Urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej (SPD) muszą być testowane przy prądach wyładowań impulsowych głównie z przebiegami 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Jednak wraz z ulepszeniem produktów SPD wydajność i wytrzymałość SPD w takich standardowych prądach testowych wymagają dalszych badań. Aby zbadać i porównać wytrzymałość SPD pod prądami impulsowymi 8 / 20 ms i 10 / 350 ms, prowadzone są eksperymenty na trzech typach typowych warystorów tlenkowych metali (MOV), które są używane w SPD klasy I. Wyniki pokazują, że MOV z wyższym napięciem ograniczającym lepiej wytrzymują zdolność pod prądem impulsowym 8 / 20ms, podczas gdy wniosek pod prądem impulsowym 10 / 350ms jest przeciwny. Pod prądem 10 / 350 ms awaria MOV jest związana z pochłoniętą energią na jednostkę objętości przy pojedynczym impulsie. Pęknięcie jest główną formą uszkodzenia pod prądem 10 / 350ms, którą można opisać jako jedną stronę plastikowej hermetyzacji MOV, a arkusz elektrody odrywa się. Ablacja materiału ZnO spowodowana przeskokiem między arkuszem elektrody a powierzchnią ZnO pojawiła się w pobliżu elektrody MOV.

1. Wstęp

Urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej (SPD) podłączone do systemów zasilania niskiego napięcia, sieci telekomunikacyjne i sygnałowe muszą być testowane zgodnie z wymaganiami norm IEC i IEEE [1-5]. Biorąc pod uwagę lokalizację i możliwy prąd świetlny, który może ucierpieć, takie SPD muszą być testowane pod prądem wyładowania impulsowego głównie z przebiegami 8 / 20 ms i 10 / 350 ms [4-6]. Przebieg prądu 8 / 20 ms jest powszechnie używany do symulacji impulsu pioruna [6-8]. Nominalny prąd rozładowania (In) i maksymalny prąd rozładowania (Imax) SPD są zdefiniowane za pomocą prądu impulsowego 8 / 20 ms [4-5]. Ponadto impuls prądowy 8 / 20 ms jest szeroko stosowany w testach napięcia resztkowego SPD i prób pracy [4]. Prąd impulsowy 10 / 350ms jest zwykle używany do symulowania bezpośredniego prądu skoku powrotnego pioruna [7-10]. Ten przebieg odpowiada parametrom prądu rozładowania impulsu dla testu SPD klasy I, który jest szczególnie stosowany do dodatkowego testu obciążenia dla SPD klasy I [4]. Podczas testów typu [4-5] określona liczba prądów impulsowych jest wymagana do zastosowania na SPD. Na przykład piętnaście prądów 8 / 20 ms i pięć prądów impulsowych 10 / 350 ms jest wymaganych do testu działania dla SPD klasy I [4]. Jednak wraz z ulepszeniem produktów SPD wydajność i wytrzymałość SPD w takich standardowych prądach testowych wymagają dalszych badań. Poprzednie badania zwykle koncentrowały się na wydajności MOV pod wieloma prądami impulsowymi 8 / 20 ms [11-14], podczas gdy wydajność przy powtarzającym się prądzie impulsowym 10 / 350 ms nie została dokładnie zbadana. Ponadto, SPD klasy I, zainstalowane w punktach wysokiej ekspozycji w budynkach i systemach dystrybucyjnych, są bardziej podatne na uderzenia pioruna [15-16]. Dlatego należy zbadać wydajność i wytrzymałość SPD klasy I w prądach impulsowych 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Ten artykuł eksperymentalnie bada wytrzymałość SPD klasy I pod prądami impulsowymi 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Trzy typy typowych MOV używanych dla SPD klasy I są przyjmowane do analizy. Amplituda prądu i liczba impulsów są dostosowane do kilku eksperymentów. Porównuje się wytrzymałość MOV na dwa rodzaje prądów impulsowych. Analizowany jest również tryb awarii próbek MOV, które nie powiodły się po testach.

2. Układ eksperymentu

W eksperymentach zastosowano trzy typy typowych MOV używanych w SPD klasy I. Dla każdego typu MOV próbki 12 wykonane przez EPCOS są przyjmowane w czterech rodzajach eksperymentów. Ich podstawowe parametry przedstawiono w TABELI I, gdzie W reprezentują nominalny prąd rozładowania MOV pod impulsem 8 / 20µs, Imax reprezentuje maksymalny prąd rozładowania pod impulsem 8 / 20µs, Iimp reprezentuje maksymalny prąd rozładowania pod impulsem 10 / 350µs, UDC1mA reprezentuje napięcie MOV mierzone pod prądem 1 mA DC, Ur reprezentuje napięcie resztkowe MOV w In.

