Überspannungsschutzgeräte (SPDs) müssen unter Impulsentladungsströmen hauptsächlich mit Wellenformen von 8 / 20 ms und 10 / 350 ms getestet werden. Mit der Verbesserung von SPD-Produkten müssen jedoch die Leistung und die Widerstandsfähigkeit von SPDs unter solchen Standardtestströmen eingehender untersucht werden. Um die Widerstandsfähigkeit von SPDs unter 8 / 20 ms- und 10 / 350 ms-Impulsströmen zu untersuchen und zu vergleichen, werden Experimente mit drei Arten typischer Metalloxid-Varistoren (MOVs) durchgeführt, die für SPDs der Klasse I verwendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die MOVs mit höherer Grenzspannung unter 8 / 20ms-Impulsstrom besser standhalten, während die Schlussfolgerung unter 10 / 350ms-Impulsstrom umgekehrt ist. Bei einem Strom von 10 / 350 ms hängt der MOV-Fehler mit der absorbierten Energie pro Volumeneinheit unter einem einzelnen Impuls zusammen. Riss ist die Hauptschadensform unter 10 / 350ms-Strom, die als eine Seite der MOV-Kunststoffkapselung und das Ablösen der Elektrodenfolie beschrieben werden kann. In der Nähe der MOV-Elektrode trat eine Ablation des ZnO-Materials auf, die durch den Überschlag zwischen dem Elektrodenblatt und der ZnO-Oberfläche verursacht wurde.

1. Einleitung

Überspannungsschutzgeräte (SPDs), die an Niederspannungsnetze, Telekommunikations- und Signalnetze angeschlossen sind, müssen gemäß den Anforderungen der IEC- und IEEE-Standards [1-5] getestet werden. In Anbetracht der Position und des möglichen Lichtstroms, unter dem sie leiden können, müssen solche SPDs unter Impulsentladungsströmen hauptsächlich mit Wellenformen von 8 / 20 ms und 10 / 350 ms [4-6] getestet werden. Die aktuelle Wellenform von 8 / 20 ms wird üblicherweise verwendet, um den Blitzimpuls [6-8] zu simulieren. Der Nennentladestrom (In) und der maximale Entladestrom (Imax) von SPDs werden beide mit dem Impulsstrom 8 / 20 ms [4-5] definiert. Darüber hinaus wird der Stromimpuls 8 / 20 ms häufig für SPD-Restspannungs- und Betriebsdauertests [4] verwendet. Der Impulsstrom 10 / 350ms wird normalerweise verwendet, um den direkten Blitzrückschlagstrom [7-10] zu simulieren. Diese Wellenform erfüllt die Parameter für den Impulsentladungsstrom für den SPD-Test der Klasse I, der insbesondere für den zusätzlichen Belastungstest für SPDs der Klasse I [4] verwendet wird. Bei den Typprüfungen [4-5] ist eine festgelegte Anzahl von Impulsströmen erforderlich, um an SPDs anzulegen. Beispielsweise sind für die Prüfung des Betriebsverhaltens von SPDs der Klasse I [8] fünfzehn 20 / 10 ms-Ströme und fünf 350 / 4 ms-Impulsströme erforderlich. Mit der Verbesserung von SPD-Produkten müssen jedoch die Leistung und die Widerstandsfähigkeit von SPDs unter solchen Standardtestströmen eingehender untersucht werden. Bisherige Untersuchungen konzentrierten sich in der Regel auf die MOV-Leistung bei mehreren 8 / 20 ms-Impulsströmen [11-14], während die Leistung bei wiederholten 10 / 350 ms-Impulsströmen nicht gründlich untersucht wurde. Darüber hinaus sind die SPDs der Klasse I, die an Orten mit hoher Exposition in Gebäuden und Verteilungssystemen installiert werden, anfälliger für Blitzschläge [15-16]. Daher müssen die Leistung und die Widerstandsfähigkeit von SPDs der Klasse I unter 8 / 20 ms- und 10 / 350 ms-Impulsströmen untersucht werden. In diesem Artikel wird experimentell die Widerstandsfähigkeit von SPDs der Klasse I bei Impulsströmen von 8 / 20 ms und 10 / 350 ms untersucht. Drei Arten typischer MOVs, die für SPDs der Klasse I verwendet werden, werden zur Analyse herangezogen. Die Stromamplitude und die Anzahl der Impulse werden für mehrere Experimente eingestellt. Es wird ein Vergleich der Widerstandsfähigkeit von MOVs bei zwei Arten von Impulsströmen durchgeführt. Der Fehlermodus der MOV-Beispiele, die nach den Tests fehlgeschlagen sind, wird ebenfalls analysiert.

