Устройствата за защита от пренапрежение (SPDs) трябва да бъдат тествани при импулсни токови разряди главно с форми на вълни от 8 / 20 ms и 10 / 350 ms. Въпреки това, с подобряването на SPD продуктите, производителността и издръжливостта на SPDs при такива стандартни тестови токове се нуждаят от повече проучвания. За да се изследват и сравнят издържаните способности на SPD при импулсни токове 8 / 20 ms и 10 / 350 ms, се провеждат експерименти на три типа типични металооксидни варистори (MOVs), които се използват за SPD от клас I. Резултатите показват, че MOVs с по-високо ограничаващо напрежение имат по-добра издръжливост при импулсен ток 8 / 20ms, докато заключението под импулсен ток 10 / 350ms е противоположно. При ток 10 / 350 ms неуспехът на MOV е свързан с абсорбираната енергия на единица обем при единичен импулс. Crack е основната форма на повреда под ток 10 / 350ms, който може да бъде описан като едната страна на пластмасовото капсулиране на MOV и отлепването на електродния лист. В близост до MOV електрода се появява аблация на материала ZnO, причинен от проблясъка между електродния лист и повърхността на ZnO.

1. Въведение

Устройства за защита от пренапрежение (SPD), свързани към енергийни системи с ниско напрежение, телекомуникационни и сигнални мрежи, трябва да бъдат тествани съгласно изискванията на стандартите IEC и IEEE [1-5]. Като се има предвид местоположението и възможния светлинен ток, който може да понесе, такива SPDs трябва да бъдат тествани под импулсни токове на разряд главно с форми на вълни от 8 / 20 ms и 10 / 350 ms [4-6]. Текущата форма на вълната на 8 / 20 ms обикновено се използва за симулиране на гръмотевичния импулс [6-8]. Номиналният ток на разряд (In) и максималният ток на разряд (Imax) на SPD са дефинирани с импулсния ток 8 / 20 ms [4-5]. Освен това, токовия импулс 8 / 20 ms се използва широко за тестовете за остатъчно напрежение SPD и работните тестове [4]. Импулсният ток 10 / 350ms обикновено се използва за симулиране на тока на директния връщане на мълния [7-10]. Тази форма на вълната отговаря на параметрите за тока на импулсния разряд за изпитване SPD за клас I, което се използва особено за допълнителен тест за клас I SPDs [4]. По време на типовите тестове [4-5] се изисква определен брой импулсни токове да се прилагат за SPD. Например, петнадесет тока 8 / 20 ms и пет 10 / 350 ms импулсни тока са необходими за тест за експлоатационен режим за SPDs от клас I [4]. Въпреки това, с подобряването на SPD продуктите, производителността и издръжливостта на SPDs при такива стандартни тестови токове се нуждаят от повече проучвания. Предишни изследвания обикновено се съсредоточават върху MOV представянето при множество 8 / 20 ms импулсен ток [11-14], докато производителността при повтарящ се импулсен ток на 10 / 350 ms не е изследвана задълбочено. Освен това, SPDs от клас I, инсталирани в точките на висока експозиция в сгради и разпределителни системи, са по-уязвими към удари на мълния [15-16]. Следователно, необходимо е да се проучат производителността и способността за защита на SPD от клас I при 8 / 20 ms и 10 / 350 ms импулсни токове. Тази статия експериментално изследва способността за издържане на SPD от клас I при 8 / 20 ms и 10 / 350 ms импулсни токове. Три типа типични MOVs, използвани за клас I SPDs са приети за анализ. Амплитудата на тока и броят на импулсите се регулират за няколко експеримента. Сравнението се извършва върху издържаната способност на MOVs при двата вида импулсни токове. Режимът на неуспех на пробите MOV, които не са успели след тестовете, също се анализират.

