Overspenningsvernmidler (SPDs) må testes under impulsavladningsstrømmer, hovedsakelig med bølgeformer av 8 / 20 ms og 10 / 350 ms. Imidlertid, med forbedring av SPD-produkter, trenger ytelse og tåleevne av SPD under slike standard teststrømmer mer etterforskning. For å undersøke og sammenligne resistensevnen til SPD under 8 / 20 ms og 10 / 350 ms impulsstrømmer, utføres eksperimenter på tre typer typiske metalloksydvaristorer (MOV) som brukes til klasse I SPDer. Resultatene viser at MOVs med høyere begrensningsspenning bedre tåler kapasitet under 8 / 20ms impulsstrøm, mens konklusjonen under 10 / 350ms impulsstrøm er motsatt. Under 10 / 350 ms strøm, er MOV-feilen relatert til den absorberte energien per volum under en enkelt impuls. Sprekk er hovedskadeformen under 10 / 350ms strøm, som kan beskrives som en side av MOV plastinnkapslingen og elektrodeplaten skiller seg av. Ablation av ZnO-materialet, forårsaket av flashoverflaten mellom elektrodplaten og ZnO-overflaten, dukket opp nær MOV-elektroden.
Overspenningsvernmidler (SPD) som er koblet til lavspenningsanlegg, telekommunikasjon og signalnett, må testes i henhold til kravene i IEC- og IEEE-standarder [1-5]. Med tanke på plasseringen og mulige belysningsstrømmer det kan lide, må slike SPDs testes under impulsavladningsstrømmer, hovedsakelig med bølgeformer av 8 / 20 ms og 10 / 350 ms [4-6]. Den nåværende bølgeformen til 8 / 20 ms brukes ofte til å simulere lynimpulsen [6-8]. Den nominelle utladningsstrømmen (In) og den maksimale utladningsstrømmen (Imax) av SPDs er begge definert med 8 / 20 ms impulsstrømmen [4-5]. Videre er 8 / 20 ms gjeldende impuls mye brukt for SPD residual spenning og driftstest tester [4]. 10 / 350ms impulsstrøm er vanligvis brukt til å simulere direkte blinkerslagstrømmen [7-10]. Denne bølgeformen oppfyller parametrene for impulsutløpsstrømmen for SPD-test i klasse I, som spesielt brukes til tilleggstesttesten for klasse I SPDs [4]. Under type tester [4-5] er det angitt spesifisert antall impulstrømmer som skal gjelde på SPDer. For eksempel er femten 8 / 20 ms strømmer og fem 10 / 350 ms impulsstrømmer kreves for driftstest test for klasse I SPDs [4]. Imidlertid, med forbedring av SPD-produkter, trenger ytelse og tåleevne av SPD under slike standard teststrømmer mer etterforskning. Tidligere undersøkelser konsentreres vanligvis på MOV-ytelsen under flere 8 / 20 ms impulsstrøm [11-14], mens ytelsen under gjentatt 10 / 350 ms impulsstrøm ikke er blitt undersøkt grundig. Videre er klassens SPD-er, installert ved høye eksponering i bygninger og distribusjonssystemer, mer sårbare for lynstropper [15-16]. Derfor er ytelsen og tåleegenskapen til klasse I SPD under 8 / 20 ms og 10 / 350 ms impulsstrømmer nødvendig for å bli undersøkt. Dette papiret undersøker eksperimentelt motstandskapasiteten til klasse I SPDer under 8 / 20 ms og 10 / 350 ms impulsstrømmer. Tre typer typiske MOVer som brukes for SPD-er i klasse I, blir vedtatt for analyse. Den nåværende amplitude og antall impulser justeres for flere eksperimenter. Sammenligning utføres på motstandsevne av MOVs under de to slags impulsstrømmer. Feilmodusen til MOV-prøvene som mislyktes etter testene, analyseres også.
