Overspanningsbeveiligingsinrichtingen (SPD's) moeten worden getest onder impulsafvoerstromen hoofdzakelijk met golfvormen van 8 / 20 ms en 10 / 350 ms. Met de verbetering van SPD-producten is echter meer onderzoek nodig naar de prestaties en bestand zijn tegen SPD's onder dergelijke standaard teststromen. Om het weerstandsvermogen van SPD's onder 8 / 20 ms en 10 / 350 ms-impulsstromen te onderzoeken en te vergelijken, worden experimenten uitgevoerd op drie typen typische metaal-oxide varistoren (MOV's) die worden gebruikt voor klasse I-SPD's. De resultaten tonen aan dat de MOV's met hogere limietspanning beter bestand zijn tegen vermogen onder 8 / 20ms-impulstransmissie, terwijl de conclusie onder 10 / 350ms-impulsstroom tegengesteld is. Onder 10 / 350 ms stroom, heeft de MOV-storing te maken met de geabsorbeerde energie per volume-eenheid onder een enkele impuls. Crack is de belangrijkste vorm van schade onder de stroom van 10 / 350ms, die kan worden omschreven als één kant van de inkapseling van MOV-plastic en het afpellen van de elektrodeplaat. Ablatie van het ZnO-materiaal, veroorzaakt door de flashover tussen de elektrodevel en het ZnO-oppervlak, verscheen in de buurt van de MOV-elektrode.

1. Inleiding

Overspanningsbeveiligingsapparaten (SPD's) die zijn aangesloten op laagspanningssystemen, telecommunicatie- en signaalnetwerken moeten worden getest volgens de vereisten van IEC- en IEEE-normen [1-5]. Gezien de locatie en de mogelijke verlichtingsstroom die het kan lijden, moeten dergelijke SPD's worden getest onder impulsontlaadstromen, voornamelijk met golfvormen van 8 / 20 ms en 10 / 350 ms [4-6]. De huidige golfvorm van 8 / 20 ms wordt vaak gebruikt om de blikseminslag [6-8] te simuleren. De nominale ontlaadstroom (In) en de maximale ontlaadstroom (Imax) van SPD's worden beide gedefinieerd met de 8 / 20 ms-impulstroom [4-5]. Bovendien wordt de huidige stroomstoot van de 8 / 20 ms op grote schaal gebruikt voor tests van de SPD-restspanning en werkbelasting [4]. 10 / 350ms Impulstrans wordt meestal gebruikt om de directe bliksemstroom van de retaislag [7-10] te simuleren. Deze golfvorm voldoet aan de parameters voor de impulsafvoerstroom voor klasse I SPD-test, die speciaal wordt gebruikt voor de extra dienstentest voor klasse I SPD's [4]. Tijdens de typetests [4-5] moet het opgegeven aantal impulstranspanningen worden toegepast op SPD's. Bijvoorbeeld, vijftien 8 / 20 ms-stromen en vijf 10 / 350 ms-impulsstromen zijn vereist voor de werkingstest voor klasse I SPD's [4]. Met de verbetering van SPD-producten is echter meer onderzoek nodig naar de prestaties en bestand zijn tegen SPD's onder dergelijke standaard teststromen. Eerder onderzoek concentreerde zich meestal op de MOV-prestaties onder meerdere 8 / 20 ms-impulsstroom [11-14], terwijl de prestaties onder herhaalde pulsen van 10 / 350 ms niet grondig werden onderzocht. Bovendien zijn de SPD's van klasse I, geïnstalleerd op de plaatsen met hoge blootstelling in gebouwen en distributiesystemen, kwetsbaarder voor blikseminslag [15-16]. Daarom zijn de prestaties en bestendigheid van klasse I-SPD's onder 8 / 20 ms en 10 / 350 ms-impulsstromen noodzakelijk om te worden onderzocht. Dit artikel onderzoekt experimenteel het weerstandskarakter van klasse I-SPD's onder 8 / 20 ms en 10 / 350 ms-impulsstromen. Drie typen van typische MOV's die worden gebruikt voor klasse I SPD's worden gebruikt voor analyse. De huidige amplitude en het aantal impulsen worden aangepast voor verschillende experimenten. Vergelijking wordt uitgevoerd op de weerstandsmogelijkheden van MOV's onder de twee soorten impulstransities. De storingsmodus van de MOV-samples die na tests mislukten, wordt ook geanalyseerd.

