Prenaponski zaštitni uređaji (SPD) moraju biti testirani pod impulsnim strujnim strujama uglavnom sa valnim oblicima 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Međutim, sa poboljšanjem SPD proizvoda, performanse i izdržljivost SPD-a pod takvim standardnim ispitnim strujama zahtijevaju više istraživanja. Da bi se ispitala i usporedila izdržljivost SPD-a pod impulsnim strujama 8 / 20 ms i 10 / 350 ms, eksperimenti se izvode na tri tipa tipičnih metal-oksidnih varistora (MOV) koji se koriste za SPD-ove klase I. Rezultati pokazuju da MOVs sa višim ograničavajućim naponom imaju bolju izdržljivost pod 8 / 20ms impulsnom strujom, dok je zaključak pod 10 / 350ms impulsnom strujom suprotan. Pod trenutnom 10 / 350 ms, MOV neuspjeh se odnosi na apsorbiranu energiju po jedinici volumena pod jednim impulsom. Pukotina je glavni oblik oštećenja pod 10 / 350ms strujom, koji se može opisati kao jedna strana MOV plastične inkapsulacije, a ploča elektrode se ljušti. U blizini MOV elektrode pojavila se ablacija ZnO materijala, prouzrokovana probojem između sloja elektrode i površine ZnO.
Prenaponski zaštitni uređaji (SPD) priključeni na niskonaponske elektroenergetske sisteme, telekomunikacijske i signalne mreže moraju biti testirani prema zahtjevima IEC i IEEE standarda [1-5]. S obzirom na lokaciju i moguću struju osvjetljenja koju mogu pretrpjeti, takvi SPD-i moraju biti testirani pod impulsnim strujnim strujama uglavnom s valnim oblicima 8 / 20 ms i 10 / 350 ms [4-6]. Trenutni valni oblik 8 / 20 ms se obično koristi za simulaciju gromoglasnog impulsa [6-8]. Nominalna struja pražnjenja (In) i maksimalna struja pražnjenja (Imax) SPD-a definirani su sa 8 / 20 impulsnom strujom [4-5]. Štaviše, 8 / 20 ms trenutni impuls se široko koristi za SPD testove rezidualnog napona i radne dužnosti [4]. 10 / 350ms impulsna struja se obično koristi za simulaciju struje direktnog povratnog udara munje [7-10]. Ovaj valni oblik zadovoljava parametre za struju impulsnog pražnjenja za SPD test klase I, koji se posebno koristi za dodatni test rada za SPD-ove klase I [4]. Tokom tipskih testova [4-5], određeni broj impulsnih struja se mora primijeniti na SPD-ove. Na primjer, petnaest 8 / 20 ms struja i pet 10 / 350 ms impulsnih struja su potrebne za radni test rada za SPDs klase I [4]. Međutim, sa poboljšanjem SPD proizvoda, performanse i izdržljivost SPD-a pod takvim standardnim ispitnim strujama zahtijevaju više istraživanja. Prethodna istraživanja su se uglavnom koncentrisala na MOV performanse u više 8 / 20 ms impulsnih struja [11-14], dok se performanse pod ponovljenom 10 / 350 ms impulsnom strujom nisu temeljito istražile. Štaviše, SPD-ovi klase I, instalirani na mestima visoke izloženosti u zgradama i sistemima distribucije, su podložniji udarima munje [15-16]. Stoga je potrebno istražiti performanse i izdržljivost SPD-a klase I pod 8 / 20 ms i 10 / 350 ms impulsnim strujama. Ovaj rad eksperimentalno istražuje izdržljivost SPD-a klase I pod 8 / 20 ms i 10 / 350 impulsnih struja. Za analizu su usvojena tri tipa tipičnih MOV-ova koji se koriste za SPD klase I. Amplituda struje i broj impulsa prilagođeni su za nekoliko eksperimenata. Usporedba se provodi na izdržljivoj sposobnosti MOV-a pod dvije vrste impulsnih struja. Način neuspjeha MOV uzoraka koji nije uspio nakon testiranja se također analizira.
