Els dispositius de protecció contra sobretensions (SPD) s’han de provar sota corrents de descàrrega d’impuls principalment amb formes d’ona de 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. No obstant això, amb la millora dels productes SPD, el rendiment i la capacitat de suportar els SPD sota aquests corrents de prova estàndard necessiten més investigació. Per investigar i comparar la capacitat de suport dels SPDs sota els corrents d’impuls 8 / 20 ms i 10 / 350 ms, s’executen experiments en tres tipus de varistors típics d’òxid de metall (MOV) que s’utilitzen per als SPD de classe I. Els resultats mostren que els MOVs amb un voltatge limitant més alt tenen una millor capacitat de suport sota el corrent d’impuls 8 / 20ms, mentre que la conclusió sota el corrent d’impuls 10 / 350ms és contrària. Sota el corrent 10 / 350 ms, la fallada del MOV està relacionada amb l'energia absorbida per unitat de volum sota un sol impuls. Crack és la forma de dany principal sota el corrent 10 / 350ms, que es pot descriure com un costat de l'encapsulació plàstica de MOV i la descàrrega de la fulla de l'elèctrode. Prop de l’elèctrode MOV va aparèixer l’ablació del material ZnO, provocat per la interposició entre la làmina de l’elèctrode i la superfície ZnO.

1. Introducció

Els dispositius de protecció contra sobretensions (SPDs) connectats a sistemes de potència de baixa tensió, xarxes de telecomunicacions i senyals han de ser provats segons els requisits de les normes IEC i IEEE [1-5]. Tenint en compte la ubicació i el possible corrent d’il·luminació que pugui patir, s’ha de provar aquests SPD sota corrents de descàrrega d’impuls principalment amb formes d’ona de 8 / 20 ms i 10 / 350 ms [4-6]. La forma d’ona actual de 8 / 20 ms s’utilitza comunament per simular l’impuls de llamps [6-8]. El corrent de descàrrega nominal (In) i la intensitat màxima de descàrrega (Imax) dels SPD es defineixen amb el corrent d’impuls 8 / 20 ms [4-5]. A més, l'impuls de corrent 8 / 20 ms s’utilitza àmpliament per a les proves de tensió residual i operativa SPD [4]. El corrent d’impuls 10 / 350ms s’utilitza normalment per simular el corrent de traç de retorn de llamps directe [7-10]. Aquesta forma d’ona compleix els paràmetres per a la corrent de descàrrega d’impulsos per a la prova SPD de classe I, que s’utilitza especialment per a la prova de servei addicional per als SPD de classe I [4]. Durant les proves de tipus [4-5], es requereix un nombre especificat de corrents d’impuls per aplicar als SPD. Per exemple, es requereixen quinze corrents 8 / 20 ms i cinc corrents d’impulsos 10 / 350 ms per a la prova de treball d’operacions per a SPD de classe I [4]. No obstant això, amb la millora dels productes SPD, el rendiment i la capacitat de suportar els SPD sota aquests corrents de prova estàndard necessiten més investigació. Les recerques anteriors solien concentrar-se en el rendiment del MOV a través de múltiples impulsos de corrent 8 / 20 ms [11-14], mentre que no es va investigar a fons el rendiment amb la intensitat de l'impuls repetit 10 / 350 ms. A més, els SPD de classe I, instal·lats als punts d’exposició elevada en edificis i sistemes de distribució, són més vulnerables als cops de llamps [15-16]. Per tant, cal investigar el rendiment i la capacitat de suportar els SPD de classe I sota els corrents d’impuls 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Aquest document investiga de forma experimental la capacitat de suport dels SPD de classe I sota els corrents d’impuls 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Per a l'anàlisi s’adopten tres tipus de MOV típics que s’utilitzen per als SPD de classe I. L’amplitud actual i el nombre d’impulsos s’ajusten per a diversos experiments. La comparació es fa sobre la capacitat de resistència dels MOV sota els dos tipus de corrents d’impuls. També s’analitza el mode de fallada de les mostres MOV que van fallar després de les proves.

