A túlfeszültség-védelmi eszközöket (SPD-k) impulzus kisülési áramokban kell vizsgálni, főként az 8 / 20 ms és az 10 / 350 ms hullámalakjaival. Az SPD-termékek javításával azonban az ilyen szabványos tesztáramoknál az SPD-k teljesítménye és ellenállóképessége több vizsgálatot igényel. Az SPD-k ellenállóképességének vizsgálata és összehasonlítása az 8 / 20 ms és az 10 / 350 ms impulzusáramok során háromféle tipikus fém-oxid varisztorral (MOV) történik, amelyeket az I. osztályba tartozó SPD-knél használnak. Az eredmények azt mutatják, hogy a magasabb korlátozó feszültségű MOV-ok jobb ellenállóképességgel rendelkeznek az 8 / 20ms impulzusáram alatt, míg az 10 / 350ms impulzusáramlás következtetése ellentétes. 10 / 350 ms áram alatt az MOV hiba az egységnyi térfogatra jutó elnyelt energiához kapcsolódik egyetlen impulzus alatt. A repedés az 10 / 350ms áram alatt a fő károsodási forma, amely az MOV műanyag burkolatának és az elektróda lemez egyik oldalának lejtése. A ZnO-anyag ablációja az elektróda és a ZnO-felület közötti áthidalás következtében az MOV-elektród közelében volt.
A túlfeszültség-védelmi eszközöket (SPD-k), amelyeket alacsony feszültségű áramellátó rendszerekhez, távközlési és jelhálózatokhoz csatlakoztatnak, az IEC és az IEEE szabványok követelményeinek megfelelően kell tesztelni [1-5]. Figyelembe véve a helyet és az esetleges megvilágítási áramot, az ilyen SPD-ket impulzus kisülési áramokban kell vizsgálni, főként az 8 / 20 ms és az 10 / 350 ms [4-6] hullámalakjaival. Az 8 / 20 ms aktuális hullámformáját gyakran használják a villámimpulzus szimulálására [6-8]. Az SPD-k névleges kisülési áramát (In) és maximális kisülési áramát (Imax) az 8 / 20 ms impulzusárammal [4-5] határozzuk meg. Továbbá az 8 / 20 ms áramimpulzust széles körben használják az SPD maradékfeszültség és az üzemi terhelési tesztek [4] számára. Az 10 / 350ms impulzusáramot általában a közvetlen villámcsapás áramlás szimulálására használják [7-10]. Ez a hullámforma megfelel az I. osztályú SPD-teszt impulzus-kisülési áramának paramétereinek, amelyet különösen az I. osztályú SPD-k [4] kiegészítő terhelési vizsgálatához használnak. A típusvizsgálatok során [4-5] az SPD-kre történő alkalmazáshoz meghatározott számú impulzusáram szükséges. Például tizenöt 8 / 20 ms áramot és öt 10 / 350 ms impulzusáramot kell alkalmazni az I. osztályú SPD-k [4] működési tesztjéhez. Az SPD-termékek javításával azonban az ilyen szabványos tesztáramoknál az SPD-k teljesítménye és ellenállóképessége több vizsgálatot igényel. A korábbi kutatások többnyire több 8 / 20 ms impulzusárammal [11-14] összpontosított MOV teljesítményre koncentráltak, míg az ismételt 10 / 350 ms impulzusáram teljesítményét nem vizsgálták alaposan. Továbbá az I. osztályú SPD-k, amelyek az épületek és az elosztórendszerek magas expozíciós pontjain vannak telepítve, érzékenyebbek a villámcsapásokra [15-16]. Ezért az 8 / 20 ms és 10 / 350 ms impulzusáramok alatt az I. osztályú SPD-k teljesítmény- és ellenállóképessége szükséges. Ez a tanulmány kísérletesen vizsgálja az I. osztályú SPD-k ellenállóképességét az 8 / 20 ms és az 10 / 350 ms impulzusáramok alatt. Az I. osztályba tartozó SPD-khez használt tipikus MOV-ok három típusát használják elemzésre. Az aktuális amplitúdó és az impulzusok száma több kísérletre van beállítva. A kétféle impulzusáram alatt az MOV-ok ellenállóképességét összehasonlítjuk. A tesztek után meghiúsult MOV-minták meghibásodási módját is elemezzük.