U eksperimentima su usvojena tri tipa tipičnih MOV-ova koji se koriste za SPD klase I. Za svaku vrstu MOV-a, uzorci 12-a napravljeni u EPCOS-u su usvojeni u četiri vrste eksperimenata. Njihovi osnovni parametri su prikazani u TABELI I, gde In predstavlja nominalnu struju pražnjenja MOV pod 8 / 20µs impulsom, Imax predstavlja maksimalnu struju pražnjenja pod 8 / 20µs impulsom, Iimp predstavlja maksimalnu struju pražnjenja pod 10 / 350µs impulsom, UDC1mA predstavlja MOV napon izmjeren pod 1 mA istosmjernom strujom, Ur predstavlja preostali MOV napon ispod In.
Slika 1 prikazuje generator impulsne struje koji se može podesiti za izlazne impulse 10 / 350 ms i 8 / 20 ms. Pearsonova zavojnica je usvojena za mjerenje impulsnih struja na testiranim MOV-ovima. Za mjerenje preostalog napona koristi se djelitelj napona s omjerom 14.52. Digitalni osciloskop TEK DPO3014 je usvojen za snimanje eksperimentalnih talasnih oblika.
Prema SPD testnom standardu [4], amplitude usvojene za 8 / 20 ms tekuće uključuju 30kA (0.75Imax) i 40kA (Imax). Amplitude usvojene za 10 / 350 ms tekuće uključuju 0.75Iimp i Iimp. Na MOV uzorke se primjenjuje referenca na radni test rada za MOVs [4], petnaest 8 / 20ms impulsa, a interval između impulsa je 60 s. Stoga je dijagram toka eksperimentalne procedure prikazan na slici 2.
Eksperimentalni postupak se može opisati kao:
(1) Početna mjerenja: MOV uzorci su karakterizirani sa UDC1mA, Ur i fotografijama na početku eksperimenata.
(2) Primijenite petnaest impulsa: Prilagodite generator impulsne struje za izlaz tražene impulsne struje. Petnaest impulsa s intervalom 60 s se primjenjuje sukcesivno na MOV uzorku.
(3) Snimite izmjerene valne oblike MOV struja i napona nakon svake primjene impulsa.
(4) Vizualna kontrola i mjerenja nakon ispitivanja. Provjerite površinu MOV-a za probijanje ili proboje. Izmerite UDC1mA i Ur nakon ispitivanja. Snimite oštećene MOV nakon testiranja. Kriterijumi za prolaz za eksperimente, u skladu sa IEC 61643-11 [4], zahtijevaju da i zapisi napona i struje, zajedno sa vizualnim pregledom, ne pokazuju nikakvu indikaciju probijanja ili proboja uzoraka. Pored toga, IEEE Std. C62.62 [5] je predložio da se posttest izmeri Ur (MOV rezidualni naponi u In) ne odstupaju više od 10% od pretestiranih izmjerenih Ur. The Std. IEC 60099-4 [17] također zahtijeva da UDC1mA ne odstupa više od 5% nakon impulsnih testova.
- Sposobnost izdržljivosti pod 8 / 20 impulsna struja ms
U ovom dijelu, 8 / 20 ms impulsne struje s amplitudama 0.75Imax i Imax primjenjuju se na SPD uzorke. Omjer promjene za posttest izmjeren UDC1mA i Ur definiran je kao:
gde, Ucr predstavlja odnos promene izmerenih vrednosti. Uat predstavlja vrijednost izmjerenu nakon ispitivanja. Ubt predstavlja vrijednost mjerenu prije testiranja.
3.1 Rezultati pod impulsnom strujom 8 / 20 ms sa vrhom 0.75Imax
Rezultati testa za tri tipa MOV-ova ispod petnaest 8 / 20 impulsnih struja sa vrhom 0.75Imax (30 kA) prikazani su u tabeli II. Rezultat za svaki tip MOV je prosjek tri ista uzorka.
TABELA II
Rezultati pod 8 / 20 ms impulsnim strujama sa 30 kA vrhom
Može se vidjeti iz TABLEII da je nakon petnaest 8 / 20 ms impulsa primijenjeno na MOV, promjene UDC1mA i Ur su male. “Prolaz” za vizualni pregled ne znači nikakva vidljiva oštećenja na testiranim MOV-ovima. Štoviše, može se primijetiti da se s povećanjem MOV graničnog napona Ucr smanjuje. Kao što je Ucr najmanji za V460 tipa MOV. Može se zaključiti da tri tipa MOV-ova mogu da prođu petnaest 8 / 20 ms impulsa sa 30 kA vrhom.
