Οι συσκευές προστασίας από υπερτάσεις (SPD) πρέπει να δοκιμαστούν υπό ρεύματα εκκένωσης παλμών κυρίως με κυματομορφές 8 / 20 ms και 10 / 350 ms. Ωστόσο, με τη βελτίωση των προϊόντων SPD, οι επιδόσεις και η ικανότητα αντοχής των SPD σε αυτά τα πρότυπα ρεύματα δοκιμής χρειάζονται περισσότερη έρευνα. Προκειμένου να διερευνηθεί και να συγκριθεί η ικανότητα αντοχής των SPD κάτω από τα ρεύματα παλμών 8 / 20 ms και 10 / 350 ms, διεξάγονται πειράματα σε τρεις τύπους τυπικών βαρίστορ μεταλλικού οξειδίου (MOVs) που χρησιμοποιούνται για SPD κατηγορίας Ι. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα MOV με υψηλότερη τάση περιορισμού έχουν καλύτερη ικανότητα αντοχής κάτω από το ρεύμα παλμού 8 / 20ms, ενώ το συμπέρασμα κάτω από το ρεύμα παλμού 10 / 350ms είναι αντίθετο. Κάτω από το ρεύμα 10 / 350 ms, η αποτυχία του MOV σχετίζεται με την απορροφούμενη ενέργεια ανά μονάδα όγκου υπό ενιαία ώθηση. Η ρωγμή είναι η κύρια μορφή βλάβης κάτω από το ρεύμα 10 / 350ms, το οποίο μπορεί να περιγραφεί ως μία πλευρά του πλαστικού εγκλεισμού MOV και το φύλλο ηλεκτροδίων να ξεφλουδίζει. Η αφαίρεση του υλικού ZnO, που προκλήθηκε από το φλόγιστρο μεταξύ του φύλλου ηλεκτροδίου και της επιφάνειας ZnO, εμφανίστηκε κοντά στο ηλεκτρόδιο MOV.

1. Εισαγωγή

Οι συσκευές προστασίας από υπερτάσεις (SPD) που είναι συνδεδεμένες σε συστήματα χαμηλής τάσης, δίκτυα τηλεπικοινωνιών και σήματος πρέπει να δοκιμάζονται σύμφωνα με τις απαιτήσεις των προτύπων IEC και IEEE [1-5]. Λαμβάνοντας υπόψη τη θέση και το πιθανό ρεύμα φωτισμού που μπορεί να υποστεί, αυτά τα SPD πρέπει να δοκιμαστούν υπό ρεύματα εκκένωσης παλμών κυρίως με κυματομορφές 8 / 20 ms και 10 / 350 ms [4-6]. Η τρέχουσα κυματομορφή του 8 / 20 ms χρησιμοποιείται συνήθως για την προσομοίωση της αστραπιαίας ώθησης [6-8]. Το ονομαστικό ρεύμα εκκένωσης (In) και το μέγιστο ρεύμα αποφόρτισης (Imax) των SPD καθορίζονται με το ρεύμα παλμού 8 / 20 ms [4-5]. Επιπλέον, ο παλμός ρεύματος 8 / 20 ms χρησιμοποιείται ευρέως για τις δοκιμές υπολειμματικής τάσης SPD και λειτουργίας [4]. Το ρεύμα παλμού 10 / 350ms χρησιμοποιείται συνήθως για την προσομοίωση του ρεύματος διαδρομής επιστροφής κεραυνού [7-10]. Αυτή η κυματομορφή πληροί τις παραμέτρους για το ρεύμα εκκένωσης παλμών για τη δοκιμή SPD κατηγορίας Ι, η οποία χρησιμοποιείται ειδικά για τη δοκιμή επιπρόσθετης λειτουργίας για τα SPD κατηγορίας Ι [4]. Κατά τη διάρκεια των δοκιμών τύπου [4-5], απαιτείται καθορισμένος αριθμός ρευμάτων παλμού για την εφαρμογή σε SPD. Για παράδειγμα, απαιτούνται δεκαπέντε ρεύματα 8 / 20 ms και πέντε ρεύματα παλμού 10 / 350 ms για τη δοκιμή λειτουργίας για τα SPD κατηγορίας I [4]. Ωστόσο, με τη βελτίωση των προϊόντων SPD, οι επιδόσεις και η ικανότητα αντοχής των SPD σε αυτά τα πρότυπα ρεύματα δοκιμής χρειάζονται περισσότερη έρευνα. Προηγούμενες έρευνες συνήθως επικεντρώθηκαν στην απόδοση MOV υπό πολλαπλό 8 / 20 ms ρεύμα παλμού [11-14], ενώ οι επιδόσεις υπό επαναλαμβανόμενο ρεύμα παλμού 10 / 350 ms δεν έχουν διερευνηθεί διεξοδικά. Επιπλέον, τα SPD κατηγορίας I, εγκατεστημένα στα σημεία υψηλής έκθεσης σε κτίρια και συστήματα διανομής, είναι πιο ευάλωτα στις αστραπές [15-16]. Ως εκ τούτου, είναι αναγκαία η διερεύνηση της απόδοσης και αντοχής των SPD κατηγορίας Ι κάτω από τα ρεύματα παλμών 8 / 20 ms και 10 / 350 ms. Αυτό το έγγραφο διερευνά πειραματικά την ικανότητα αντοχής των SPD κατηγορίας Ι κάτω από τα ρεύματα παλμών 8 / 20 ms και 10 / 350 ms. Τρεις τύποι τυπικών MOV που χρησιμοποιούνται για SPD κατηγορίας Ι υιοθετούνται για ανάλυση. Το τρέχον εύρος και ο αριθμός των παλμών ρυθμίζονται για διάφορα πειράματα. Η σύγκριση γίνεται με την ικανότητα αντοχής των MOV κάτω από τα δύο είδη ρεύματος παλμών. Αναλύθηκε επίσης η λειτουργία αποτυχίας των δειγμάτων MOV που απέτυχαν μετά από τις δοκιμές.