Rys. 1 pokazuje generator prądu impulsowego, który można dostosować do wysyłania impulsów prądowych 10 / 350 ms i 8 / 20 ms. Cewka Pearsona jest przystosowana do pomiaru prądów impulsowych na testowanych MOV. Dzielnik napięcia ze stosunkiem 14.52 służy do pomiaru napięcia resztkowego. Oscyloskop cyfrowy TEK DPO3014 jest przystosowany do rejestrowania eksperymentalnych przebiegów.

Zgodnie ze standardem testowym SPD [4], amplitudy przyjęte dla prądu 8 / 20 ms obejmują 30kA (0.75Imax) i 40kA (Imax). Amplitudy przyjęte dla prądu 10 / 350 ms obejmują 0.75Iimp i Iimp. Odniesienie do testu działania dla MOV [4], piętnaście impulsów 8 / 20ms jest przykładanych do próbek MOV, a odstęp między impulsami to 60 s. Dlatego schemat działań procedury eksperymentalnej przedstawiono na Fig. 2.

Procedura eksperymentalna może być opisana jako:

(1) Pomiary początkowe: Próbki MOV są scharakteryzowane za pomocą UDC1mA, Ur i zdjęć na początku eksperymentów.

(2) Zastosuj piętnaście impulsów: wyreguluj generator prądu impulsowego, aby wyprowadził żądany prąd impulsowy. Piętnaście impulsów z interwałem 60 s przykłada się kolejno do próbki MOV.

(3) Zapisz zmierzone przebiegi prądów i napięć MOV po każdym zastosowaniu impulsu.

(4) Kontrola wzrokowa i pomiary po testach. Sprawdź powierzchnię MOV pod kątem przebicia lub przeskoku. Zmierz UDC1mA i Ur po testach. Rób zdjęcia uszkodzonych MOV po testach. Kryteria przejścia do eksperymentów, zgodnie z IEC 61643-11 [4], wymagają, aby zarówno zapisy napięcia, jak i prądu, wraz z oględzinami, nie wskazywały na przebicie lub rozerwanie próbek. Ponadto IEEE Std. C62.62 [5] zasugerował, że zmierzone posttestowe Ur (napięcia resztkowe MOV przy In) nie powinny odbiegać więcej niż 10% od Ur zmierzonego. Std. IEC 60099-4 [17] wymaga również, aby UDC1mA nie odbiegał więcej niż 5% po testach impulsowych.

  1. Wytrzymałość pod 8 / 20 prąd impulsu ms

W tej sekcji prądy impulsowe 8 / 20 ms z amplitudami 0.75Imax i Imax są stosowane odpowiednio na próbkach SPD. Współczynnik zmiany dla zmierzonego po teście UDC1mA i Ur jest zdefiniowany jako:

gdzie, Ucr reprezentuje stosunek zmian mierzonych wartości. Uat reprezentuje wartość zmierzoną po testach. Ubt reprezentuje wartość zmierzoną przed testami.

3.1 Wyniki pod prądem impulsowym 8 / 20 ms ze szczytem 0.75Imax

Wyniki testu dla trzech typów MOV pod piętnastoma prądami impulsowymi 8 / 20 ms ze szczytem 0.75Imax (30 kA) przedstawiono w TABELI II. Wynik dla każdego typu MOV jest średnią z trzech takich samych próbek.

TABELA II

Wyniki pod prądami impulsowymi 8 / 20 ms ze szczytem 30 kA

Z TABLEII wynika, że ​​po zastosowaniu piętnastu impulsów 8 / 20 ms w MOV, zmiany UDC1mA i Ur są niewielkie. „Pass” do kontroli wizualnej oznacza brak widocznych uszkodzeń na testowanych MOV. Ponadto można zauważyć, że wraz ze wzrostem napięcia ograniczającego MOV, Ucr staje się mniejszy. Tak jak Ucr jest najmniejszy dla MOV typu V460. Można wywnioskować, że wszystkie trzy typy MOV mogły przejść piętnaście impulsów 8 / 20 ms ze szczytem 30 kA.

