Dispozitivele de protecție împotriva supratensiunii (SPD) sunt supuse încercării prin curenți de descărcare de impuls, în principal cu forme de undă 8 / 20 ms și 10 / 350 ms. Cu toate acestea, odată cu îmbunătățirea produselor SPD, performanța și capacitatea de rezistență a SPD-urilor în cadrul unor astfel de curenți standard de testare necesită investigații suplimentare. Pentru a investiga și a compara capacitatea de rezistență a SPD sub 8 / 20 ms și 10 / 350 ms curenți de impulsuri, se efectuează experimente pe trei tipuri de varistori tipici metalici (MOV) utilizați pentru SPD de clasa I. Rezultatele arată că MOV-urile cu o tensiune de limitare mai mare au o capacitate mai bună de a rezista sub curentul de impuls 8 / 20ms, în timp ce concluzia sub curentul de impuls 10 / 350ms este opusă. Sub curentul 10 / 350 ms, defecțiunea MOV este legată de energia absorbită pe unitate de volum sub impuls unic. Crackul este forma principală a daunelor sub curentul 10 / 350ms, care poate fi descrisă ca o parte a încapsulării plastice MOV și îndepărtarea plăcii de electrod. Ablația materialului ZnO, cauzată de flashover-ul dintre placa de electrod și suprafața ZnO, a apărut lângă electrodul MOV.

1. Introducere

Dispozitivele de protecție împotriva supratensiunii (SPD) conectate la sistemele de joasă tensiune, rețelele de telecomunicații și semnale trebuie testate în conformitate cu cerințele standardelor IEC și IEEE [1-5]. Având în vedere locația și eventualul curent de iluminare care poate suferi, astfel de SPD-uri trebuie testate cu curenți de impulsuri în principal cu forme de undă 8 / 20 ms și 10 / 350 ms [4-6]. Forma de undă curentă a 8 / 20 ms este frecvent utilizată pentru a simula impulsul fulgerului [6-8]. Curentul de descărcare nominală (In) și curentul maxim de descărcare (Imax) al SPD-urilor sunt ambele definite cu ajutorul curentului de impuls 8 / 20 ms [4-5]. Mai mult, impulsul de curent 8 / 20 ms este folosit pe scară largă pentru testele reziduale SPD și sarcinile de funcționare [4]. Curentul de impuls 10 / 350ms este folosit de obicei pentru a simula curentul cursei de revenire directă a fulgerului [7-10]. Această formă de undă îndeplinește parametrii pentru curentul de descărcare impuls pentru testul SPD de clasă I, care este utilizat în mod special pentru testul de sarcină suplimentar pentru SPD-urile de clasă I [4]. În timpul testelor de tip [4-5], este necesar ca numărul de curenți de impuls să fie aplicat pe SPD-uri. De exemplu, cincisprezece curenți 8 / 20 ms și cinci curenți de impuls 10 / 350 ms sunt necesari pentru testul de funcționare a clasei SPD de clasă I [4]. Cu toate acestea, odată cu îmbunătățirea produselor SPD, performanța și capacitatea de rezistență a SPD-urilor în cadrul unor astfel de curenți standard de testare necesită investigații suplimentare. Cercetările anterioare s-au concentrat, de obicei, asupra performanței MOV sub multiple impulsuri 8 / 20 ms [11-14], în timp ce performanța în cazul curentului de impuls 10 / 350 ms repetat nu a fost investigată temeinic. Mai mult, SPD-urile din clasa I, instalate în punctele de expunere ridicată în clădiri și sisteme de distribuție, sunt mai vulnerabile la loviturile de trăsnet [15-16]. Prin urmare, capacitatea de performanță și rezistență la SPD de clasa I sub 8 / 20 ms și 10 / 350 ms curenți de impuls sunt necesare pentru a fi investigate. Această lucrare investighează experimental capacitatea de rezistență a SPD-urilor de clasa I sub 8 / 20 ms și 10 / 350 ms curenți de impuls. Trei tipuri de MOV tipice utilizate pentru SPD de clasa I sunt adoptate pentru analiză. Amplitudinea și numărul impulsurilor actuale sunt ajustate pentru mai multe experimente. Se realizează o comparație a capacității de rezistență a MOV la cele două tipuri de curenți de impuls. Modul de defect al probelor MOV care au eșuat după teste sunt, de asemenea, analizate.