2. Διάταξη του πειράματος

Τρία είδη τυπικών MOV που χρησιμοποιούνται για SPD κατηγορίας Ι υιοθετούνται στα πειράματα. Για κάθε τύπο MOV, τα δείγματα 12 που έγιναν από το EPCOS υιοθετούνται με τέσσερα είδη πειραμάτων. Οι βασικές παράμετροί τους φαίνονται στον ΠΙΝΑΚΑ Ι όπου το In αντιπροσωπεύει το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης των MOV κάτω από τον παλμό 8 / 20μs, το Imax αντιπροσωπεύει το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης κάτω από τον παλμό 8 / 20μs, Iimp αντιπροσωπεύουν το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης κάτω από την ένταση 10 / 350μs, UDC1mA αντιπροσωπεύουν η τάση MOV που μετράται υπό το ρεύμα 1 mA DC, το Ur αντιπροσωπεύει την υπολειπόμενη τάση MOV κάτω από το In.

Το σχήμα 1 δείχνει τη γεννήτρια ρεύματος παλμού, η οποία μπορεί να ρυθμιστεί στις εξόδους ρεύματος 10 / 350 ms και 8 / 20 ms. Το πηνίο Pearson υιοθετείται για τη μέτρηση των ρευμάτων παλμού στα δοκιμασμένα MOV. Ο διαιρέτης τάσης με αναλογία 14.52 χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των υπολειπόμενων τάσεων. Ο ψηφιακός παλμογράφος του TEK DPO3014 υιοθετείται για την καταγραφή των πειραματικών κυματομορφών.

Σύμφωνα με το πρότυπο δοκιμής SPD [4], τα πλάτη που υιοθετήθηκαν για το ρεύμα 8 / 20 ms περιλαμβάνουν 30kA (0.75Imax) και 40kA (Imax). Τα πλάτη που υιοθετήθηκαν για το ρεύμα 10 / 350 ms περιλαμβάνουν το 0.75Iimp και το Iimp. Αναφορά στο τεστ λειτουργίας λειτουργίας MOV [4], δεκαπέντε 8 / 20ms παλμοί εφαρμόζονται σε δείγματα MOV και το διάστημα μεταξύ παλμών είναι 60 s. Επομένως, το διάγραμμα ροής της πειραματικής διαδικασίας παρουσιάζεται στο σχήμα 2.