A kísérletekben az I. osztályú SPD-k esetében három tipikus MOV-ot használnak. Minden egyes MOV típus esetében az EPCOS által készített 12 mintákat négyféle kísérletben fogadják el. Alap paramétereiket az I. TÁBLÁZAT mutatja, ahol az In az 8 / 20µs impulzus alatt az MOV-ok névleges kisülési áramát jelenti, az Imax az 8 / 20µs impulzus alatt a maximális kisülési áramot képviseli, az Iimp az 10 / 350µs impulzus alatt a maximális kisülési áramot képviseli, UDC1mA képviseli az 1 mA DC áram alatt mért MOV feszültség, Ur az MOV maradványfeszültségét jelenti az In alatt.
Az 1 az impulzusáram-generátort mutatja, amely az 10 / 350 ms és 8 / 20 ms áramimpulzusok kimenetére állítható. A Pearson tekercset a vizsgált MOV-ok impulzusáramainak mérésére használják. Az 14.52 arányú feszültségelosztót a maradékfeszültségek mérésére használják. A kísérleti hullámformák rögzítésére a TEK DPO3014 digitális oszcilloszkópját alkalmazzuk.
Az SPD teszt standard [4] szerint az 8 / 20 ms áramra elfogadott amplitúdók közé tartozik az 30kA (0.75Imax) és az 40kA (Imax). Az 10 / 350 ms áramra elfogadott amplitúdók közé tartozik az 0.75Iimp és az Iimp. Az MOV-okra [4] vonatkozó üzemi tesztre való hivatkozás, az MOV mintákra tizenöt 8 / 20ms impulzust alkalmaznak, és az impulzusok közötti intervallum 60 s. Ezért a kísérleti eljárás folyamatábrája az 2 ábrán látható.
A kísérleti eljárás leírása:
(1) Kezdeti mérések: Az MOV mintákat UDC1mA, Ur és a kísérletek kezdetén lévő fényképek jellemzik.
(2) Tizenöt impulzus alkalmazása: Állítsa be az impulzusáram-generátort a kívánt impulzusáram kibocsátásához. Ötven impulzus az 60 s intervallummal egymást követően.
(3) Jegyezze fel az MOV áramok és feszültségek mért hullámformáit minden impulzus alkalmazás után.
(4) Vizuális ellenőrzés és mérések a vizsgálatok után. Ellenőrizze az MOV felületét a szúrás vagy az átfedés szempontjából. Mérjük meg az UDC1mA-t és az Ur-t a tesztek után. Tesztek után készítsen fényképeket a sérült MOV-okról. Az IEC 61643-11 [4] szerint a kísérletekhez szükséges átadási kritériumok megkövetelik, hogy mind a feszültség, mind az áramfelvételek, valamint a vizuális ellenőrzés ne jelezzék a minták szúrását vagy átugrását. Ezen kívül az IEEE Std. A C62.62 [5] azt javasolta, hogy az Ur (MOV maradékfeszültsége In) mérés utáni mérése nem térhet el több mint 10% -tól az Ur mérési eredményétől. A Std. Az IEC 60099-4 [17] azt is megköveteli, hogy az UDC1mA ne lépjen túl az 5% -ról az impulzus tesztek után.
- Az 8 / 20 ellenállóképesség ms impulzusáram
Ebben a szakaszban az 8Imax és az Imax amplitúdójú 20 / 0.75 ms impulzusáramokat alkalmazzuk az SPD mintákra. Az UDC1mA és az Ur mérés utáni változás arányát az alábbiak szerint határozzuk meg:
ahol az Ucr a mért értékek változási arányát jelenti. Az Uat a vizsgálatok után mért értéket jelenti. Az Ubt a vizsgálat előtt mért értéket jelenti.
3.1 Az eredmények az 8 / 20 ms impulzusáram alatt az 0.75Imax csúcsával
A tizenöt 8 / 20 ms impulzusárammal rendelkező három típusú MOV teszt eredményeit az 0.75Imax csúcsával (30 kA) a II. A MOV minden típusának eredménye három azonos minta átlaga.
II. TÁBLÁZAT
8 / 20 ms impulzusáramok eredményei 30 kA csúcsnál
A II. Táblázatból látható, hogy tizenöt 8 / 20 ms impulzust alkalmaztak az MOV-okon, az UDC1mA és az Ur változása kisebb. A vizuális ellenőrzéshez szükséges „Pass” nem jelent látható sérülést a vizsgált MOV-oknál. Ezenkívül megfigyelhető, hogy az MOV korlátozó feszültség növekedésével az Ucr kisebb lesz. Mint például az Ucr a legkisebb a V460 típusú MOV esetében. Az a következtetés vonható le, hogy a három MOV-típus mindegyike 8 kA csúcsával tizenöt 20 / 30 ms impulzust tudott átadni.
