Ylijännitesuojalaitteita (SPD) on testattava impulssivirtausvirroissa pääasiassa 8 / 20 ms: n ja 10 / 350 ms: n aaltomuodoissa. SPD-tuotteiden parantamisen myötä SPD-laitteiden suorituskyky ja kestävyys tällaisten standardien mukaisissa testivirroissa tarvitsevat enemmän tutkimusta. Jotta voitaisiin tutkia ja verrata SPD: iden kestävyyttä 8 / 20 ms ja 10 / 350 ms impulssivirroilla, tehdään kokeita kolmeen tyypilliseen metallioksidivaristoriin (MOV), joita käytetään luokan I SPD: ille. Tulokset osoittavat, että MOV: t, joilla on suurempi rajoitusjännite, kestävät paremmin 8 / 20ms-impulssivirran, kun taas 10 / 350ms-impulssivirran päätelmä on päinvastainen. 10 / 350 ms -virran alla MOV-vika liittyy absorptioenergiaan tilavuusyksikköä kohti yhden impulssin aikana. Crack on tärkein vahinkomuoto 10 / 350ms-virran alla, jota voidaan kuvata MOV-muovikapseloinnin ja elektrodilevyn yhdeksi sivuksi. ZnO-materiaalin ablaatio, joka aiheutui elektrodilevyn ja ZnO-pinnan välisestä välähdyksestä, ilmestyi lähellä MOV-elektrodia.
Pienjänniteverkkojärjestelmiin, tietoliikenne- ja signaaliverkkoihin liitettyjä ylijännitesuojalaitteita on testattava IEC- ja IEEE-standardien [1-5] vaatimusten mukaisesti. Ottaen huomioon sijainnin ja mahdollisen valaistusvirran, joita se voi kärsiä, tällaisia SPD: itä on testattava impulssivirtausvirroissa pääasiassa 8 / 20 ms: n ja 10 / 350 ms: n aaltomuodoilla [4-6]. 8 / 20 ms: n nykyistä aaltomuotoa käytetään yleisesti salaman impulssin simuloimiseen [6-8]. SPD: n nimellisvirtausvirta (In) ja suurin purkausvirta (Imax) määritellään molemmissa 8 / 20 ms-impulssivirralla [4-5]. Lisäksi 8 / 20 ms -virtaimpulssia käytetään laajalti SPD: n jäännösjännite- ja toimintatestitesteihin [4]. 10 / 350ms-impulssivirtaa käytetään yleensä simuloimaan suoraa salaman palautusvirtausvirtaa [7-10]. Tämä aaltomuoto täyttää I luokan SPD-testin impulssipäästövirran parametrit, joita käytetään erityisesti luokan I SPD: iden [4] ylimääräiseen tullitestiin. Tyyppitestien [4-5] aikana tarvitaan tietty määrä impulssivirtoja SPD: hen sovellettaessa. Esimerkiksi viisitoista 8 / 20 ms -virtaa ja viisi 10 / 350 ms-impulssivirtaa vaaditaan luokan I SPD: iden [4] käyttötestiä varten. SPD-tuotteiden parantamisen myötä SPD-laitteiden suorituskyky ja kestävyys tällaisten standardien mukaisissa testivirroissa tarvitsevat enemmän tutkimusta. Aiemmat tutkimukset keskittyivät yleensä MOV-suorituskykyyn useissa 8 / 20 ms-impulssivirrassa [11-14], kun taas toistuvan 10 / 350 ms -impulssivirran suorituskykyä ei ole tutkittu perusteellisesti. Lisäksi luokan I SPD: t, jotka on asennettu rakennuksiin ja jakelujärjestelmiin, ovat alttiimpia salamaniskulle [15-16]. Siksi luokan I SPD: iden suorituskyky ja kestävyys 8 / 20 ms ja 10 / 350 ms impulssivirtojen alla ovat tarpeen tutkia. Tässä tutkimuksessa tutkitaan kokeellisesti luokan I SPD: n kestokykyä 8 / 20 ms ja 10 / 350 ms impulssivirtojen alla. Analyysiä varten hyväksytään kolme tyypin tyypin MOV-tyyppiä, joita käytetään luokan I yhtenäisissä ohjelma-asiakirjoissa. Nykyinen amplitudi ja impulssien lukumäärä säädetään useille kokeille. Vertailu suoritetaan MOV: iden kestokyvylle kahden tyyppisten impulssivirtojen alla. Lisäksi analysoidaan testien jälkeen epäonnistuneiden MOV-näytteiden vikatila.