Η πειραματική διαδικασία μπορεί να περιγραφεί ως:

(1) Αρχικές μετρήσεις: Τα δείγματα MOV χαρακτηρίζονται με UDC1mA, Ur και φωτογραφίες στην αρχή των πειραμάτων.

(2) Εφαρμόστε δεκαπέντε παλμοί: Ρυθμίστε τη γεννήτρια ρεύματος παλμού για να εξάγει το απαιτούμενο ρεύμα παλμού. Δεκαπέντε παλμοί με διάστημα 60 s εφαρμόζονται στο δείγμα MOV διαδοχικά.

(3) Καταγράψτε τις μετρούμενες κυματομορφές των ρευμάτων και των τάσεων MOV μετά από κάθε εφαρμογή παλμού.

(4) Οπτική επιθεώρηση και μετρήσεις μετά τις δοκιμές. Ελέγξτε την επιφάνεια του MOV για παρακέντηση ή φλεγμονή. Μετρήστε το UDC1mA και το Ur μετά τις δοκιμές. Κάνετε φωτογραφίες των κατεστραμμένων MOV μετά από δοκιμές. Τα κριτήρια περάσματος για τα πειράματα, σύμφωνα με το IEC 61643-11 [4], απαιτούν ότι τόσο τα αρχεία τάσης όσο και ρεύματος, μαζί με οπτική επιθεώρηση, δεν πρέπει να δείχνουν καμία παρακέντηση ή φλεγμονή των δειγμάτων. Επιπλέον, το πρότυπο IEEE Std. Το C62.62 [5] πρότεινε ότι τα μετρηθέντα μετά την δοκιμή Ur (υπολειπόμενες τάσεις MOV στην In) δεν πρέπει να αποκλίνουν περισσότερο από το 10% από την προμετρηθείσα μέτρηση Ur. Το Std. Το IEC 60099-4 [17] απαιτεί επίσης το UDC1mA να μην αποκλίνει περισσότερο από το 5% μετά από τις δοκιμές ώθησης.

  1. Η ικανότητα αντοχής κάτω από το 8 / 20 ms ρεύμα παλμού

Σε αυτή την ενότητα, τα ρεύματα παλμού 8 / 20 ms με πλάτος 0.75Imax και Imax εφαρμόζονται στα δείγματα SPD αντίστοιχα. Ο λόγος μεταβολής για τον μετέπειτα έλεγχο που μετρήθηκε UDC1mA και ο Ur ορίζεται ως:

όπου το Ucr αντιπροσωπεύει τον λόγο μεταβολής των μετρηθεισών τιμών. Το Uat αντιπροσωπεύει την τιμή που μετράται μετά τις δοκιμές. Το Ubt αντιπροσωπεύει την τιμή που μετρήθηκε πριν από τις δοκιμές.

3.1 Τα αποτελέσματα κάτω από το ρεύμα παλμού 8 / 20 ms με κορυφή 0.75Imax

Τα αποτελέσματα των δοκιμών για τρεις τύπους MOV κάτω από δεκαπέντε 8 / 20 ms παλμικά ρεύματα με κορυφή 0.75Imax (30 kA) φαίνονται στον ΠΙΝΑΚΑ II. Το αποτέλεσμα για κάθε τύπο MOV είναι ο μέσος όρος των τριών ίδιων δειγμάτων.

ΠΙΝΑΚΑΣ II

Τα αποτελέσματα υπό ρεύματα ώθησης 8 / 20 ms με κορυφή 30 kA

Μπορεί να φανεί από το TABLEII ότι μετά από δεκαπέντε 8 / 20 ms παλμούς έχουν εφαρμοστεί στα MOVs, οι αλλαγές UDC1mA και Ur είναι δευτερεύουσες. Το "Pass" για οπτική επιθεώρηση δεν σημαίνει ορατή ζημιά στα δοκιμασμένα MOV. Επιπλέον, μπορεί να παρατηρηθεί ότι με την αύξηση της περιοριστικής τάσης MOV, το Ucr γίνεται μικρότερο. Όπως το Ucr είναι το μικρότερο για το V460 τύπου MOV. Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι οι τρεις τύποι MOV θα μπορούσαν όλοι να περάσουν το δεκαπέντε 8 / 20 ms ώθηση με κορυφή 30 kA.

