Prepäťové ochranné zariadenia (SPD) musia byť testované pri impulzných výbojových prúdoch hlavne s vlnovými priebehmi 8 / 20 ms a 10 / 350 ms. S vylepšením SPD produktov však výkon a odolnosť SPDs v rámci takýchto štandardných testovacích prúdov potrebujú viac skúmania. Aby sa preskúmala a porovnala odolnosť SPDs pri impulzných prúdoch 8 / 20 ms a 10 / 350 ms, experimenty sa uskutočňujú na troch typoch typických varistorov typu oxidov kovov (MOV), ktoré sa používajú pre SPDs triedy I. Výsledky ukazujú, že MOV s vyšším limitným napätím majú lepšiu odolnosť voči impulzným prúdom 8 / 20ms, zatiaľ čo záver pod impulzným prúdom 10 / 350ms je opačný. Pod prúdom 10 / 350 ms sa porucha MOV vzťahuje na absorbovanú energiu na jednotku objemu pod jedným impulzom. Trhlina je hlavnou formou poškodenia pod prúdom 10 / 350ms, ktorý môže byť opísaný ako jedna strana plastového zapuzdrenia MOV a odlupujúci sa plech elektródy. V blízkosti elektródy MOV sa objavila ablácia materiálu ZnO spôsobeného flashoverom medzi elektródovým plechom a povrchom ZnO.
Prepäťové ochranné zariadenia (SPD) pripojené na nízkonapäťové systémy, telekomunikačné a signálne siete musia byť testované podľa požiadaviek noriem IEC a IEEE [1-5]. Vzhľadom na umiestnenie a možný svetelný prúd, ktorý môže utrpieť, sa tieto SPD musia testovať pri impulzných výbojových prúdoch najmä s vlnovými priebehmi 8 / 20 ms a 10 / 350 ms [4-6]. Bežný tvar vlny 8 / 20 ms sa bežne používa na simuláciu bleskového impulzu [6-8]. Menovitý výbojový prúd (In) a maximálny výbojový prúd (Imax) SPD sú definované impulzným prúdom 8 / 20 ms [4-5]. Prúdový impulz 8 / 20 ms je navyše široko používaný pre skúšky zvyškového napätia SPD a prevádzkových testov [4]. Impulzný prúd 10 / 350ms sa obyčajne používa na simulovanie priameho prúdu vratného úderu blesku [7-10]. Tento priebeh vlny spĺňa parametre pre impulzný výbojový prúd pre skúšku SPD triedy I, ktorý sa používa najmä pre dodatočnú skúšku pre SPD triedy I [4]. Pri typových skúškach [4-5] sa vyžaduje, aby sa na SPD použil špecifikovaný počet impulzných prúdov. Napríklad pätnásť ms prúdov 8 / 20 ms a päť impulzných prúdov 10 / 350 ms je potrebných pre prevádzkový test pre SPDs triedy I [4]. S vylepšením SPD produktov však výkon a odolnosť SPDs v rámci takýchto štandardných testovacích prúdov potrebujú viac skúmania. Predchádzajúce výskumy sa zvyčajne sústreďovali na výkon MOV pri viacnásobnom impulznom prúde 8 / 20 ms [11-14], zatiaľ čo výkon pri opakovanom impulznom prúde 10 / 350 ms nebol dôkladne preskúmaný. Okrem toho, SPD triedy I, inštalované v miestach s vysokou expozíciou v budovách a distribučných systémoch, sú zraniteľnejšie voči úderom blesku [15-16]. Preto je potrebné preskúmať výkonnosť a odolnosť SPDs triedy I pod impulznými prúdmi 8 / 20 ms a 10 / 350 ms. Táto práca experimentálne skúma odolnosť SPDs triedy I pod impulznými prúdmi 8 / 20 ms a 10 / 350 ms. Na analýzu sa používajú tri typy typických MOV používaných pre SPD triedy I. \ t Amplitúda prúdu a počet impulzov sa nastavujú na niekoľko experimentov. Porovnanie sa vykonáva s odolnosťou MOV pri dvoch druhoch impulzných prúdov. Analyzuje sa aj poruchový režim vzoriek MOV, ktoré zlyhali po testoch.