2. Disseny de l'experiment

En els experiments s’adopten tres tipus de MOV típics que s’utilitzen per als SPD de classe I. Per a cada tipus de MOV, les mostres 12 fetes per EPCOS s’adopten en quatre tipus d’experiments. Els seus paràmetres bàsics es mostren a la TAULA I, on, en representar el corrent de descàrrega nominal de MOV sota l'impuls 8 / 20µs, Imax representa el màxim de corrent de descàrrega sota l'impuls 8 / 20µs, Iimp representa la intensitat de descàrrega màxima sota l'impuls 10 / 350µs, UDC1mA representa la tensió MOV mesurada sota corrent DC 1 mA, Ur representa la tensió residual MOV sota In.

La figura 1 mostra el generador de corrent impulsiu que es pot ajustar per generar impulsos de corrent 10 / 350 ms i 8 / 20 ms. La bobina Pearson s’adopta per mesurar els corrents d’impuls dels MOV provats. El divisor de tensió amb la relació de 14.52 s'utilitza per mesurar les tensions residuals. L’oscil·loscopi digital de TEK DPO3014 s’adopta per enregistrar les formes d’ona experimentals.

Segons la norma de prova SPD [4], les amplituds adoptades per al corrent ms 8 / 20 inclouen 30kA (0.75Imax) i 40kA (Imax). Les amplituds adoptades per al corrent ms 10 / 350 inclouen 0.75Iimp i Iimp. Referència a la prova de funcionament de MOVs [4], quinze impulsos 8 / 20ms s'apliquen a les mostres MOV i l'interval entre els impulsos és 60 s. Per tant, el diagrama de flux del procediment experimental es mostra a la figura 2.

El procediment experimental es pot descriure com:

(1) Mesures inicials: Les mostres MOV es caracteritzen amb UDC1mA, Ur i fotografies al començament dels experiments.

(2) Aplica quinze impulsos: ajusta el generador de corrent impulsiva per emetre el corrent impuls impulsat. Quinze impulsos amb intervals de 60 s s'apliquen successivament a la mostra MOV.

(3) Enregistreu les formes d'ona mesurades dels corrents i voltatges del MOV després de cada aplicació impulsiva.

(4) Inspecció visual i mesures després de les proves. Comproveu la superfície del MOV per a la punció o la descàrrega. Mesureu UDC1mA i Ur després de les proves. Feu fotografies dels MOVs danyats després de proves. Els criteris de pas per als experiments, segons IEC 61643-11 [4], requereixen que tant els registres de tensió com els actuals, juntament amb una inspecció visual, no mostrin cap indicació de punxada o descàrrega de les mostres. A més, el IEEE Std. C62.62 [5] suggereix que el Ur mesurat després de la prova (tensions residuals MOV a In) no ha de desviar-se més de 10% a partir de la mesura pretest de Ur. The Std. IEC 60099-4 [17] també requereix que l'UDC1mA no es desviï més de 5% després de les proves d'impuls.

  1. La capacitat de suportar sota 8 / 20 ms impuls corrent

En aquesta secció, els corrents d’impuls 8 / 20 ms amb amplituds de 0.75Imax i Imax s’apliquen sobre les mostres SPD respectivament. La relació de canvi per a la mesura de la prova postmoderna UDC1mA i la Ur es defineix com:

on, Ucr representa la relació de canvi dels valors mesurats. Uat representa el valor mesurat després de les proves. Ubt representa el valor mesurat abans de les proves.

3.1 Els resultats sota l'impuls actual 8 / 20 ms amb el pic de 0.75Imax

Els resultats de les proves per a tres tipus de MOV sota quinze corrents d’impuls 8 / 20 ms amb el pic de 0.75Imax (30 kA) es mostren a la TAULA II. El resultat per a cada tipus de MOV és la mitjana de tres mateixes mostres.

TAULA II

Resultats sota corrents d’impuls 8 / 20 ms amb el pic 30 kA

Es pot veure a TABLEII que després de quinze impulsos 8 / 20 ms s'han aplicat als MOV, els canvis de UDC1mA i Ur són menors. El "Pass" per a la inspecció visual no suposa cap dany visible als MOV provats. A més, es pot observar que amb l'augment de la tensió limitadora del MOV, el Ucr es fa més petit. Com el Ucr és el més petit per a V460 tipus MOV. Es pot concloure que els tres tipus de MOV podrien passar tots els quinze impulsos 8 / 20 ms amb el pic 30 kA.

