Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) должны испытываться при импульсных токах разряда, в основном с сигналами 8 / 20 мс и 10 / 350 мс. Тем не менее, с улучшением продуктов SPD, производительность и способность SPD выдерживать при таких стандартных испытательных токах требуют дополнительного изучения. Чтобы исследовать и сравнить стойкость УЗИП при импульсных токах 8 / 20 мс и 10 / 350 мс, проводятся эксперименты на трех типах типичных металлооксидных варисторов (MOV), которые используются для УЗИП класса I. Результаты показывают, что MOV с более высоким предельным напряжением имеют лучшую способность выдерживать импульсный ток 8 / 20ms, в то время как заключение относительно импульсного тока 10 / 350ms противоположно. При токе 10 / 350 мс сбой MOV связан с поглощенной энергией на единицу объема при одном импульсе. Трещина является основной формой повреждения при токе 10 / 350ms, который может быть описан как одна сторона пластиковой оболочки MOV и отслаивание электродного листа. Абляция материала ZnO, вызванная пробоем между электродным листом и поверхностью ZnO, появилась рядом с электродом MOV.

1. Введение

Устройства защиты от перенапряжений (УЗИП), подключенные к низковольтным энергосистемам, телекоммуникационным и сигнальным сетям, должны проходить испытания в соответствии с требованиями стандартов IEC и IEEE [1-5]. Принимая во внимание местоположение и возможный ток освещения, на который он может воздействовать, такие УЗИП должны испытываться при импульсных токах разряда, главным образом с сигналами 8 / 20 мс и 10 / 350 мс [4-6]. Текущий сигнал 8 / 20 мс обычно используется для имитации импульса молнии [6-8]. Номинальный ток разряда (In) и максимальный ток разряда (Imax) SPD определяются импульсным током 8 / 20 мс [4-5]. Кроме того, импульс тока 8 / 20 ms широко используется для испытаний остаточного напряжения УЗИП и рабочих режимов [4]. Импульсный ток 10 / 350ms обычно используется для имитации тока прямого обратного удара молнии [7-10]. Эта форма волны соответствует параметрам для импульсного тока разряда для испытания УЗИП класса I, которое особенно используется для испытания с дополнительным режимом работы УЗИП класса I [4]. Во время типовых испытаний [4-5] необходимо указать определенное количество импульсных токов, применяемых к SPD. Например, пятнадцать токов 8 / 20 мс и пять импульсных токов 10 / 350 мс требуются для проверки рабочего режима для УЗИП класса I [4]. Тем не менее, с улучшением продуктов SPD, производительность и способность SPD выдерживать при таких стандартных испытательных токах требуют дополнительного изучения. Предыдущие исследования обычно концентрировались на характеристиках MOV при многократном импульсном токе 8 / 20 мс [11-14], в то время как характеристики при многократном импульсном токе 10 / 350 мс не были тщательно исследованы. Кроме того, УЗИП класса I, установленные в местах высокой экспозиции в зданиях и системах распределения, более уязвимы для ударов молнии [15-16]. Следовательно, необходимо изучить рабочие характеристики и выдерживаемые характеристики SPD класса I при импульсных токах 8 / 20 мс и 10 / 350 мс. В этой статье экспериментально исследована способность выдерживать SPD класса I при импульсных токах 8 / 20 мс и 10 / 350 мс. Три типа типичных MOV, используемых для SPD класса I, принимаются для анализа. Амплитуда тока и количество импульсов корректируются для нескольких экспериментов. Сравнение проводится по сопротивляемости МОВ при двух видах импульсных токов. Режим сбоя образцов MOV, которые потерпели неудачу после испытаний, также анализируются.

2. Схема эксперимента.