2. Aspectul experimentului

În experimente sunt adoptate trei tipuri de MOV tipice utilizate pentru SPD de clasa I. Pentru fiecare tip de MOV, probele 12 realizate de EPCOS sunt adoptate în patru tipuri de experimente. Parametrii lor de bază sunt arătați în tabelul I, unde In reprezintă curentul de descărcare nominal al MOV sub impulsul 8 / 20μs, Imax reprezintă curentul maxim de descărcare sub impulsul 8 / 20μs, Iimp reprezintă curentul maxim de descărcare sub impulsul 10 / 350μs, UDC1mA reprezintă tensiunea MOV măsurată sub curentul 1 mA DC, Ur reprezintă tensiunea reziduală MOV sub In.

Figura 1 arată generatorul de curent de impuls care poate fi reglat la ieșirile 10 / 350 ms și 8 / 20 ms impulsuri curente. Bobina Pearson este adoptată pentru a măsura curenții de impulsuri pe MOV-urile testate. Divizorul de tensiune cu raportul 14.52 este utilizat pentru măsurarea tensiunilor reziduale. Osciloscopul digital al TEK DPO3014 este adoptat pentru înregistrarea formelor de undă experimentale.

Conform standardului de test SPD [4], amplitudinile adoptate pentru curentul 8 / 20 ms includ 30kA (0.75Imax) și 40kA (Imax). Amplitudinile adoptate pentru curentul 10 / 350 ms includ 0.75Iimp și Iimp. Referința la testul de funcționare pentru MOV [4], cincisprezece impulsuri 8 / 20ms sunt aplicate pe mostrele MOV, iar intervalul dintre impulsuri este 60 s. Prin urmare, schema de evoluție a procedurii experimentale este prezentată în figura 2.

Procedura experimentală poate fi descrisă ca:

(1) Măsurători inițiale: Probele MOV sunt caracterizate cu UDC1mA, Ur și fotografii la începutul experimentelor.

(2) Aplicați cincisprezece impulsuri: Reglați generatorul de curent de impuls pentru a scoate curentul de impuls solicitat. Cincisprezece impulsuri cu interval de 60 s sunt aplicate succesiv pe proba MOV.

(3) Înregistrați formele de undă măsurate ale curenților și tensiunilor MOV după fiecare aplicare de impuls.

(4) Inspecție vizuală și măsurători după teste. Verificați suprafața MOV pentru perforare sau flashover. Măsurați UDC1mA și Ur după teste. Faceți fotografii cu MOV-urile deteriorate după teste. Criteriile de trecere a experimentelor, în conformitate cu IEC 61643-11 [4], impun ca atât înregistrările de tensiune, cât și cele de curent, împreună cu o inspecție vizuală, să nu prezinte semne de perforare sau de mișcare a eșantioanelor. În plus, IEEE Std. C62.62 [5] a sugerat că măsurătorile posttestate Ur (tensiunile reziduale MOV la In) nu trebuie să devieze mai mult de 10% din pretestul măsurat Ur. Std. IEC 60099-4 [17] impune, de asemenea, ca UDC1mA să nu devieze mai mult de 5% după testele de impuls.

  1. Capacitatea de a rezista sub 8 / 20 ms impuls de curent

În această secțiune, curenții de impuls 8 / 20 ms cu amplitudini 0.75Imax și Imax sunt aplicați respectiv pe eșantioanele SPD. Raportul de schimbare pentru posttestul măsurat UDC1mA și Ur este definit ca:

unde Ucr reprezintă raportul de schimbare al valorilor măsurate. Uat reprezintă valoarea măsurată după teste. Ubt reprezintă valoarea măsurată înainte de teste.

3.1 Rezultatele sub 8 / 20 ms impuls de curent cu vârf de 0.75Imax

Rezultatele testelor pentru trei tipuri de MOV sub cincisprezece curenți de impuls 8 / 20 ms cu vârf 0.75Imax (30 kA) sunt prezentate în tabelul II. Rezultatul pentru fiecare tip de MOV este media a trei eșantioane.

TABELUL II

Rezultatele obținute sub curenți de impuls 8 / 20 ms cu vârf 30 kA

Se poate observa din TABLEII că după ce s-au aplicat impulsuri 8 / 20 ms pe MOV, modificările UDC1mA și Ur sunt minore. "Pass" pentru inspecție vizuală nu înseamnă nici o deteriorare vizibilă pe MOV-urile testate. Mai mult decât atât, se observă că, odată cu creșterea tensiunii de limitare MOV, Ucr devine mai mică. Cum ar fi Ucr este cel mai mic pentru MOV de tip V460. Se poate concluziona că cele trei tipuri de MOV-uri ar putea să treacă toate impulsul de cincisprezece 8 / 20 ms cu vârful 30 kA.

