Os dispositivos de protección contra sobretensións (SPDs) deben probarse baixo correntes de descarga de impulsos principalmente con formas de onda de 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Con todo, coa mellora dos produtos SPD, o rendemento e a capacidade de soportar os SPDs con tales correntes de proba estándar necesitan máis investigación. Para investigar e comparar a capacidade de resistencia dos SPDs baixo as correntes de impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms, realízanse experimentos en tres tipos de varistores de óxido metálico (MOVs) típicos que se usan para os SPD de clase I. Os resultados mostran que os MOV con tensión límite máis alta soportan mellor a capacidade baixo a corrente de impulso 8 / 20ms, mentres que a conclusión baixo a corrente de impulso 10 / 350ms é oposta. Baixo a corrente 10 / 350 ms, o fallo do MOV está relacionado coa enerxía absorbida por unidade de volume baixo un único impulso. Crack é a forma principal de dano baixo a corrente de 10 / 350ms, que pode describirse como un lado da encapsulación plástica de MOV e descascada a folla do electrodo. A ablación do material ZnO, causada polo flashover entre a folla do electrodo ea superficie de ZnO, apareceu preto do electrodo MOV.

1. Introdución

Os dispositivos de protección contra sobretensións (SPDs) conectados a sistemas de enerxía de baixa tensión, as redes de telecomunicacións e sinais están obrigados a probarse baixo requisitos das normas IEC e IEEE [1-5]. Tendo en conta a localización e a posible corrente de iluminación que poida sufrir, esixe que tales probas sexan probados baixo correntes de descarga de impulsos principalmente con formas de onda de 8 / 20 ms e 10 / 350 ms [4-6]. A forma de onda actual de 8 / 20 ms úsase normalmente para simular o impulso dun raio [6-8]. A corrente de descarga nominal (In) ea corrente de descarga máxima (Imax) dos SPD defínense coa corrente de impulso 8 / 20 ms [4-5]. Ademais, o impulso de corrente 8 / 20 ms é amplamente utilizado para as probas de tensión residual e operacións SPD [4]. A corrente de impulso 10 / 350ms adoita empregarse para simular a corrente de trazo de retorno de raios directo [7-10]. Esta forma de onda corresponde aos parámetros da corrente de descarga de impulsos para a proba SPD de clase I, que se usa especialmente para a proba de deber adicional para os SPDs de clase I [4]. Durante as probas de tipo [4-5], o número especificado de correntes de impulso é necesario para aplicar aos SPD. Por exemplo, son necesarias quince correntes 8 / 20 ms e cinco correntes de impulso 10 / 350 ms para a proba de deber de funcionamento dos SPDs de clase I [4]. Con todo, coa mellora dos produtos SPD, o rendemento e a capacidade de soportar os SPDs con tales correntes de proba estándar necesitan máis investigación. As investigacións anteriores concentráronse normalmente no rendemento do MOV con múltiples impulsos de corrente 8 / 20 ms [11-14], mentres que o desempeño con corrente de impulso 10 / 350 ms repetida non se investigou a fondo. Ademais, os SPD de clase I, instalados nos puntos de alta exposición en edificios e sistemas de distribución, son máis vulnerables aos trazos de raios [15-16]. Polo tanto, é preciso investigar o rendemento e a capacidade de soportar os SPD de clase I baixo as correntes de impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Este artigo investiga experimentalmente a capacidade de resistencia dos SPD de clase I baixo as correntes de impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Para a análise adoptanse tres tipos de MOVs típicos usados ​​para os SPD de clase I. A amplitude de corrente e o número de impulsos axústanse para varios experimentos. A comparación realízase sobre a capacidade de resistencia dos MOV baixo os dous tipos de correntes de impulso. Analízanse tamén o modo de fallo das mostras MOV que fallaron despois das probas.