3.2 Τα αποτελέσματα κάτω από το 8 / 20 ms παλμικό ρεύμα με κορυφή του Imax

Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω πειραματικά αποτελέσματα, το εύρος του ρεύματος 8 / 20 ms αυξάνεται σε 40 kA (Imax). Επιπλέον, ο αριθμός των παλμών αυξάνεται σε είκοσι για τον τύπο MOV V460. Τα πειραματικά αποτελέσματα παρουσιάζονται στον ΠΙΝΑΚΑ III. Προκειμένου να συγκριθεί η απορρόφηση ενέργειας στους τρεις τύπου MOV, το Ea / V χρησιμοποιείται για να αντιπροσωπεύει την απορροφούμενη ενέργεια ανά μονάδα όγκου για το μέσο όρο των δεκαπέντε ή είκοσι παλμών. Εδώ, θεωρείται ο "μέσος όρος" επειδή η απορρόφηση ενέργειας σε MOV είναι ελαφρώς διαφορετική για κάθε παλμό.

ΠΙΝΑΚΑΣ III

Τα αποτελέσματα υπό ρεύματα ώθησης 8 / 20 ms με κορυφή 40 kA

Μπορεί να παρατηρηθεί από τον ΠΙΝΑΚΑ III ότι όταν το πλάτος του ρεύματος αυξάνεται σε 40 kA, το Ucr για UDC1mA αποκλίνει περισσότερο από το 5% για τα V230 και V275, αν και η μεταβολή της υπολειπόμενης τάσης MOV παραμένει εντός της αποτελεσματικής περιοχής του 10%. Ο οπτικός έλεγχος δεν δείχνει επίσης καμία ορατή ζημιά στα δοκιμασμένα MOV. ForV230 και V275 τύπου MOVs, το Ea / V σημαίνει την απορροφούμενη ενέργεια ανά μονάδα όγκου με μέσο όρο δεκαπέντε παλμών. Το Ea / V για V460 αντιπροσωπεύει την απορροφούμενη ενέργεια ανά μονάδα όγκου με μέσο όρο είκοσι παλμών. Ο ΠΙΝΑΚΑΣ III δείχνει ότι τα MOV με υψηλότερη περιοριστική τάση (V460) έχουν μεγαλύτερο Ea / V από τα MOVs με χαμηλότερη τάση περιορισμού (V275 και V230). Επιπλέον, με το ρεύμα παλμού που εφαρμόζεται επανειλημμένα στο V460, η απορροφούμενη ενέργεια ανά μονάδα όγκου (E / V) αυξάνεται σταδιακά, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.

Ως εκ τούτου, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι οι MOV τύπου V230 και V275 δεν μπορούσαν να αντέξουν σε δεκαπέντε 8 / 20ms τρέχοντες παλμούς με κορυφή του Imax, ενώ ο V460 τύπου MOV θα μπορούσε να αντέξει το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης μέχρι τις παλμούς 20. Αυτό σημαίνει ότι τα MOVs με υψηλότερη τάση περιορισμού έχουν καλύτερη αντοχή υπό το ρεύμα παλμού 8 / 20ms.

4. Η ικανότητα αντοχής κάτω από το ρεύμα παλμού 10 / 350 ms

Σε αυτή την ενότητα, τα ρεύματα παλμού 10 / 350 ms με πλάτη 0.75Iimp και Iimp εφαρμόζονται στα δείγματα SPD αντίστοιχα.

4.1 Τα αποτελέσματα κάτω από το ρεύμα παλμού 10 / 350 ms με την κορυφή του 0.75Iimp

Δεδομένου ότι το Iimp των τριών τύπων MOV είναι διαφορετικό, τα 10 / 350 ms ρεύματα με πλάτος του 4875A εφαρμόζονται σε V230 και V275 και οι παλμοί με πλάτος του 4500 A εφαρμόζονται στο V460. Μετά την εφαρμογή δεκαπέντε ρευμάτων παλμού, οι αλλαγές για UDC1mAand Ur στις δοκιμασμένες MOVs φαίνονται στον ΠΙΝΑΚΑ IV. Ο ΣΕ / V σημαίνει την άθροιση του E / V για τους εφαρμοζόμενους παλμούς.

