Prenaponski zaštitni uređaji (SPD) moraju se testirati pod impulsnim strujnim strujama uglavnom s valnim oblikom 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Međutim, s poboljšanjem SPD proizvoda, performanse i izdržljivost SPD-a pod takvim standardnim ispitnim strujama zahtijevaju više istraživanja. Kako bi istražili i usporedili izdržljivost SPD-a pod impulsnim strujama 8 / 20 ms i 10 / 350 ms, eksperimenti se izvode na tri vrste tipičnih metal-oksidnih varistora (MOV) koji se koriste za SPD-ove razreda I. Rezultati pokazuju da MOVs s višim ograničenje napona imaju bolje izdržati sposobnost pod 8 / 20ms impulsne struje, dok je zaključak pod 10 / 350ms impulsna struja je suprotno. Pod trenutnom 10 / 350 ms, MOV neuspjeh se odnosi na apsorbiranu energiju po jedinici volumena pod jednim impulsom. Pukotina je glavni oblik oštećenja pod strujom 10 / 350ms, koja se može opisati kao jedna strana MOV plastične inkapsulacije, a ploča s elektrodama se ljušti. U blizini MOV elektrode pojavila se ablacija materijala ZnO uzrokovanog bljeskom između elektrodne ploče i površine ZnO.
Prenaponski zaštitni uređaji (SPD) spojeni na niskonaponske elektroenergetske sustave, telekomunikacijske i signalne mreže moraju se testirati prema zahtjevima IEC i IEEE standarda [1-5]. S obzirom na lokaciju i moguću svjetlosnu struju koju može pretrpjeti, takvi SPD-i moraju se testirati pod impulsnim strujnim strujama uglavnom s valnim oblikom 8 / 20 ms i 10 / 350 ms [4-6]. Trenutni valni oblik 8 / 20 ms se obično koristi za simulaciju gromovitog impulsa [6-8]. Nazivna struja pražnjenja (In) i maksimalna struja pražnjenja (Imax) SPD-a definirani su s impulsnom strujom 8 / 20 ms [4-5]. Štoviše, 8 / 20 ms strujni impuls se široko koristi za SPD testove preostalog napona i radne obveze [4]. 10 / 350ms impulsna struja se obično koristi za simulaciju struje izravnog povratnog udara munje [7-10]. Ovaj valni oblik zadovoljava parametre za struju pražnjenja impulsa za SPD test klase I, koji se posebno koristi za dodatno ispitivanje svojstava SPD-a klase I [4]. Tijekom tipskih ispitivanja [4-5] potreban je određeni broj impulsnih struja na SPD-ovima. Primjerice, petnaest struja 8 / 20 ms i pet impulsnih struja 10 / 350 ms potrebne su za testiranje radnog stanja za SPD-ove klase I [4]. Međutim, s poboljšanjem SPD proizvoda, performanse i izdržljivost SPD-a pod takvim standardnim ispitnim strujama zahtijevaju više istraživanja. Dosadašnja istraživanja uglavnom su se usredotočila na MOV performanse u više 8 / 20 ms impulsnih struja [11-14], dok se performanse pod ponovljenom impulsnom strujom 10 / 350 ms nisu temeljito istražile. Štoviše, SPD-ovi klase I, instalirani na mjestima visoke izloženosti u zgradama i distribucijskim sustavima, osjetljiviji su na udar groma [15-16]. Stoga je potrebno istražiti performanse i izdržljivost SPD-a klase I pod 8 / 20 ms i 10 / 350 ms impulsnim strujama. Ovaj rad eksperimentalno istražuje izdržljivost SPD-a klase I pod 8 / 20 ms i 10 / 350 ms impulsnih struja. Za analizu su usvojena tri tipa tipičnih MOV-ova koji se koriste za SPD-ove I. klase. Amplituda struje i broj impulsa prilagođeni su za nekoliko pokusa. Usporedba se provodi na izdržljivoj sposobnosti MOV-ova pod dvije vrste impulsnih struja. Način kvara MOV uzoraka koji nije uspio nakon testiranja također su analizirani.