3.2 Rezultatele sub 8 / 20 ms impuls de curent cu vârf de Imax

Având în vedere rezultatele experimentale de mai sus, amplitudinea curentului 8 / 20 ms este mărită la 40 kA (Imax). În plus, numărul de impulsuri este mărit la douăzeci pentru tipul MOV V460. Rezultatele experimentale sunt prezentate în Tabelul III. Pentru a compara absorbția energiei în cele trei tipuri de MOV, Ea / V este utilizat pentru a reprezenta energia absorbită pe unitatea de volum pentru media de cincisprezece sau douăzeci de impulsuri. Aici este luată în considerare "media", deoarece absorbția de energie în VOC este ușor diferită la fiecare impuls.

TABELUL III

Rezultatele obținute sub curenți de impuls 8 / 20 ms cu vârf 40 kA

Se poate observa din tabelul III că atunci când amplitudinea curentă este mărită la 40 kA, Ucr pentru UDC1mA deviază mai mult de 5% pentru V230 și V275, deși schimbarea tensiunii reziduale MOV este încă în intervalul efectiv de 10%. Inspecția vizuală nu indică nici o deteriorare vizibilă pe MOV-urile testate. Pentru MOV-urile V230 și V275, Ea / V înseamnă energia absorbită pe unitate de volum cu o medie de cincisprezece impulsuri. Ea / V pentru V460 reprezintă energia absorbită pe unitate de volum cu o medie de douăzeci de impulsuri. Tabelul III arată că MOV cu tensiune limitată mai mare (V460) au Ea / V mai mari decât MOV-urile cu tensiune de limitare inferioară (V275 și V230). În plus, cu curentul de impuls aplicat în mod repetat pe V460, energia absorbită pe unitate de volum (E / V) crește treptat, așa cum se arată în figura 3.

Prin urmare, se poate concluziona că MOV-urile de tip V230 și V275 nu au putut rezista la cincisprezece impulsuri curente 8 / 20ms cu vârf de Imax, în timp ce tipul MOV V460 poate rezista curentului maxim de descărcare până la impulsurile 20. Acest lucru înseamnă că MOV-urile cu o tensiune de limitare mai mare au o capacitate mai bună de a rezista sub curentul de impuls 8 / 20ms.

4. Capacitatea rezistă la curentul de impuls 10 / 350 ms

În această secțiune, curenții de impuls 10 / 350 ms cu amplitudini de 0.75Iimp și Iimp sunt aplicați respectiv pe eșantioanele SPD.

4.1 Rezultatele sub 10 / 350 ms impuls de curent cu vârf de 0.75Iimp

Deoarece Iimp-ul celor trei tipuri de MOV-uri sunt diferite, curenții 10 / 350 ms cu amplitudinea 4875A sunt aplicați pe V230 și V275, iar impulsurile cu amplitudinea 4500 A sunt aplicate pe V460. După aplicarea a cincisprezece curenți de impuls, modificările pentru UDC1mA și Ur pe MOV-urile testate sunt prezentate în tabelul IV. ΣE / V reprezintă sumarea E / V pentru impulsurile aplicate.

Se poate observa din tabelul IV că după aplicarea a 15 curenți 10 / 350 ms cu vârf de 0.75Iimp, V230 ar putea trece testul, în timp ce schimbarea pentru UDC1mA din V275 deviază mai mult de 5%. Umflarea și fisurile minore au apărut și pe încapsularea plastică a V275. Fotografia V275 cu crack minor este prezentată în figura 4.

Pentru MOV de tip V460, după ce a fost aplicat impulsul opt 10 / 350 ms cu vârf al 4500A, MOV este crăpat, iar formele de undă măsurate de tensiune și curent sunt anormale. Pentru comparație, formele de undă măsurate de tensiune și de curent la impulsul 10 / 350 ms al șaptelea și al optulea pe V460 sunt prezentate în figura 5.