3.2 Els resultats obtinguts sota l'impuls actual 8 / 20 ms amb el pic d'Imax

Tenint en compte els resultats experimentals anteriors, l'amplitud del corrent 8 / 20 ms s'incrementa a 40 kA (Imax). A més, el nombre d’impulsos s’incrementa a vint per a V460 tipus MOV. Els resultats experimentals es mostren a la TAULA III. Per tal de comparar l’absorció d’energia en els tres MOV de tipus, Ea / V s’utilitza per representar l’energia absorbida per unitat de volum per a la mitjana de quinze o vint impulsos. Aquí es considera la "mitjana" perquè l’absorció d’energia en els MOVs és lleugerament diferent sota cada impuls.

TAULA III

Resultats sota corrents d’impuls 8 / 20 ms amb el pic 40 kA

Es pot observar a partir de la TAULA III que quan l’amplitud actual s’incrementa a 40 kA, l’URC de UDC1mA es desvia més que 5% per V230 i V275, encara que el canvi de tensió residual de MOV segueix dins del rang efectiu de 10%. La inspecció visual també no mostra danys visibles en els MOVs provats. Per a MOV de tipus V230 i V275, Ea / V significa l'energia absorbida per unitat de volum amb una mitjana de quinze impulsos. La Ea / V de V460 representa l'energia absorbida per unitat de volum amb una mitjana de vint impulsos. La TAULA III mostra que els MOVs amb una tensió límit superior (V460) tenen Ea / V més grans que els MOVs amb tensió limitadora més baixa (V275 i V230). A més, amb la intensitat de l'impuls aplicada repetidament al V460, l'energia absorbida per unitat de volum (E / V) augmenta gradualment, com es mostra a la fig. 3.

Per tant, es pot concloure que els MOV de tipus V230 i V275 no van poder suportar quinze impulsos actuals de 8 / 20ms amb el pic d'Imax, mentre que el MOV de tipus V460 podia suportar la màxima actualització de descàrrega fins a impulsos 20. Això significa que els MOVs amb tensió límit més alta tenen una millor capacitat de suport sota la intensitat d’impuls de 8 / 20ms.

4. La capacitat de suportar sota l'impuls de corrent 10 / 350 ms

En aquesta secció, els corrents d’impuls 10 / 350 ms amb amplituds de 0.75Iimp i Iimp s’apliquen sobre les mostres SPD respectivament.

4.1 Els resultats sota l'impuls actual 10 / 350 ms amb el pic de 0.75Iimp

Atès que els icones dels tres tipus de MOV són diferents, les corrents 10 / 350 ms amb amplitud de 4875A s'apliquen a V230 i V275 i s'apliquen impulsos amb amplitud de 4500 A a V460. Després d’aplicar quinze corrents d’impuls, els canvis per a UDC1mAand Ur en els MOVs provats es mostren a la TAULA IV. El ∑E / V significa la suma de E / V per als impulsos aplicats.

Es pot veure a la TAULA IV que després d’aplicar quinze corrents 10 / 350 ms amb el pic de 0.75Iimp, el V230 podria passar la prova, mentre que el canvi per a UDC1mA de V275 es desvia més que 5%. La inflor i la petita esquerra també van aparèixer a l’encapsulament plàstic de V275. La fotografia de V275 amb una esquerra menor es mostra a la figura 4.

Per al tipus MOV V460, després d'aplicar el vuitè impuls 10 / 350 ms amb el pic de 4500A, el MOV esquerdat i les formes d'ona de tensió i corrent mesurades són anormals. Per comparar, a la fig. 10 es mostren les formes d’ona de tensió i corrent mesurades al setè i vuitè impuls 350 / 460 ms de V5.

Fig. 5. Les formes d'ona de tensió i corrent mesurades a V460 sota l'impuls 10 / 350 ms

Per a V230 i V275, ∑E / V és la suma de E / V per quinze impulsos. Per a V460, ∑E / V és la suma de E / V per a vuit impulsos. Es pot observar que, tot i que els Ea / V de V460 són més alts que els de V230 i V275, el total ∑E / Vof V460 és el més baix. No obstant això, el V460 va experimentar el dany més greu. Això significa que per al volum unitari de MOV, la fallada de MOV a la intensitat de 10 / 350 ms no està relacionada amb l'energia total absorbida (∑ E / V), però pot estar més relacionada amb l'energia absorbida sota un sol impuls (Ea / V) ). Es pot concloure que, segons el corrent d’impuls 10 / 350 ms, el V230 podria suportar més impulsos que els MOV de tipus V460. Això significa que els MOVs amb tensió limitadora més baixa tenen una capacitat de suport superior a la intensitat 10 / 350 ms, la qual cosa és contrària a la conclusió del corrent d’impuls 8 / 20 ms.

