Přepěťová ochranná zařízení (SPD) musí být testována pod proudem impulzních výbojů, zejména s vlnovými průběhy 8 / 20 ms a 10 / 350 ms. Se zlepšením produktů SPD však výkon a odolnost SPDs v rámci těchto standardních testovacích proudů vyžadují více zkoumání. Aby bylo možné zkoumat a porovnávat odolnost SPDs v impulzních proudech 8 / 20 ms a 10 / 350 ms, jsou experimenty prováděny na třech typech typických varistorů typu oxidů kovů (MOV), které jsou používány pro SPDs třídy I. Výsledky ukazují, že měniče MOV s vyšším limitním napětím mají lepší odolnost vůči impulsnímu proudu 8 / 20ms, zatímco závěr pod impulzním proudem 10 / 350ms je opačný. Pod proudem 10 / 350 ms se chyba MOV vztahuje k absorbované energii na jednotku objemu pod jedním impulsem. Trhlina je hlavní forma poškození pod proudem 10 / 350ms, která může být popsána jako jedna strana plastového zapouzdření MOV a odlupující se plech elektrody. Ablace materiálu ZnO, způsobená flashoverem mezi elektrodovým plechem a povrchem ZnO, se objevila poblíž elektrody MOV.
Přepěťová ochranná zařízení (SPD) připojená k nízkonapěťovým napájecím systémům, telekomunikačním a signálním sítím musí být testována podle požadavků norem IEC a IEEE [1-5]. Vzhledem k umístění a možnému světelnému proudu, který může utrpět, musí být tyto SPD testovány pod proudem impulzních výbojů, zejména s vlnovými průběhy 8 / 20 ms a 10 / 350 ms [4-6]. Aktuální křivka 8 / 20 ms je běžně používána pro simulaci bleskového impulsu [6-8]. Jmenovitý výstupní proud (In) a maximální výstupní proud (Imax) SPD jsou definovány impulzním proudem 8 / 20 ms [4-5]. Proudový impuls 8 / 20 ms je navíc široce používán pro zkoušky zbytkového napětí SPD a provozních testů [4]. Impulzní proud 10 / 350ms se obvykle používá k simulaci přímého proudu úderu blesku [7-10]. Tato křivka splňuje parametry pro impulsní výbojový proud pro zkoušku SPD třídy I, která se používá zejména pro doplňkové zkoušky pro SPD třídy I [4]. Během typových zkoušek [4-5] je vyžadován specifikovaný počet impulsních proudů, které platí pro SPD. Pro test provozních zátěží pro SPDs třídy I [8] je například zapotřebí patnáct proudů 20 / 10 ms a pět impulsních proudů 350 / 4 ms. Se zlepšením produktů SPD však výkon a odolnost SPDs v rámci těchto standardních testovacích proudů vyžadují více zkoumání. Předchozí výzkumy se obvykle soustředily na výkon MOV v násobném impulzním proudu 8 / 20 ms [11-14], zatímco výkon při opakovaném impulzním proudu 10 / 350 ms nebyl důkladně zkoumán. Navíc, SPD třídy I, instalované v místech s vysokou expozicí v budovách a distribučních systémech, jsou náchylnější k úderům blesku [15-16]. Proto je třeba zkoumat výkonnost a odolnost SPDs třídy I pod impulzními proudy 8 / 20 ms a 10 / 350 ms. Tato práce experimentálně zkoumá schopnost odolávat třídám SPDs v rámci impulsních proudů 8 / 20 ms a 10 / 350 ms. Pro analýzu jsou přijaty tři typy typických MOV používaných pro SPD I. třídy. Amplituda proudu a počet impulzů jsou nastaveny pro několik experimentů. Srovnání se provádí na odolnostech MOVs pod dvěma druhy impulsních proudů. Analyzován je také poruchový režim vzorků MOV, které selhaly po testech.