Три типа типичных MOVs, используемых для SPD класса I, приняты в экспериментах. Для каждого типа MOV образцы 12, сделанные EPCOS, принимаются в рамках четырех видов экспериментов. Их основные параметры показаны в ТАБЛИЦЕ I, где In представляет номинальный ток разряда MOVs при импульсе 8 / 20, Imax представляет максимальный ток разряда при импульсе 8 / 20µs, Iimp представляет максимальный ток разряда при импульсе 10 / 350µs, UDC1mA обозначает напряжение MOV, измеренное при постоянном токе 1 мА, Ur представляет остаточное напряжение MOV при In.

На рис. 1 показан генератор импульсного тока, который можно настроить для вывода импульсов тока 10 / 350 мс и 8 / 20 мс. Катушка Пирсона используется для измерения импульсных токов на испытанных MOV. Делитель напряжения с коэффициентом 14.52 используется для измерения остаточных напряжений. Цифровой осциллограф TEK DPO3014 используется для записи экспериментальных сигналов.

В соответствии со стандартом тестирования SPD [4], амплитуды, принятые для тока 8 / 20 мс, включают в себя 30kA (0.75Imax) и 40kA (Imax). Амплитуды, принятые для тока 10 / 350 мс, включают в себя 0.75Iimp и Iimp. Ссылка на рабочий тест для MOV [4], пятнадцать импульсов 8 / 20ms применяются к выборкам MOV, и интервал между импульсами составляет 60 с. Поэтому блок-схема экспериментальной процедуры показана на рис. 2.

Экспериментальная процедура может быть описана как:

(1) Первоначальные измерения: образцы MOV характеризуются UDC1mA, Ur и фотографиями в начале экспериментов.

(2) Подать пятнадцать импульсов: настроить генератор импульсного тока для вывода требуемого импульсного тока. Пятнадцать импульсов с интервалом 60 с применяются к образцу MOV последовательно.

(3) Запишите измеренные формы сигналов тока и напряжения MOV после каждого импульсного воздействия.

(4) Визуальный осмотр и измерения после испытаний. Проверьте поверхность MOV для прокола или пробоя. Измерьте UDC1mA и Ur после испытаний. Сделайте фотографии поврежденных MOV после испытаний. Критерии прохождения экспериментов, согласно IEC 61643-11 [4], требуют, чтобы записи напряжения и тока вместе с визуальным осмотром не показывали признаков прокола или пробоя проб. Кроме того, IEEE Std. C62.62 [5] предположил, что измеренное Ur после посттестирования (остаточные напряжения MOV при In) не должно отклоняться более чем на 10% от измеренного Ur предварительно. Std. МЭК 60099-4 [17] также требует, чтобы UDC1mA не отклонялся более чем на 5% после импульсных испытаний.

  1. Возможность выдерживать под 8 / 20 мс импульсный ток

В этом разделе импульсные токи 8 / 20 мс с амплитудами 0.75Imax и Imax прикладываются к выборкам УЗИП соответственно. Коэффициент изменения для измеренного UDC1mA и Ur определяется после:

где Ucr представляет собой коэффициент изменения измеренных значений. Uat представляет значение, измеренное после испытаний. Ubt представляет собой значение, измеренное до испытаний.

3.1 Результаты при импульсном токе 8 / 20 мс с пиком 0.75Imax

Результаты испытаний для трех типов MOV при пятнадцати импульсных токах 8 / 20 мс с пиком 0.75Imax (30 кА) показаны в ТАБЛИЦЕ II. Результат для каждого типа MOV - среднее значение трех одинаковых образцов.

ТАБЛИЦА II

Результаты при импульсных токах 8 / 20 мс с пиком 30 кА

Из таблицы видно, что после пятнадцати импульсов 8 / 20 мс были применены к MOV, изменения UDC1mA и Ur незначительны. «Пропуск» для визуального осмотра означает отсутствие видимых повреждений на испытанных MOV. Кроме того, можно наблюдать, что с увеличением предельного напряжения MOV Ucr становится меньше. Например, Ucr является наименьшим для MX типа V460. Можно сделать вывод, что все три типа MOV могут пропускать пятнадцать импульсов 8 / 20 мс с пиком 30 кА.

