Surge protective devices (SPDs) harus diuji di bawah arus pelepasan impuls terutama dengan bentuk gelombang 8 / 20 ms dan 10 / 350 ms. Namun, dengan peningkatan produk SPD, kinerja dan kemampuan menahan SPD di bawah arus tes standar seperti itu perlu penyelidikan lebih lanjut. Untuk menyelidiki dan membandingkan kemampuan menahan SPD di bawah arus impuls 8 / 20 ms dan 10 / 350 ms, percobaan dilakukan pada tiga jenis varistor logam-oksida logam (MOV) khas yang digunakan untuk SPD kelas I. Hasil penelitian menunjukkan bahwa MOV dengan tegangan pembatas yang lebih tinggi memiliki kemampuan menahan yang lebih baik di bawah arus impuls 8 / 20ms, sedangkan kesimpulannya di bawah impuls arus 10 / 350ms berlawanan. Di bawah arus 10 / 350 ms, kegagalan MOV terkait dengan energi yang diserap per satuan volume di bawah impuls tunggal. Retak adalah bentuk kerusakan utama di bawah arus 10 / 350ms, yang dapat digambarkan sebagai satu sisi enkapsulasi plastik MOV dan lembar elektroda mengelupas. Ablasi bahan ZnO, yang disebabkan oleh flashover antara lembar elektroda dan permukaan ZnO, muncul di dekat elektroda MOV.
Perangkat pelindung lonjakan arus (SPD) yang terhubung ke sistem daya tegangan rendah, telekomunikasi dan jaringan sinyal diharuskan diuji berdasarkan persyaratan standar IEC dan IEEE [1-5]. Mempertimbangkan lokasi dan kemungkinan arus pencahayaan yang mungkin diderita, SPD semacam itu harus diuji di bawah arus pelepasan impuls terutama dengan bentuk gelombang 8 / 20 ms dan 10 / 350 ms [4-6]. Bentuk gelombang saat ini dari 8 / 20 ms biasanya digunakan untuk mensimulasikan impuls petir [6-8]. Arus luahan nominal (Dalam) dan arus luahan maksimum (Imax) SPD keduanya didefinisikan dengan arus impuls 8 / 20 ms [4-5]. Selain itu, impuls arus 8 / 20 ms banyak digunakan untuk tegangan sisa SPD dan tes tugas pengoperasian [4]. 10 / 350ms arus impuls biasanya digunakan untuk mensimulasikan arus sambaran petir langsung [7-10]. Bentuk gelombang ini memenuhi parameter untuk arus pelepasan impuls untuk uji SPD kelas I, yang terutama digunakan untuk uji tugas tambahan untuk SPD kelas I [4]. Selama pengujian tipe [4-5], jumlah arus impuls diperlukan untuk diterapkan pada SPD. Sebagai contoh, lima belas arus impuls 8 / 20 ms dan lima impuls arus 10 / 350 ms diperlukan untuk uji tugas pengoperasian untuk SPD kelas I [4]. Namun, dengan peningkatan produk SPD, kinerja dan kemampuan menahan SPD di bawah arus tes standar seperti itu perlu penyelidikan lebih lanjut. Penelitian sebelumnya biasanya berkonsentrasi pada kinerja MOV di bawah beberapa arus impuls 8 / 20 ms [11-14], sementara kinerja saat impuls berulang 10 / 350 ms belum diselidiki secara menyeluruh. Selain itu, SPD kelas I, dipasang pada titik-titik paparan tinggi pada bangunan dan sistem distribusi, lebih rentan terhadap sambaran petir [15-16]. Oleh karena itu, kinerja dan kemampuan menahan SPD kelas I di bawah 8 / 20 ms dan arus impuls 10 / 350 ms diperlukan untuk diselidiki. Makalah ini secara eksperimental menyelidiki kemampuan menahan SPD kelas I di bawah arus impuls 8 / 20 ms dan 10 / 350 ms. Tiga jenis MOV khas yang digunakan untuk SPD kelas I diadopsi untuk analisis. Amplitudo saat ini dan jumlah impuls disesuaikan untuk beberapa percobaan. Perbandingan dilakukan pada kemampuan menahan MOVs di bawah dua jenis arus impuls. Mode kegagalan sampel MOV yang gagal setelah tes juga dianalisis.