2. Оформление на експеримента

В експериментите са приети три типа типични MOVs, използвани за клас SPDs. За всеки тип MOV, 12 проби, направени от EPCOS, са приети в рамките на четири вида експерименти. Техните основни параметри са показани в ТАБЛИЦА I, където In представляват номиналния ток на разряд на MOVs под 8 / 20µs импулс, Imax представят максималния ток на разряд при 8 / 20µs импулс, Iimp представят максималния ток на разряд при 10 / 350µs импулс, UDC1mA представляват MOV напрежението, измерено под 1 mA DC ток, Ur представлява остатъчното напрежение на MOV под In.

Фиг. 1 показва генератор на импулсен ток, който може да бъде настроен да извежда 10 / 350 ms и 8 / 20 ms текущи импулси. Намотката на Пиърсън е приета за измерване на импулсните токове на тестваните MOV. Делителят на напрежението със съотношението 14.52 се използва за измерване на остатъчните напрежения. Цифровият осцилоскоп на TEK DPO3014 е приет за запис на експерименталните вълни.

Съгласно SPD тестовия стандарт [4], амплитудите, приети за 8 / 20 ms ток включват 30kA (0.75Imax) и 40kA (Imax). Амплитудите, приети за 10 / 350 ms ток включват 0.75Iimp и Iimp. Препратка към теста за експлоатационни режими за MOVs [4], 15 импулси 8 / 20ms се прилагат за MOV образци, а интервалът между импулсите е 60 s. Следователно, блок-схемата на експерименталната процедура е показана на фиг.

Експерименталната процедура може да бъде описана като:

(1) Първоначални измервания: Пробите MOV се характеризират с UDC1mA, Ur и снимки в началото на експериментите.

(2) Приложете петнадесет импулса: Настройте генератора на импулсен ток, за да изведете искания импулсен ток. Петнадесет импулса с интервал от 60 s се прилагат последователно на MOV пробата.

(3) Записва измерените вълни на MOV токове и напрежения след всяко импулсно приложение.

(4) Визуална проверка и измервания след изпитванията. Проверете повърхността на MOV за пробиване или преграда. Измерете UDC1mA и Ur след тестовете. Направете снимки на повредените MOVs след тестове. Критериите за преминаване на експериментите, съгласно IEC 61643-11 [4], изискват както записите за напрежение, така и ток, заедно с визуална инспекция, да не показват никакви индикации за пробиване или проблясване на пробите. В допълнение, IEEE Std. C62.62 [5] предположи, че измерваното пост-изпитание Ur (остатъчните напрежения на MOV в In) не трябва да се отклонява повече от 10% от измерваното предварително измерване Ur. Станд. IEC 60099-4 [17] също изисква UDC1mA да не се отклонява повече от 5% след импулсните тестове.

  1. Издържащата способност при 8 / 20 ms импулсен ток

В този раздел, импулсните токове на 8 / 20 ms с амплитуди на 0.75Imax и Imax се прилагат съответно върху SPD пробите. Съотношението на промяната за измерването UDC1mA и Ur се извършва по следния начин:

където, Ucr представлява коефициентът на промяна на измерените стойности. Uat представлява стойността, измерена след тестовете. Ubt представлява стойността, измерена преди тестовете.

3.1 Резултатите при импулсен ток 8 / 20 ms с връх 0.75Imax

Резултатите от тестовете за три типа MOVs под 15 8 / 20 ms импулсни тока с пик на 0.75Imax (30 kA) са показани в ТАБЛИЦА II. Резултатът за всеки тип MOV е средната стойност от три същите проби.

ТАБЛИЦА II

Резултати при импулсни токове 8 / 20 ms с пик 30 kA

От TABLEII може да се види, че след петнадесет импулси 8 / 20 ms са били приложени върху MOVs, промените на UDC1mA и Ur са незначителни. “Пропускът” за визуална проверка не показва видими повреди на изпитваните MOV. Освен това може да се види, че с увеличаването на ограничаващото MOV напрежение Ucr става по-малък. Като Ucr е най-малката за V460 тип MOV. Може да се заключи, че трите вида MOVs могат да преминат петнадесетте импулса 8 / 20 ms с 30 kA пик.

