Les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) doivent être testés sous des courants de décharge impulsionnels, principalement avec des formes d'onde de type 8 / 20 ms et 10 / 350 ms. Cependant, avec l'amélioration des produits SPD, les performances et la capacité de résistance des SPD sous de tels courants de test standard doivent faire l'objet d'investigations plus poussées. Afin d'étudier et de comparer la capacité de tenue des parafoudres sous des courants d'impulsion 8 / 20 ms et 10 / 350 ms, des expériences sont effectuées sur trois types de varistances à oxyde métallique (MOV) utilisées dans les SPD de classe I. Les résultats montrent que les MOV avec une tension limite supérieure ont une meilleure tenue sous le courant impulsionnel 8 / 20ms, alors que la conclusion sous le courant impulsionnel 10 / 350ms est opposée. Sous courant 10 / 350, la défaillance MOV est liée à l'énergie absorbée par unité de volume sous une seule impulsion. La fissure est la principale forme de dommage sous le courant 10 / 350ms, qui peut être décrite comme un côté de l’encapsulation en plastique MOV et la feuille d’électrode se détachant. L'ablation du matériau ZnO, provoquée par l'éclatement entre la feuille d'électrode et la surface de ZnO, est apparue près de l'électrode MOV.
Les protections contre les surtensions connectées à des systèmes d'alimentation basse tension, des réseaux de télécommunication et des réseaux de signaux doivent être testées conformément aux exigences des normes CEI et IEEE [1-5]. Compte tenu de l’emplacement et du courant d’éclairage possible, ces parafoudres doivent être testés sous des courants de décharge impulsionnels, principalement avec des formes d’onde de type 8 / 20 ms et 10 / 350 ms [4-6]. La forme d'onde actuelle de 8 / 20 ms est couramment utilisée pour simuler l'impulsion de foudre [6-8]. Le courant de décharge nominal (In) et le courant de décharge maximal (Imax) des parafoudres sont tous deux définis avec le courant d’impulsion 8 / 20 ms [4-5]. De plus, l’impulsion de courant 8 / 20 ms est largement utilisée pour les tests de tension résiduelle et de service en service de parafoudre [4]. Le courant d'impulsion 10 / 350ms est généralement utilisé pour simuler le courant de course de retour de foudre direct [7-10]. Cette forme d'onde respecte les paramètres du courant de décharge impulsionnelle pour le test de parafoudre de classe I, utilisé notamment pour le test de charge supplémentaire pour les parafoudres de classe I [4]. Lors des essais de type [4-5], un nombre spécifié de courants d'impulsion doit être appliqué sur les parafoudres. Par exemple, quinze courants 8 / 20 et cinq courants 10 / 350 sont nécessaires pour le test de fonctionnement des parafoudres de classe I [4]. Cependant, avec l'amélioration des produits SPD, les performances et la capacité de résistance des SPD sous de tels courants de test standard doivent faire l'objet d'investigations plus poussées. Les recherches précédentes se concentraient généralement sur les performances du MOV sous plusieurs courants d'impulsions 8 / 20 [11-14], tandis que les performances sous des courants d'impulsions 10 / 350 répétés n'étaient pas suffisamment étudiées. De plus, les parafoudres de classe I, installés aux points de forte exposition dans les bâtiments et les systèmes de distribution, sont plus vulnérables aux coups de foudre [15-16]. Par conséquent, les performances et la capacité de résistance des parafoudres de classe I sous les courants d’impression 8 / 20 ms et 10 / 350 ms doivent être étudiées. Cet article étudie expérimentalement la capacité de tenue des parafoudres de classe I sous les courants d’impulsion 8 / 20 ms et 10 / 350 ms. Trois types de MOV typiques utilisés pour les SPD de classe I sont adoptés pour l'analyse. L'amplitude et le nombre d'impulsions actuels sont ajustés pour plusieurs expériences. La comparaison est effectuée sur la capacité de résistance des MOV sous les deux types de courants d'impulsion. Le mode de défaillance des échantillons MOV qui ont échoué après les tests est également analysé.