Kokeissa hyväksytään kolmenlaisia tyypillisiä MOV-tyyppejä, joita käytetään luokan I SPD: issä. Kunkin MOV-tyypin osalta EPCOS: n tekemät 12-näytteet hyväksytään neljänlaisia kokeita käyttäen. Niiden perusparametrit on esitetty taulukossa I, jossa In edustaa MOV: iden nimellisvirtausvirtaa 8 / 20µs-impulssin alla, Imax edustaa 8 / 20µs-impulssin suurinta purkausvirtaa, Iimp edustaa 10 / 350µs-impulssin suurinta purkausvirtaa, UDC1mA edustavat MOV-jännite mitattuna 1 mA DC -virralla, Ur edustaa MOV-jäännösjännitettä kohdassa In.
Kuvio 1 esittää impulssivirran generaattoria, jota voidaan säätää 10 / 350 ms ja 8 / 20 ms nykyisiin impulsseihin. Pearson-kela on tarkoitettu mittaamaan testattujen MOV: iden impulssivirtoja. Jäännösjännitteiden mittaamiseen käytetään jännitejakajaa, jossa on suhde 14.52. TEK DPO3014: n digitaalinen oskilloskooppi hyväksytään kokeellisten aaltomuotojen tallentamiseksi.
SPD-testistandardin [4] mukaan 8 / 20 ms -virtaa varten hyväksytyt amplitudit sisältävät 30kA (0.75Imax) ja 40kA (Imax). 10 / 350 ms: n virtaa varten hyväksyttyjä amplitudeja ovat 0.75Iimp ja Iimp. Viittaus MOV: iden [4] käyttötestitesteeseen, viidentoista 8 / 20ms-impulssin käyttö MOV-näytteille ja impulssien välinen aikaväli on 60 s. Siksi kokeellisen menettelyn vuokaavio on esitetty kuviossa 2.
Kokeellinen menettely voidaan kuvata seuraavasti:
(1) Alustavat mittaukset: MOV-näytteille on tunnusomaista UDC1mA, Ur ja valokuvat kokeiden alussa.
(2) Käytä viittätoista impulssia: Säädä impulssivirta generaattorin avulla vaadittua impulssivirtaa. MOV-näytteeseen sovelletaan peräkkäin 15 impulssia, joiden väli on 60 s.
(3) Merkitse MOV-virtojen ja jännitteiden mitatut aaltomuodot jokaisen impulssisovelluksen jälkeen.
(4) Visuaalinen tarkastus ja mittaukset testien jälkeen. Tarkasta MOV: n pinta lävistykseen tai läpivientiin. Mittaa UDC1mA ja Ur testien jälkeen. Ota valokuvia vaurioituneista MOV: ista testien jälkeen. IEC 61643-11 [4] -standardin mukaisten kokeiden läpäisykriteerit edellyttävät, että sekä jännite- että virtatietueissa sekä visuaalisen tarkastuksen yhteydessä ei saa olla merkkejä näytteiden puhkaisemisesta tai läpivientistä. Lisäksi IEEE Std. C62.62 [5] ehdotti, että jälkikokeessa mitattu Ur (MOV-jäännösjännite In: ssä) ei saa poiketa enempää kuin 10% mitattuna Ur-arvosta. Std. IEC 60099-4 [17] vaatii myös, että UDC1mA ei saa poiketa enemmän kuin 5% impulssitestien jälkeen.
