極少數情況下可能包含超過數十萬安培的電流量級。 然而，在設施內，內部產生的瞬態事件會產生較低的電流幅度（小於幾千或幾百安培）。

由於大多數 SPD 旨在處理大浪湧電流，因此一項性能基準是產品經過測試的額定放電電流額定值 (In)。 經常與故障電流混淆，但無關緊要，這種大電流幅度表明產品經過測試的重複耐受能力。

來自 IEEE 標準C62.72：標稱放電電流額定值使 SPD 能夠承受選定值的重複電流浪湧（總共 15 次浪湧），而不會損壞、降級或測量 SPD 的極限電壓性能發生變化。 標稱放電電流測試包括整個 SPD，包括所有浪湧保護組件和內部或外部 SPD 隔離開關。 試驗期間，不允許任何元件或隔離開關發生故障、開路、損壞或退化。 為了達到特定的額定值，必須在測試前和測試後比較之間保持測得的 SPD 極限電壓性能水平。 這些測試的目的是展示 SPD 響應浪湧的能力和性能，這些浪湧在某些情況下很嚴重，但可能會出現在服務設備、設施內或安裝位置。

例如，每個模式標稱放電電流容量為 10,000 或 20,000 安培的 SPD 意味著產品應該能夠安全地承受 10,000 或 20,000 安培的瞬態電流幅度，在每種保護模式下至少 15 次。

生命終結情景

來自 IEEE Std C62.72：對 SPD 長期可靠性的最大威脅可能不是浪湧，而是 PDS 上可能發生的重複瞬時或暫時過電壓（TOV 或“膨脹”）。 具有 MCOV 的 SPD 非常接近標稱系統電壓，更容易受到此類過電壓的影響，這可能導致 SPD 過早老化或過早結束使用壽命。 常用的經驗法則是確定 SPD 的 MCOV 是否至少為每種特定保護模式的標稱系統電壓的 115%。 這將使 SPD 不受 PDS 正常電壓變化的影響。

然而，除了持續的過壓事件外，由於浪湧超過 SPD 的浪湧電流額定值、浪湧事件的發生率、浪湧持續時間，SPD 可能會隨著時間的推移老化、退化或達到其服務終止狀態，或這些事件的組合。 在一段時間內發生顯著振幅的重複浪湧事件可能會使 SPD 組件過熱並導致浪湧保護組件老化。 此外，重複的浪湧會導致熱激活的 SPD 隔離開關由於浪湧保護組件的加熱而過早運行。 SPD 的特性在達到其服務終止條件時會發生變化——例如，測得的限制電壓可能會增加或減少。

為了避免浪湧引起的性能下降，許多 SPD 製造商通過使用物理上更大的組件或通過並聯多個組件來設計具有高浪湧電流能力的 SPD。 這樣做是為了避免超出 SPD 作為一個組件的額定值的可能性，除非在非常罕見和特殊的情況下。 這種方法的成功得益於以這種方式設計的現有 SPD 的長使用壽命和歷史。

關於 SPD 協調，正如關於浪湧電流額定值所述，將浪湧電流額定值較高的 SPD 放置在 PDS 最容易受到浪湧影響的服務設備上以幫助防止過早老化是合乎邏輯的； 同時，遠離未暴露於外部浪湧源的服務設備的 SPD 可能具有較低的評級。 通過良好的浪湧保護系統設計和協調，可以避免 SPD 過早老化。

SPD 故障的其他原因包括：

  • 安裝錯誤
  • 誤用產品的額定電壓
  • 持續過電壓事件

當抑制元件出現故障時，它通常會短路，導致電流開始流過故障元件。 可流過該故障組件的電流量是可用故障電流的函數，並由電力系統驅動。 有關故障電流的更多信息，請訪問 SPD 安全相關信息。