V experimentoch sa používajú tri typy typických MOV používaných pre SPD triedy I. \ t Pre každý typ MOV sú vzorky 12 od EPCOS prijaté v štyroch experimentoch. Ich základné parametre sú uvedené v TABUĽKE I, kde In reprezentuje nominálny výbojový prúd MOVs pod impulzom 8 / 20µs, Imax predstavuje maximálny výbojový prúd pod impulzom 8 / 20µs, Iimp predstavuje maximálny výbojový prúd pod impulzom 10 / 350 µs, UDC1mA predstavuje napätie MOV namerané pod jednosmerným prúdom 1 mA, Ur predstavuje zvyškové napätie MOV pod In.
Obr. 1 zobrazuje generátor impulzného prúdu, ktorý môže byť nastavený na výstupné prúdové impulzy 10 / 350 ms a 8 / 20 ms. Pearsonova cievka sa používa na meranie impulzných prúdov na testovaných MOV. Delič napätia s pomerom 14.52 sa používa na meranie zvyškových napätí. Digitálny osciloskop TEK DPO3014 sa používa na zaznamenávanie experimentálnych priebehov.
Podľa SPD testovacieho štandardu [4] amplitúdy prijaté pre prúd 8 / 20 ms zahŕňajú 30kA (0.75Imax) a 40kA (Imax). Amplitúdy prijaté pre prúd 10 / 350 ms zahŕňajú 0.75Iimp a Iimp. Odkaz na prevádzkový test MOVs [4], pätnásť impulzov 8 / 20ms sa aplikuje na vzorky MOV a interval medzi impulzmi je 60 s. Preto je vývojový diagram experimentálneho postupu znázornený na obr. 2.
Experimentálny postup možno opísať ako:
(1) Počiatočné merania: Vzorky MOV sú charakterizované pomocou UDC1mA, Ur a fotografií na začiatku experimentov.
(2) Použite pätnásť impulzov: Nastavte generátor impulzného prúdu na výstup požadovaného impulzného prúdu. Na vzorke MOV sa postupne aplikuje 15 impulzov s intervalom 60 s.
(3) Zaznamenajte namerané vlnové priebehy prúdov a napätí MOV po každej aplikácii impulzov.
(4) Vizuálna kontrola a merania po skúškach. Skontrolujte, či na povrchu MOV nie je defekt alebo flashover. Zmerajte UDC1mA a Ur po testoch. Po skúškach odfotografujte poškodené MOV. Prechodové kritériá pre experimenty podľa IEC 61643-11 [4] vyžadujú, aby záznamy o napätí a prúdoch spolu s vizuálnou kontrolou nevykazovali žiadne známky prepichnutia alebo preskoku vzoriek. Okrem toho, IEEE Std. C62.62 [5] navrhol posttest nameraný Ur (zvyškové napätie MOV na In) sa nesmie odchyľovať o viac ako 10% od nameraného Ur. Std. IEC 60099-4 [17] tiež vyžaduje, aby sa UDC1mA po skúškach impulzov neodchyľoval o viac ako 5%.
- Výdrž v 8 / 20 ms impulzný prúd
V tejto časti sú na vzorkách SPD aplikované impulzné prúdy 8 / 20 ms s amplitúdami 0.75Imax a Imax. Pomer zmeny pre nameraný UDC1mA a Ur je definovaný ako:
kde Ucr predstavuje pomer zmeny nameraných hodnôt. Uat predstavuje hodnotu nameranú po testoch. Ubt predstavuje hodnotu nameranú pred testami.
3.1 Výsledky pod impulzným prúdom 8 / 20 ms s vrcholom 0.75Imax
Výsledky testov pre tri typy MOV pod pätnástimi impulznými prúdmi 8 / 20 ms s vrcholom 0.75Imax (30 kA) sú uvedené v tabuľke II. Výsledkom pre každý typ MOV je priemer troch rovnakých vzoriek.
TABUĽKA II
Výsledky pod impulznými prúdmi 8 / 20 ms s vrcholom 30 kA
Z TABLEII je vidieť, že po pätnástich 8 / 20 ms impulzoch boli aplikované na MOV, zmeny UDC1mA a Ur sú menšie. „Pass“ pre vizuálnu kontrolu znamená žiadne viditeľné poškodenie testovaných MOV. Okrem toho je možné pozorovať, že so zvýšením medzného napätia MOV sa Ucr zmenší. Ako Ucr je najmenší pre V460 typ MOV. Možno konštatovať, že všetky tri typy MOV by mohli prejsť pätnásť impulzov 8 / 20 ms s vrcholom 30 kA.
