Overspændingsbeskyttelsesudstyr (SPD'er) skal testes under impulsudladningsstrømme hovedsagelig med bølgeformer af 8 / 20 ms og 10 / 350 ms. Men med forbedring af SPD-produkter behøver præstations- og modstandskapaciteten hos SPD'er under sådanne standardteststrømme mere undersøgelse. For at undersøge og sammenligne resistensevnen til SPD'er under 8 / 20 ms og 10 / 350 ms impulsstrømme, udføres eksperimenter på tre typer typiske metaloxidvaristorer (MOV'er), der anvendes til klasse I SPD'er. Resultaterne viser, at MOVs med højere begrænsningsspænding bedre modstår kapaciteten under 8 / 20ms impulsstrøm, mens konklusionen under 10 / 350ms impulsstrøm er modsat. Under 10 / 350 ms strøm er MOV-fejlen relateret til den absorberede energi pr. Enhedsvolumen under enkeltimpuls. Sprængning er den vigtigste skadesform under 10 / 350ms strøm, som kan beskrives som den ene side af MOV plastindkapslingen og elektrodearket afskrækker. Ablation af ZnO-materialet, der skyldes flashoverfladen mellem elektrodarket og ZnO-overfladen, viste sig nær MOV-elektroden.

1. Introduktion

Overspændingsbeskyttelsesanordninger (SPD'er) forbundet til lavspændingsstrømsystemer, telekommunikations- og signalnetværk skal testes i henhold til kravene i IEC og IEEE standarder [1-5]. I betragtning af placeringen og den mulige lysstrøm, den kan lide, skal sådanne SPD'er testes under impulsudladningsstrømme hovedsageligt med bølgeformer på 8/20 ms og 10/350 ms [4-6]. Den aktuelle bølgeform på 8/20 ms bruges almindeligvis til at simulere lynimpulsen [6-8]. Den nominelle afladningsstrøm (In) og den maksimale afladningsstrøm (Imax) for SPD'er er begge defineret med 8/20 ms impulsstrømmen [4-5]. Desuden er 8/20 ms strømimpulsen i vid udstrækning brugt til SPD-restspændings- og driftstests [4]. 10/350ms impulsstrøm bruges normalt til at simulere den direkte lynreturstrøm [7-10]. Denne bølgeform opfylder parametrene for impulsudladningsstrømmen for klasse I SPD-test, som især bruges til den ekstra driftstest for klasse I SPD'er [4]. Under typetestene [4-5] kræves der et specificeret antal impulsstrømme på SPD'er. For eksempel kræves der femten 8/20 ms strømme og fem 10/350 ms impulsstrømme til driftstest for klasse I SPD'er [4]. Men med forbedringen af ​​SPD-produkter skal ydeevnen og modstandsevnen for SPD'er under sådanne standardteststrømme imidlertid undersøges mere. Tidligere undersøgelser koncentrerede sig normalt om MOV-ydelsen under multiple 8/20 ms impulsstrøm [11-14], mens ydeevnen under gentagne 10/350 ms impulsstrøm ikke er blevet undersøgt grundigt. Desuden er klasse I SPD'erne, installeret på steder med høj eksponering i bygninger og distributionssystemer, mere sårbare over for lynnedslag [15-16]. Derfor er ydeevnen og modstandsevnen for klasse I SPD'er under 8/20 ms og 10/350 ms impulsstrømme nødvendige for at blive undersøgt. Dette papir undersøger eksperimentelt evnen til at modstå klasse I SPD'er under 8/20 ms og 10/350 ms impulsstrømme. Tre typer af typiske MOV'er, der bruges til klasse I SPD'er, er vedtaget til analyse. Den aktuelle amplitude og antallet af impulser justeres for flere eksperimenter. Sammenligning udføres på MOV'ers modståevne under de to slags impulsstrømme. Fejltilstanden for MOV-prøverne, der fejlede efter test, analyseres også.