3.2 Результаты при импульсном токе 8 / 20 мс с пиком Imax

С учетом результатов эксперимента, приведенных выше, амплитуда тока 8 / 20 мс увеличивается до 40 кА (Imax). Кроме того, количество импульсов увеличено до двадцати для V460 типа MOV. Экспериментальные результаты приведены в ТАБЛИЦЕ III. Чтобы сравнить поглощение энергии в трех типах MOV, Ea / V используется для представления поглощенной энергии на единицу объема в среднем для пятнадцати или двадцати импульсов. Здесь рассматривается «среднее», потому что поглощение энергии в MOV немного отличается под каждым импульсом.

ТАБЛИЦА III

Результаты при импульсных токах 8 / 20 мс с пиком 40 кА

Из ТАБЛИЦЫ III можно наблюдать, что когда амплитуда тока увеличивается до 40 кА, Ucr для UDC1mA отклоняется больше, чем 5% для V230 и V275, хотя изменение остаточного напряжения MOV все еще находится в пределах эффективного диапазона 10%. Визуальный осмотр также показывает отсутствие видимых повреждений на испытанных MOV. Для MOV типа V230 и V275 Ea / V означает поглощенную энергию на единицу объема со средним числом пятнадцати импульсов. Ea / V для V460 представляет поглощенную энергию на единицу объема в среднем из двадцати импульсов. ТАБЛИЦА III показывает, что MOV с более высоким предельным напряжением (V460) имеют большее значение Ea / V, чем MOV с более низким предельным напряжением (V275 и V230). Более того, при импульсном токе, неоднократно подаваемом на V460, поглощенная энергия на единицу объема (E / V) постепенно увеличивается, как показано на рис. 3.

Поэтому можно сделать вывод, что MOV типа V230 и V275 не могли выдержать пятнадцать импульсов тока 8 / 20ms с пиком Imax, в то время как MOV типа V460 мог выдерживать максимальный ток разряда вплоть до импульсов 20. Это означает, что MOV с более высоким предельным напряжением лучше выдерживают импульсный ток 8 / 20ms.

4. Способность выдерживать импульсный ток 10 / 350 мс

В этом разделе импульсные токи 10 / 350 мс с амплитудами 0.75Iimp и Iimp применяются соответственно к выборкам SPD.

4.1 Результаты при импульсном токе 10 / 350 мс с пиком 0.75Iimp

Поскольку Iimp трех типов MOV различны, токи 10 / 350 мс с амплитудой 4875A применяются к V230 и V275, а импульсы с амплитудой 4500 A применяются к V460. После применения пятнадцати импульсных токов изменения для UDC1mA и Ur на протестированных MOV показаны в ТАБЛИЦЕ IV. ∑E / V означает суммирование E / V для приложенных импульсов.

Из таблицы IV видно, что после применения пятнадцати токов 10 / 350 мс с пиком 0.75Iimp V230 мог пройти тест, в то время как изменение UDC1mA для V275 отклоняется более чем на 5%. Отек и незначительные трещины также появились на пластиковой оболочке V275. Фотография V275 с незначительной трещиной показана на рис. 4.

Для MOV типа V460 после того, как применяется восьмой импульс 10 / 350 мс с пиком 4500A, MOV треснул, и измеренные сигналы напряжения и тока являются ненормальными. Для сравнения измеренные осциллограммы напряжения и тока под седьмым и восьмым импульсами 10 / 350 мс на V460 показаны на рис. 5.