Tre typer typiske MOV'er som brukes for SPD-klasser i klasse I, blir vedtatt i forsøkene. For hver type MOV, blir 12-prøver laget av EPCOS vedtatt under fire typer eksperimenter. De grunnleggende parametrene er vist i tabell I, hvor I representerer den nominelle utladningsstrømmen for MOV under 8 / 20μs impuls, representerer Imax den maksimale utladningsstrømmen under 8 / 20μs impuls, representerer Iimp den maksimale utladningsstrømmen under 10 / 350μs impuls, UDC1mA representerer MOV spenningen målt under 1 mA DC strøm, Ur representerer MOV residual spenning under In.
Fig. 1 viser impulsstrømgeneratoren som kan justeres for å utføre 10 / 350 ms og 8 / 20 ms strømimpulser. Pearson-spolen er vedtatt for å måle impulsstrømmene på de testede MOV-ene. Spenningsdeleren med forholdet 14.52 brukes til å måle gjenværende spenninger. Det digitale oscilloskopet til TEK DPO3014 er vedtatt for å registrere de eksperimentelle bølgeformene.
I henhold til SPD teststandarden [4], inkluderer amplitudene som er vedtatt for 8 / 20 ms strøm, 30kA (0.75Imax) og 40kA (Imax). Amplitudene vedtatt for 10 / 350 ms strøm inkluderer 0.75Iimp og Iimp. Henvisning til driftstest for MOVs [4], femten 8 / 20ms impulser blir brukt på MOV-prøver, og intervallet mellom impulser er 60 s. Derfor er flytskjemaet for den eksperimentelle prosedyren vist i figur 2.
Den eksperimentelle prosedyren kan beskrives som:
(1) Første målinger: MOV-prøvene er karakterisert med UDC1mA, Ur, og fotografier i begynnelsen av forsøkene.
(2) Bruk femten impulser: Juster impulsstrømgeneratoren for å utføre den krevde impulsstrømmen. Femten impulser med intervall på 60 s påføres på MOV-prøven suksessivt.
(3) Ta opp de målte bølgeformene for MOV-strømmer og spenninger etter hver impulsapplikasjon.
(4) Visuell inspeksjon og målinger etter testene. Kontroller overflaten av MOV for punktering eller flashover. Mål UDC1mA og Ur etter testene. Ta bilder av de skadede MOV etter tester. Passningskriteriene for forsøkene, i henhold til IEC 61643-11 [4], krever at både spennings- og nåværende poster, sammen med en visuell inspeksjon, ikke skal vise noen indikasjon på punktering eller flashover av prøvene. I tillegg er IEEE Std. C62.62 [5] foreslo posttest målt Ur (MOV residual spenninger ved In) skal ikke avvike mer enn 10% fra den forutbestemte målte Ur. Std. IEC 60099-4 [17] krever også at UDC1mA ikke skal avvike mer enn 5% etter impulsforsøkene.
- Tåleegenskapen under 8 / 20 ms impulsstrøm
I denne delen blir 8 / 20 ms impulsstrømmene med amplituder av 0.75Imax og Imax påført henholdsvis SPD-prøvene. Forandringsforholdet for posttestet målt UDC1mA og Ur er definert som:
hvor, Ucr representerer endringsforholdet mellom de målte verdiene. Uat representerer verdien målt etter testene. Ubt representerer verdien målt før testene.
3.1 Resultatene under 8 / 20 ms impulsstrøm med topp av 0.75Imax
Testresultatene for tre typer MOV under femten 8 / 20 ms impulsstrømmer med topp av 0.75Imax (30 kA) er vist i tabell II. Resultatet for hver type MOV er gjennomsnittet av tre samme prøver.
TABELL II
Resultat under 8 / 20 ms impulsstrømmer med 30 kA peak
Det kan ses fra TABLEII at etter at femten 8 / 20 ms impulser har blitt brukt på MOV, er endringene av UDC1mA og Ur mindre. "Pass" for visuell inspeksjon betyr ingen synlig skade på de testede MOV'ene. Videre kan det observeres at ved økning av MOV-begrensningsspenningen blir Ucr mindre. Slik som Ucr er den minste for V460 type MOV. Det kan konkluderes med at de tre typer MOV'er alle kunne passere den femten 8 / 20 ms impuls med 30 kA peak.