Trois types de MOV typiques utilisés pour les SPD de classe I sont adoptés dans les expériences. Pour chaque type de MOV, les échantillons 12 fabriqués par EPCOS sont adoptés sous quatre types d'expériences. Leurs paramètres de base sont indiqués dans le tableau I, où In représente le courant de décharge nominal des MOV sous impulsion 8 / 20µs, Imax représente le courant de décharge maximal sous impulsion 8 / 20µs, Iimp représente le courant de décharge maximal sous 10 / 350µs, UDC1mA la tension MOV mesurée sous le courant 1 mA DC, Ur représente la tension résiduelle MOV sous In.
La figure 1 montre le générateur de courant d'impulsion qui peut être réglé pour générer des impulsions de courant 10 / 350 ms et 8 / 20 ms. La bobine de Pearson est adoptée pour mesurer les courants d’impulsion sur les MOV testés. Le diviseur de tension avec le rapport 14.52 est utilisé pour mesurer les tensions résiduelles. L'oscilloscope numérique de TEK DPO3014 est adopté pour enregistrer les formes d'onde expérimentales.
Selon la norme de test SPD [4], les amplitudes adoptées pour le courant 8 / 20 incluent 30kA (0.75Imax) et 40kA (Imax). Les amplitudes adoptées pour le courant 10 / 350 incluent 0.75Iimp et Iimp. Référence à l'essai de fonctionnement pour les MOV [4], quinze impulsions 8 / 20ms sont appliquées aux échantillons MOV et l'intervalle entre les impulsions est égal à 60. Par conséquent, l'organigramme de la procédure expérimentale est présenté à la figure 2.
La procédure expérimentale peut être décrite comme suit:
(1) Mesures initiales: Les échantillons MOV sont caractérisés avec UDC1mA, Ur et des photographies au début des expériences.
(2) Appliquer quinze impulsions: Ajustez le générateur de courant d’impulsion afin d’obtenir le courant d’impulsion demandé. Quinze impulsions avec un intervalle de 60 sont appliquées successivement sur l'échantillon MOV.
(3) Enregistrez les formes d'onde mesurées des courants et tensions MOV après chaque application impulsionnelle.
(4) Inspection visuelle et mesures après les tests. Vérifiez la surface du MOV pour la perforation ou le flashover. Mesurez l'UDC1mA et l'Ur après les tests. Prenez des photos des MOV endommagés après les tests. Les critères de réussite des expériences, conformément à la norme CEI 61643-11 [4], exigent que les enregistrements de tension et de courant, ainsi qu’un contrôle visuel, ne montrent aucune indication de perforation ou de contournement des échantillons. En outre, le standard IEEE. C62.62 [5] a suggéré que le post-test mesuré Ur (les tensions résiduelles MOV en In) ne s'écarte pas de plus de 10% du test Ur mesuré prétest. Le std. La norme CEI 60099-4 [17] exige également que l’UDC1mA ne diffère pas de plus de 5% après les tests d’impulsion.
- La capacité de tenue sous 8 / 20 ms courant d'impulsion
Dans cette section, les courants d’impulsion 8 / 20 ms ayant des amplitudes de 0.75Imax et Imax sont appliqués aux échantillons SPD, respectivement. Le taux de variation pour l'UDC1mA et l'Ur mesurés après le test est défini comme suit:
où, Ucr représente le taux de variation des valeurs mesurées. Uat représente la valeur mesurée après les tests. Ubt représente la valeur mesurée avant les tests.
3.1 Les résultats sous 8 / 20 ms courant impulsionnel avec pic de 0.75Imax
Les résultats de test pour trois types de MOV de moins de quinze courants d'impulsion 8 / 20 ms avec un pic de 0.75Imax (30 kA) sont présentés dans le tableau II. Le résultat pour chaque type de MOV est la moyenne de trois mêmes échantillons.
Tableau II
Résultats sous 8 / 20 ms courants impulsionnels avec pic 30 kA
D'après le TABLEII, après que quinze impulsions 8 / 20 ms aient été appliquées aux MOV, les modifications d'UDC1mA et d'Ur sont mineures. Le «Pass» pour l'inspection visuelle ne signifie aucun dommage visible sur les MOV testés. De plus, on peut observer qu'avec l'augmentation de la tension limite MOV, l'Ucr devient plus petit. Tels que l'Ucr est le plus petit pour le type MOV V460. On peut en conclure que les trois types de MOV pourraient tous passer les quinze impulsions 8 / 20 ms avec le pic 30 kA.