2. Layout af eksperimentet

Tre typer af typiske MOV'er brugt til klasse I SPD'er er vedtaget i eksperimenterne. For hver type MOV'er er 12 prøver lavet af EPCOS vedtaget under fire slags eksperimenter. Deres grundlæggende parametre er vist i TABEL I, hvor In repræsenterer den nominelle udladningsstrøm for MOV'er under 8/20µs impuls, Imax repræsenterer den maksimale afladningsstrøm under 8/20µs impuls, Iimp repræsenterer den maksimale udladningsstrøm under 10/350µs impuls, UDC1mA repræsenterer MOV-spændingen målt under 1 mA DC-strøm, Ur repræsenterer MOV-restspændingen under In.

Fig. 1 viser impulsstrømgeneratoren, der kan indstilles til at udsende 10/350 ms og 8/20 ms strømimpulser. Pearson-spolen er brugt til at måle impulsstrømmene på de testede MOV'er. Spændingsdeleren med forholdet 14.52 bruges til at måle restspændingerne. Det digitale oscilloskop af TEK DPO3014 er brugt til at registrere de eksperimentelle bølgeformer.

I henhold til SPD-teststandarden [4] omfatter de anvendte amplituder for 8/20 ms strøm 30kA (0.75Imax) og 40kA (Imax). De anvendte amplituder for 10/350 ms strøm inkluderer 0.75 Iimp og Iimp. Med henvisning til driftstesten for MOV'er [4], påføres femten 8/20 ms-impulser på MOV-prøver, og intervallet mellem impulser er 60 s. Derfor er flowdiagrammet for den eksperimentelle procedure vist i fig. 2.

Den eksperimentelle procedure kan beskrives som:

(1) Indledende målinger: MOV-prøverne karakteriseres med UDC1mA,Ur og fotografier i begyndelsen af ​​eksperimenter.

(2) Påfør femten impulser: Juster impulsstrømgeneratoren til at udsende den krævede impulsstrøm. Femten impulser med interval på 60 s påføres på MOV-prøven successivt.

(3) Registrer de målte bølgeformer af MOV-strømme og spændinger efter hver impulspåføring.

(4) Visuel inspektion og målinger efter prøvningerne. Kontroller overfladen af ​​MOV'en for punktering eller overslag. Mål UDC1mA og Ur efter testene. Tag billeder af de beskadigede MOV'er efter test. Beståelseskriterierne for eksperimenterne ifølge IEC 61643-11 [4] kræver, at både spændings- og strømregistreringerne, sammen med en visuel inspektion, ikke må vise nogen indikation af punktering eller flashover af prøverne. Derudover er IEEE Std. C62.62 [5] foreslog, at den eftertest målte Ur (MOV-restspændinger ved In) ikke må afvige mere end 10 % fra den fortest målte Ur. Std. IEC 60099-4 [17] kræver også, at UDC1mA ikke må afvige mere end 5 % efter impulstestene.

  1. Modstandsevnen under 8/20 ms impulsstrøm

I dette afsnit påføres 8/20 ms impulsstrømmene med amplituder på 0.75 Imax og Imax på henholdsvis SPD-prøverne. Ændringsforholdet for eftertesten målt UDC1mA og Ur er defineret som:

hvor Ucr repræsenterer ændringsforholdet for de målte værdier. Uat repræsenterer værdien målt efter testene. Ubt repræsenterer værdien målt før test.

3.1 Resultaterne under 8/20 ms impulsstrøm med spidsværdi på 0.75Imax

Testresultaterne for tre typer MOV'er under femten 8/20 ms impulsstrømme med en topværdi på 0.75 Imax (30 kA) er vist i TABEL II. Resultatet for hver type MOV er gennemsnittet af tre samme prøver.

TABEL II

Resultater under 8/20 ms impulsstrømme med 30 kA peak

Det kan ses af TABLEII, at efter femten 8/20 ms impulser er blevet påført på MOV'erne, er ændringerne af UDC1mA og Ur mindre. "Pass" til visuel inspektion betyder ingen synlig skade på de testede MOV'er. Desuden kan det observeres, at med stigningen af ​​MOV-begrænsningsspændingen bliver Ucr mindre. Såsom Ucr er den mindste til V460 type MOV. Det kan konkluderes, at de tre typer MOV'er alle kunne passere de femten 8/20 ms impuls med 30 kA top.