2. Lay-out van het experiment

Drie typen van typische MOV's die worden gebruikt voor klasse I SPD's worden in de experimenten gebruikt. Voor elk type MOV's worden 12-samples gemaakt door EPCOS onder vier soorten experimenten gebruikt. Hun basisparameters worden getoond in TABEL I, waarin In de nominale ontlaadstroom van MOV's voorstelt onder impuls van 8 / 20μs, Imax de maximale ontlaadstroom onder impuls van 8 / 20μ vertegenwoordigt, Iimp de maximale ontlaadstroom onder impuls van 10 / 350μ vertegenwoordigt, UDC1mA representeren de MOV-spanning gemeten onder 1 mA DC-stroom, Ur vertegenwoordigt de MOV-restspanning onder In.

Fig. 1 toont de impulsstroomgenerator die kan worden aangepast om 10 / 350-ms en 8 / 20-masters huidige impulsen af ​​te geven. De Pearson-spoel wordt gebruikt om de impulsstromen op de geteste MOV's te meten. De spanningsdeler met de verhouding 14.52 wordt gebruikt om de resterende spanningen te meten. De digitale oscilloscoop van TEK DPO3014 wordt gebruikt om de experimentele golfvormen vast te leggen.

Volgens de SPD-teststandaard [4], omvatten de aangenomen amplitudes voor 8 / 20 ms huidige 30kA (0.75Imax) en 40kA (Imax). De amplitudes die worden gebruikt voor de 10 / 350 ms-stroom omvatten 0.75Iimp en Iimp. Verwijzing naar de werkingstest voor MOV's [4], vijftien 8 / 20ms-impulsen worden toegepast op MOV-samples en het interval tussen impulsen is 60 s. Daarom wordt het stroomdiagram van de experimentele procedure getoond in Fig. 2.

De experimentele procedure kan worden beschreven als:

(1) Initiële metingen: de MOV-samples worden gekenmerkt met UDC1mA, Ur en foto's aan het begin van experimenten.

(2) Pas vijftien impulsen toe: Pas de impulsstroomgenerator aan om de gevraagde impulstrest uit te voeren. Vijftien impulsen met een interval van 60 s worden achtereenvolgens op het MOV-sample toegepast.

(3) Noteer de gemeten golfvormen van de MOV-stromen en -spanningen na elke impulsaanvraag.

(4) Visuele inspectie en metingen na de tests. Controleer het oppervlak van de MOV op punctuur of flashover. Meet de UDC1mA en de Ur na de tests. Maak foto's van de beschadigde MOV's na tests. De passcriteria voor de experimenten, volgens IEC 61643-11 [4], vereisen dat zowel de spanning- als de stroomregistratie, samen met een visuele inspectie, geen indicatie van lekke band of vlamoverslag van de monsters zullen vertonen. Bovendien heeft de IEEE Std. C62.62 [5] stelde voor dat de posttest gemeten Ur (MOV-restspanningen bij In) niet meer dan 10% zal afwijken van de voormeting gemeten Ur. The Std. IEC 60099-4 [17] vereist ook dat de UDC1mA na de impulstests niet meer dan 5% mag afwijken.

  1. De bestendige mogelijkheid onder 8 / 20 ms impulsstroom

In dit gedeelte worden de 8 / 20 ms-impulsstromen met amplituden van 0.75Imax en Imax respectievelijk op de SPD-monsters toegepast. De veranderingsverhouding voor de na de test gemeten UDC1mA en de Ur wordt gedefinieerd als:

waar, Ucr staat voor de veranderingsverhouding van de gemeten waarden. Uat vertegenwoordigt de waarde gemeten na de tests. Ubt vertegenwoordigt de waarde die vóór tests is gemeten.

3.1 De resultaten onder impulsen van 8 / 20 ms met piek van 0.75Imax

De testresultaten voor drie soorten MOV's onder vijftien 8 / 20 ms-impulsstromen met piek van 0.75Imax (30 kA) worden getoond in TABEL II. Het resultaat voor elk type MOV is het gemiddelde van drie dezelfde samples.

TABEL II

Resultaten onder pulstreinen van 8 / 20 ms met 30 kA-piek

Uit TABLEII is te zien dat na vijftien 8 / 20 ms-impulsen op de MOV's zijn toegepast, de veranderingen in UDC1mA en Ur minimaal zijn. De "Pass" voor visuele inspectie betekent geen zichtbare schade op de geteste MOV's. Bovendien kan worden opgemerkt dat met de toename van de MOV-beperkende spanning de Ucr kleiner wordt. Zoals de UR is de kleinste voor V460 type MOV. Geconcludeerd kan worden dat de drie typen MOV's allemaal de vijftien 8 / 20-ms-impulsen met de 30 kA-piek kunnen doorstaan.