Fig. 5. Valorile măsurate de tensiune și curent pe V460 sub impuls 10 / 350 ms

Pentru V230 și V275, ΣE / V este sumarea E / V pentru cincisprezece impulsuri. Pentru V460, ΣE / V este suma sumelor E / V pentru opt impulsuri. Se poate observa că, deși Ea / V din V460 este mai mare decât VxNUMX și V230, VEx / VF total V275 este cel mai mic. Cu toate acestea, V460 a suferit cele mai grave pagube. Aceasta înseamnă că, pentru volumul unitar al MOV, defecțiunea MOV sub curentul 460 / 10 ms nu este legată de energia totală absorbită (Σ E / V), dar poate fi mai mult legată de energia absorbită sub un singur impuls (Ea / V ). Se poate concluziona că în cazul curentului de impuls 350 / 10 ms, V350 poate rezista mai multor impulsuri decât MOV-urile de tip V230. Aceasta înseamnă că MOV-urile cu tensiune de limitare inferioară au o capacitate mai bună de a rezista sub curentul 460 / 10 ms, care este opus concluziei sub 350 / 8 ms impuls de curent.

4.2 Rezultatele sub 10 / 350 ms impuls de curent cu vârf de Iimp

Atunci când amplitudinea curentului 10 / 350 ms este mărită la Iimp, toate MOV-urile testate nu au putut transmite cincisprezece impulsuri. Rezultatele în cazul curenților de impuls 10 / 350 ms cu amplitudinea Iimp sunt arătați în tabelul V, unde "Numărul de impuls impuls" înseamnă cantitatea de impuls pe care MOV ar putea să o reziste înainte de fisurare.

Se poate observa din TABELUL V că V230 cu Ea / V de 122.09 J / cm3 poate rezista la opt impulsuri 10 / 350 ms în timp ce V460 cu Ea / V al 161.09 J / cm3 poate trece doar trei impulsuri, deși curentul de vârf adoptat pentru V230 (6500 A) este mai mare decât cel pentru V460 (6000 A). Acest lucru validează concluzia că MOV-urile cu tensiune limitatoare mare sunt mai ușor de deteriorat sub curentul 10 / 350 ms. Acest fenomen poate fi explicat ca: energia mare purtată de curentul 10 / 350 ms va fi absorbită în MOV. Pentru MOV cu tensiune limitată mare sub curentul 10 / 350 ms, mult mai multă energie va fi absorbită în volumul unitar al MOV decât în ​​MOV cu tensiune limită mică și absorbția excesivă a energiei va duce la defectarea MOV. Cu toate acestea, mecanismul de eșec în cazul curentului 8 / 20 ms necesită investigații suplimentare.

Inspecția vizuală arată că aceeași formă de deteriorare este observată pe cele trei tipuri de MOV sub 10 / 350 ms curent. O parte a încapsulării din plastic MOV și foaia de electrod dreptunghiulară se îndepărtează. Ablația materialului ZnO a apărut lângă placa de electrod, care este cauzată de flashover-ul dintre electrodul MOV și suprafața ZnO. Fotografia cu V230 deteriorată este prezentată în figura 6.

5. Concluzie

SPD-urile trebuie testate în curenți de descărcare de impuls, în principal cu forme de undă 8 / 20 ms și 10 / 350 ms. Pentru a investiga și a compara capacitatea de rezistență a SPD sub curenții de impuls 8 / 20 ms și 10 / 350 ms, se efectuează mai multe experimente cu curent maxim de descărcare pentru 8 / 20 ms (Imax) și 10 / 350 ms (Iimp) , precum și amplitudinile 0.75Imax și 0.75Iimp. Trei tipuri de MOV tipice utilizate pentru SPD de clasa I sunt adoptate pentru analiză. Se pot trage unele concluzii.

(1) MOV-urile cu o tensiune de limitare mai mare au o capacitate mai bună de a rezista sub curentul de impuls 8 / 20ms. MOV-urile de tip V230 și V275 nu au putut rezista la cincisprezece impulsuri 8 / 20ms cu vârf de Imax, în timp ce tipul MOV V460 ar putea trece douăzeci de impulsuri.

(2) MOV-urile cu tensiune de limitare inferioară au o capacitate mai bună de a rezista sub curentul 10 / 350 ms. MOV de tip V230 poate rezista la opt impulsuri 10 / 350 ms cu vârf de Iimp, în timp ce V460 poate trece doar trei impulsuri.

(3) Având în vedere volumul unitar al MOV sub curentul 10 / 350 ms, energia absorbită sub un singur impuls poate fi legată de defectul MOV, în loc de sumarea energiei absorbite sub toate impulsurile aplicate.

(4) Același formular de deteriorare este observat pe trei tipuri de MOV sub curenți 10 / 350 ms. O parte a încapsulării din plastic MOV și foaia de electrod dreptunghiulară se îndepărtează. Ablația materialului ZnO, cauzată de flashover între placa de electrod și suprafața ZnO, a apărut lângă electrodul MOV.