Από τον ΠΙΝΑΚΑ IV φαίνεται ότι μετά την εφαρμογή δεκαπέντε 10 / 350 ms ρευμάτων με κορυφή του 0.75Iimp, το V230 θα μπορούσε να περάσει τη δοκιμή, ενώ η αλλαγή για το UDC1mA του V275 αποκλίνει περισσότερο από το 5%. Ο πρήξιμος και η μικρή ρωγμή εμφανίστηκαν επίσης στον πλαστικό εγκλεισμό του V275. Η φωτογραφία του V275 με μικρή ρωγμή εμφανίζεται στο σχήμα 4.

Για τον τύπο MOV τύπου V460, μετά την εφαρμογή του ογδόου 10 / 350 ms παλμού με κορυφή του 4500A, το MOV σπάσει και οι κυματομορφές μέτρησης τάσης και ρεύματος είναι ανώμαλες. Για λόγους σύγκρισης, οι μετρηθείσες κυματομορφές τάσης και ρεύματος κάτω από την έβδομη και την όγδοη 10 / 350 ms ώθηση στο V460 φαίνονται στο σχήμα 5.

Εικ. 5. Οι μετρηθείσες κυματομορφές τάσης και ρεύματος στο V460 κάτω από την ένταση 10 / 350 ms

Για τα V230 και V275, το ΣE / V είναι το άθροισμα του E / V για δεκαπέντε παρορμήσεις. Για V460, ΣE / V είναι η άθροιση του E / V για οκτώ παλμούς. Μπορεί να παρατηρηθεί ότι αν και το Ea / V του V460 είναι υψηλότερο από αυτό των V230 και V275, το συνολικό ΣΕ / Vof V460 είναι το χαμηλότερο. Ωστόσο, το V460 παρουσίασε τη σοβαρότερη ζημιά. Αυτό σημαίνει ότι για τον όγκο μονάδας του MOV, η βλάβη MOV κάτω από το ρεύμα 10 / 350 ms δεν σχετίζεται με τη συνολική απορροφούμενη ενέργεια (Σ E / V), αλλά μπορεί να σχετίζεται περισσότερο με την απορροφούμενη ενέργεια κάτω από ένα μόνο παλμό (Ea / V ). Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι κάτω από το ρεύμα παλμού 10 / 350 ms, το V230 θα μπορούσε να αντέξει περισσότερους παλμούς από τα MOV τύπου V460. Αυτό σημαίνει ότι τα MOV με χαμηλότερη τάση περιορισμού έχουν καλύτερη αντοχή υπό το ρεύμα 10 / 350 ms, πράγμα που είναι αντίθετο από το συμπέρασμα κάτω από το ρεύμα παλμού 8 / 20 ms.

4.2 Τα αποτελέσματα κάτω από το ρεύμα παλμού 10 / 350 ms με την κορυφή του Iimp

Όταν το πλάτος του ρεύματος 10 / 350 ms αυξηθεί στο Iimp, όλες οι δοκιμασμένες MOVs δεν μπορούν να περάσουν δεκαπέντε παλμοί. Τα αποτελέσματα κάτω από τα ρεύματα παλμού 10 / 350 ms με πλάτος του Iimp φαίνονται στον ΠΙΝΑΚΑ V, όπου ο "Ανεκτικός αριθμός παλμών" σημαίνει την ποσότητα παλμού που μπορεί να αντέξει το MOV πριν από τη ρωγμή.