3.2 Wyniki pod prądem impulsowym 8 / 20 ms ze szczytem Imax

Biorąc pod uwagę powyższe wyniki eksperymentalne, amplituda prądu 8 / 20 ms jest zwiększona do 40 kA (Imax). Dodatkowo liczba impulsów jest zwiększana do dwudziestu dla MOV typu V460. Wyniki doświadczalne przedstawiono w tabeli III. W celu porównania absorpcji energii w trzech typach MOV, Ea / V służy do reprezentowania pochłoniętej energii na jednostkę objętości dla średnio piętnastu lub dwudziestu impulsów. Tutaj bierze się pod uwagę „średnią”, ponieważ pochłanianie energii w MOV jest nieco inne w każdym impulsie.

TABELA III

Wyniki pod prądami impulsowymi 8 / 20 ms ze szczytem 40 kA

Z TABELI III wynika, że ​​gdy amplituda prądu jest zwiększona do 40 kA, wartość Ucr dla UDC1mA odbiega bardziej niż 5% dla V230 i V275, chociaż zmiana napięcia resztkowego MOV wciąż mieści się w efektywnym zakresie 10%. Kontrola wizualna również nie wykazuje widocznych uszkodzeń na testowanych MOV. MOV typu ForV230 i V275, Ea / V oznacza pochłoniętą energię na jednostkę objętości przy średniej piętnastu impulsów. Ea / V dla V460 reprezentuje absorbowaną energię na jednostkę objętości ze średnią dwudziestu impulsów. TABELA III pokazuje, że MOV z wyższym napięciem ograniczającym (V460) mają większe Ea / V niż MOV z dolnym napięciem ograniczającym (V275 i V230). Ponadto, gdy prąd impulsowy jest wielokrotnie podawany na V460, pochłonięta energia na jednostkę objętości (E / V) wzrasta stopniowo, jak pokazano na rys. 3.

Dlatego można wywnioskować, że MOV V230 i V275 nie mogły wytrzymać piętnastu impulsów prądowych 8 / 20ms ze szczytem Imax, podczas gdy MOV typu V460 mógł wytrzymać maksymalny prąd rozładowania aż do impulsów 20. Oznacza to, że MOV z wyższym napięciem ograniczającym lepiej wytrzymują zdolność pod prądem impulsowym 8 / 20ms.

4. Wytrzymałość pod prądem impulsowym 10 / 350 ms

W tej sekcji prądy impulsowe 10 / 350 ms z amplitudami 0.75Iimp i Iimp są stosowane odpowiednio na próbkach SPD.

4.1 Wyniki pod prądem impulsowym 10 / 350 ms ze szczytem 0.75Iimp

Ponieważ Iimp trzech typów MOV jest różny, prądy 10 / 350 ms o amplitudzie 4875A są stosowane na V230 i V275, a impulsy o amplitudzie 4500 A są stosowane na V460. Po zastosowaniu piętnastu prądów impulsowych zmiany dla UDC1mAand Ur na testowanych MOV są pokazane w TABELI IV. ∑E / V oznacza sumowanie E / V dla zastosowanych impulsów.

Z tabeli IV wynika, że ​​po zastosowaniu piętnastu prądów 10 / 350 ms ze szczytem 0.75Iimp, V230 może przejść test, podczas gdy zmiana dla UDC1mA V275 odbiega bardziej niż 5%. Pęcznienie i drobne pęknięcie pojawiły się również w plastikowej obudowie V275. Zdjęcie V275 z niewielkim pęknięciem pokazano na rys. 4.

Dla MOV typu V460 po zastosowaniu ósmego impulsu 10 / 350 ms ze szczytem 4500A, MOV pękł i zmierzone przebiegi napięcia i prądu są nieprawidłowe. Dla porównania, zmierzone przebiegi napięcia i prądu pod siódmym i ósmym impulsem 10 / 350 ms na V460 pokazano na rys. 5.

Rys. 5. Zmierzone przebiegi napięcia i prądu na V460 pod impulsem 10 / 350 ms

Dla V230 i V275 ∑E / V jest sumą E / V dla piętnastu impulsów. Dla V460 ∑E / V jest sumą E / V dla ośmiu impulsów. Można zauważyć, że chociaż Ea / V V460 jest wyższe niż V230 i V275, całkowita ∑E / Vof V460 jest najniższa. Jednak V460 doznał najpoważniejszych obrażeń. Oznacza to, że dla objętości jednostkowej MOV, awaria MOV pod prądem 10 / 350 ms nie jest związana z całkowitą energią pochłoniętą (∑ E / V), ale może być bardziej związana z energią pochłoniętą przy pojedynczym impulsie (Ea / V ). Można wywnioskować, że pod prądem impulsowym 10 / 350 ms V230 może wytrzymać więcej impulsów niż MOV V460. Oznacza to, że MOV z niższym napięciem ograniczającym lepiej wytrzymują zdolność pod prądem 10 / 350 ms, co jest przeciwne do wniosku pod prądem impulsowym 8 / 20 ms.