3.2 De resultaten onder impulsen van 8 / 20 ms met piek van Imax

Rekening houdend met de bovenstaande experimentele resultaten, wordt de amplitude van de 8 / 20 ms-stroom verhoogd tot 40 kA (Imax). Bovendien wordt het aantal impulsen verhoogd tot twintig voor V460 type MOV. De experimentele resultaten worden getoond in TABEL III. Om de energieabsorptie in de drie typen MOV's te vergelijken, wordt Ea / V gebruikt om de opgenomen energie per volume-eenheid weer te geven voor het gemiddelde van vijftien of twintig impulsen. Hier wordt het "gemiddelde" beschouwd omdat de energieabsorptie in MOV's onder elke impuls enigszins anders is.

TABEL III

Resultaten onder pulstreinen van 8 / 20 ms met 40 kA-piek

Uit TABEL III kan worden opgemaakt dat wanneer de stroomamplitude wordt verhoogd tot 40 kA, de Ucr voor UDC1mA meer afwijkt dan 5% voor V230 en V275, hoewel de verandering van de resterende MOV-spanning nog steeds binnen het effectieve bereik van 10% ligt. De visuele inspectie vertoont ook geen zichtbare schade op de geteste MOV's. Voor MOVX V230 en V275 type betekent de Ea / V de geabsorbeerde energie per volume-eenheid met een gemiddelde van vijftien impulsen. De Ea / V voor V460 vertegenwoordigt de opgenomen energie per volume-eenheid met gemiddeld twintig impulsen. TABEL III laat zien dat de MOV's met hogere limietspanning (V460) een grotere Ea / V hebben dan de MOV's met een lagere grensspanning (V275 en V230). Bovendien neemt, met de herhaaldelijk toegepaste impulsstroom op de V460, de geabsorbeerde energie per volume-eenheid (E / V) geleidelijk toe, zoals getoond in Fig. 3.

Daarom kan worden geconcludeerd dat de MOV's van het type V230 en V275 niet bestand zijn tegen vijftien 8 / 20ms huidige impulsen met piek van Imax, terwijl het V460-type MOV bestand was tegen de maximale ontlaadstroom tot 20-impulsen. Dit betekent dat de MOV's met hogere limietspanning beter bestand zijn tegen vermogen onder 8 / 20ms-impulstransmissie.

4. De bestandheid tegen weer onder impuls van de 10 / 350 ms-impulsen

In deze sectie worden de 10 / 350 ms-impulsstromen met amplituden van 0.75Iimp en Iimp toegepast op de SPD-monsters respectievelijk.

4.1 De resultaten onder impulsen van 10 / 350 ms met piek van 0.75Iimp

Omdat de IPS van de drie typen MOV's verschillend zijn, worden 10 / 350 MS-stromen met amplitude van 4875A toegepast op V230 en V275, en impulsen met amplitude van 4500 A worden toegepast op V460. Na het toepassen van vijftien impulsstromen worden de veranderingen voor UDC1mA en Ur op de geteste MOV's getoond in TABEL IV. De ΣE / V betekent de optelling van E / V voor de toegepaste impulsen.

Uit TABEL IV is te zien dat na toepassing van vijftien 10 / 350 ms-stromen met piek van 0.75Iimp de V230 de test zou kunnen passeren, terwijl de verandering voor UDC1mA van V275 meer dan 5% afwijkt. Zwelling en kleine barsten verschenen ook op de plastic omhulling van V275. De foto van V275 met kleine scheurtjes wordt getoond in Fig. 4.

Voor V460 type MOV wordt na de achtste 10 / 350 ms-impuls met piek van 4500A toegepast, de MOV gekraakt en de gemeten spanning en stroomgolfvormen zijn abnormaal. Ter vergelijking, de gemeten spanning en stroomgolfvormen onder de zevende en achtste 10 / 350 ms-impuls op V460 worden getoond in Fig. 5.

Fig. 5. De gemeten spanning en stroomgolfvormen op V460 onder impuls van 10 / 350 ms

Voor V230 en V275 is ΣE / V de optelling van E / V voor vijftien impulsen. Voor V460 is ΣE / V de optelling van E / V voor acht impulsen. Er kan worden opgemerkt dat, hoewel de Ea / V van V460 hoger is dan die van V230 en V275, de totale ΣE / V van V460 de laagste is. De V460 ondervond echter de grootste schade. Dit betekent dat voor het eenheidvolume van MOV de MOV-fout onder 10 / 350 ms-stroom niet gerelateerd is aan de totale geabsorbeerde energie (Σ E / V), maar mogelijk meer gerelateerd is aan de geabsorbeerde energie onder een enkele impuls (Ea / V) ). Geconcludeerd kan worden dat onder impuls van de 10 / 350 ms de V230 meer impulsen kan weerstaan ​​dan de MOV's van het V460-type. Dit betekent dat de MOV's met lagere begrenzingsspanning beter bestand zijn tegen vermogen onder 10 / 350 ms-stroom, wat tegengesteld is aan de conclusie onder impuls van 8 / 20 ms-impulsen.