3.2 Resultatene under 8 / 20 ms impulsstrøm med toppen av Imax
Med tanke på de eksperimentelle resultatene ovenfor økes amplituden til 8 / 20 ms strøm til 40 kA (Imax). I tillegg økes antallet impulser til 20 for V460 type MOV. De eksperimentelle resultatene er vist i tabell III. For å sammenligne energiabsorpsjonen i de tre typen MOV'er, brukes Ea / V til å representere den absorberte energien per volumdel for gjennomsnittet på femten eller tyve impulser. Her anses "gjennomsnittet" for at energiabsorpsjonen i MOV er litt forskjellig under hver impuls.
TABELL III
Resultat under 8 / 20 ms impulsstrømmer med 40 kA peak
Det kan observeres fra tabell III at når den nåværende amplituden økes til 40 kA, avviker Ucr for UDC1mA mer enn 5% for V230 og V275, selv om endringen av MOV residual spenning fortsatt ligger innenfor det effektive området 10%. Den visuelle inspeksjonen viser også ingen synlige skader på de testede MOV'ene. ForV230 og V275 type MOVs, betyr Ea / V den absorberte energien per volumvolum med gjennomsnittlig femten impulser. Ea / V for V460 representerer den absorberte energien per volumdel med gjennomsnittlig tjue impulser. TABELL III viser at MOV med høyere begrensningsspenning (V460) har større Ea / V enn MOVs med nedre begrensningsspenning (V275 og V230). Videre øker den absorberte energien per volum (E / V) med impulsstrømmen gjentatte ganger på V460 gradvis, som vist i figur 3.
Derfor kan det konkluderes at V230 og V275 type MOV ikke kunne motstå femten 8 / 20ms nåværende impulser med topp Imax, mens V460 type MOV kunne motstå maksimal utladningsstrøm opp til 20 impulser. Dette betyr at MOVs med høyere begrensningsspenning har bedre motstandsevne under 8 / 20ms impulsstrøm.
4. Tålefunksjonen under 10 / 350 ms impulsstrøm
I denne delen blir 10 / 350 ms impulsstrømmene med amplituder av 0.75Iimp og Iimp påført henholdsvis SPD-prøvene.
4.1 Resultatene under 10 / 350 ms impulsstrøm med topp av 0.75Iimp
Siden Iimp av de tre typer MOV er forskjellige, brukes 10 / 350 ms strømmer med amplituden til 4875A på V230 og V275, og impulser med amplitude av 4500 A påføres V460. Etter å ha brukt femten impulsstrømmer, vises endringene for UDC1mAand Ur på de testede MOVene i TABELL IV. ΣE / V betyr summasjonen av E / V for de påførte impulser.
Det kan ses fra tabell IV at etter å ha brukt femten 10 / 350 ms strømmer med topp av 0.75Iimp, kunne V230 passere testen, mens endringen for UDC1mA av V275 avviker mer enn 5%. Hevelse og mindre sprekk opptrådte også på plastkapslingen av V275. Fotografiet av V275 med mindre sprekk er vist i figur 4.
For V460 type MOV, etter at den åttende 10 / 350 ms impuls med topp av 4500A er påført, er MOV sprukket og målte spennings- og strømbølgeformer unormale. Til sammenligning er de målte spennings- og strømbølgeformene under syvende og åttende 10 / 350 ms-impuls på V460 vist i figur 5.
Fig. 5. Den målte spenningen og nåværende bølgeformene på V460 under 10 / 350 ms impuls
For V230 og V275 er ΣE / V summen av E / V for femten impulser. For V460 er ΣE / V summen av E / V for åtte impulser. Det kan observeres at selv om Ea / V av V460 er høyere enn V230 og V275, er den totale ΣE / Vof V460 den laveste. Imidlertid opplevde V460 den alvorligste skade. Dette betyr at MOV-feilen under 10 / 350 ms-strømmen for enhetens volum MOV ikke er relatert til total absorbert energi (Σ E / V), men kan være mer relatert til den absorberte energien under enkeltimpuls (Ea / V ). Det kan konkluderes med at under 10 / 350 ms impulsstrøm, kunne V230 tåle mer impulser enn V460-typen MOVs. Dette betyr at MOV med lavere begrensningsspenning bedre kan tåle kapasitet under 10 / 350 ms strøm, som er motsatt fra konklusjonen under 8 / 20 ms impulsstrøm.