4.2 Wyniki pod prądem impulsowym 10 / 350 ms ze szczytem Iimp

Gdy amplituda prądu 10 / 350 ms zostanie zwiększona do Iimp, wszystkie przetestowane MOV nie mogą przejść piętnastu impulsów. Wyniki pod prądami impulsowymi 10 / 350 ms z amplitudą Iimp są pokazane w TABELI V, gdzie „Liczba wytrzymywanych impulsów” oznacza wielkość impulsu, którą MOV może wytrzymać przed pęknięciem.

Z TABELI V wynika, że ​​V230 z Ea / V 122.09 J / cm3 może wytrzymać osiem impulsów 10 / 350 ms, podczas gdy V460 z Ea / V 161.09 J / cm3 może przejść tylko trzy impulsy, chociaż szczytowy prąd przyjęty dla V230 (6500 A) jest wyższy niż dla V460 (6000 A). Potwierdza to wniosek, że MOV z wysokim napięciem ograniczającym są łatwiejsze do uszkodzenia pod prądem 10 / 350 ms. Zjawisko to można wyjaśnić następująco: duża energia przenoszona przez prąd 10 / 350 zostanie pochłonięta przez MOV. W przypadku MOV o wysokim napięciu ograniczającym pod prądem 10 / 350 ms znacznie więcej energii zostanie zaabsorbowane w jednostkowej objętości MOV niż w MOV z niskim napięciem ograniczającym, a nadmierne pochłanianie energii doprowadzi do awarii MOV. Jednak mechanizm awarii pod prądem 8 / 20 ms wymaga więcej badań.

Kontrola wzrokowa pokazuje, że w trzech typach MOV pod prądem 10 / 350 ms obserwuje się ten sam rodzaj uszkodzenia. Jedna strona plastikowej hermetyzacji MOV i prostokątny arkusz elektrody odrywają się. Ablacja materiału ZnO pojawiła się w pobliżu arkusza elektrody, co spowodowane jest przeskokiem między elektrodą MOV a powierzchnią ZnO. Fotografia uszkodzonego V230 jest pokazana na rys. 6.

5. Wniosek

SPD muszą być testowane pod prądem wyładowania impulsowego głównie z przebiegami 8 / 20 ms i 10 / 350 ms. Aby zbadać i porównać wytrzymałość SPD na prądy impulsowe 8 / 20 ms i 10 / 350 ms, przeprowadzono kilka eksperymentów z maksymalnym prądem rozładowania dla przebiegu 8 / 20 ms (Imax) i 10 / 350 ms (Iimp) , jak również amplitudy 0.75Imax i 0.75Iimp. Trzy typy typowych MOV używanych dla SPD klasy I są przyjmowane do analizy. Można wyciągnąć pewne wnioski.

(1) MOV z wyższym napięciem ograniczającym lepiej wytrzymują zdolność pod prądem impulsowym 8 / 20ms. MOVy typu V230 i V275 nie mogły wytrzymać piętnastu impulsów 8 / 20ms ze szczytem Imax, podczas gdy MOV typu V460 mógł przekazać dwadzieścia impulsów.

(2) MOV z niższym napięciem ograniczającym mają większą odporność na prąd 10 / 350 ms. MOV typu V230 może wytrzymać osiem impulsów 10 / 350 ms ze szczytem Iimp, podczas gdy V460 może przejść tylko trzy impulsy.

(3) Biorąc pod uwagę objętość jednostkową MOV pod prądem 10 / 350 ms, zaabsorbowana energia pod pojedynczym impulsem może być związana z awarią MOV, zamiast sumowania pochłoniętej energii przy wszystkich zastosowanych impulsach.

(4) Ta sama forma uszkodzenia jest obserwowana dla trzech typów MOV pod prądami 10 / 350 ms. Jedna strona plastikowej hermetyzacji MOV i prostokątny arkusz elektrody odrywają się. Ablacja materiału ZnO, spowodowana przeskokiem między arkuszem elektrody a powierzchnią ZnO, pojawiła się w pobliżu elektrody MOV.