サージ保護装置(SPD)は、主に8 / 20 msおよび10 / 350 msの波形で、インパルス放電電流の下で​​テストする必要があります。 しかし、SPD製品の改良に伴い、このような標準テスト電流下でのSPDの性能と耐量についてはさらに調査が必要です。 8 / 20 msおよび10 / 350 msインパルス電流下でのSPDの耐量を調査および比較するために、クラスI SPDに使用される3種類の典型的な金属酸化物バリスタ(MOV)で実験を行います。 結果は、より高い限界電圧を持つMOVは8 / 20msインパルス電流の下で​​より良い耐力を持つが、10 / 350msインパルス電流の下で​​の結論は反対であることを示した。 10 / 350 ms電流下では、MOVの失敗はシングルインパルスの下での単位体積あたりの吸収エネルギーに関連しています。 亀裂は、10 / 350ms電流下での主な損傷形態であり、これはMOVプラスチックカプセル化の片側および電極シートの剥離として説明することができる。 電極シートとZnO表面との間のフラッシュオーバーによって引き起こされるZnO材料の除去は、MOV電極の近くに現れた。

1.はじめに

低電圧電力システム、電気通信および信号ネットワークに接続されたサージ保護装置(SPD)は、IECおよびIEEE規格[1-5]の要件に基づいてテストする必要があります。 発生する可能性がある場所と可能な照明電流を考慮すると、そのようなSPDは主に8 / 20 msと10 / 350 ms [4-6]の波形でインパルス放電電流の下で​​テストされる必要があります。 8 / 20 msの電流波形は、雷インパルスをシミュレートするために一般的に使用されます[6-8]。 SPDの公称放電電流(In)と最大放電電流(Imax)はどちらも8 / 20 msインパルス電流[4-5]で定義されます。 さらに、8 / 20 ms電流インパルスは、SPD残留電圧および動作デューティテストに広く使用されています[4]。 10 / 350msのインパルス電流は通常、直撃雷の戻りストローク電流をシミュレートするために使用されます[7-10]。 この波形は、クラスI SPDテストのインパルス放電電流のパラメータを満たしています。これは、クラスI SPDの追加デューティテスト[4]に特に使用されます。 型式試験[4-5]の間、SPDに印加するために指定された数のインパルス電流が必要とされる。 例えば、15個の8 / 20 ms電流と5個の10 / 350 msインパルス電流は、クラスI SPDの動作デューティテストに必要です[4]。 しかし、SPD製品の改良に伴い、このような標準テスト電流下でのSPDの性能と耐量についてはさらに調査が必要です。 これまでの研究は通常、複数の8 / 20 msインパルス電流下でのMOV性能に集中していました[11-14]が、繰り返し10 / 350 msインパルス電流下での性能は徹底的に調査されていませんでした。 さらに、建築物や配電系統での高曝露の地点に設置されたクラスI SPDは、落雷に対してより脆弱である[15-16]。 したがって、8 / 20 msおよび10 / 350 msインパルス電流の下で​​のクラスI SPDの性能と耐量を調査する必要があります。 本論文は8 / 20 msおよび10 / 350 msインパルス電流の下で​​のクラスI SPDの耐性を実験的に調べた。 分析には、クラスIのSPDに使用される3種類の典型的なMOVが採用されています。 電流振幅とインパルス数はいくつかの実験で調整されます。 2種類のインパルス電流の下で​​のMOVの耐容性について比較を行った。 テスト後に失敗したMOVサンプルの失敗モードも分析されます。

2.実験のレイアウト

実験では、クラスI SPDに使用される3種類の典型的なMOVが採用されています。 MOVの種類ごとに、EPCOS社製の12サンプルを4種類の実験で採用しています。 それらの基本パラメータを表1に示す。ここで、InはXNUMX / XNUMXμsインパルスの下でのMOVの公称放電電流を表し、ImaxはXNUMX / XNUMXμsインパルスの下での最大放電電流を表し、IimpはXNUMX / XNUMXμsインパルスの下での最大放電電流を表す。 8 mA DC電流の下で​​測定されたMOV電圧、UrはInの下のMOV残留電圧を表します。