3.2 Rezultati pod impulsnom strujom 8 / 20 ms sa vrhom Imax-a
S obzirom na gore navedene eksperimentalne rezultate, amplituda struje 8 / 20 ms povećava se na 40 kA (Imax). Pored toga, broj impulsa se povećava na dvadeset za V460 tip MOV. Eksperimentalni rezultati su prikazani u tabeli III. Da bi se uporedila apsorpcija energije u tri tipa MOV, Ea / V se koristi za predstavljanje apsorbovane energije po jedinici zapremine za prosek od petnaest ili dvadeset impulsa. Ovdje se uzima u obzir "prosjek" jer je apsorpcija energije u MOV-u malo različita za svaki impuls.
TABELA III
Rezultati pod 8 / 20 ms impulsnim strujama sa 40 kA vrhom
Iz tabele III se može primijetiti da kada je trenutna amplituda povećana na 40 kA, Ucr za UDC1mA odstupa više od 5% za V230 i V275, iako je promjena preostalog MOV napona još uvijek unutar efektivnog raspona 10%. Vizuelni pregled također ne pokazuje vidljiva oštećenja na testiranim MOV-ovima. Za MVs tipa V230 i V275, Ea / V znači apsorbovanu energiju po jedinici volumena sa prosekom od petnaest impulsa. Ea / V za V460 predstavlja apsorbovanu energiju po jedinici zapremine sa prosekom od dvadeset impulsa. TABELA III pokazuje da MOVs sa većim ograničavajućim naponom (V460) imaju veći Ea / V nego MOVs sa nižim ograničavajućim naponom (V275 i V230). Štaviše, sa impulsnom strujom koja se višestruko primenjuje na V460, apsorbovana energija po jedinici zapremine (E / V) postepeno se povećava, kao što je prikazano na slici 3.
Prema tome, može se zaključiti da MOV-ovi tipa V230 i V275 ne mogu izdržati petnaest 8 / 20ms strujnih impulsa sa vrhuncem Imax-a, dok V460 tip MOV može izdržati maksimalnu struju pražnjenja do 20 impulsa. To znači da MOVs sa višim ograničavajućim naponom imaju bolju izdržljivost pod 8 / 20ms impulsnom strujom.
4. Mogućnost izdržavanja pod impulsnom strujom 10 / 350 ms
U ovom dijelu, 10 / 350 ms impulsne struje s amplitudama 0.75Iimp i Iimp primjenjuju se na SPD uzorcima.
4.1 Rezultati pod impulsnom strujom 10 / 350 ms sa vrhom 0.75Iimp
Budući da su Iimp tri vrste MOV-ova različiti, 10 / 350 ms struje s amplitudom 4875A primjenjuju se na V230 i V275, a impulsi s amplitudom 4500 A primjenjuju se na V460. Nakon primjene petnaest impulsnih struja, promjene za UDC1mA i Ur na testiranim MOV prikazane su u tablici IV. /E / V znači zbrajanje E / V za primijenjene impulse.
Iz tabele IV se može videti da nakon primene petnaest 10 / 350 ms struja sa vrhom 0.75Iimp, V230 može proći test, dok promena za UDC1mA od V275 odstupa više od 5%. Na plastičnoj inkapsulaciji V275-a pojavili su se i bubrenje i manje pukotine. Fotografija V275-a sa manjim pukotinama prikazana je na slici 4.
Za V460 tip MOV, nakon osmog 10 / 350 ms impulsa sa vrhom 4500A, primijenjen je MOV i izmjereni valni oblici napona i struje su nenormalni. Za usporedbu, izmjereni valni oblici napona i struje pod sedmim i osmim 10 / 350 impulsom na V460 prikazani su na slici 5.