- 8 / 20: n kestävyys ms impulssivirta
Tässä osassa SPD-näytteille käytetään vastaavasti 8 / 20 ms-impulssivirtoja 0.75Imax- ja Imax-amplitudeilla. Jälkimittauksen muutossuhde mitattuna UDC1mA ja Ur määritellään seuraavasti:
missä, Ucr on mitattujen arvojen muutossuhde. Uat edustaa testien jälkeen mitattua arvoa. Ubt edustaa ennen testejä mitattua arvoa.
3.1 Tulokset 8 / 20 ms -impulssivirralla, 0.75Imax-huippu
Testitulokset kolmen tyyppisille MOV: ille alle viisitoista 8 / 20 ms -impulssivirtaa 0.75Imax-huippun (30 kA) kanssa on esitetty taulukossa II. Jokaisen MOV-tyypin tulos on kolmen saman näytteen keskiarvo.
TAULUKKO II
Tulokset 8 / 20 ms impulssivirtojen alla 30 kA -huipulla
Taulukosta II voidaan nähdä, että kun MOV: ille on sovellettu 15 8 / 20 ms -impulssia, UDC1mA: n ja Urin muutokset ovat vähäisiä. ”Pass” visuaalista tarkastusta varten ei merkitse näkyviä vaurioita testatuilla MOV-laitteilla. Lisäksi voidaan havaita, että MOV: n rajoittavan jännitteen lisääntyessä Ucr pienenee. Kuten Ucr on pienin V460-tyypille MOV. Voidaan päätellä, että kolme MOV-tyyppiä voisivat kaikki kulkea viidentoista 8 / 20 ms-impulssin 30 kA -huipulla.
3.2 Tulokset 8 / 20 ms -impulssivirralla, Imax-huippu
Yllä olevien kokeellisten tulosten perusteella 8 / 20 ms -virran amplitudi nostetaan 40 kA: ksi (Imax). Lisäksi impulssien määrää lisätään kaksikymmentä V460-tyyppiä MOV varten. Koetulokset on esitetty taulukossa III. Kolmen tyyppisen MOV: n energian absorptiota verrattaessa Ea / V: tä käytetään edustamaan absorboitua energiaa yksikkötilavuutta kohti keskimäärin 15 tai 20 impulssia. Tässä keskiarvoa tarkastellaan, koska energian absorptio MOV: issa on hieman erilainen kunkin impulssin alla.
TAULUKKO III
Tulokset 8 / 20 ms impulssivirtojen alla 40 kA -huipulla
Taulukosta III voidaan havaita, että kun virran amplitudi nostetaan 40 kA: ksi, UDC1mA: n Ucr poikkeaa enemmän kuin 5% V230: lle ja V275: lle, vaikka MOV-jäännösjännitteen muutos on edelleen 10%: n efektiivisen alueen sisällä. Visuaalinen tarkastus ei myöskään näytä näkyviä vaurioita testatuilla MOV-laitteilla. ForV230 ja V275 tyyppi MOV: t, Ea / V tarkoittaa absorboitua energiaa yksikkötilavuutta kohti, keskimäärin 15 impulssia. V460: n Ea / V edustaa absorboitua energiaa yksikkötilavuutta kohti keskimäärin 20 impulssia. TAULUKKO III osoittaa, että MOV: illa, joilla on korkeampi rajoitusjännite (V460), on suurempi Ea / V kuin MOV: t, joilla on pienempi rajoitusjännite (V275 ja V230). Lisäksi, kun impulssivirta toistetaan toistuvasti V460: lle, absorboima energia tilavuusyksikköä kohti (E / V) kasvaa vähitellen, kuten kuviossa 3 on esitetty.