U eksperimentima su usvojena tri tipa tipičnih MOV-ova korištenih za SPD-ove I. klase. Za svaku vrstu MOV-a, uzorci 12-a napravljeni u EPCOS-u usvojeni su u četiri vrste eksperimenata. Njihovi osnovni parametri prikazani su u TABLICI I, gdje In predstavlja nominalnu struju pražnjenja MOV-a pod 8 / 20µs impulsom, Imax predstavlja maksimalnu struju pražnjenja pod 8 / 20µs impulsom, Iimp predstavlja maksimalnu struju pražnjenja pod 10 / 350µs impulsom MOV napon izmjeren pod 1 mA istosmjernom strujom, Ur predstavlja preostali MOV napon ispod In.
Sl. 1 prikazuje generator strujnog impulsa koji se može podesiti za izlazne impulse 10 / 350 ms i 8 / 20 ms. Pearsonova zavojnica je usvojena za mjerenje impulsnih struja na testiranim MOV-ovima. Za mjerenje preostalog napona koristi se djelitelj napona s omjerom 14.52. Digitalni osciloskop TEK DPO3014 usvojen je za snimanje eksperimentalnih valnih oblika.
Prema SPD testnom standardu [4], amplitude usvojene za 8 / 20 ms struju uključuju 30kA (0.75Imax) i 40kA (Imax). Amplitude usvojene za trenutnu 10 / 350 ms uključuju 0.75Iimp i Iimp. Na MOV uzorke primjenjuje se referenca na radni test MOVs [4], petnaest 8 / 20ms impulsa, a interval između impulsa je 60 s. Stoga je dijagram toka eksperimentalnog postupka prikazan na slici 2.
Eksperimentalni postupak može se opisati kao:
(1) Početna mjerenja: MOV uzorci su obilježeni s UDC1mA, Ur i fotografijama na početku pokusa.
(2) Primijenite petnaest impulsa: Prilagodite generator impulsne struje za izlaz tražene impulsne struje. Petnaest impulsa s intervalom 60 s sukcesivno se primjenjuje na MOV uzorak.
(3) Snimanje izmjerenih valnih oblika MOV struja i napona nakon svake primjene impulsa.
(4) Vizualni pregled i mjerenja nakon ispitivanja. Provjerite površinu MOV-a radi probijanja ili proboja. Izmjerite UDC1mA i Ur nakon ispitivanja. Fotografirajte oštećene MOV-e nakon testova. Kriteriji prolaska za eksperimente, u skladu s IEC 61643-11 [4], zahtijevaju da i zapisi napona i struje, zajedno s vizualnim pregledom, ne pokazuju nikakvu indikaciju probijanja ili prelijevanja uzoraka. Osim toga, IEEE Std. C62.62 [5] je predložio da se posttest izmjeren Ur (MOV rezidualni naponi u In) ne odstupa više od 10% od izmjerenog Ur. Std. IEC 60099-4 [17] također zahtijeva da UDC1mA ne odstupa više od 5% nakon impulsnih testova.
- Sposobnost izdržljivosti pod 8 / 20 impulsna struja ms
U ovom odjeljku, 8 / 20 ms impulsne struje s amplitudama 0.75Imax i Imax primjenjuju se na SPD uzorke. Omjer promjene za posttest mjeren UDC1mA i Ur definiran je kao:
gdje, Ucr predstavlja omjer promjene izmjerenih vrijednosti. Uat predstavlja vrijednost izmjerenu nakon ispitivanja. Ubt predstavlja vrijednost izmjerenu prije ispitivanja.
3.1 Rezultati pod impulsnom strujom 8 / 20 ms s vršnim vrijednostima 0.75Imax
Rezultati ispitivanja za tri tipa MOV-ova ispod petnaest impulsnih struja 8 / 20 ms s vršnim vrijednostima 0.75Imax (30 kA) prikazani su u tablici II. Rezultat za svaki tip MOV je prosjek tri ista uzorka.
TABLICA II
Rezultati pod impulsnim strujama 8 / 20 ms s vrškom 30 kA
Iz tablice se može vidjeti da su nakon petnaest 8 / 20 ms impulsa primijenjeni na MOV, promjene UDC1mA i Ur su male. “Prolaz” za vizualni pregled ne znači nikakva vidljiva oštećenja na ispitivanim MOV-ovima. Štoviše, može se primijetiti da se s povećanjem MOV graničnog napona Ucr smanjuje. Kao što je Ucr najmanji za V460 tipa MOV. Može se zaključiti da tri tipa MOV-ova mogu proći petnaest impulsa 8 / 20 ms s 30 kA vrhom.