Slika 5. Izmjerene valne oblike napona i struje na V460 pod 10 / 350 ms impulsom
Za V230 i V275, /E / V je suma E / V za petnaest impulsa. Za V460, /E / V je suma E / V za osam impulsa. Može se primijetiti da iako je Ea / V V460 viši od V230 i V275, ukupni /E / Vof V460 je najniži. Međutim, V460 je doživio najteže štete. To znači da za jediničnu zapreminu MOV-a, MOV neuspjeh u 10 / 350 ms struji nije vezan za ukupnu apsorbiranu energiju (/ E / V), već može biti više povezan s apsorbiranom energijom pod jednim impulsom (Ea / V) ). Može se zaključiti da je pod 10 / 350 ms impulsnom strujom, V230 mogao izdržati više impulsa od MOV-ova tipa V460. To znači da MOV-ovi sa nižim ograničavajućim naponom imaju bolju izdržljivost pod 10 / 350 ms strujom, što je suprotno zaključku pod 8 / 20 ms impulsnom strujom.
4.2 Rezultati pod impulsnom strujom 10 / 350 ms sa vrhom Iimp
Kada se amplituda 10 / 350 ms struje poveća na Iimp, svi testirani MOV-ovi ne mogu proći petnaest impulsa. Rezultati pod 10 / 350 impulsnim strujama s amplitudom Iimp prikazani su u TABELI V, gdje "Broj izdržljivog impulsa" znači impulsni iznos koji MOV može izdržati prije pucanja.
Može se uočiti iz tabele V da V230 sa Ea / V 122.09 J / cm3 može izdržati osam 10 / 350 ms impulsa dok je V460 sa Ea / V 161.09 J / cm3 mogao proći samo tri impulsa, iako je vršna struja usvojena za V230 (6500 A) je viši od V460 (6000 A). Ovim se potvrđuje zaključak da su MOV-ovi sa visokim ograničavajućim naponom lakše oštećeni pod 10 / 350 ms strujom. Ovaj fenomen se može objasniti kao: velika energija koju nosi 10 / 350 ms struja će biti apsorbirana u MOV. Za MOVs sa visokim ograničavajućim naponom pod strujom 10 / 350 ms, mnogo više energije će se apsorbirati u jediničnoj zapremini MOV nego u MOVs sa niskim ograničavajućim naponom, a prekomjerna apsorpcija energije će dovesti do MOV kvara. Me | utim, mehanizam otkazivanja pod 8 / 20 ms trenutno treba vi {e istraʻivanja.
Vizualna kontrola pokazuje da se isti oblik štete uočava na tri tipa MOV-ova pod 10 / 350 ms strujom. Jedna strana MOV plastične inkapsulacije i pravokutnog lista elektrode se ljušti. Ablacija ZnO materijala pojavila se u blizini ploče elektrode, što je uzrokovano probojem između MOV elektrode i ZnO površine. Fotografija oštećenog V230 prikazana je na slici 6.
5. zaključak
SPD-i se moraju testirati pod impulsnim strujnim strujama uglavnom sa talasnim oblicima 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Da bi se istražila i usporedila izdržljivost SPD-a pod impulsnim strujama 8 / 20 ms i 10 / 350, nekoliko eksperimenata se provodi s maksimalnom strujom pražnjenja za 8 / 20 ms (Imax) i 10 / 350 ms (Iimp) valni oblik , kao i amplitude 0.75Imax i 0.75Iimp. Za analizu su usvojena tri tipa tipičnih MOV-ova koji se koriste za SPD klase I. Mogu se izvući neki zaključci.
(1) MOVs sa višim ograničavajućim naponom imaju bolju izdržljivost pod 8 / 20ms impulsnom strujom. MOV-ovi tipa V230 i V275 nisu mogli izdržati petnaest 8 / 20ms impulsa sa vrhuncem Imax-a, dok je V460 tip MOV mogao proći dvadeset impulsa.
(2) MOV-ovi sa nižim ograničavajućim naponom imaju bolju izdržljivost pod trenutnom 10 / 350 ms. V230 tip MOV može izdržati osam 10 / 350 ms impulsa sa vrhom Iimp, dok V460 može samo proći tri impulsa.
(3) S obzirom na jediničnu zapreminu MOV pod strujom 10 / 350 ms, apsorbirana energija pod jednim impulsom može se odnositi na MOV neuspjeh, umjesto zbrajanja apsorbirane energije pod svim primijenjenim impulsima.
(4) Ista forma štete je opažena na tri tipa MOV-ova pod 10 / 350 ms strujama. Jedna strana MOV plastične inkapsulacije i pravokutnog lista elektrode se ljušti. U blizini MOV elektrode pojavila se ablacija ZnO materijala, prouzrokovana probojem između sloja elektrode i površine ZnO.