3.2 Výsledky pod impulzným prúdom 8 / 20 ms špičkou Imax
Vzhľadom na vyššie uvedené experimentálne výsledky sa amplitúda prúdu 8 / 20 ms zvýši na 40 kA (Imax). Okrem toho sa počet impulzov zvýši na dvadsať pre typ V460 MOV. Výsledky experimentov sú uvedené v tabuľke III. Na porovnanie absorpcie energie v troch typoch MOV sa Ea / V používa na vyjadrenie absorbovanej energie na jednotku objemu v priemere pätnásť alebo dvadsať impulzov. Tu sa berie do úvahy „priemer“, pretože absorpcia energie v MOVs sa mierne odlišuje pod každým impulzom.
TABUĽKA III
Výsledky pod impulznými prúdmi 8 / 20 ms s vrcholom 40 kA
Z TABUĽKY III je možné vidieť, že keď sa amplitúda prúdu zvýši na 40 kA, Ucr pre UDC1mA sa líši o viac ako 5% pre V230 a V275, hoci zmena zvyškového napätia MOV je stále v účinnom rozsahu 10%. Vizuálna kontrola tiež nevykazuje žiadne viditeľné poškodenia testovaných MOV. ForV230 a V275 typu MOV, Ea / V znamená absorbovanú energiu na jednotku objemu s priemerom pätnástich impulzov. Ea / V pre V460 predstavuje absorbovanú energiu na jednotku objemu s priemerom dvadsiatich impulzov. TABUĽKA III ukazuje, že MOV s vyšším limitným napätím (V460) majú väčšie Ea / V ako MOV s nižším limitným napätím (V275 a V230). Navyše, s impulzným prúdom opakovane aplikovaným na V460, absorbovaná energia na jednotku objemu (E / V) sa postupne zvyšuje, ako je znázornené na obr. 3.
Preto možno konštatovať, že V230 a V275 typ MOV nemohli odolať pätnástim prúdovým impulzom 8 / 20ms s vrcholom Imaxu, zatiaľ čo V460 typ MOV vydržal maximálny výbojový prúd až do impulzov 20. To znamená, že MOV s vyšším limitným napätím majú lepšiu odolnosť voči impulzným prúdom 8 / 20ms.
4. Odolnosť pri impulznom prúde 10 / 350 ms
V tejto časti sú na SPD vzorkách aplikované impulzné prúdy 10 / 350 ms s amplitúdami 0.75Iimp a Iimp.
4.1 Výsledky pod impulzným prúdom 10 / 350 ms s vrcholom 0.75Iimp
Vzhľadom k tomu, Iimp z troch typov MOVs sú odlišné, 10 / 350 ms prúdy s amplitúdou 4875A sú aplikované na V230 a V275 a impulzy s amplitúdou 4500 A sú aplikované na V460. Po použití pätnástich impulzných prúdov sú zmeny pre UDC1mA a Ur na testovaných MOV uvedené v TABUĽKE IV. ∑E / V znamená súčet E / V pre aplikované impulzy.
Z TABUĽKY IV je vidieť, že po použití pätnástich prúdov 10 / 350 ms s vrcholom 0.75Iimp mohol V230 prejsť testom, zatiaľ čo zmena pre UDC1mA V275 sa líši o viac ako 5%. Opuch a menšie praskliny sa objavili aj na plastickom zapuzdrení V275. Fotografia V275 s malými trhlinami je znázornená na obr. 4.
V prípade V460 typu MOV, po použití ôsmeho 10 / 350 ms impulzu s vrcholom 4500A, MOV praskne a namerané priebehy napätia a prúdu sú abnormálne. Na porovnanie, namerané priebehy napätia a prúdu pod siedmym a ôsmym 10 / 350 ms impulzom na V460 sú znázornené na obr. 5.
Obr. 5. Namerané priebehy napätia a prúdu na V460 pod impulzom 10 / 350 ms
Pre V230 a V275 je ∑E / V súčtom E / V pre pätnásť impulzov. Pre V460 je ∑E / V súčtom E / V pre osem impulzov. Je možné pozorovať, že hoci Ea / V V460 je vyšší ako V230 a V275, celkový ∑E / Vof V460 je najnižší. V460 však zažil najzávažnejšie škody. To znamená, že pri jednotkovom objeme MOV, porucha MOV pod prúdom 10 / 350 ms nesúvisí s celkovou absorbovanou energiou (∑ E / V), ale môže sa viac týkať absorbovanej energie pod jedným impulzom (Ea / V). ). Je možné konštatovať, že pod impulzným prúdom 10 / 350 ms by V230 vydržal viac impulzov ako V460 typu MOVs. To znamená, že meniče MOV s nižším limitným napätím majú lepšiu odolnosť voči prúdom pod prúdom 10 / 350 ms, čo je opačný výsledok ako v prípade impulzného prúdu 8 / 20 ms.