3.2 Rezultati pod impulsnom strujom 8 / 20 ms s vršnim vrijednostima Imaxa
S obzirom na gore navedene eksperimentalne rezultate, amplituda struje 8 / 20 ms povećava se na 40 kA (Imax). Osim toga, broj impulsa se povećava na dvadeset za V460 tipa MOV. Eksperimentalni rezultati su prikazani u tablici III. Da bi se usporedila apsorpcija energije u tri tipa MOV, Ea / V se koristi za prikaz apsorbirane energije po jedinici volumena za prosjek od petnaest ili dvadeset impulsa. Ovdje se razmatra "prosjek" jer je apsorpcija energije u MOV-u malo različita za svaki impuls.
Tablica III
Rezultati pod impulsnim strujama 8 / 20 ms s vrškom 40 kA
Iz tablice III može se primijetiti da kada je trenutna amplituda povećana na 40 kA, Ucr za UDC1mA odstupa više od 5% za V230 i V275, iako je promjena preostalog MOV napona još uvijek unutar efektivnog raspona od 10%. Vizualni pregled također ne pokazuje vidljiva oštećenja na ispitivanim MOV-ovima. Za MVs tipa V230 i V275, Ea / V znači apsorbiranu energiju po jedinici volumena s prosjekom od petnaest impulsa. Ea / V za V460 predstavlja apsorbiranu energiju po jedinici volumena s prosjekom od dvadeset impulsa. Tablica III pokazuje da MOVs s većim ograničavajućim naponom (V460) imaju veći Ea / V nego MOVs s nižim graničnim naponom (V275 i V230). Štoviše, s impulsnom strujom koja se višestruko primjenjuje na V460, apsorbirana energija po jedinici volumena (E / V) postupno raste, kao što je prikazano na slici 3.
Prema tome, može se zaključiti da MOV-ovi tipa V230 i V275 ne mogu izdržati petnaest 8 / 20ms strujnih impulsa s vrhuncem Imax-a, dok V460 tip MOV može izdržati maksimalnu struju pražnjenja do 20 impulsa. To znači da MOVs s većim ograničenjem napona imaju bolju izdržljivost pod 8 / 20ms impulsnom strujom.
4. Izdržljivost pod impulsnom strujom 10 / 350 ms
U ovom odjeljku, 10 / 350 ms impulsne struje s amplitudama 0.75Iimp i Iimp primjenjuju se na SPD uzorke.
4.1 Rezultati pod impulsnom strujom 10 / 350 ms s vrškom 0.75Iimp
Budući da su Iimp tri vrste MOV-ova različiti, 10 / 350 ms struje s amplitudom 4875A primjenjuju se na V230 i V275, a impulsi s amplitudom 4500 A primjenjuju se na V460. Nakon primjene petnaest impulsnih struja, promjene za UDC1mA i Ur na testiranim MOV-ima prikazane su u tablici IV. /E / V znači zbroj E / V za primijenjene impulse.
Iz tablice IV može se vidjeti da nakon primjene petnaest 10 / 350 ms struja s vrhuncem 0.75Iimp, V230 može proći test, dok promjena za UDC1mA od V275 odstupa više od 5%. Na plastičnoj inkapsulaciji V275-a pojavile su se i otekline i manje pukotine. Fotografija V275-a s manjim pukotinama prikazana je na slici 4.
Za V460 tip MOV, nakon osmog 10 / 350 ms impulsa s vrhom 4500A, primijenjen je MOV i izmjereni valni oblici napona i struje su nenormalni. Za usporedbu, izmjereni valni oblici napona i struje pod sedmim i osmim 10 / 350 impulsom na V460 prikazani su na slici 5.