V experimentech jsou přijaty tři typy typických MOV používaných pro SPD třídy I. \ t Pro každý typ MOV jsou vzorky 12 od EPCOS přijaty ve čtyřech experimentech. Jejich základní parametry jsou uvedeny v TABULCE I, kde In reprezentuje nominální vybíjecí proud MOVs pod impulsem 8 / 20µs, Imax reprezentuje maximální vybíjecí proud pod impulsem 8 / 20µs, Iimp představuje maximální vybíjecí proud pod impulsem 10 / 350µs, UDC1mA představuje napětí MOV naměřené pod proudem 1 mA, Ur představuje zbytkové napětí MOV pod In.
Obr. 1 ukazuje generátor impulzního proudu, který lze nastavit na výstup 10 / 350 ms a proudové impulsy 8 / 20 ms. Pearsonova cívka je určena pro měření impulsních proudů na testovaných MOV. Pro měření zbytkového napětí se používá dělič napětí s poměrem 14.52. Digitální osciloskop TEK DPO3014 je přijat pro záznam experimentálních průběhů.
Podle standardu SPD testu [4] amplitudy přijaté pro proud 8 / 20 ms zahrnují 30kA (0.75Imax) a 40kA (Imax). Amplitudy přijaté pro proud 10 / 350 ms zahrnují 0.75Iimp a Iimp. Odkaz na provozní test pro MOVs [4], patnáct impulzů 8 / 20ms se aplikuje na vzorky MOV a interval mezi impulsy je 60 s. Proto je vývojový diagram experimentálního postupu znázorněn na obr. 2.
Experimentální postup lze popsat jako:
(1) Počáteční měření: Vzorky MOV jsou charakterizovány pomocí UDC1mA, Ur a fotografií na začátku experimentů.
(2) Použijte patnáct impulsů: Nastavte generátor impulsního proudu na výstup požadovaného impulsního proudu. Patnáct impulzů s intervalem 60 s se aplikuje postupně na vzorek MOV.
(3) Zaznamenejte naměřené průběhy proudů a napětí MOV po každé aplikaci impulsu.
(4) Vizuální kontrola a měření po zkouškách. Zkontrolujte povrch MOV, zda nemá defekt nebo flashover. Po zkouškách změřte UDC1mA a Ur. Po testech pořiďte fotografie poškozených MOV. Kritéria průchodu pro experimenty, podle IEC 61643-11 [4], vyžadují, aby jak záznamy napětí, tak proudové záznamy, spolu s vizuální kontrolou, nevykazovaly žádné známky propíchnutí nebo přeskoku vzorků. Kromě toho, IEEE Std. C62.62 [5] navrhl posttest naměřené Ur (MOV zbytkové napětí na In) se nesmí lišit více než 10% od předběžně naměřeného Ur. Std. IEC 60099-4 [17] také vyžaduje, aby se UDC1mA po impulsních zkouškách neodchyloval o více než 5%.
- Odolnost v 8 / 20 ms impulsní proud
V této části jsou na SPD vzorky aplikovány impulzní proudy 8 / 20 ms s amplitudami 0.75Imax a Imax. Poměr změny pro naměřené UDC1mA a Ur je definován jako:
kde Ucr představuje poměr změn naměřených hodnot. Uat představuje hodnotu naměřenou po testech. Ubt představuje hodnotu naměřenou před zkouškami.
3.1 Výsledky pod impulzním proudem 8 / 20 ms špičkou 0.75Imax
Výsledky testu pro tři typy MOVs pod patnácti impulzními proudy 8 / 20 ms špičkou 0.75Imax (30 kA) jsou uvedeny v tabulce II. Výsledkem pro každý typ MOV je průměr ze tří stejných vzorků.
TABULKA II
Výsledky pod impulzními proudy 8 / 20 ms s vrcholem 30 kA
Z TABLEII je vidět, že po patnácti 8 / 20 ms byly na MOV aplikovány impulsy, změny UDC1mA a Ur jsou menší. „Pass“ pro vizuální kontrolu neznamená žádné viditelné poškození testovaných MOV. Kromě toho lze pozorovat, že při zvýšení mezního napětí MOV se Ucr zmenšuje. Například Ucr je nejmenší pro V460 typu MOV. Lze konstatovat, že všechny tři typy MOV by mohly projít patnácti impulsy 8 / 20 ms s vrcholem 30 kA.