Siksi voidaan päätellä, että V230- ja V275-tyypin MOV: t eivät kyenneet kestämään viidentoista 8 / 20ms-virran impulssia, joiden huippu oli Imax, kun taas V460-tyyppi MOV kykeni kestämään maksimaalisen purkausvirran 20-impulsseihin asti. Tämä tarkoittaa, että MOV: t, joilla on suurempi rajoitusjännite, kestävät paremmin 8 / 20ms-impulssivirran.
4. Kestävyys 10 / 350 ms-impulssivirralla
Tässä osassa SPD-näytteille käytetään vastaavasti 10 / 350 ms-impulssivirtoja 0.75Iimpin ja Iimpin amplitudeilla.
4.1 Tulokset 10 / 350 ms: n impulssivirralla, 0.75Iimp-huippu
Koska kolmen tyyppisen MOV: n Iimp on erilainen, 10 / 350 ms -virtoja, joiden amplitudi on 4875A, sovelletaan V230: iin ja V275: iin, ja impulsseja, joiden amplitudi on 4500 A, sovelletaan V460: iin. Viidentoista impulssivirran soveltamisen jälkeen UDC1mAand Ur: lle tehdyt muutokset testatuilla MOV: illa esitetään taulukossa IV. ∑E / V tarkoittaa E / V: n summaa käytetyille impulsseille.
Taulukosta IV voidaan nähdä, että viidentoista 10 / 350 ms -virtauksen soveltamisen jälkeen 0.75Iimpin huippu, V230 voisi läpäistä testin, kun taas V1: n UDC275mA: n muutos poikkeaa enemmän kuin 5%. V275: n muovikapseloinnissa esiintyi myös turpoamista ja pieniä halkeamia. Kuvassa V275, jossa on pieniä halkeamia, on esitetty kuvassa 4.
V460-tyyppiä MOV varten, kun kahdeksannen 10 / 350 ms: n impulssia käytetään 4500A: n piikin kanssa, MOV krakatut ja mitatut jännitteet ja virran aaltomuodot ovat epänormaaleja. Vertailun vuoksi seitsemännen ja kahdeksannen 10 / 350 ms: n impulssin V460: ssa mitatut jännitteen ja virran aaltomuodot on esitetty kuviossa 5.
Kuva 5. Mitatut jännitteet ja virran aaltomuodot V460: ssa 10 / 350 ms impulssilla
V230 ja V275, ∑E / V on summa E / V viidentoista impulssin kohdalla. V460: lle ∑E / V on E / V: n summaus kahdeksalle impulssille. On havaittavissa, että vaikka V460: n Ea / V-arvo on korkeampi kuin V230 ja V275, koko ∑E / Vof V460 on pienin. V460 koki kuitenkin vakavimmat vahingot. Tämä tarkoittaa, että MOV-yksikön tilavuudelle MOV-vika 10 / 350 ms -virran aikana ei liity absorboituun kokonaisenergiaan (∑ E / V), vaan se voi olla enemmän yhteydessä imeytyneeseen energiaan yksittäisen impulssin (Ea / V) mukaan. ). Voidaan päätellä, että 10 / 350 ms: n impulssivirralla V230 kykenee kestämään enemmän impulsseja kuin V460-tyypin MOVs. Tämä tarkoittaa, että MOV: illa, joilla on pienempi rajoitusjännite, on parempi kestävyys 10 / 350 ms -virran aikana, mikä on päinvastainen johtopäätöksessä 8 / 20 ms -impulssivirrassa.
4.2 Tulokset 10 / 350 ms: n impulssivirralla Iimpin huipulla
Kun 10 / 350 ms -virran amplitudi kasvaa Iimpiin, kaikki testatut MOV: t eivät voineet läpäistä 15 impulssia. Tulokset 10 / 350 ms -impulssivirroissa, joissa on Iimp-amplitudi, on esitetty taulukossa V, jossa ”kestävä impulssinumero” tarkoittaa impulssimäärää, jota MOV kykenee kestämään ennen halkeamia.