Slika 5. Izmjereni valni oblici napona i struje na V460 pod impulsom 10 / 350 ms
Za V230 i V275, /E / V je zbroj E / V za petnaest impulsa. Za V460, /E / V je zbroj E / V za osam impulsa. Može se primijetiti da iako je Ea / V V460 viši od V230 i V275, ukupni ∑E / Vof V460 je najniži. Međutim, V460 je doživio najveću štetu. To znači da za jediničnu zapreminu MOV-a, MOV neuspjeh u struji 10 / 350 ms nije povezan s ukupnom apsorbiranom energijom (/ E / V), ali može biti više povezan s apsorbiranom energijom pod jednim impulsom (Ea / V) ). Može se zaključiti da pod 10 / 350 ms impulsnom strujom, V230 može izdržati više impulsa od MOV-ova tipa V460. To znači da MOVs s nižim graničnim naponom imaju bolju izdržljivost pod 10 / 350 ms strujom, što je suprotno zaključku pod 8 / 20 ms impulsnom strujom.
4.2 Rezultati pod impulsnom strujom 10 / 350 ms s vrhom Iimp
Kada se amplituda 10 / 350 ms struje poveća na Iimp, svi testirani MOV-ovi ne mogu proći petnaest impulsa. Rezultati pod impulsnim strujama 10 / 350 ms s amplitudom Iimp prikazani su u tablici V, gdje "broj izdržljivih impulsa" znači iznos impulsa koji MOV može izdržati prije pucanja.
Može se promatrati iz tablice V da V230 s Ea / V 122.09 J / cm3 može izdržati osam 10 / 350 ms impulsa dok je V460 s Ea / V 161.09 J / cm3 mogao proći samo tri impulsa, iako je vršna struja usvojena za V230 (6500 A) je viši od V460 (6000 A). To potvrđuje zaključak da su MOV-ovi s visokim ograničavajućim naponom lakše oštećeni pod strujom 10 / 350 ms. Ovaj fenomen može se objasniti kao: velika energija koju nosi 10 / 350 ms struja će biti apsorbirana u MOVs. Za MOVs s visokim ograničenje napona pod 10 / 350 ms struje, mnogo više energije će biti apsorbirana u jedinici volumena MOV nego u MOVs s niskim ograničenje napona, a prekomjerna apsorpcija energije će dovesti do MOV neuspjeh. Međutim, mehanizam neuspjeha pod 8 / 20 ms trenutno zahtijeva više istraživanja.
Vizualni pregled pokazuje da se isti oblik štete uočava na tri vrste MOV-ova pod strujom 10 / 350 ms. Jedna strana MOV plastične inkapsulacije i pravokutna ploča elektrode se ljušti. Ablacija ZnO materijala pojavila se blizu ploče elektrode, što je uzrokovano bljeskom između MOV elektrode i ZnO površine. Fotografija oštećenog V230 prikazana je na slici 6.
5. Zaključak
SPD-i se moraju testirati pod impulsnim strujnim strujama uglavnom s valnim oblikom 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Kako bi istražili i usporedili izdržljivost SPD-a pod impulsnim strujama 8 / 20 ms i 10 / 350 ms, nekoliko eksperimenata se provodi s maksimalnom strujom pražnjenja za 8 / 20 ms (Imax) i 10 / 350 ms (Iimp) valni oblik , kao i amplitude 0.75Imax i 0.75Iimp. Za analizu su usvojena tri tipa tipičnih MOV-ova koji se koriste za SPD-ove I. klase. Mogu se izvući neki zaključci.
(1) MOV-ovi s većim ograničavajućim naponom imaju bolju izdržljivost pod 8 / 20ms impulsnom strujom. MOV-ovi tipa V230 i V275 nisu mogli izdržati petnaest 8 / 20ms impulsa s vrhuncem Imax-a, dok je V460 tip MOV mogao proći dvadeset impulsa.
(2) MOV-ovi s nižim graničnim naponom imaju bolju izdržljivost pod trenutnom 10 / 350 ms. Tip V230 MOV može izdržati osam impulsa 10 / 350 ms s vrhuncem Iimp, dok V460 može proći samo tri impulsa.
(3) S obzirom na jedinični volumen MOV pod strujom 10 / 350 ms, apsorbirana energija pod jednim impulsom može biti povezana s MOV neuspjehom, umjesto zbrajanjem apsorbirane energije pod svim primijenjenim impulsima.
(4) Isti oblik štete uočen je na tri vrste MOV-ova pod strujama 10 / 350 ms. Jedna strana MOV plastične inkapsulacije i pravokutna ploča elektrode se ljušti. U blizini MOV elektrode pojavila se ablacija ZnO materijala, uzrokovana bljeskom između elektrodne ploče i površine ZnO.