4.2 Výsledky pod impulzným prúdom 10 / 350 ms vrcholom Iimp
Keď sa amplitúda 10 / 350 ms prúdu zvýši na Iimp, všetky testované MOV nemohli prejsť pätnásť impulzov. Výsledky v impulzných prúdoch 10 / 350 ms s amplitúdou Iimp sú uvedené v TABUĽKE V, kde „Odolné impulzné číslo“ znamená množstvo impulzov, ktoré môže MOV odolať pred trhlinou.
Z TABUĽKY V je možné vidieť, že V230 s Ea / V z 122.09 J / cm3 môže vydržať osem impulzov 10 / 350 ms, zatiaľ čo V460 s Ea / V z 161.09 J / cm3 mohol prejsť len tromi impulzmi, hoci špičkový prúd prijatý pre V230 (6500 A) je vyšší ako pre V460 (6000 A). Toto potvrdzuje záver, že meniče MOV s vysokým limitným napätím sú ľahšie poškodené v prúdovom režime 10 / 350 ms. Tento jav možno vysvetliť ako: veľká energia prenášaná prúdom 10 / 350 ms bude absorbovaná v MOV. Pri MOVs s vysokým limitným napätím pod prúdom 10 / 350 ms sa bude v jednotke objemu MOV absorbovať oveľa viac energie ako v MOV s nízkym obmedzujúcim napätím a nadmerná absorpcia energie bude viesť k zlyhaniu MOV. Avšak mechanizmus zlyhania pod prúdom 8 / 20 ms potrebuje viac vyšetrenia.
Vizuálna kontrola ukazuje, že na troch typoch MOVs pod 10 / 350 ms prúdom je pozorovaný rovnaký spôsob poškodenia. Jedna strana plastového zapuzdrenia MOV a obdĺžnikový plech elektródy sa odlúpnu. Ablácia materiálu ZnO sa objavila v blízkosti elektródového plechu, čo je spôsobené flashovaním medzi elektródou MOV a povrchom ZnO. Fotografia poškodeného V230 je znázornená na obr. 6.
5. Záver
SPD musia byť testované pri impulzných výbojových prúdoch hlavne s vlnovými priebehmi 8 / 20 ms a 10 / 350 ms. Aby sa preskúmala a porovnala odolnosť SPDs pri impulzných prúdoch 8 / 20 ms a 10 / 350 ms, uskutočnilo sa niekoľko experimentov s maximálnym vybíjacím prúdom pre 8 / 20 ms (Imax) a priebeh 10 / 350 ms (Iimp). , ako aj amplitúdy 0.75Imax a 0.75Iimp. Na analýzu sa používajú tri typy typických MOV používaných pre SPD triedy I. \ t Možno vyvodiť určité závery.
(1) MOV s vyšším limitným napätím lepšie odolávajú schopnosti pri impulznom prúde 8 / 20ms. V230 a V275 typ MOV nemohli vydržať pätnásť impulzov 8 / 20ms s vrcholom Imax, zatiaľ čo V460 typ MOV mohol odovzdať dvadsať impulzov.
(2) Jednotky MOV s nižším limitným napätím majú lepšiu odolnosť voči prúdom pod prúdom 10 / 350 ms. V230 typ MOV vydržal osem ms impulzov 10 / 350 s vrcholom Iimp, zatiaľ čo V460 mohol prejsť len tromi impulzmi.
(3) Berúc do úvahy objem jednotky MOV pod prúdom 10 / 350 ms, absorbovaná energia pod jedným impulzom môže súvisieť so zlyhaním MOV, namiesto sčítania absorbovanej energie pri všetkých aplikovaných impulzoch.
(4) Rovnaký formulár poškodenia je pozorovaný na troch typoch MOV v prúdoch 10 / 350 ms. Jedna strana plastového zapuzdrenia MOV a obdĺžnikový plech elektródy sa odlúpnu. V blízkosti elektródy MOV sa objavila ablácia materiálu ZnO spôsobeného flashoverom medzi elektródovým plechom a povrchom ZnO.