2. Deseño do experimento

Nos experimentos adoptanse tres tipos de MOVs típicos usados ​​para os SPD de clase I. Para cada tipo de MOV, as mostras 12 feitas por EPCOS adoptanse en catro tipos de experimentos. Os seus parámetros básicos móstranse na TABLA I, onde en representa a corrente de descarga nominal dos MOV baixo o impulso 8 / 20µs, Imax representa a corrente de descarga máxima baixo o impulso 8 / 20µs, Iimp representa a corrente de descarga máxima baixo o impulso 10 / 350µs, UDC1mA representa a tensión MOV medida baixo a corrente 1 mA DC, Ur representa a tensión residual de MOV baixo In.

Fig. 1 mostra o xerador de corrente de impulso que se pode axustar para impulsar os impulsos de corrente 10 / 350 ms e 8 / 20 ms. A bobina de Pearson é adoptada para medir as correntes de impulso nos MOV probados. O divisor de tensión coa relación de 14.52 úsase para medir as tensións residuais. Adóptase o osciloscopio dixital de TEK DPO3014 para gravar as formas de onda experimentais.

De acordo co estándar de proba SPD [4], as amplitudes adoptadas para a corrente de ms 8 / 20 inclúen 30kA (0.75Imax) e 40kA (Imax). As amplitudes adoptadas para a corrente Xnumx / 10 ms inclúen 350Iimp e Iimp. Referencia á proba de funcionamento para MOVs [0.75], aplican quince impulsos 4 / 8ms en mostras MOV eo intervalo entre impulsos é 20 s. Polo tanto, o diagrama de fluxo do procedemento experimental móstrase na Fig. 60.

O procedemento experimental pode describirse como:

(1) Medidas iniciais: As mostras de MOV caracterízanse con UDC1mA, Ur e fotografías ao comezo dos experimentos.

(2) Aplique quince impulsos: axusta o xerador de corrente de impulso para emitir a corrente de impulso requirida. Posteriormente aplícanse quince impulsos con intervalo de 60 s na mostra MOV.

(3) Grava as formas de onda medidas das correntes e tensións MOV despois de cada aplicación de impulso.

(4) Inspección visual e medicións despois das probas. Comprobe a superficie do MOV para pinchar ou desarmar. Mida a UDC1mA e Ur despois das probas. Fai fotografías dos MOVs danados despois das probas. Os criterios de aprobación para os experimentos, de acordo coa IEC 61643-11 [4], requiren que tanto a tensión como os rexistros actuais, xunto cunha inspección visual, non mostran ningunha indicación de punção ou reforzo das mostras. Ademais, o IEEE Std. C62.62 [5] suxeriu que o Ur da mensaxe posttest (tensións residuais de MOV en In) non debe desviarse máis que 10% da Ur testada. O Std. IEC 60099-4 [17] tamén require que o UDC1mA non se desvíe máis de 5% despois das probas de impulso.

  1. A capacidade de soportar baixo 8 / 20 ms impulso actual

Nesta sección, as correntes de impulso 8 / 20 ms con amplitudes de 0.75Imax e Imax aplícanse respectivamente ás mostras de SPD. A relación de cambio para a UDC1mA medida para a posestión e para o Ur defínese como:

onde, Ucr representa a relación de cambio dos valores medidos. O Uat representa o valor medido despois das probas. Ubt representa o valor medido antes das probas.

3.1 Os resultados baixo a corrente de impulso 8 / 20 ms co pico de 0.75Imax

Os resultados da proba para tres tipos de MOVs con menos de 15 correntes de impulso 8 / 20 ms con pico de 0.75Imax (30 kA) móstranse na Táboa II. O resultado para cada tipo de MOV é a media de tres mesmas mostras.

Táboa II

Resultados baixo correntes de impulso 8 / 20 ms co pico 30 kA

Pódese ver en TABLA II que despois de que se aplicaron quince impulsos 8 / 20 ms nos MOV, os cambios de UDC1mA e Ur son menores. O "paso" para a inspección visual non significa danos visibles nos MOV probados. Ademais, pódese observar que co aumento da tensión limitadora do MOV, o recorrido urinario diminúe. Tal como o Ucr é o máis pequeno para V460 tipo MOV. Pódese concluír que os tres tipos de MOVs poderían pasar os quince impulsos 8 / 20 ms co pico 30 kA.