図1は、10 / 350 msおよび8 / 20 msの電流インパルスを出力するように調整できるインパルス電流発生器を示しています。 ピアソンコイルは、テストされたMOVのインパルス電流を測定するために採用されています。 14.52の比率の分圧器は、残留電圧を測定するために使用されます。 実験波形の記録にはTEK DPO3014のデジタルオシロスコープを採用しています。

SPDテスト規格[4]によると、8 / 20 ms電流に採用される振幅には、30kA(0.75Imax)と40kA(Imax)があります。 10 / 350 ms電流に採用される振幅には、0.75IimpとIimpがあります。 MOVの動作デューティテスト[4]を参照すると、15の8 / 20msインパルスがMOVサンプルに適用され、インパルス間の間隔は60です。 したがって、実験手順のフローチャートを図2に示す。

実験手順は以下のように説明することができる。

(XNUMX)初期測定:MOVサンプルは、実験開始時にUDCXNUMXmA、Ur、および写真で特徴付けられる。

(2)15個のインパルスを適用します。インパルス電流発生器を調整して、要求されたインパルス電流を出力します。 60の間隔で15のインパルスがMOVサンプルに連続して適用されます。

(3)各インパルス印加後のMOV電流と電圧の測定波形を記録します。

(4)検査後の目視検査および測定。 MOVの表面にパンクやフラッシュオーバーがないか確認してください。 テスト後にUDC1mAとUrを測定します。 テスト後に損傷したMOVの写真を撮ります。 IEC 61643-11 [4]に従った実験の合格基準は、目視検査と一緒に、電圧記録と電流記録の両方が、サンプルの破壊またはフラッシュオーバーの兆候を示さないことを要求しています。 さらに、IEEE Std。 C62.62 [5]は、試験後の測定Ur(InにおけるMOV残留電圧)が試験前の測定Urから10%を超えて逸脱してはならないことを示唆した。 スタンダード IEC 60099-4 [17]はまた、インパルステスト後にUDC1mAが5%を超えて逸脱してはならないことを要求しています。

  1. 8 / 20の下での耐量 ミリ秒インパルス電流

このセクションでは、振幅が8ImaxとImaxの20 / 0.75 msインパルス電流をそれぞれSPDサンプルに適用します。 テスト後の測定値UDC1mAとUrの変化率は、次のように定義されます。

ここで、Ucrは測定値の変化率を表す。 Uatは試験後に測定された値を表す。 Ubtは試験前に測定された値を表す。

3.1 8 / 20ミリ秒インパルス電流と0.75Imaxのピークの結果

XNUMX / max(XNUMX kA)のピークを有する15個のXNUMX / XNUMX msインパルス電流の下で​​の3種類のMOVについての試験結果を表IIに示す。 あらゆる種類のMOVの結果は、3つの同じサンプルの平均です。

表II

8 / 20 msインパルス電流と30 kAピークの結果

表IIから分かるように、15個のXNUMX / XNUMXmsインパルスがMOVに適用された後、UDCXNUMXmAおよびUrの変化はわずかである。 目視検査の「合格」は、テストされたMOVに目に見える損傷がないことを意味します。 さらに、MOV制限電圧の増加と共に、Ucrが小さくなることが観察され得る。 UcrのようなものはV8タイプのMOVのために最も小さいです。 3種類のMOVはすべて、XNUMX kAピークを有する15個のXNUMX / XNUMX msインパルスを通過し得ると結論付けることができる。