4.2 Els resultats obtinguts sota impuls de corrent 10 / 350 ms amb el màxim d'Iimp

Quan l'amplitud del corrent 10 / 350 ms augmenta a Iimp, tots els MOV provats no podrien superar quinze impulsos. Els resultats obtinguts sota els corrents d’impuls 10 / 350 ms amb amplitud d’Iimp es mostren a la TAULA V, on el “nombre d’impuls de suport” significa la quantitat d’impuls que el MOV podia suportar abans d’un crack.

Es pot observar des de la TAULA V que el V230 amb Ea / V de 122.09 J / cm3 podria suportar vuit impulsos 10 / 350 ms mentre que V460with Ea / V de 161.09 J / cm3 només podia passar tres impulsos, tot i que el màxim actual adoptat per V230 (6500 A) és superior a la de V460 (6000 A). Això permet validar la conclusió que els MOVs amb tensió alta limitant es poden danyar més fàcilment a través del corrent 10 / 350 ms. Aquest fenomen es pot explicar com: la gran energia portada per la intensitat de 10 / 350 ms serà absorbida pels MOVs. Per a MOVs amb tensió limitant alta sota la intensitat de 10 / 350 ms, molta més energia serà absorbida en el volum unitari de MOV que el MOV amb baixa tensió limitadora, i l'absorció excessiva d'energia conduirà a un fracàs MOV. Tanmateix, el mecanisme de fallada en corrent 8 / 20 ms necessita més investigació.

La inspecció visual mostra que la mateixa forma de dany s'observa en els tres tipus de MOV sota el corrent 10 / 350 ms. Un costat de l’encapsulament plàstic del MOV i la làmina rectangular de l’elèctrode s’estranquen. L’ablació del material de ZnO va aparèixer a prop del full d’elèctrode, causat per l’enfosquiment entre l’elèctrode MOV i la superfície ZnO. La fotografia de V230 danyada es mostra a la fig. 6.

5. conclusió

Els SPD s’han de provar sota corrents de descàrrega d’impuls principalment amb formes d’ona de 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Per investigar i comparar la capacitat de suport dels SPDs sota els corrents d’impuls 8 / 20 ms i 10 / 350 ms, es realitzen diversos experiments amb la màxima intensitat de descàrrega per a la forma d’ona 8 / 20 (Imax) i 10 / 350 ms (Iimp) , així com les amplituds de 0.75Imax i 0.75Iimp. Per a l'anàlisi s’adopten tres tipus de MOV típics que s’utilitzen per als SPD de classe I. Es poden extreure algunes conclusions.

(1) Els MOVs amb un voltatge limitant més alt tenen una millor capacitat de suport sota el corrent d’impuls 8 / 20ms. Els MOV de tipus V230 i V275 no van poder suportar quinze impulsos 8 / 20ms amb el pic d'Imax, mentre que el MOV de tipus V460 podia superar vint impulsos.

(2) Els MOVs amb tensió limitant més baixa tenen una millor capacitat de suport sota la intensitat de 10 / 350 ms. El tipus MOV V230 podria suportar vuit impulsos 10 / 350 ms amb el màxim d'Iimp, mentre que el V460 només podia passar tres impulsos.

(3) Tenint en compte el volum unitari de MOV sota el corrent 10 / 350 ms, l'energia absorbida sota un sol impuls pot estar relacionada amb la fallada del MOV, en comptes de la suma de l'energia absorbida sota tots els impulsos aplicats.

(4) S'observa la mateixa forma de dany en tres tipus de MOV sota les corrents 10 / 350 ms. Un costat de l’encapsulament plàstic del MOV i la làmina rectangular de l’elèctrode s’estranquen. Ablació del material ZnO, causada per la interrupció entre el full d’elèctrode i la superfície ZnO, va aparèixer prop de l’elèctrode MOV.