Tiga jenis MOV khas yang digunakan untuk SPD kelas I diadopsi dalam percobaan. Untuk setiap jenis MOV, sampel 12 yang dibuat oleh EPCOS diadopsi dalam empat jenis percobaan. Parameter dasar mereka ditunjukkan pada TABEL I, di mana Dalam mewakili arus luahan nominal MOV di bawah impuls 8 / 20µs, Imax mewakili arus luahan maksimum di bawah impuls 8 / 20µs, Iimp mewakili arus luahan maksimum di bawah impuls 10 / 350µs, impuls UDC1mA mewakili Tegangan MOV diukur di bawah arus DC 1 mA, Ur mewakili tegangan sisa MOV di bawah In.
Gambar. 1 menunjukkan generator arus impuls yang dapat disesuaikan dengan output 10 / 350 ms dan 8 / 20 ms impuls arus. Koil Pearson diadopsi untuk mengukur arus impuls pada MOV yang diuji. Pembagi tegangan dengan rasio 14.52 digunakan untuk mengukur tegangan sisa. Osiloskop digital TEK DPO3014 diadopsi untuk merekam bentuk gelombang eksperimental.
Menurut standar uji SPD [4], amplitudo yang diadopsi untuk 8 / 20 ms saat ini termasuk 30kA (0.75Imax) dan 40kA (Imax). Amplitudo yang diadopsi untuk 10 / 350 ms saat ini termasuk 0.75Iimp dan Iimp. Rujukan ke tes tugas pengoperasian untuk MOV [4], lima belas impuls 8 / 20ms diterapkan pada sampel MOV, dan interval antara impuls adalah 60 s. Oleh karena itu, diagram alur prosedur eksperimental ditunjukkan pada Gambar. 2.
Prosedur eksperimental dapat digambarkan sebagai:
(1) Pengukuran awal: Sampel MOV dikarakterisasi dengan UDC1mA, Ur, dan foto-foto pada awal percobaan.
(2) Menerapkan lima belas impuls: Sesuaikan generator arus impuls untuk menghasilkan arus impuls yang diminta. Lima belas impuls dengan interval 60 diterapkan pada sampel MOV berturut-turut.
(3) Catat bentuk gelombang yang diukur dari arus dan tegangan MOV setelah setiap aplikasi impuls.
(4) Inspeksi visual dan pengukuran setelah pengujian. Periksa permukaan MOV untuk mengetahui apakah ada tusukan atau flashover. Ukur UDC1mA dan Ur setelah tes. Ambil foto MOV yang rusak setelah tes. Kriteria kelulusan untuk percobaan, menurut IEC 61643-11 [4], mensyaratkan bahwa catatan voltase dan arus, bersama-sama dengan inspeksi visual, tidak boleh menunjukkan indikasi tusukan atau flashover sampel. Selain itu, IEEE Std. C62.62 [5] menyarankan Ur yang diukur posttest (tegangan sisa MOV pada In) tidak boleh menyimpang lebih dari 10% dari Ur pretest yang diukur. Std. IEC 60099-4 [17] juga mensyaratkan bahwa UDC1mA tidak boleh menyimpang lebih dari 5% setelah tes impuls.
- Kemampuan menahan di bawah 8 / 20 ms impuls saat ini
Pada bagian ini, arus impuls 8 / 20 ms dengan amplitudo 0.75Imax dan Imax masing-masing diterapkan pada sampel SPD. Rasio perubahan untuk posttest diukur UDC1mA dan Ur didefinisikan sebagai:
di mana, Ucr mewakili rasio perubahan dari nilai yang diukur. Uat mewakili nilai yang diukur setelah tes. Ubt mewakili nilai yang diukur sebelum tes.
3.1 Hasil di bawah impuls arus 8 / 20 ms dengan puncak 0.75Imax
Hasil pengujian untuk tiga jenis MOV di bawah lima belas arus impuls 8 / 20 ms dengan puncak 0.75Imax (30 kA) ditunjukkan pada TABEL II. Hasil untuk setiap jenis MOV adalah rata-rata dari tiga sampel yang sama.
TABEL II
Hasil di bawah arus impuls 8 / 20 ms dengan puncak 30 kA
Dapat dilihat dari TABLEII bahwa setelah lima belas impuls 8 / 20 ms telah diterapkan pada MOV, perubahan UDC1mA dan Ur kecil. "Lulus" untuk inspeksi visual berarti tidak ada kerusakan yang terlihat pada MOV yang diuji. Selain itu, dapat diamati bahwa dengan meningkatnya tegangan membatasi MOV, UCR menjadi lebih kecil. Seperti UCR adalah yang terkecil untuk MOV tipe V460. Dapat disimpulkan bahwa ketiga jenis MOVs semua bisa melewati lima belas 8 / 20 ms impuls dengan 30 kA peak.