2. Aufbau des Experiments

Drei Arten von typischen MOVs, die für SPDs der Klasse I verwendet werden, werden in die Experimente übernommen. Für jeden MOV-Typ werden von EPCOS hergestellte 12-Proben in vier Arten von Experimenten übernommen. Ihre Grundparameter sind in TABELLE I gezeigt, wobei In den Nennentladestrom von MOVs unter 8 / 20µs Impuls darstellt, Imax den maximalen Entladestrom unter 8 / 20µs Impuls darstellt, Iimp den maximalen Entladestrom unter 10 / 350µs Impuls darstellt, UDC1mA darstellt Die unter 1 mA Gleichstrom gemessene MOV-Spannung, Ur die MOV-Restspannung unter In.

Abb. 1 zeigt den Impulsstromgenerator, der so eingestellt werden kann, dass er die Stromimpulse 10 / 350 ms und 8 / 20 ms ausgibt. Die Pearson-Spule misst die Impulsströme an den getesteten MOVs. Der Spannungsteiler mit dem Verhältnis 14.52 dient zur Messung der Restspannungen. Das digitale Oszilloskop von TEK DPO3014 dient zur Aufzeichnung der experimentellen Wellenformen.

Gemäß dem SPD-Teststandard [4] umfassen die für 8 / 20 ms-Strom angenommenen Amplituden 30kA (0.75Imax) und 40kA (Imax). Die für den 10 / 350 ms-Strom gewählten Amplituden umfassen 0.75Iimp und Iimp. Unter Bezugnahme auf den Betriebstest für MOVs [4] werden fünfzehn 8 / 20ms-Impulse an MOV-Abtastwerten angelegt, und das Intervall zwischen den Impulsen beträgt 60s. Daher ist das Flussdiagramm der experimentellen Prozedur in Fig. 2 gezeigt.

Das experimentelle Verfahren kann beschrieben werden als:

(1) Anfangsmessungen: Die MOV-Proben werden zu Beginn der Experimente mit UDC1mA, Ur und Fotografien charakterisiert.

(2) Anwenden von fünfzehn Impulsen: Stellen Sie den Impulsstromgenerator so ein, dass der angeforderte Impulsstrom ausgegeben wird. Fünfzehn Impulse mit einem Intervall von 60 s werden nacheinander an das MOV-Sample angelegt.

(3) Zeichnen Sie die gemessenen Wellenformen der MOV-Ströme und -Spannungen nach jeder Impulsanwendung auf.

(4) Sichtprüfung und Messungen nach den Tests. Überprüfen Sie die Oberfläche des MOV auf Durchschlag oder Überschlag. Messen Sie den UDC1mA und den Ur nach den Tests. Machen Sie nach den Tests Fotos der beschädigten MOVs. Die Bestehenskriterien für die Versuche gemäß IEC 61643-11 [4] erfordern, dass sowohl die Spannungs- als auch die Stromaufzeichnung zusammen mit einer Sichtprüfung keine Anzeichen für einen Durchschlag oder Überschlag der Proben zeigen dürfen. Darüber hinaus ist die IEEE Std. C62.62 [5] schlug vor, dass die nach dem Test gemessene Ur (MOV-Restspannungen bei In) nicht mehr als 10% von der vor dem Test gemessenen Ur abweichen soll. Der Std. Nach IEC 60099-4 [17] darf die UDC1mA nach den Impulstests nicht mehr als 5% abweichen.