3.2 Resultaterne under 8/20 ms impulsstrøm med peak på Imax

I betragtning af de eksperimentelle resultater ovenfor øges amplituden på 8/20 ms strøm til 40 kA (Imax). Derudover øges antallet af impulser til tyve for V460 type MOV. De eksperimentelle resultater er vist i TABEL III. For at sammenligne energiabsorptionen i de tre type MOV'er, bruges Ea/V til at repræsentere den absorberede energi pr. volumenenhed for gennemsnittet af femten eller tyve impulser. Her betragtes "gennemsnittet", fordi energiabsorptionen i MOV'er er lidt anderledes under hver impuls.

TABEL III

Resultater under 8/20 ms impulsstrømme med 40 kA peak

Det kan observeres fra TABEL III, at når strømamplituden øges til 40 kA, afviger Ucr for UDC1mA mere end 5 % for V230 og V275, selvom ændringen af ​​MOV-restspændingen stadig er inden for det effektive område på 10 %. Den visuelle inspektion viser heller ingen synlige skader på de testede MOV'er. For V230 og V275 type MOV'er betyder Ea/V den absorberede energi pr. volumenhed med et gennemsnit på femten impulser. Ea/V for V460 repræsenterer den absorberede energi pr. volumenhed med et gennemsnit på tyve impulser. TABEL III viser, at MOV'erne med højere grænsespænding (V460) har større Ea/V end MOV'erne med lavere grænsespænding (V275 og V230). Med impulsstrømmen gentagne gange påført på V460, øges den absorberede energi pr. volumenenhed (E/V) desuden gradvist, som vist i fig. 3.

Derfor kan det konkluderes, at V230 og V275 type MOV'er ikke kunne modstå femten 8/20ms strømimpulser med peak på Imax, mens V460 type MOV kunne modstå den maksimale udladningsstrøm op til 20 impulser. Dette betyder, at MOV'erne med højere begrænsningsspænding har bedre modståelse under 8/20ms impulsstrøm.

4. Modstandsevnen under 10/350 ms impulsstrøm

I dette afsnit påføres 10/350 ms impulsstrømmene med amplituder på 0.75 Iimp og Iimp på henholdsvis SPD-prøverne.

4.1 Resultaterne under 10/350 ms impulsstrøm med spidsværdi på 0.75 Iimp

Da Iimp af de tre typer MOV'er er forskellige, påføres 10/350 ms strømme med en amplitude på 4875A på V230 og V275, og impulser med en amplitude på 4500 A påføres på V460. Efter påføring af femten impulsstrømme er ændringerne for UDC1mA og Ur på de testede MOV'er vist i TABEL IV. ∑E/V betyder summeringen af ​​E/V for de påførte impulser.

Det kan ses af TABEL IV, at efter påføring af femten 10/350 ms strømme med en topværdi på 0.75Iimp, kunne V230 bestå testen, mens ændringen for UDC1mA af V275 afviger mere end 5%. Hævelse og mindre revner viste sig også på plastindkapslingen af ​​V275. Fotografiet af V275 med mindre revne er vist i fig. 4.

For V460 type MOV, efter at den ottende 10/350 ms impuls med en top på 4500A er påført, revnede MOV, og de målte spændings- og strømbølgeformer er unormale. Til sammenligning er de målte spændings- og strømbølgeformer under syvende og ottende 10/350 ms-impuls på V460 vist i fig. 5.