4.2 De resultaten onder impulsen van 10 / 350 ms met piek van Iimp

Wanneer de amplitude van de 10 / 350 ms-stroom wordt verhoogd tot Iimp, konden alle geteste MOV's vijftien impulsen niet doorstaan. De resultaten onder impulsstromen van 10 / 350 ms met amplitude van Iimp worden getoond in TABEL V, waar het "bestand is tegen impulsaantal" de impulshoeveelheid is die de MOV kon weerstaan ​​vóór barsten.

Uit tabel V kan worden opgemaakt dat de V230 met Ea / V van 122.09 J / cm3 acht 10 / 350 ms-impulsen kon weerstaan, terwijl de V460 met Ea / V van 161.09 J / cm3 slechts drie impulsen kon passeren, hoewel de piekstroom die is aangenomen voor V230 (6500 A) is hoger dan dat voor V460 (6000 A). Dit bevestigt de conclusie dat de MOV's met hoge begrenzingsspanning gemakkelijker beschadigd kunnen worden onder de stroom van 10 / 350 ms. Dit verschijnsel kan worden verklaard als: de grote energie die wordt gedragen door de stroom van 10 / 350 ms zal worden geabsorbeerd in MOV's. Voor MOV's met een hoge limietspanning onder 10 / 350 ms stroom zal veel meer energie worden geabsorbeerd in het volume van de eenheid van MOV dan dat in de MOV's met lage grensspanning, en de overmatige energieabsorptie zal leiden tot MOV-storing. Het faalmechanisme onder 8 / 20 ms huidige heeft echter meer onderzoek nodig.

Visuele inspectie laat zien dat dezelfde schade-vorm wordt waargenomen bij de drie soorten MOV's onder de stroomsterkte van 10 / 350 ms. De ene kant van de inkapseling van de MOV-kunststof en de rechthoekige elektrodenplaat pellen af. De ablatie van ZnO-materiaal verscheen in de buurt van de elektrodevel, die wordt veroorzaakt door de overslag tussen de MOV-elektrode en het ZnO-oppervlak. De foto van beschadigde V230 wordt getoond in Fig. 6.

5. Conclusie

SPD's moeten worden getest onder impulsontlaadstromen, voornamelijk met golfvormen van 8 / 20 ms en 10 / 350 ms. Om het weerstandsvermogen van SPD's onder 8 / 20 ms en 10 / 350 ms-impulsstromen te onderzoeken en te vergelijken, worden verschillende experimenten uitgevoerd met maximale ontlaadstroom voor 8 / 20 ms (Imax) en 10 / 350 ms (Iimp) golfvorm , evenals amplituden van 0.75Imax en 0.75Iimp. Drie typen van typische MOV's die worden gebruikt voor klasse I SPD's worden gebruikt voor analyse. Sommige conclusies kunnen worden getrokken.

(1) De MOV's met hogere limietspanning zijn beter bestand tegen vermogen onder 8 / 20ms-impulstransmissie. De MOV's van het type V230 en V275 waren niet bestand tegen vijftien 8 / 20ms-impulsen met de piek van Imax, terwijl het V460-type MOV twintig impulsen kon doorgeven.

(2) De MOV's met een lagere limietspanning zijn beter bestand tegen vermogen onder de stroom van 10 / 350 ms. Het V230-type MOV kon acht 10 / 350 ms-impulsen met piek van Iimp weerstaan, terwijl de V460 slechts drie impulsen kon doorstaan.

(3) Gezien het eenheidsvolume van MOV onder de stroomsterkte van 10 / 350 ms, kan de opgenomen energie onder een enkele impuls gerelateerd zijn aan MOV-storing, in plaats van de sommatie van de opgenomen energie onder alle toegepaste impulsen.

(4) Dezelfde vorm van schade wordt waargenomen bij drie soorten MOV's onder stromen van 10 / 350 MS. De ene kant van de inkapseling van de MOV-kunststof en de rechthoekige elektrodenplaat pellen af. Ablatie van het ZnO-materiaal, veroorzaakt door overslag tussen de elektrodevel en het ZnO-oppervlak, verscheen in de buurt van de MOV-elektrode.