3.2 Les résultats sous 8 / 20 ms courant impulsionnel avec pic de Imax
Compte tenu des résultats expérimentaux ci-dessus, l’amplitude du courant ms 8 / 20 est augmentée à 40 kA (Imax). De plus, le nombre d'impulsions est porté à vingt pour le type V460 MOV. Les résultats expérimentaux sont présentés dans le tableau III. Afin de comparer l'absorption d'énergie dans les trois types de MOV, Ea / V est utilisé pour représenter l'énergie absorbée par unité de volume pour une moyenne de quinze ou vingt impulsions. Ici, la «moyenne» est considérée car l'absorption d'énergie dans les MOV est légèrement différente sous chaque impulsion.
TABLE III
Résultats sous 8 / 20 ms courants impulsionnels avec pic 40 kA
D'après le TABLEAU III, lorsque l'amplitude du courant est augmentée à 40 kA, l'Ucr pour UDC1mA diffère de plus de 5% pour V230 et V275, bien que la variation de la tension résiduelle MOV reste dans la plage effective de 10%. L'inspection visuelle ne montre également aucun dommage visible sur les MOV testés. Pour les MOV de type V230 et V275, Ea / V représente l'énergie absorbée par unité de volume avec une moyenne de quinze impulsions. Le Ea / V pour V460 représente l'énergie absorbée par unité de volume avec une moyenne de vingt impulsions. Le tableau III montre que les MOV avec une tension limite supérieure (V460) ont un Ea / V plus grand que les MOV avec une tension limite inférieure (V275 et V230). De plus, avec le courant d'impulsion appliqué de manière répétée sur le V460, l'énergie absorbée par unité de volume (E / V) augmente progressivement, comme indiqué sur la figure 3.
Par conséquent, on peut en conclure que les MOV de types V230 et V275 ne pourraient pas supporter quinze impulsions de courant 8 / 20ms avec un pic de Imax, alors que les MOV de type V460 pourraient résister au courant de décharge maximal pouvant aller jusqu'à 20. Cela signifie que les MOV avec une tension limite supérieure ont une meilleure capacité de tenue sous le courant d'impulsion 8 / 20ms.
4. La capacité de tenue sous le courant d'impulsion ms 10 / 350
Dans cette section, les courants d’impulsion 10 / 350 ms ayant des amplitudes de 0.75Iimp et Iimp sont appliqués aux échantillons SPD, respectivement.
4.1 Les résultats sous 10 / 350 ms courant impulsif avec pic de 0.75Iimp
Les impulsions des trois types de MOV étant différentes, les courants 10 / 350 ms d'amplitude 4875A sont appliqués à V230 et V275 et les impulsions d'amplitude de 4500 A sont appliqués à V460. Après l'application de quinze courants d'impulsion, les modifications de UDC1mA et Ur sur les MOV testés sont présentées dans le tableau IV. ∑E / V signifie la somme de E / V pour les impulsions appliquées.
Le tableau IV montre qu'après l'application de quinze courants 10 / 350 ms avec un pic de 0.75Iimp, le V230 peut réussir le test, tandis que la modification pour UDC1mA de V275 varie de plus de 5%. Un gonflement et une fissure mineure sont également apparus sur l’encapsulation en plastique de V275. La photographie de V275 avec une fissure mineure est montrée à la figure 4.
Pour le type V460 MOV, après la huitième impulsion 10 / 350 ms avec un pic de 4500A, le MOV est fissuré et les formes d'onde de tension et de courant mesurées sont anormales. À des fins de comparaison, les formes d'onde de tension et de courant mesurées sous les septième et huitième impulsions 10 / 350 sur V460 sont illustrées à la figure 5.
Fig. 5. Les formes d'onde de tension et de courant mesurées sur le V460 sous impulsion 10 / 350 ms
Pour V230 et V275, E / V est la somme de E / V pour quinze impulsions. Pour V460, E / V est la somme de E / V pour huit impulsions. On peut observer que, bien que les Ea / V de V460 soient supérieurs à ceux de V230 et de V275, le total ∑E / Vof de V460 est le plus bas. Cependant, le V460 a subi les dommages les plus graves. Cela signifie que pour le volume unitaire de MOV, la défaillance du MOV sous un courant 10 / 350 ms n’est pas liée à l’énergie absorbée totale (E / V), mais peut être davantage liée à l’énergie absorbée sous une seule impulsion (Ea / V ). On peut en conclure qu'avec le courant d'impulsion ms 10 / 350, le V230 pourrait supporter plus d'impulsions que les MOV de type V460. Cela signifie que les MOV ayant une tension limite inférieure ont une meilleure capacité de tenue sous un courant 10 / 350, contrairement à la conclusion sous un courant d’impulsion 8 / 20.