3.2 Az eredmények az 8 / 20 ms impulzusáramnál az Imax csúcsával
A fenti kísérleti eredményeket figyelembe véve az 8 / 20 ms áram amplitúdója 40 kA (Imax). Ezen túlmenően a V460 típusú MOV esetében az impulzusok száma húszra nő. A kísérleti eredményeket a III. Annak érdekében, hogy összehasonlítsuk az energia-felszívódást a három típusú MOV-okban, az Ea / V-t arra használjuk, hogy az elnyelt energiát egységnyi térfogatra vonatkoztatva tizenöt vagy húsz impulzus átlagában jelenítsük meg. Itt az „átlag” értéket veszik figyelembe, mert a MOV-okban az energiaelnyelés kissé eltérő az egyes impulzusok alatt.
III. TÁBLÁZAT
8 / 20 ms impulzusáramok eredményei 40 kA csúcsnál
A III. Táblázatból látható, hogy amikor az áram amplitúdóját 40 kA-ra emeljük, az UDC1mA Ucr értéke nagyobb, mint 5% a V230 és a V275 esetében, bár az MOV maradékfeszültség változása még mindig az 10% tartományban van. A szemrevételezéses vizsgálat nem mutat látható károsodást a vizsgált MOV-oknál. A VVNNXX és a V230 típusú MOV-ok esetében az Ea / V az egységnyi térfogatra elnyelt energiát jelenti, tizenöt impulzus átlagával. A V275 Ea / V az egységnyi térfogatra elnyelt energiát jelenti, húsz impulzus átlagával. A III. TÁBLÁZAT azt mutatja, hogy a magasabb korlátozó feszültségű (V460) MOV-ok nagyobb Ea / V-vel rendelkeznek, mint az alacsonyabb korlátozó feszültségű (V460 és V275) MOV-ok. Továbbá, ha az impulzusáramot ismételten alkalmaztuk a V230-re, az egységnyi térfogatra (E / V) az elnyelt energia fokozatosan növekszik, amint az az 460 ábrán látható.
Ezért arra a következtetésre juthatunk, hogy a V230 és a V275 típusú MOV-ok nem tudtak ellenállni tizenöt 8 / 20ms áramimpulzusnak az Imax csúcsával, míg a V460 típusú MOV ellenállhatott a maximális kisülési áramnak az 20 impulzusokig. Ez azt jelenti, hogy a magasabb korlátozó feszültségű MOV-ok jobban ellenállnak az 8 / 20ms impulzusáramnak.
4. Az ellenállás az 10 / 350 ms impulzusáram alatt
Ebben a szakaszban az 10Iimp és az Iimp amplitúdójú 350 / 0.75 ms impulzusáramokat alkalmazzuk az SPD mintákra.
4.1 Az 10 / 350 ms impulzusáram alatt kapott eredmények az 0.75Iimp csúcsával
Mivel a három MOV-típus Iimp-je különbözik, az 10A és a V350 4875A-val amplitúdójú 230 / 275 ms áramot alkalmaznak, és az 4500 A amplitúdójú impulzusokat alkalmazzuk a V460-on. Tizenöt impulzusáram alkalmazása után az UDC1mAand Ur változásait a vizsgált MOV-okon a IV. A ∑E / V az E / V összegzését jelenti az alkalmazott impulzusoknál.
A IV. Táblázatból látható, hogy az 10Iimp csúcsával tizenöt 350 / 0.75 ms áramot alkalmazva a V230 átvihette a tesztet, míg a V1 UDC275mA változása több, mint 5%. A V275 műanyag kapszulájában a duzzanat és a kisebb repedés is megjelent. A V275 fényképe kisebb repedéssel az 4 ábrán látható.
V460 típusú MOV esetén az 10 / 350 ms nyolcadik 4500 / 10 ms impulzusa után az MOV repedt és a mért feszültség és áram hullámformái rendellenesek. Összehasonlításképpen, a V350-on a hetedik és nyolcadik 460 / 5 ms impulzus alatt mért feszültség- és áramhullámok az XNUMX ábrán láthatók.
5. A mért feszültség és áram hullámformák a V460 alatt az 10 / 350 ms impulzus alatt
V230 és V275 esetén ∑E / V az E / V összegzése tizenöt impulzusra. V460 esetén a ∑E / V az E / V összegzése nyolc impulzusra. Megfigyelhető, hogy bár a V460 Ea / V értéke nagyobb, mint a V230 és a V275, a teljes ∑E / Vof V460 a legalacsonyabb. A V460 azonban a legsúlyosabb kárt okozza. Ez azt jelenti, hogy az MOV egység térfogatára az 10 / 350 ms áram alatt az MOV hiba nem kapcsolódik a teljes abszorbeált energiához (∑ E / V), de jobban összefügghet az egyetlen impulzus által elnyelt energiával (Ea / V). ). Megállapítható, hogy az 10 / 350 ms impulzusáram alatt a V230 több impulzust képes ellenállni, mint a V460 típusú MOV-ok. Ez azt jelenti, hogy az alacsonyabb korlátozó feszültségű MOV-ok jobb ellenállóképességgel rendelkeznek az 10 / 350 ms áram alatt, ami ellentétes az 8 / 20 ms impulzusáram következtetésével.