3.2 Výsledky pod impulzním proudem 8 / 20 ms špičkou Imax
Vzhledem k výše uvedeným experimentálním výsledkům je amplituda proudu 8 / 20 ms zvýšena na 40 kA (Imax). Navíc je počet impulzů zvýšen na dvacet pro V460 typ MOV. Výsledky experimentů jsou uvedeny v tabulce III. Pro porovnání absorpce energie ve třech typech MOVs se Ea / V používá k vyjádření absorbované energie na jednotku objemu v průměru patnácti nebo dvaceti impulsů. Zde se uvažuje „průměr“, protože absorpce energie u MOV se mírně liší pod každým impulsem.
TABULKA III
Výsledky pod impulzními proudy 8 / 20 ms s vrcholem 40 kA
Z TABULKY III lze pozorovat, že když se amplituda proudu zvýší na 40 kA, Ucr pro UDC1mA se odchyluje o více než 5% pro V230 a V275, i když změna zbytkového napětí MOV je stále v účinném rozsahu 10%. Vizuální kontrola také nevykazuje žádné viditelné poškození testovaných MOV. ForV230 a V275 typu MOV, Ea / V znamená absorbovanou energii na jednotku objemu s průměrem patnácti impulsů. Ea / V pro V460 představuje absorbovanou energii na jednotku objemu s průměrem dvaceti impulsů. TABULKA III ukazuje, že měniče MOV s vyšším mezním napětím (V460) mají větší Ea / V než MOV s nižším mezním napětím (V275 a V230). Navíc, s impulsním proudem opakovaně aplikovaným na V460, absorbovaná energie na jednotku objemu (E / V) se postupně zvyšuje, jak je znázorněno na obr. 3.
Proto lze konstatovat, že V230 a V275 typu MOV nemohly vydržet patnáct proudových impulsů 8 / 20ms s vrcholem Imaxu, zatímco V460 typ MOV vydržel maximální proud výboje až do impulzů 20. To znamená, že měniče MOV s vyšším mezním napětím mají lepší odolnost vůči impulsnímu proudu 8 / 20ms.
4. Odolnost při impulzním proudu 10 / 350 ms
V této části jsou na SPD vzorky aplikovány impulzní proudy 10 / 350 ms s amplitudami 0.75Iimp a Iimp.
4.1 Výsledky pod impulzním proudem 10 / 350 ms špičkou 0.75Iimp
Vzhledem k tomu, že Iimp tří typů MOV je odlišný, 10 / 350 ms proudy s amplitudou 4875A jsou aplikovány na V230 a V275 a na V4500 jsou aplikovány impulsy s amplitudou 460 A. Po aplikaci patnácti impulsních proudů jsou změny pro UDC1mAand Ur na testovaných MOV uvedeny v tabulce IV. ∑E / V znamená součet E / V pro aplikované impulsy.
Z tabulky IV je vidět, že po použití patnácti proudů 10 / 350 ms s vrcholem 0.75Iimp mohl V230 projít testem, zatímco změna UDC1mA V275 se odchyluje o více než 5%. Na plastovém zapouzdření V275 se objevily také otok a drobné praskliny. Fotografie V275 s drobnou trhlinou je znázorněna na obr. 4.
U V460 typu MOV, po použití osmi 10 / 350 ms impulsů s vrcholem 4500A, dojde k prasknutí MOVu a naměřené průběhy napětí a proudu jsou abnormální. Pro srovnání jsou naměřené průběhy napětí a proudu pod sedmým a osmým impulsem 10 / 350 na V460 znázorněny na obr. 5.
Obr. 5. Naměřené průběhy napětí a proudu na V460 pod impulsem 10 / 350 ms
Pro V230 a V275 je ∑E / V součtem E / V pro patnáct impulsů. Pro V460 je ∑E / V součtem E / V pro osm impulzů. Lze pozorovat, že ačkoliv je Ea / V V460 vyšší než V230 a V275, celkový ∑E / Vof V460 je nejnižší. V460 však zažil nejzávažnější škody. To znamená, že pro jednotkový objem MOV není porucha MOV pod proudem 10 / 350 ms vztažena k celkové absorbované energii (∑ E / V), ale může být více závislá na absorbované energii pod jedním impulsem (Ea / V). ). Lze konstatovat, že pod proudovým impulsem 10 / 350 ms mohl V230 vydržet více impulsů než V460 typu MOVs. To znamená, že měniče MOV s nižším mezním napětím mají lepší odolnost vůči proudům v prostředí 10 / 350 ms, což je oproti závěru pod proudem 8 / 20 ms.