Taulukosta V voidaan havaita, että V230 122.09 J / cm3: n Ea / V: llä voi kestää kahdeksan 10 / 350 ms -impulssia, kun taas 460 J / cm161.09: n V3: n kanssa Ea / V: llä voi kulkea vain kolme impulssia, vaikka huippuvirta otettiin käyttöön V230 (6500 A) on korkeampi kuin V460 (6000 A). Tämä vahvistaa sen johtopäätöksen, että MOV: t, joilla on korkea rajoitusjännite, vaurioituvat helpommin 10 / 350 ms -virran aikana. Tämä ilmiö voidaan selittää seuraavasti: 10 / 350 ms -virran kuljettama suuri energia imeytyy MOV: iin. MOV: ille, joilla on suuri rajoitusjännite 10 / 350 ms -virran aikana, MOV-yksikön tilavuuteen imeytyy paljon enemmän energiaa kuin MOV: ille, joilla on alhainen rajoitusjännite, ja liiallinen energian absorptio johtaa MOV-virheeseen. 8 / 20 ms -virran nykyinen vikamekanismi tarvitsee kuitenkin enemmän tutkimusta.
Visuaalinen tarkastus osoittaa, että samaa vaurion muotoa havaitaan kolmella MOV-tyyppillä 10 / 350 ms -virran alla. MOV-muovikapseloinnin ja suorakulmaisen elektrodilevyn toinen puoli irtoaa. ZnO-materiaalin ablaatio ilmestyi elektrodilevyn lähelle, joka aiheutuu MOV-elektrodin ja ZnO-pinnan välisestä välähdyksestä. Kuvassa vaurioitunut V230 näkyy kuvassa 6.
5. Päätelmä
SPD: itä on testattava impulssipäästövirroissa pääasiassa 8 / 20 ms: n ja 10 / 350 ms: n aaltomuodoissa. Jotta voitaisiin tutkia ja verrata SPD: iden kestokykyä 8 / 20 ms ja 10 / 350 ms impulssivirroilla, suoritetaan useita kokeita, joissa on suurin purkausvirta 8 / 20 ms (Imax) ja 10 / 350 ms (Iimp) aaltomuotoon sekä 0.75Imax: n ja 0.75Iimpin amplitudit. Analyysiä varten hyväksytään kolme tyypin tyypin MOV-tyyppiä, joita käytetään luokan I yhtenäisissä ohjelma-asiakirjoissa. Joitakin päätelmiä voidaan tehdä.
(1) MOV: t, joilla on suurempi rajoitusjännite, kestävät paremmin 8 / 20ms-impulssivirran. V230- ja V275-tyyppi MOV: t eivät kyenneet kestämään 15 8 / 20ms-impulssia, joiden huippu oli Imax, kun taas V460-tyyppi MOV pystyi siirtämään kaksikymmentä impulssia.
(2) MOV: illa, joilla on pienempi rajoitusjännite, on parempi kestävyys 10 / 350 ms -virran aikana. V230-tyyppi MOV kykeni kestämään kahdeksan 10 / 350 ms -impulssia Iimpin huipulla, kun taas V460 pystyi siirtämään vain kolme impulssia.
(3) Kun otetaan huomioon MOV-yksikön tilavuusyksikkö 10 / 350 ms -virran aikana, yksittäisen impulssin absorboima energia voi liittyä MOV-epäonnistumiseen sen sijaan, että summataan absorboitunut energia kaikkien sovellettujen impulssien aikana.
(4) Samaa vaurion muotoa havaitaan kolmella MOV-tyyppillä 10 / 350 ms virtojen alla. MOV-muovikapseloinnin ja suorakulmaisen elektrodilevyn toinen puoli irtoaa. ZnO-materiaalin ablaatio, joka aiheutui elektrodilevyn ja ZnO-pinnan välisestä välkkymisestä, ilmestyi lähellä MOV-elektrodia.