4.2 Les résultats sous 10 / 350 ms courant impulsionnel avec pic de Iimp
Lorsque l'amplitude du courant 10 / 350 ms est augmentée à Iimp, tous les MOV testés ne peuvent pas dépasser quinze impulsions. Les résultats sous 10 / 350 ms correspondent aux courants impulsionnels d’amplitude Iimp indiqués dans le tableau V où le «nombre d’impulsions de tenue» correspond à la quantité d’impulsions que le MOV pourrait supporter avant la fissure.
Le tableau V montre que le V230 avec Ea / V de 122.09 J / cm3 peut résister à huit impulsions 10 / 350 ms alors que le V460 avec Ea / V de 161.09 J / cm3 ne peut passer que trois impulsions, même si le courant de crête adopté pour V230 (6500 A) est supérieur à celui de V460 (6000 A). Ceci valide la conclusion selon laquelle les MOV à tension limite élevée sont plus facilement endommagés par le courant 10 / 350. Ce phénomène peut s’expliquer par le fait que la grande énergie véhiculée par le courant 10 / 350 ms sera absorbée par les MOV. Pour les MOV avec une tension limite élevée sous courant 10 / 350, le volume unitaire de MOV absorbera beaucoup plus d'énergie que celui des MOV ayant une tension limite basse et l'absorption d'énergie excessive conduira à une défaillance du MOV. Cependant, le mécanisme d'échec sous 8 / 20 ms courant nécessite des investigations supplémentaires.
L'inspection visuelle montre que la même forme de dommage est observée sur les trois types de MOV sous courant 10 / 350. Un côté de l'enveloppe en plastique MOV et la feuille d'électrode rectangulaire se détachent. L'ablation du matériau ZnO est apparue près de la feuille d'électrode, ce qui est causé par le contournement entre l'électrode MOV et la surface de ZnO. La photographie du V230 endommagé est illustrée à la figure 6.
5. Conclusion
Les SPD doivent être testés sous des courants de décharge impulsionnels, principalement avec des formes d'onde de type 8 / 20 ms et 10 / 350 ms. Afin d'étudier et de comparer la capacité de tenue des parafoudres sous les courants d'impulsions 8 / 20 ms et 10 / 350 ms, plusieurs expériences sont réalisées avec un courant de décharge maximal pour la forme d'onde ms 8 / 20 ms (Imax) et 10 / 350 , ainsi que les amplitudes de 0.75Imax et 0.75Iimp. Trois types de MOV typiques utilisés pour les SPD de classe I sont adoptés pour l'analyse. Certaines conclusions peuvent être tirées.
(1) Les MOV avec une tension limite supérieure ont une meilleure capacité de tenue sous un courant d'impulsion 8 / 20ms. Les MOV de type V230 et V275 ne pouvaient pas supporter quinze impulsions 8 / 20ms avec un pic de Imax, alors que les MOV de type V460 pouvaient transmettre vingt impulsions.
(2) Les MOV ayant une tension limite inférieure ont une meilleure capacité de tenue sous un courant 10 / 350. Le MOV de type V230 peut supporter huit impulsions 10 / 350 ms avec un pic de Iimp, tandis que le V460 ne peut transmettre que trois impulsions.
(3) Considérant le volume unitaire de MOV sous le courant 10 / 350 ms, l'énergie absorbée sous impulsion unique peut être liée à une défaillance de MOV, au lieu de la somme de l'énergie absorbée sous toutes les impulsions appliquées.
(4) La même forme de dommage est observée sur trois types de MOV sous les courants 10 / 350. Un côté de l'enveloppe en plastique MOV et la feuille d'électrode rectangulaire se détachent. Une ablation du matériau à base de ZnO, provoquée par un étincelage entre la feuille d'électrode et la surface de ZnO, est apparue près de l'électrode MOV.