3.2 8 / 20ミリ秒インパルス電流、ピークImaxの結果

上記の実験結果を考慮すると、X NUMX / X NUMX ms電流の振幅はX NUMX k A(I max)まで増加する。 さらに、インパルスの数はV8タイプのMOVでは20に増えています。 実験結果を表3に示す。 3つのタイプのMOVにおけるエネルギー吸収を比較するために、Ea / Vを用いて平均15または20インパルスの単位体積当たりの吸収エネルギーを表す。 ここで、「平均」は、MOVのエネルギー吸収が各インパルスの下でわずかに異なるために考慮されます。

表III

8 / 20 msインパルス電流と40 kAピークの結果

表IIIから、MOV残留電圧の変化は依然としてXNUMX%の有効範囲内であるが、電流振幅がXNUMX kAまで増加すると、UDCXNUMXmAに対するUcrは、VXNUMXおよびVXNUMXに対してXNUMX%を超えて逸脱することが分かる。 目視検査でも、テストしたMOVに目に見える損傷はありません。 V40およびV1タイプのMOVの場合、Ea / Vは単位体積あたりの平均吸収エネルギー15個の吸収エネルギーを意味します。 V5のEa / Vは、単位体積あたりの平均吸収エネルギー20インパルスを表します。 表IIIは、より高い制限電圧を有するMOV(VXNUMX)が、より低い制限電圧を有するMOV(VXNUMXおよびVXNUMX)よりも大きいEa / Vを有することを示す。 また、V230に繰り返しインパルス電流を印加すると、図275に示すように、単位体積あたりの吸収エネルギー(E / V)が徐々に増加します。

したがって、VXNUMXおよびVXNUMXタイプのMOVは、Imaxのピークを有する15個のXNUMX / XNUMXms電流インパルスに耐えることができず、一方、VXNUMXタイプのMOVは、最大XNUMXインパルスまでの最大放電電流に耐えることができた。 これは、より高い制限電圧を持つMOVが、230 / 275msのインパルス電流の下で​​より優れた耐性を持つことを意味します。

4 10 / 350 msインパルス電流下での耐量

このセクションでは、振幅が10IimpとIimpの350 / 0.75 msインパルス電流をそれぞれSPDサンプルに適用します。

4.1 10 / 350ミリ秒インパルス電流と0.75Iimpのピークの結果

3種類のMOVのIimpが異なるため、振幅10Aの350 / 4875 ms電流はV230とV275に印加され、振幅4500 AのインパルスはV460に印加されます。 15個のインパルス電流を印加した後、試験したMOVについてのUDCXNUMXmAおよびUrの変化を表IVに示す。 ∑E / Vは、印加されたインパルスに対するE / Vの合計を意味します。

表IVから、ピーク10Iimpで15の350 / 0.75 ms電流を印加した後、V230のUDC1mAの変化が275%を超えて逸脱する一方で、V5は試験に合格することができることが分かる。 V275のプラスチックカプセル封じには、膨潤と小さな亀裂も見られました。 軽い亀裂のあるV275の写真を図4に示します。

V460タイプのMOVでは、10Aのピークを持つ8番目の350 / 4500 msインパルスを適用した後、MOVにクラックが発生し、測定された電圧と電流の波形は異常になります。 比較のために、VXNUMXに対する7番目および8番目のXNUMX / XNUMXミリ秒インパルスの下で測定された電圧および電流波形を図XNUMXに示す。

図5 460 / 10 msインパルスの下でV350で測定された電圧および電流波形

V230とV275の場合、∑E / Vは15回のインパルスに対するE / Vの合計です。 V460の場合、∑E / Vは8つのインパルスに対するE / Vの合計です。 V460のEa / VはV230とV275のEa / Vより高いが、V460の合計ΣE/ Vが最も低いことがわかります。 しかし、V460が最も深刻な被害を受けました。 これは、MOVの単位体積に対して、10 / 350 ms電流の下で​​のMOV破壊は全吸収エネルギー(ΣE / V)とは無関係であるが、単一インパルスの下での吸収エネルギー(E a / V)とより関連があることを意味する) 10 / 350 msインパルス電流下では、V230はV460タイプのMOVよりも多くのインパルスに耐えることができると結論付けることができます。 これは、より低い限界電圧を有するMOVが10 / 350 ms電流の下で​​より良好な耐容性を有することを意味し、これは8 / 20 msインパルス電流の下で​​の結論とは反対である。