3.2 Os resultados baixo o impulso de corrente 8 / 20 ms co pico de Imax

Considerando os resultados experimentais anteriores, a amplitude da corrente 8 / 20 ms aumenta a 40 kA (Imax). Ademais, o número de impulsos aumenta a vinte para V460 tipo MOV. Os resultados experimentais móstranse na Táboa III. Para comparar a absorción de enerxía nos tres MOV de tipo, Ea / V úsase para representar a enerxía absorbida por unidade de volume para a media de quince ou vinte impulsos. Aquí, a "media" é considerada porque a absorción de enerxía nos MOVs son lixeiramente diferentes baixo cada impulso.

Táboa III

Resultados baixo correntes de impulso 8 / 20 ms co pico 40 kA

Pode observarse a partir da Táboa III que cando a amplitude de corrente aumenta a 40 kA, o Ucr para UDC1mA desvía máis de 5% para V230 e V275, aínda que o cambio de tensión residual de MOV aínda está dentro do rango efectivo de 10%. A inspección visual tampouco mostra danos visibles nos MOV probados. Para MOV de tipo V230 e V275, a Ea / V significa a enerxía absorbida por unidade de volume con media de quince impulsos. A Ea / V para V460 representa a enerxía absorbida por unidade de volume cunha media de vinte impulsos. A Táboa III mostra que os MOV con tensión límite máis elevada (V460) teñen maiores Ea / V que os MOV con menor tensión limitante (V275 e V230). Ademais, coa corrente de impulso aplicada repetidamente no V460, a enerxía absorbida por unidade de volume (E / V) aumenta gradualmente, como se mostra na Fig. 3.

Polo tanto, pódese concluír que os MOV de tipo V230 e V275 non podían soportar quince impulsos de corrente 8 / 20ms co pico de Imax, mentres que o MOV de tipo V460 podería soportar a máxima corrente de descarga ata impulsos 20. Isto significa que os MOV con tensión de límite superior teñen unha mellor capacidade de soportar a corrente de impulso 8 / 20ms.

4. A capacidade de soportar baixo a corrente de impulso 10 / 350 ms

Nesta sección aplícanse respectivamente as correntes de impulso 10 / 350 ms con amplitudes de 0.75Iimp e Iimp.

4.1 Os resultados baixo a corrente de impulso 10 / 350 ms co pico de 0.75Iimp

Dado que o IIMP dos tres tipos de MOVs son diferentes, as correntes de 10 / 350 ms con amplitude de 4875A aplícanse a V230 e V275 e aplícanse impulsos con amplitude de 4500 A en V460. Despois de aplicar quince correntes de impulso, os cambios para UDC1mAand Ur nos MOV probados móstranse na Táboa IV. O ∑E / V significa a suma de E / V para os impulsos aplicados.

Pódese ver en TABELO IV que despois de aplicar quince correntes 10 / 350 ms co pico de 0.75Iimp, o V230 podería pasar a proba, mentres que o cambio para UDC1mA de V275 desvíase máis que 5%. A incrustación plástica de V275 tamén apareceu cunha inchazo menor. A fotografía de V275 con pequena agrietación móstrase na Fig. 4.

Para V460 tipo MOV, despois da aplicación do oitavo impulso 10 / 350 ms co pico de 4500A, o MOV rachado e as formas de onda de tensión e corrente medida son anormais. En comparación, na fig. 10 móstranse as formas de onda de tensión e corrente medidas baixo o sétimo e oitavo impulso 350 / 460 ms en V5.

Fig. 5. As formas de onda de tensión e corrente medidas en V460 baixo o impulso 10 / 350 ms

Para V230 e V275, ∑E / V é a suma de E / V por quince impulsos. Para V460, ∑E / V é a suma de E / V para oito impulsos. Pódese observar que, aínda que os Ea / V de V460 son superiores a V230 e V275, o total ∑E / Vof V460 é o máis baixo. Con todo, o V460 sufriu o dano máis grave. Isto significa que para o volume unitario de MOV, a falla MOV baixo a corrente 10 / 350 ms non está relacionada coa enerxía total absorbida (∑ E / V), pero pode estar máis relacionada coa enerxía absorbida baixo un único impulso (Ea / V ). Pódese concluír que baixo a corrente de impulso 10 / 350 ms, o V230 podería soportar máis impulsos que os MOV de tipo V460. Isto significa que os MOV con tensión limitante máis baixa soportan mellor a capacidade baixo a corrente 10 / 350 ms, o que é oposto á conclusión baixo a corrente de impulso 8 / 20 ms.