  1. Die Widerstandsfähigkeit unter 8 / 20 ms impulsstrom

In diesem Abschnitt werden die Impulsströme 8 / 20 ms mit den Amplituden 0.75Imax und Imax auf die SPD-Abtastwerte angewendet. Das Änderungsverhältnis für den nach dem Test gemessenen UDC1mA und den Ur ist definiert als:

Dabei steht Ucr für das Änderungsverhältnis der Messwerte. Uat steht für den nach den Tests gemessenen Wert. Ubt repräsentiert den vor den Tests gemessenen Wert.

3.1 Die Ergebnisse unter 8 / 20 ms-Impulsstrom mit der Spitze von 0.75Imax

Die Testergebnisse für drei Arten von MOVs unter fünfzehn 8 / 20 ms-Impulsströmen mit einer Spitze von 0.75Imax (30 kA) sind in Tabelle II gezeigt. Das Ergebnis für jeden MOV-Typ ist der Durchschnitt aus drei gleichen Stichproben.

TABELLE II

Ergebnisse unter 8 / 20 ms Impulsströmen mit 30 kA Peak

Aus TABELLE II ist ersichtlich, dass nach dem Anlegen von fünfzehn 8 / 20-ms-Impulsen an die MOVs die Änderungen von UDC1mA und Ur geringfügig sind. Der „Pass“ für die Sichtprüfung bedeutet, dass die getesteten MOVs keine sichtbaren Schäden aufweisen. Darüber hinaus ist zu beobachten, dass mit dem Anstieg der MOV-Grenzspannung der Ucr kleiner wird. Wie der Ucr ist der kleinste für V460 Typ MOV. Es kann gefolgert werden, dass alle drei Arten von MOVs den fünfzehn 8 / 20-ms-Impuls mit dem 30-kA-Peak passieren könnten.

3.2 Die Ergebnisse unter 8 / 20 ms Impulsstrom mit Imax-Spitze

In Anbetracht der obigen experimentellen Ergebnisse wird die Amplitude des 8 / 20 ms-Stroms auf 40 kA (Imax) erhöht. Außerdem wird die Anzahl der Impulse für MOV vom Typ V460 auf zwanzig erhöht. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle III gezeigt. Um die Energieabsorption in den drei MOV-Typen zu vergleichen, wird Ea / V verwendet, um die absorbierte Energie pro Volumeneinheit für den Durchschnitt von fünfzehn oder zwanzig Impulsen darzustellen. Hierbei wird der „Durchschnitt“ berücksichtigt, da die Energieaufnahme in MOVs bei jedem Impuls geringfügig unterschiedlich ist.

TABELLE III

Ergebnisse unter 8 / 20 ms Impulsströmen mit 40 kA Peak

Aus TABELLE III ist ersichtlich, dass die Ucr für UDC40mA um mehr als 1% für V5 und V230 abweichen, wenn die Stromamplitude auf 275 kA erhöht wird, obwohl die Änderung der MOV-Restspannung immer noch innerhalb des effektiven Bereichs von 10% liegt. Die Sichtprüfung zeigt auch keine sichtbaren Schäden an den getesteten MOVs. Für MOVs vom Typ V230 und V275 bedeutet Ea / V die absorbierte Energie pro Volumeneinheit mit durchschnittlich fünfzehn Impulsen. Das Ea / V für V460 repräsentiert die absorbierte Energie pro Volumeneinheit mit durchschnittlich zwanzig Impulsen. TABELLE III zeigt, dass die MOVs mit höherer Grenzspannung (V460) ein größeres Ea / V aufweisen als die MOVs mit niedrigerer Grenzspannung (V275 und V230). Darüber hinaus steigt die absorbierte Energie pro Volumeneinheit (E / V) allmählich an, wenn der Impulsstrom wiederholt an den V460 angelegt wird, wie in Fig. 3 gezeigt.