3.2 Hasil di bawah impuls arus 8 / 20 ms dengan puncak Imax
Mempertimbangkan hasil percobaan di atas, amplitudo arus 8 / 20 ms meningkat menjadi 40 kA (Imax). Selain itu, jumlah impuls meningkat menjadi dua puluh untuk V460 tipe MOV. Hasil percobaan ditunjukkan pada TABEL III. Untuk membandingkan penyerapan energi pada tiga jenis MOV, Ea / V digunakan untuk mewakili energi yang diserap per satuan volume dengan rata-rata lima belas atau dua puluh impuls. Di sini, “rata-rata” dipertimbangkan karena penyerapan energi dalam MOVs sedikit berbeda di bawah setiap dorongan.
TABEL III
Hasil di bawah arus impuls 8 / 20 ms dengan puncak 40 kA
Dapat diamati dari TABEL III bahwa ketika amplitudo saat ini dinaikkan menjadi 40 kA, UCR untuk UDC1mA menyimpang lebih dari 5% untuk V230 dan V275, meskipun perubahan tegangan sisa MOV masih dalam kisaran efektif 10%. Inspeksi visual juga tidak menunjukkan kerusakan yang terlihat pada MOV yang diuji. Untuk MOVs tipe V230 dan V275, Ea / V berarti energi yang diserap per satuan volume dengan rata-rata lima belas impuls. Ea / V untuk V460 mewakili energi yang diserap per satuan volume dengan rata-rata dua puluh impuls. TABEL III menunjukkan bahwa MOV dengan tegangan pembatas yang lebih tinggi (V460) memiliki Ea / V yang lebih besar daripada MOV dengan tegangan pembatas yang lebih rendah (V275 dan V230). Selain itu, dengan arus impuls berulang kali diterapkan pada V460, energi yang diserap per satuan volume (E / V) meningkat secara bertahap, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3.
Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa MOV tipe V230 dan V275 tidak dapat menahan impuls arus 8 / 20ms lima belas dengan puncak Imax, sedangkan MOV tipe V460 dapat menahan arus keluaran maksimum hingga impuls 20. Ini berarti bahwa MOV dengan tegangan pembatas yang lebih tinggi memiliki kemampuan menahan yang lebih baik di bawah arus impuls 8 / 20ms.
4. Kemampuan menahan di bawah impuls arus 10 / 350 ms
Pada bagian ini, arus impuls 10 / 350 ms dengan amplitudo 0.75Iimp dan Iimp diterapkan pada masing-masing sampel SPD.
4.1 Hasil di bawah impuls arus 10 / 350 ms dengan puncak 0.75Iimp
Karena Iimp dari ketiga jenis MOV berbeda, arus 10 / 350 ms dengan amplitudo 4875A diterapkan pada V230 dan V275, dan impuls dengan amplitudo 4500 A diterapkan pada V460. Setelah menerapkan lima belas arus impuls, perubahan untuk UDC1mA dan Ur pada MOV yang diuji ditunjukkan pada TABEL IV. ∑E / V berarti penjumlahan dari E / V untuk impuls yang diterapkan.
Dapat dilihat dari TABEL IV bahwa setelah menerapkan arus 10 / 350 ms lima belas dengan puncak 0.75Iimp, V230 dapat lulus tes, sedangkan perubahan untuk UDC1mA dari V275 menyimpang lebih dari 5%. Pembengkakan dan retakan minor juga muncul pada enkapsulasi plastik V275. Foto V275 dengan celah kecil ditunjukkan pada Gambar. 4.
Untuk tipe V460 MOV, setelah impuls 10 / 350 ms kedelapan dengan puncak 4500A diterapkan, MOV retak dan tegangan yang diukur serta bentuk gelombang saat ini tidak normal. Sebagai perbandingan, tegangan yang diukur dan bentuk gelombang saat ini di bawah impuls 10 / 350 ketujuh dan kedelapan pada V460 ditunjukkan pada Gambar. 5.
Fig. 5. Tegangan yang diukur dan bentuk gelombang saat ini pada V460 di bawah impuls 10 / 350 ms
Untuk V230 dan V275, ∑E / V adalah penjumlahan dari E / V untuk lima belas impuls. Untuk V460, ∑E / V adalah penjumlahan dari E / V untuk delapan impuls. Dapat diamati bahwa meskipun Ea / V dari V460 lebih tinggi dari V230 dan V275, total ∑E / Vof V460 adalah yang terendah. Namun, V460 mengalami kerusakan paling serius. Ini berarti bahwa untuk volume unit MOV, kegagalan MOV di bawah 10 / 350 ms saat ini tidak terkait dengan total energi yang diserap (∑ E / V), tetapi mungkin lebih terkait dengan energi yang diserap dalam impuls tunggal (Ea / V ). Dapat disimpulkan bahwa di bawah arus impuls 10 / 350 ms, V230 dapat menahan lebih banyak impuls daripada MOV tipe V460. Ini berarti bahwa MOV dengan tegangan pembatas yang lebih rendah memiliki kemampuan menahan yang lebih baik di bawah arus 10 / 350 ms, yang berlawanan dengan kesimpulan di bawah arus impuls 8 / 20 ms.