4.2 Az eredmények az 10 / 350 ms impulzusáramnál az Iimp csúcsával
Amikor az 10 / 350 ms áram amplitúdója Iimp-re növekszik, az összes vizsgált MOV nem tudott tizenöt impulzust átadni. Az Iimp amplitúdójú 10 / 350 ms impulzusáramok eredményeit az V. TÁBLÁZAT mutatja, ahol az „ellenállási impulzusszám” azt az impulzusmennyiséget jelenti, amelyet az MOV ellenállhat a repedés előtt.
Az V. táblázatból látható, hogy az 230 J / cm122.09 Ea / V-vel rendelkező V3 ellenállhatott nyolc 10 / 350 ms impulzusnak, míg az 460 J / cm161.09 V3 és Ea / V között csak három impulzus léphetett át, bár a csúcsáram a A V230 (6500 A) magasabb, mint a V460 (6000 A) esetében. Ez igazolja azt a következtetést, hogy a nagy korlátozó feszültségű MOV-ok könnyebben megsérülhetnek az 10 / 350 ms áram alatt. Ez a jelenség az alábbiak szerint magyarázható: az 10 / 350 ms áram által szállított nagy energia felszívódik a MOV-okba. Az 10 / 350 ms áram alatt magas korlátozó feszültségű MOV-oknál sokkal több energia fog felszívódni az MOV egység térfogatában, mint az alacsony korlátozó feszültségű MOV-okban, és a túlzott energiaelnyelés MOV-meghibásodáshoz vezet. Azonban az 8 / 20 ms áram alatt lévő meghibásodási mechanizmusnak további vizsgálatra van szüksége.
A vizuális ellenőrzés azt mutatja, hogy ugyanazt a károsodási formát az 10 / 350 ms áram alatt lévő három típusú MOV-ban figyelték meg. Az MOV műanyag burkolatának egyik oldala és a téglalap alakú elektróda lemez leválik. A ZnO-anyag ablációja az elektróda lap közelében jelenik meg, amit az MOV-elektród és a ZnO-felület közötti villanás okoz. A sérült V230 fényképe az 6 ábrán látható.
5. Következtetés
Az SPD-ket impulzus kisülési áram alatt kell vizsgálni, főként az 8 / 20 ms és az 10 / 350 ms hullámalakjaival. Az SPD-k ellenállóképességének vizsgálata és összehasonlítása az 8 / 20 ms és az 10 / 350 ms impulzusáramok során több kísérletet végeznek az 8 / 20 ms (Imax) és az 10 / 350 ms (Iimp) hullámforma maximális kisülési áramával , valamint az 0.75Imax és az 0.75Iimp amplitúdói. Az I. osztályba tartozó SPD-khez használt tipikus MOV-ok három típusát használják elemzésre. Néhány következtetés levonható.
(1) A magasabb korlátozó feszültségű MOV-ok jobban ellenállnak az 8 / 20ms impulzusáramnak. A V230 és a V275 típusú MOV-ok nem tudtak ellenállni tizenöt 8 / 20ms impulzusnak az Imax csúcsával, míg a V460 típus MOV húsz impulzust tudott átadni.
(2) Az alacsonyabb korlátozó feszültségű MOV-ok jobban ellenállnak az 10 / 350 ms áram alatt. A V230 típusú MOV ellenállhatott nyolc 10 / 350 ms impulzusnak az Iimp csúcsával, míg a V460 csak három impulzust tudott átadni.
(3) Az 10 / 350 ms áram alatt az MOV egység térfogatát figyelembe véve, az egyetlen impulzusban felszívódó energia az MOV hibájához kapcsolódhat, az összes alkalmazott impulzus elnyelt energia összegzése helyett.
(4) Ugyanaz a sérülésforma figyelhető meg háromféle MOV típuson az 10 / 350 ms áramok alatt. Az MOV műanyag burkolatának egyik oldala és a téglalap alakú elektróda lemez leválik. A ZnO-anyag ablációja az elektróda és a ZnO-felület közötti átáramlás következtében az MOV-elektród közelében volt.