4.2 10 / 350ミリ秒インパルス電流のピークでIimpの結果

XNUMX / XNUMX ms電流の振幅がI impまで増加すると、試験された全てのMOVが15のインパルスを通過することができなかった。 振幅I inmpを有するX NUMX / X NUMX msインパルス電流下の結果を表Vに示す。ここで、「インパルス数に耐える」は、MOVが亀裂の前に耐えることができるインパルス量を意味する。

表Vから、XNUMXのEa / VがJ / cmXNUMXであるVXNUMXは8つのXNUMX / XNUMXmsのインパルスに耐えることができるが、ピーク電流はXNUMXのJ / cmXNUMXで3つのインパルスしか通過できないことが分かる。 V230(122.09 A)はV3の場合(10 A)よりも高くなります。 これは、高い制限電圧を持つMOVが350 / 460 ms電流の下で​​はより損傷を受けやすいという結論を裏付けています。 この現象は、次のように説明することができます。161.09 / 3 ms電流によって運ばれる大きなエネルギーは、MOVに吸収されます。 230 / 6500 ms電流下で高い制限電圧を持つMOVの場合、低い制限電圧を持つMOVの場合よりもはるかに多くのエネルギーがMOVの単位体積に吸収され、過度のエネルギー吸収はMOV障害につながります。 ただし、460 / 6000 ms現在の障害メカニズムについては、さらに調査が必要です。

目視検査は、同じ損傷形態がXNUMX / XNUMX ms電流下で3種類のMOV上で観察されることを示す。 MOVプラスチックカプセルの片側と長方形の電極シートが剥がれた。 ZnO材料のアブレーションは電極シートの近くに現れた。これはMOV電極とZnO表面との間のフラッシュオーバーによって引き起こされる。 損傷したV10の写真を図350に示します。

5. まとめ

SPDは、主に8 / 20 msおよび10 / 350 msの波形を使用したインパルス放電電流でテストする必要があります。 8 / 20 msおよび10 / 350 msインパルス電流の下で​​のSPDの耐量を調査および比較するために、8 / 20 ms(Imax)および10 / 350 ms(Iimp)波形の最大放電電流でいくつかの実験を実行します。 0.75Imaxと0.75Iimpの振幅。 分析には、クラスIのSPDに使用される3種類の典型的なMOVが採用されています。 いくつかの結論を引き出すことができます。

(1)より高い制限電圧を持つMOVは、8 / 20msインパルス電流の下で​​より優れた耐性を持っています。 V230およびV275タイプのMOVは、ピークがImaxの15個の8 / 20msインパルスに耐えることができませんでしたが、V460タイプのMOVは20個のインパルスを通過できました。

(2)下限電圧が低いMOVは、10 / 350 msの電流下でより優れた耐性を示します。 V230タイプのMOVは、ピークが1impの8つの10 / 350ミリ秒インパルスに耐えることができましたが、V460は3つのインパルスしか通過できませんでした。

(3)10 / 350 ms電流下でのMOVの単位体積を考慮すると、単一のインパルス下での吸収エネルギーは、すべての印加インパルス下での吸収エネルギーの合計ではなく、MOV破損に関連する可能性があります。

(4)10 / 350 ms電流の下で​​3種類のMOVに同じ損傷形態が観察されます。 MOVプラスチックカプセルの片側と長方形の電極シートが剥がれた。 電極シートとZnO表面との間のフラッシュオーバーによって引き起こされるZnO材料の除去は、MOV電極の近くに現れた。