4.2 Os resultados baixo a corrente de impulso 10 / 350 ms co pico de Iimp

Cando a amplitude da corrente 10 / 350 ms aumenta a Iimp, todos os MOV probados non poderían pasar quince impulsos. Os resultados baixo as correntes de impulso 10 / 350 ms con amplitude de Iimp móstranse na TABLA V, onde o "número de impulso de resistencia" significa a cantidade de impulso que o MOV podería soportar antes de rachar.

Pódese observar a partir da TABLA V que o V230 con Ea / V de 122.09 J / cm3 podería soportar oito impulsos 10 / 350 ms mentres que o V460 con Ea / V de 161.09 J / cm3 só podería pasar tres impulsos, aínda que o pico actual adoptado para V230 (6500 A) é superior a V460 (6000 A). Isto valida a conclusión de que os MOVs con tensión de límite elevada se danan máis facilmente baixo a corrente de 10 / 350 ms. Este fenómeno pode explicarse como: a gran enerxía transportada pola corrente 10 / 350 ms será absorbida nos MOV. Para MOVs con tensión limitante elevada baixo a corrente 10 / 350 ms, absorberá moita máis enerxía no volume unitario de MOV que no MOVs con baixa tensión limitante, ea absorción excesiva de enerxía levará ao fallo do MOV. Non obstante, o mecanismo de fallo baixo a corrente 8 / 20 ms precisa máis investigación.

A inspección visual mostra que se observa a mesma forma de dano nos tres tipos de MOV baixo a corrente 10 / 350 ms. Desprázanse un lado do encapsulamento plástico MOV e a folla rectangular do electrodo. A ablación do material ZnO apareceu preto da folla do electrodo, que é causada polo flashover entre o electrodo MOV e a superficie de ZnO. A fotografía do V230 danado móstrase na Fig. 6.

5. Conclusión

Hai que probar os SPD baixo correntes de descarga de impulsos principalmente con formas de onda de 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Para investigar e comparar a capacidade de resistencia dos SPDs baixo as correntes de impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms, realízanse varios experimentos coa corrente de descarga máxima para a forma de onda 8 / 20 ms (Imax) e 10 / 350 ms (Iimp) , así como as amplitudes de 0.75Imax e 0.75Iimp. Para a análise adoptanse tres tipos de MOVs típicos usados ​​para os SPD de clase I. Pódense sacar algunhas conclusións.

(1) Os MOV con tensión de límite superior teñen unha mellor capacidade de soportar a corrente de impulso 8 / 20ms. Os MOV de tipo V230 e V275 non podían soportar quince impulsos 8 / 20ms cun pico de Imax, mentres que o MOV de tipo V460 podería pasar vinte impulsos.

(2) Os MOV con tensión limitante máis baixa soportan mellor a capacidade baixo a corrente 10 / 350 ms. O tipo MOV V230 podería soportar oito impulsos 10 / 350 ms cun pico de Iimp, mentres que o V460 só podería pasar tres impulsos.

(3) Tendo en conta o volume unitario de MOV baixo a corrente 10 / 350 ms, a enerxía absorbida baixo un único impulso pode estar relacionada co fallo do MOV, en lugar da suma da enerxía absorbida baixo todos os impulsos aplicados.

(4) A mesma forma de dano obsérvase en tres tipos de MOVs baixo as correntes 10 / 350 ms. Desprázanse un lado do encapsulamento plástico MOV e a folla rectangular do electrodo. A ablación do material ZnO, causada por un reforzo entre a folla do electrodo ea superficie de ZnO, apareceu preto do electrodo MOV.