3.2 Резултатите при импулсен ток 8 / 20 ms с пик на Imax

Като се имат предвид експерименталните резултати по-горе, амплитудата на тока 8 / 20 ms се увеличава до 40 kA (Imax). В допълнение, броят на импулсите се увеличава до двадесет за V460 тип MOV. Експерименталните резултати са показани в ТАБЛИЦА III. За да се сравни енергийното поглъщане в трите вида MOVs, Ea / V се използва за представяне на абсорбираната енергия на единица обем за средна стойност от петнадесет или двадесет импулса. Тук се взема предвид „средното”, тъй като енергийното поглъщане в MOVs е малко по-различно при всеки импулс.

ТАБЛИЦА III

Резултати при импулсни токове 8 / 20 ms с пик 40 kA

От ТАБЛИЦА III може да се види, че когато амплитудата на тока се увеличи до 40 kA, Ucr за UDC1mA се отклонява повече от 5% за V230 и V275, въпреки че промяната на остатъчното напрежение на MOV е все още в рамките на ефективния диапазон от 10%. Визуалната проверка също не показва видими повреди на изпитваните MOV. За V230 и V275 тип MOVs, Ea / V означава абсорбираната енергия на единица обем със средна стойност от петнадесет импулса. Ea / V за V460 представлява погълнатата енергия на единица обем със средна стойност от двадесет импулса. Таблица III показва, че MOVs с по-високо ограничаващо напрежение (V460) имат по-големи Ea / V, отколкото MOVs с по-ниско ограничаващо напрежение (V275 и V230). Освен това, с импулсния ток, многократно прилаган върху V460, абсорбираната енергия на единица обем (E / V) нараства постепенно, както е показано на фиг. 3.

Следователно, може да се заключи, че MOVs тип V230 и V275 не могат да издържат 15 8 / 20ms токови импулси с пик на Imax, докато V460 тип MOV може да издържи максималния ток на разреждане до импулсите 20. Това означава, че MOVs с по-високо ограничаващо напрежение имат по-добра издръжливост при импулсен ток 8 / 20ms.

4. Издържаната способност при импулсен ток 10 / 350 ms

В този раздел, импулсните токове на 10 / 350 с амплитуди на 0.75Iimp и Iimp се прилагат съответно на SPD пробите.

4.1 Резултатите при импулсен ток 10 / 350 ms с връх 0.75Iimp

Тъй като Iimp на трите вида MOVs са различни, 10 / 350 ms токове с амплитуда на 4875A се прилагат на V230 и V275, а импулси с амплитуда на 4500 A се прилагат на V460. След прилагане на петнадесет импулсни тока, промените за UDC1mA и Ur на тестваните MOVs са показани в ТАБЛИЦА IV. /E / V означава сумирането на E / V за приложените импулси.

От ТАБЛИЦА IV може да се види, че след прилагане на петнадесет тока 10 / 350 ms с пик на 0.75Iimp, V230 може да премине теста, докато промяната за UDC1mA на V275 се отклонява повече от 5%. Набъбването и незначителните пукнатини също се появиха върху пластмасовото капсулиране на V275. Снимката на V275 с незначителна пукнатина е показана на фиг. 4.

За V460 тип MOV, след осмия 10 / 350 ms импулс с пик на 4500A се прилага, MOV напукани и измерените форми на напрежение и ток са необичайни. За сравнение, измерените вълни на напрежение и ток при седмия и осмия 10 / 350 импулс на V460 са показани на фиг.

Фигура 5. Измерените вълни на напрежение и ток на V460 под импулс 10 / 350 ms

За V230 и V275, /E / V е сумирането на E / V за петнадесет импулса. За V460, /E / V е сумирането на E / V за осем импулса. Може да се отбележи, че въпреки че Ea / V на V460 е по-висока от тази на V230 и V275, общото /E / Vof V460 е най-ниското. Въпреки това, V460 изпитва най-сериозни щети. Това означава, че за единица обем на MOV, отказът MOV при ток 10 / 350 ms не е свързан с общата погълната енергия (/ E / V), но може да бъде повече свързан с погълнатата енергия при единичен импулс (Ea / V) ). Може да се заключи, че при 10 / 350 ms импулсен ток, V230 може да издържи повече импулси от MOVs тип V460. Това означава, че MOVs с по-ниско ограничаващо напрежение имат по-добра издръжливост при ток 10 / 350 ms, което е противоположно от заключението под импулсен ток 8 / 20 ms.