4.2 Resultatene under 10 / 350 ms impulsstrøm med toppen av Iimp
Når amplituden til 10 / 350 ms strøm er økt til Iimp, kunne ikke alle testede MOV'ene passere femten impulser. Resultatene under 10 / 350 ms impulsstrømmer med amplitude av Iimp er vist i TABELL V, hvor "Resistentimpulsnummer" betyr impulsbeløpet som MOV kunne tåle før sprekk.
Det kan observeres fra tabell V at V230 med Ea / V i 122.09 J / cm3 kunne motstå åtte 10 / 350 ms impulser, mens V460 med Ea / V av 161.09 J / cm3 kun kunne passere tre impulser, selv om toppstrømmen ble vedtatt for V230 (6500 A) er høyere enn for V460 (6000 A). Dette bekrefter konklusjonen at MOVs med høyspenningsspenning blir lettere skadet under 10 / 350 ms strøm. Dette fenomenet kan forklares som: den store energien som bæres av 10 / 350 ms strøm vil bli absorbert i MOVs. For MOVs med høyspenningsspenning under 10 / 350 ms strøm, vil mye mer energi bli absorbert i enhetsvolumet MOV enn i MOV med lavspenningsspenning, og den overdrevne energiabsorpsjonen vil føre til MOV-feil. Feilmekanismen under 8 / 20 ms strømmen trenger imidlertid mer etterforskning.
Visuell inspeksjon viser at samme skadeform er observert på de tre typene MOVs under 10 / 350 ms strøm. Én side av MOV-plastinnkapslingen og det rektangulære elektrodarket avfaller. Ablasjonen av ZnO-materiale dukket opp i nærheten av elektrodplaten, som skyldes flashovergangen mellom MOV-elektroden og ZnO-overflaten. Bildet av skadet V230 er vist i figur 6.
5. konklusjon
SPDer må testes under impulsavladningsstrømmer, hovedsakelig med bølgeformer av 8 / 20 ms og 10 / 350 ms. For å undersøke og sammenligne resistensevnen til SPD under 8 / 20 ms og 10 / 350 ms impulsstrømmer, utføres flere eksperimenter med maksimal utladningsstrøm for 8 / 20 ms (Imax) og 10 / 350 ms (Iimp) bølgeform , samt amplituder av 0.75Imax og 0.75Iimp. Tre typer typiske MOVer som brukes for SPD-er i klasse I, blir vedtatt for analyse. Noen konklusjoner kan trekkes.
(1) MOV med høyere begrensningsspenning har bedre kapasitet under 8 / 20ms impulsstrøm. V230 og V275 type MOVs kunne ikke motstå femten 8 / 20ms impulser med topp Imax, mens V460 type MOV kunne passere tyve impulser.
(2) MOV med lavere begrensningsspenning har bedre motstandsevne under 10 / 350 ms strøm. V230-typen MOV kunne tåle åtte 10 / 350 ms impulser med toppen av Iimp, mens V460 kun kunne passere tre impulser.
(3) Med tanke på enhetens volum MOV under 10 / 350 ms strøm, kan den absorberte energien under enkeltimpuls være relatert til MOV-feil, i stedet for summering av absorbert energi under alle påførte impulser.
(4) Samme skadeform blir observert på tre typer MOV under 10 / 350 ms strømmer. Én side av MOV-plastinnkapslingen og det rektangulære elektrodarket avfaller. Ablation av ZnO-materialet, forårsaket av flashover mellom elektrodarket og ZnO-overflaten, dukket opp nær MOV-elektroden.