Fig. 5. De målte spændings- og strømbølgeformer på V460 under 10/350 ms impuls

For V230 og V275 er ∑E/V summeringen af ​​E/V for femten impulser. For V460 er ∑E/V summeringen af ​​E/V for otte impulser. Det kan observeres, at selvom Ea/V for V460 er højere end for V230 og V275, er den samlede ∑E/V af V460 den laveste. V460 oplevede dog de alvorligste skader. Dette betyder, at for MOV-enhedens volumen er MOV-fejlen under 10/350 ms strøm ikke relateret til den samlede absorberede energi (∑ E/V), men kan være mere relateret til den absorberede energi under en enkelt impuls (Ea/V) ). Det kan konkluderes, at under 10/350 ms impulsstrøm kunne V230 modstå flere impulser end V460 type MOV'er. Dette betyder, at MOV'erne med lavere begrænsningsspænding har bedre modståevne under 10/350 ms strøm, hvilket er modsat konklusionen under 8/20 ms impulsstrøm.

4.2 Resultaterne under 10/350 ms impulsstrøm med peak på Iimp

Når amplituden på 10/350 ms strøm øges til Iimp, kunne alle de testede MOV'er ikke passere femten impulser. Resultaterne under 10/350 ms impulsstrømme med amplitude på Iimp er vist i TABEL V, hvor "Modstå impulstallet" betyder den impulsmængde, som MOV'en kunne modstå før revne.

Det kan ses fra TABEL V, at V230 med Ea/V på 122.09 J/cm3 kunne modstå otte 10/350 ms impulser, mens V460 med Ea/V på 161.09 J/cm3 kun kunne passere tre impulser, selvom spidsstrømmen blev vedtaget for V230 (6500 A) er højere end for V460 (6000 A). Dette bekræfter konklusionen om, at MOV'erne med høj begrænsende spænding lettere beskadiges under 10/350 ms strøm. Dette fænomen kan forklares som: den store energi båret af 10/350 ms strøm vil blive absorberet i MOV'er. For MOV'er med høj begrænsende spænding under 10/350 ms strøm, vil meget mere energi blive absorberet i enhedsvolumenet af MOV end i MOV'er med lav grænsespænding, og den overdrevne energiabsorption vil føre til MOV-fejl. Fejlmekanismen under 8/20 ms strøm har dog brug for mere undersøgelse.

Visuel inspektion viser, at samme skadesform er observeret på de tre typer MOV'er under 10/350 ms strøm. Den ene side af MOV-plastindkapslingen og det rektangulære elektrodeark skrælles af. Ablationen af ​​ZnO-materiale optrådte nær elektrodearket, hvilket er forårsaget af flashover mellem MOV-elektroden og ZnO-overfladen. Fotografiet af beskadiget V230 er vist i fig. 6.

5. konklusion

SPD'er skal testes under impulsudladningsstrømme, hovedsageligt med bølgeformer på 8/20 ms og 10/350 ms. For at undersøge og sammenligne modstandsevnen for SPD'er under 8/20 ms og 10/350 ms impulsstrømme, udføres adskillige eksperimenter med maksimal udladningsstrøm for 8/20 ms (Imax) og 10/350 ms (Iimp) bølgeform , samt amplituder på 0.75Imax og 0.75Iimp. Tre typer af typiske MOV'er, der bruges til klasse I SPD'er, er vedtaget til analyse. Nogle konklusioner kan drages.

(1) MOV'erne med højere begrænsende spænding har bedre modståelse under 8/20ms impulsstrøm. V230 og V275 type MOV'er kunne ikke modstå femten 8/20ms impulser med peak på Imax, mens V460 type MOV kunne passere tyve impulser.

(2) MOV'erne med lavere grænsespænding har bedre modstandsevne under 10/350 ms strøm. V230 type MOV kunne modstå otte 10/350 ms impulser med peak på Iimp, mens V460 kun kunne passere tre impulser.

(3) I betragtning af enhedsvolumenet af MOV under 10/350 ms strøm, kan den absorberede energi under en enkelt impuls være relateret til MOV-fejl i stedet for summeringen af ​​absorberet energi under alle påførte impulser.

(4) Samme skadesform er observeret på tre typer MOV'er under 10/350 ms strøm. Den ene side af MOV-plastindkapslingen og det rektangulære elektrodeark skrælles af. Ablation af ZnO-materialet, forårsaget af flashover mellem elektrodearket og ZnO-overfladen, dukkede op nær MOV-elektroden.