Рис. 5. Измеренные сигналы напряжения и тока на V460 при импульсе 10 / 350 мс

Для V230 и V275, ∑E / V является суммой E / V для пятнадцати импульсов. Для V460 ∑E / V - это сумма E / V для восьми импульсов. Можно заметить, что, хотя Ea / V V460 выше, чем у V230 и V275, общее значение ∑E / Vof V460 является самым низким. Тем не менее, V460 получил самый серьезный ущерб. Это означает, что для единичного объема MOV сбой MOV при токе 10 / 350 мс не связан с общей поглощенной энергией (∑ E / V), но может быть в большей степени связан с поглощенной энергией при одном импульсе (Ea / V). ). Можно сделать вывод, что при импульсном токе 10 / 350 мс V230 мог выдерживать большее количество импульсов, чем MOV типа V460. Это означает, что MOV с более низким предельным напряжением имеют лучшую способность выдерживать ток мс 10 / 350, что противоположно выводу для импульса тока 8 / 20 мс.

4.2 Результаты при импульсном токе 10 / 350 мс с пиком Iimp

Когда амплитуда тока 10 / 350 мс увеличивается до Iimp, все проверенные MOV не могли передать пятнадцать импульсов. Результаты для импульсных токов 10 / 350 мс с амплитудой Iimp показаны в ТАБЛИЦЕ V, где «Число импульсов выдерживания» означает величину импульса, которую MOV мог выдержать до трещины.

Из таблицы V видно, что V230 с Ea / V 122.09 J / cm3 мог выдерживать восемь импульсов 10 / 350 мс, тогда как V460 с Ea / V 161.09 J / cm3 мог пропускать только три импульса, хотя максимальный ток, принятый для V230 (6500 A) выше, чем для V460 (6000 A). Это подтверждает вывод о том, что MOV с высоким предельным напряжением легче повредить при токе 10 / 350 ms. Это явление можно объяснить следующим образом: большая энергия, переносимая током 10 / 350 мс, будет поглощаться в MOV. Для MOV с высоким предельным напряжением при токе 10 / 350 мс гораздо больше энергии будет поглощаться в единичном объеме MOV, чем в MOV с низким предельным напряжением, и чрезмерное поглощение энергии приведет к отказу MOV. Тем не менее, механизм сбоев под током 8 / 20 мс требует дальнейшего изучения.

Визуальный осмотр показывает, что такая же форма повреждения наблюдается на трех типах MOV при токе 10 / 350. Одна сторона пластиковой оболочки MOV и прямоугольный электродный лист отслаиваются. Возле листа электрода появилась абляция материала ZnO, вызванная пробоем между электродом MOV и поверхностью ZnO. Фотография поврежденного V230 показана на рис. 6.

5. Заключение

SPD необходимо проверять при импульсных токах разряда, в основном с сигналами 8 / 20 мс и 10 / 350 мс. Чтобы исследовать и сравнить способность выдерживать SPD при импульсных токах 8 / 20 мс и 10 / 350 мс, проводится несколько экспериментов с максимальным током разряда для формы сигнала 8 / 20 мс (Imax) и 10 / 350 мс (Iimp) , а также амплитуды 0.75Imax и 0.75Iimp. Три типа типичных MOV, используемых для SPD класса I, принимаются для анализа. Некоторые выводы можно сделать.

(1) MOVs с более высоким предельным напряжением лучше выдерживают импульсный ток 8 / 20ms. MOV типа V230 и V275 не могли выдержать пятнадцать импульсов 8 / 20ms с пиком Imax, в то время как MOV типа V460 мог пропустить двадцать импульсов.

(2) MOV с более низким предельным напряжением имеют лучшую способность выдерживать ток 10 / 350 мс. MOV типа V230 мог выдерживать восемь импульсов 10 / 350 мс с пиком Iimp, тогда как V460 мог пропускать только три импульса.

(3) Учитывая единичный объем MOV при токе 10 / 350 мс, поглощенная энергия при одиночном импульсе может быть связана с отказом MOV, а не суммированием поглощенной энергии при всех приложенных импульсах.

(4) Такая же форма повреждения наблюдается на трех типах MOV при токах 10 / 350 мс. Одна сторона пластиковой оболочки MOV и прямоугольный электродный лист отслаиваются. Абляция материала ZnO, вызванная пробоем между электродным листом и поверхностью ZnO, появилась рядом с электродом MOV.