4.2 Výsledky pod impulzním proudem 10 / 350 ms vrcholem Iimp
Když je amplituda proudu 10 / 350 ms zvýšena na Iimp, všechny testované MOV nemohly projít patnácti impulsy. Výsledky pod impulzními proudy 10 / 350 ms s amplitudou Iimp jsou zobrazeny v TABULCE V, kde „Odolné impulzní číslo“ znamená impulsní množství, které by MOV mohl vydržet před trhlinou.
Z TABULKY V lze pozorovat, že V230 s Ea / V 122.09 J / cm3 může vydržet osm 10 / 350 ms impulsů, zatímco V460 s Ea / V 161.09 J / cm3 může projít pouze třemi impulsy, i když špičkový proud přijatý pro V230 (6500 A) je vyšší než pro V460 (6000 A). To potvrzuje závěr, že měniče MOV s vysokým mezním napětím jsou snáze poškozeny v proudu 10 / 350 ms. Tento jev lze vysvětlit tím, že: velká energie nesená proudem 10 / 350 ms bude absorbována v MOV. U měničů MOV s vysokým mezním napětím pod proudem 10 / 350 ms bude mnohem více energie absorbováno v jednotkovém objemu MOV, než v MOVs s nízkým omezujícím napětím a nadměrná absorpce energie povede k poruše MOV. Nicméně mechanismus selhání pod proudem 8 / 20 ms potřebuje více vyšetřování.
Vizuální kontrola ukazuje, že stejný typ poškození je pozorován na třech typech MOVs pod proudem 10 / 350 ms. Jedna strana plastového zapouzdření MOV a obdélníkový elektrodový list se odlupují. Ablace materiálu ZnO se objevila v blízkosti elektrodového plechu, což je způsobeno odrazem mezi elektrodou MOV a povrchem ZnO. Fotografie poškozeného V230 je znázorněna na obr. 6.
5. závěr
SPD musí být testovány pod proudem impulzních výbojů hlavně s vlnovými průběhy 8 / 20 ms a 10 / 350 ms. Aby bylo možné zkoumat a porovnávat odolnost SPDs v impulzních proudech 8 / 20 ms a 10 / 350 ms, provádí se několik experimentů s maximálním vybíjecím proudem pro 8 / 20 ms (Imax) a křivku 10 / 350 ms (Iimp). , stejně jako amplitudy 0.75Imax a 0.75Iimp. Pro analýzu jsou přijaty tři typy typických MOV používaných pro SPD I. třídy. Lze vyvodit některé závěry.
(1) MOVy s vyšším limitním napětím mají lepší odolnost vůči impulsnímu proudu 8 / 20ms. V230 a V275 typu MOV nemohly vydržet patnáct impulsů 8 / 20ms s vrcholem Imaxu, zatímco V460 typu MOV mohl projít dvacet impulsů.
(2) Jednotky MOV s nižším omezujícím napětím mají lepší odolnost vůči proudům pod proudem 10 / 350 ms. V230 typ MOV vydržel osm 10 / 350 ms impulsů s vrcholem Iimpu, zatímco V460 mohl projít pouze třemi impulsy.
(3) Vzhledem k jednotkovému objemu MOV pod proudem 10 / 350 ms může být absorbovaná energie pod jedním impulsem spojena se selháním MOV namísto sčítání absorbované energie pod všemi aplikovanými impulsy.
(4) Stejný formulář poškození je pozorován na třech typech MOV v proudech 10 / 350 ms. Jedna strana plastového zapouzdření MOV a obdélníkový elektrodový list se odlupují. Ablace materiálu ZnO způsobená flashoverem mezi elektrodovým plechem a povrchem ZnO se objevila poblíž elektrody MOV.