Daher kann der Schluss gezogen werden, dass die MOVs V230 und V275 nicht fünfzehn 8 / 20ms-Stromimpulsen mit einer Spitze von Imax standhalten konnten, während die MOVs V460 dem maximalen Entladestrom bis zu 20-Impulsen standhalten konnten. Dies bedeutet, dass die MOVs mit höherer Grenzspannung unter 8 / 20ms-Impulsstrom besser standhalten.

4. Die Widerstandsfähigkeit unter 10 / 350 ms Impulsstrom

In diesem Abschnitt werden die Impulsströme 10 / 350 ms mit den Amplituden 0.75Iimp und Iimp an die SPD-Abtastwerte angelegt.

4.1 Die Ergebnisse unter 10 / 350 ms Impulsstrom mit 0.75Iimp-Spitze

Da die Impulse der drei Arten von MOVs unterschiedlich sind, werden Ströme von 10 / 350 ms mit einer Amplitude von 4875A an V230 und V275 und Impulse mit einer Amplitude von 4500 A an V460 angelegt. Nach dem Anlegen von fünfzehn Impulsströmen sind die Änderungen für UDC1mA und Ur an den getesteten MOVs in TABELLE IV gezeigt. Das ∑E / V bedeutet die Summe von E / V für die angelegten Impulse.

Aus TABELLE IV ist ersichtlich, dass der V10 nach dem Anlegen von fünfzehn 350 / 0.75 ms-Strömen mit einer Spitze von 230Iimp den Test bestehen könnte, während die Änderung für UDC1mA von V275 um mehr als 5% abweicht. Die plastische Einkapselung von V275 wies ebenfalls Schwellungen und kleinere Risse auf. Das Foto von V275 mit kleinen Rissen ist in Abb. 4 dargestellt.

Beim V460-Typ MOV ist der MOV nach dem Anlegen des achten 10 / 350-ms-Impulses mit der Spitze von 4500A gerissen und die gemessenen Spannungs- und Stromwellenformen sind abnormal. Zum Vergleich sind die gemessenen Spannungs- und Stromverläufe unter dem siebten und achten Impuls von 10 / 350 ms auf V460 in Abb. 5 dargestellt.

Abb. 5. Die gemessenen Spannungs- und Stromverläufe auf V460 unter 10 / 350 ms Impuls

Für V230 und V275 ist ∑E / V die Summe von E / V für fünfzehn Impulse. Für V460 ist ∑E / V die Summe von E / V für acht Impulse. Es kann beobachtet werden, dass, obwohl das Ea / V von V460 höher ist als das von V230 und V275, das Gesamt-E / V von V460 am niedrigsten ist. Die V460 erlitt jedoch den schwersten Schaden. Dies bedeutet, dass für das Einheitsvolumen von MOV der MOV-Fehler unter 10 / 350 ms-Strom nicht mit der gesamten absorbierten Energie (∑ E / V) zusammenhängt, sondern eher mit der absorbierten Energie unter einem einzelnen Impuls (Ea / V) ). Daraus kann geschlossen werden, dass der V10 unter dem Impulsstrom 350 / 230 ms mehr Impulse aushalten kann als die MOVs vom Typ V460. Dies bedeutet, dass die MOVs mit niedrigerer Grenzspannung unter 10 / 350 ms-Strom besser widerstandsfähig sind, was der Schlussfolgerung unter 8 / 20 ms-Impulsstrom entgegengesetzt ist.

4.2 Die Ergebnisse unter 10 / 350 ms Impulsstrom mit Spitze von Iimp

Wenn die Amplitude des 10 / 350 ms-Stroms auf Iimp erhöht wird, können alle getesteten MOVs nicht fünfzehn Impulse durchlassen. Die Ergebnisse unter 10 / 350 ms-Impulsströmen mit einer Amplitude von Iimp sind in TABELLE V gezeigt, wobei "Impulszahl widerstehen" die Impulsmenge bedeutet, der das MOV vor dem Riss widerstehen konnte.