4.2 Резултатите при импулсен ток 10 / 350 ms с пик на Iimp

Когато амплитудата на 10 / 350 мс ток се увеличи до Iimp, всички тествани MOVs не могат да преминат петнадесет импулса. Резултатите от импулсните токове с амплитуда на амплитудата на 10 / 350 са показани в ТАБЛИЦА V, където "номер на издържан импулс" означава количеството импулс, което MOV може да издържи преди счупване.

От таблица V може да се види, че V230 с Ea / V на 122.09 J / cm3 може да издържи осем импулса 10 / 350 ms, докато V460 с Ea / V на 161.09 J / cm3 може да премине само три импулса, въпреки че пиковият ток, приет за V230 (6500 A) е по-висока от тази за V460 (6000 A). Това потвърждава заключението, че MOVs с високо ограничаващо напрежение са по-лесно повредени при ток 10 / 350 ms. Това явление може да бъде обяснено като: голямата енергия, пренасяна от тока 10 / 350 ms, ще бъде абсорбирана в MOVs. За MOVs с високо ограничаване на напрежението под ток 10 / 350 ms, много повече енергия ще бъде погълната в единица обем на MOV, отколкото в MOVs с ниско ограничаващо напрежение, а прекомерната абсорбция на енергия ще доведе до MOV недостатъчност. Въпреки това, механизмът за отказ при 8 / 20 ms current се нуждае от повече разследване.

Визуалната проверка показва, че същата форма на повреда се наблюдава при трите вида MOVs под ток 10 / 350 ms. Едната страна на пластмасовото капсулиране MOV и правоъгълният лист на електрода се отлепят. Аблацията на ZnO материал се появява в близост до електродния лист, което се дължи на проблясването между MOV електрода и ZnO повърхността. Снимката на повредения V230 е показана на фиг. 6.

5. заключение

SPDs трябва да бъдат тествани при импулсни токове на разряд, главно с форми на вълни от 8 / 20 ms и 10 / 350 ms. За да се изследват и сравнят издържаните способности на SPD при импулсни токове 8 / 20 ms и 10 / 350 ms, няколко експеримента се извършват с максимален ток на разреждане за 8 / 20 ms (Imax) и форма 10 / 350 ms (Iimp) , както и амплитудите на 0.75Imax и 0.75Iimp. Три типа типични MOVs, използвани за клас I SPDs са приети за анализ. Могат да се направят някои заключения.

(1) MOVs с по-високо ограничаващо напрежение имат по-добра издръжливост при импулсен ток 8 / 20ms. Моделите тип V230 и V275 не можеха да издържат 15 импулса 8 / 20ms с пик на Imax, докато типът V460 MOV можеше да премине двадесет импулса.

(2) MOVs с по-ниско ограничаващо напрежение имат по-добра издръжливост при ток 10 / 350 ms. MOV тип V230 може да издържи осем импулса 10 / 350 ms с връх на Iimp, докато V460 може да предава само три импулса.

(3) Като се има предвид единичният обем на MOV при ток 10 / 350 ms, абсорбираната енергия при единичен импулс може да бъде свързана с MOV недостатъчност, вместо сумирането на погълната енергия при всички прилагани импулси.

(4) Същата форма на увреждане се наблюдава на три вида MOVs под токове 10 / 350 ms. Едната страна на пластмасовото капсулиране MOV и правоъгълният лист на електрода се отлепят. В близост до MOV електрода се появява аблация на материала ZnO, причинен от проблясване между електродния лист и повърхността на ZnO.