Μπορεί να παρατηρηθεί από τον ΠΙΝΑΚΑ V ότι το V230 με Ea / V του 122.09 J / cm3 μπορεί να αντέξει οκτώ 10 / 350 ms παλμούς ενώ το V460 με Ea / V του 161.09 J / cm3 μπορεί να περάσει μόνο τρεις παλμούς, αν και το ρεύμα κορυφής που υιοθετείται για Το V230 (6500 A) είναι υψηλότερο από αυτό για το V460 (6000 A). Αυτό επικυρώνει το συμπέρασμα ότι τα MOV με υψηλή τάση περιορισμού είναι ευκολότερα κατεστραμμένα κάτω από το ρεύμα 10 / 350 ms. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί ως εξής: η μεγάλη ενέργεια που μεταφέρεται από το ρεύμα 10 / 350 ms θα απορροφηθεί σε MOVs. Για τα MOV με υψηλή τάση περιορισμού κάτω από το ρεύμα 10 / 350 ms, θα απορροφηθεί πολύ περισσότερη ενέργεια στον όγκο μονάδας του MOV από εκείνο των MOV με χαμηλή τάση περιορισμού και η υπερβολική απορρόφηση ενέργειας θα οδηγήσει σε αποτυχία MOV. Ωστόσο, ο μηχανισμός αποτυχίας υπό το τρέχον 8 / 20 ms χρειάζεται περισσότερη έρευνα.

Ο οπτικός έλεγχος δείχνει ότι η ίδια μορφή βλάβης παρατηρείται στους τρεις τύπους MOV κάτω από το ρεύμα 10 / 350 ms. Η μία πλευρά του πλαστικού εγκλεισμού MOV και το ορθογώνιο φύλλο ηλεκτροδίων ξεφλουδίζονται. Η απόσπαση του υλικού ZnO εμφανίστηκε κοντά στο φύλλο ηλεκτροδίων, το οποίο προκαλείται από το φλας μεταξύ του ηλεκτροδίου MOV και της επιφάνειας ZnO. Η φωτογραφία του κατεστραμμένου V230 φαίνεται στο σχήμα 6.

5. Σύναψη

Τα SPD πρέπει να ελέγχονται υπό ρεύματα εκκένωσης παλμών κυρίως με κυματομορφές 8 / 20 ms και 10 / 350 ms. Προκειμένου να διερευνηθεί και να συγκριθεί η ικανότητα αντοχής των SPD στα ρεύματα παλμών 8 / 20 ms και 10 / 350 ms, διεξάγονται διάφορα πειράματα με μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης για κυματομορφή 8 / 20 ms (Imax) και 10 / 350 ms , καθώς και τα πλάτη των 0.75Imax και 0.75Iimp. Τρεις τύποι τυπικών MOV που χρησιμοποιούνται για SPD κατηγορίας Ι υιοθετούνται για ανάλυση. Μπορούν να εξαχθούν ορισμένα συμπεράσματα.

(1) Τα MOVs με υψηλότερη τάση περιορισμού έχουν καλύτερη αντοχή υπό το ρεύμα παλμού 8 / 20ms. Τα MOV τύπου V230 και V275 δεν μπόρεσαν να αντέξουν δεκαπέντε 8 / 20ms παλμούς με κορυφή του Imax, ενώ ο V460 τύπου MOV θα μπορούσε να περάσει είκοσι παλμούς.

(2) Τα MOV με χαμηλότερη τάση περιορισμού έχουν καλύτερη αντοχή υπό το ρεύμα 10 / 350 ms. Ο V230 τύπου MOV θα μπορούσε να αντέξει οκτώ 10 / 350 ms παλμούς με κορυφή του Iimp, ενώ το V460 θα μπορούσε να περάσει μόνο τρεις παλμούς.

(3) Λαμβάνοντας υπόψη τον όγκο μονάδας του MOV κάτω από το ρεύμα 10 / 350 ms, η απορροφούμενη ενέργεια κάτω από ένα μοναδικό παλμό μπορεί να σχετίζεται με την αποτυχία του MOV, αντί για την άθροιση της απορροφούμενης ενέργειας υπό όλες τις εφαρμοζόμενες παλμώσεις.

(4) Η ίδια μορφή βλάβης παρατηρείται σε τρεις τύπους MOV σε ρεύματα 10 / 350 ms. Η μία πλευρά του πλαστικού εγκλεισμού MOV και το ορθογώνιο φύλλο ηλεκτροδίων ξεφλουδίζονται. Η αφαίρεση του υλικού ZnO, που προκλήθηκε από το φλόγιστρο μεταξύ του φύλλου ηλεκτροδίου και της επιφάνειας ZnO, εμφανίστηκε κοντά στο ηλεκτρόδιο MOV.