Aus TABELLE V ist ersichtlich, dass der V230 mit Ea / V von 122.09 J / cm3 acht 10 / 350 ms-Impulsen standhalten konnte, während der V460 mit Ea / V von 161.09 J / cm3 nur drei Impulse durchlassen konnte, obwohl der Spitzenstrom für angenommen wurde V230 (6500 A) ist höher als V460 (6000 A). Dies bestätigt die Schlussfolgerung, dass die MOVs mit hoher Grenzspannung bei einem Strom von 10 / 350 ms leichter beschädigt werden. Dieses Phänomen kann folgendermaßen erklärt werden: Die von 10 / 350 ms übertragene große Energie wird in MOVs absorbiert. Bei MOVs mit hoher Grenzspannung unter 10 / 350 ms-Strom wird im Einheitsvolumen des MOV viel mehr Energie absorbiert als bei MOVs mit niedriger Grenzspannung, und die übermäßige Energieaufnahme führt zum Ausfall des MOV. Der Fehlermechanismus unter 8 / 20 ms muss jedoch genauer untersucht werden.

Eine Sichtprüfung zeigt, dass bei den drei MOV-Typen unter 10 / 350 ms-Strom dieselbe Schadensform beobachtet wird. Eine Seite der MOV-Kunststoffkapselung und die rechteckige Elektrodenfolie lösen sich ab. Die Ablation von ZnO-Material trat in der Nähe des Elektrodenblatts auf, was durch den Überschlag zwischen der MOV-Elektrode und der ZnO-Oberfläche verursacht wird. Das Foto des beschädigten V230 ist in Abb. 6 dargestellt.

5. Fazit

SPDs müssen unter Impulsentladungsströmen hauptsächlich mit Wellenformen von 8 / 20 ms und 10 / 350 ms getestet werden. Um die Widerstandsfähigkeit von SPDs unter den Impulsströmen 8 / 20 ms und 10 / 350 ms zu untersuchen und zu vergleichen, wurden mehrere Experimente mit maximalem Entladestrom für die Wellenform 8 / 20 ms (Imax) und 10 / 350 ms (Iimp) durchgeführt sowie die Amplituden von 0.75Imax und 0.75Iimp. Drei Arten typischer MOVs, die für SPDs der Klasse I verwendet werden, werden zur Analyse herangezogen. Einige Schlussfolgerungen können gezogen werden.

(1) Die MOVs mit höherer Grenzspannung halten dem Impulsstrom von 8 / 20ms besser stand. Die MOVs vom Typ V230 und V275 konnten fünfzehn 8 / 20ms-Impulse mit einer Imax-Spitze nicht aushalten, während die MOVs vom Typ V460 zwanzig Impulse durchlassen konnten.

(2) Die MOVs mit niedrigerer Grenzspannung sind bei einem Strom von 10 / 350 ms widerstandsfähiger. Der V230-Typ MOV konnte acht 10 / 350-ms-Impulse mit Iimp-Spitze aushalten, während der V460 nur drei Impulse durchlassen konnte.

(3) Unter Berücksichtigung des Einheitsvolumens von MOV unter 10 / 350 ms-Strom kann die absorbierte Energie unter einem einzelnen Impuls auf einen MOV-Fehler bezogen sein, anstatt die absorbierte Energie unter allen angelegten Impulsen zu summieren.

(4) Die gleiche Schadensform wird bei drei Arten von MOVs unter 10 / 350 ms-Strömen beobachtet. Eine Seite der MOV-Kunststoffkapselung und die rechteckige Elektrodenfolie lösen sich ab. In der Nähe der MOV-Elektrode trat eine Ablation des ZnO-Materials auf, die durch einen Überschlag zwischen dem Elektrodenblatt und der ZnO-Oberfläche verursacht wurde.