4.2 Hasil di bawah impuls arus 10 / 350 ms dengan puncak Iimp
Ketika amplitudo arus 10 / 350 ms meningkat menjadi Iimp, semua MOV yang diuji tidak dapat melewati lima belas impuls. Hasil di bawah arus impuls 10 / 350 ms dengan amplitudo Iimp ditunjukkan dalam TABEL V, di mana “Menahan nomor impuls” berarti jumlah impuls yang dapat ditahan MOV sebelum retak.
Dapat diamati dari TABEL V bahwa V230 dengan Ea / V dari 122.09 J / cm3 dapat menahan delapan impuls 10 / 350 ms sementara V460dengan Ea / V dari 161.09 J / cm3 hanya dapat melewati tiga impuls, meskipun puncak saat ini diadopsi untuk V230 (6500 A) lebih tinggi dari itu untuk V460 (6000 A). Ini memvalidasi kesimpulan bahwa MOV dengan tegangan pembatas tinggi lebih mudah rusak di bawah arus 10 / 350 ms. Fenomena ini dapat dijelaskan sebagai: energi besar yang dibawa oleh 10 / 350 ms saat ini akan diserap dalam MOVs. Untuk MOV dengan tegangan pembatas tinggi di bawah arus 10 / 350 ms, jauh lebih banyak energi akan diserap dalam volume unit MOV daripada di MOV dengan tegangan pembatas rendah, dan penyerapan energi yang berlebihan akan menyebabkan kegagalan MOV. Namun, mekanisme kegagalan di bawah 8 / 20 ms saat ini perlu penyelidikan lebih lanjut.
Inspeksi visual menunjukkan bahwa bentuk kerusakan yang sama diamati pada tiga jenis MOV di bawah arus 10 / 350 ms. Satu sisi enkapsulasi plastik MOV dan lembar elektroda persegi panjang terkelupas. Ablasi bahan ZnO muncul di dekat lembar elektroda, yang disebabkan oleh flashover antara elektroda MOV dan permukaan ZnO. Foto V230 yang rusak ditunjukkan pada Gambar. 6.
5. Kesimpulan
SPD harus diuji di bawah arus pelepasan impuls terutama dengan bentuk gelombang 8 / 20 ms dan 10 / 350 ms. Untuk menyelidiki dan membandingkan kemampuan menahan SPD di bawah arus impuls 8 / 20 ms dan 10 / 350 ms, beberapa percobaan dilakukan dengan arus luahan maksimum untuk gelombang 8 / 20 ms (Imax) dan 10 / 350 ms (Iimp) , serta amplitudo 0.75Imax dan 0.75Iimp. Tiga jenis MOV khas yang digunakan untuk SPD kelas I diadopsi untuk analisis. Beberapa kesimpulan bisa ditarik.
(1) MOV dengan tegangan pembatas yang lebih tinggi memiliki kemampuan menahan yang lebih baik di bawah arus impuls 8 / 20ms. MOV tipe V230 dan V275 tidak dapat menahan lima belas impuls 8 / 20ms dengan puncak Imax, sedangkan MOV tipe V460 dapat melewati dua puluh impuls.
(2) MOV dengan voltase pembatas yang lebih rendah memiliki kemampuan menahan yang lebih baik di bawah arus 10 / 350 ms. V230 tipe MOV dapat menahan delapan impuls 10 / 350 ms dengan puncak Iimp, sedangkan V460 hanya bisa melewatkan tiga impuls.
(3) Mempertimbangkan volume unit MOV di bawah arus 10 / 350 ms, energi yang diserap di bawah impuls tunggal mungkin terkait dengan kegagalan MOV, alih-alih penjumlahan energi yang diserap di bawah semua impuls yang diterapkan.
(4) Bentuk kerusakan yang sama diamati pada tiga jenis MOV di bawah arus 10 / 350 ms. Satu sisi enkapsulasi plastik MOV dan lembar elektroda persegi panjang terkelupas. Ablasi bahan ZnO, yang disebabkan oleh flashover antara lembar elektroda dan permukaan ZnO, muncul di dekat elektroda MOV.