Prenapetostne zaščitne naprave (SPD) je treba preskusiti pod impulznimi razelektritvenimi tokovi predvsem z valovnimi oblikami 8 / 20 ms in 10 / 350 ms. Vendar pa je z izboljšanjem izdelkov SPD zmogljivost in odpornost SPD pod takimi standardnimi preskusnimi tokovi potrebna več preiskav. Da bi raziskali in primerjali odpornost SPD-jev pod impulznimi tokovi 8 / 20 ms in 10 / 350 ms, se eksperimenti izvajajo na treh tipih varistorjev kovinskih oksidov (MOV), ki se uporabljajo za SPD razreda I. Rezultati kažejo, da imajo MOVs z višjo mejno napetostjo boljšo odpornost pod impulznim tokom 8 / 20ms, medtem ko je zaključek pod impulznim tokom 10 / 350ms nasproten. Pod trenutnim tokom 10 / 350 je napaka MOV povezana z absorbirano energijo na enoto prostornine pod enim impulzom. Crack je glavna oblika poškodbe pod tokom 10 / 350ms, ki ga lahko opišemo kot eno stran plastične enkapsulacije MOV in list elektrode se odlepi. V bližini elektrode MOV se je pojavila ablacija materiala ZnO, ki je nastal zaradi preboja med elektrodno ploščo in površino ZnO.

1. Uvod

Prenapetostne zaščitne naprave (SPD), priključene na nizkonapetostne napajalne sisteme, telekomunikacijska in signalna omrežja, morajo biti testirane v skladu z zahtevami standardov IEC in IEEE [1-5]. Glede na lokacijo in možni svetlobni tok, ki ga lahko trpi, morajo biti takšni SPD testirani pod impulznimi razelektritvenimi tokovi predvsem z valovnimi oblikami 8 / 20 ms in 10 / 350 ms [4-6]. Trenutna oblika valov 8 / 20 ms se običajno uporablja za simulacijo strele [6-8]. Nominalni tok (In) in maksimalni tok praznjenja (Imax) SPD-jev so definirani z impulznim tokom 8 / 20 [4-5]. Še več, trenutni impulz 8 / 20 ms se pogosto uporablja za teste preostale napetosti SPD in delovne preizkuse [4]. Impulzni tok 10 / 350ms se običajno uporablja za simulacijo trenutnega trenutnega toka [7-10]. Ta valovna oblika ustreza parametrom toka razelektritve impulzov za preskus SPD razreda I, ki se uporablja predvsem za dodatni preskus delovanja za SPD razreda I [4]. Med tipskimi preskusi [4-5] je potrebno za SPD uporabiti določeno število impulznih tokov. Na primer, petnajst tokov 8 / 20 ms in pet impulznih tokov 10 / 350 ms so potrebni za preizkus obratovalnih nalog za SPD razreda I [4]. Vendar pa je z izboljšanjem izdelkov SPD zmogljivost in odpornost SPD pod takimi standardnimi preskusnimi tokovi potrebna več preiskav. Prejšnje raziskave so se običajno osredotočile na zmogljivost MOV pri večkratnem impulznem toku 8 / 20 [11-14], medtem ko se delovanje pod ponavljajočim impulznim tokom 10 / 350 ms ni temeljito raziskalo. Poleg tega so SPD razreda I, nameščeni na mestih visoke izpostavljenosti v zgradbah in distribucijskih sistemih, bolj dovzetni za udarce strele [15-16]. Zato je treba raziskati zmogljivost in odpornost SPD-jev razreda I pod impulznimi tokovi 8 / 20 ms in 10 / 350 ms. V prispevku so eksperimentalno preučevali odpornost SPD-jev razreda I pod impulznimi tokovi 8 / 20 ms in 10 / 350 ms. Za analizo se sprejmejo tri vrste tipičnih MOV, ki se uporabljajo za SPD razreda I. Amplituda toka in število impulzov se prilagodi za več poskusov. Primerjava je izvedena na obstojni sposobnosti MOV pod dvema vrstama impulznih tokov. Analiziran je tudi način okvare vzorcev MOV, ki niso uspeli po preskusih.

2. Postavitev poskusa

V poskusih so bile uporabljene tri vrste tipičnih MOV, ki se uporabljajo za SPD razreda I. Za vsako vrsto MOV so vzorci 12, izdelani z EPCOS, sprejeti v okviru štirih vrst poskusov. Njihovi osnovni parametri so prikazani v TABELI I, kjer In predstavlja nominalni tok MOVs pod 8 / 20µs impulz, Imax predstavlja maksimalni tok razelektritve pod impulzom 8 / 20µs, Iimp predstavlja največji tok razelektritve pod impulzom 10 / 350µs, UDC1mA napetost MOV, izmerjena pod enosmernim tokom 1 mA, Ur predstavlja preostalo napetost MOV pod In.

Na sliki 1 je prikazan generator impulznega toka, ki se lahko nastavi na izhodne trenutne impulze 10 / 350 ms in 8 / 20 ms. Pearsonova tuljava je sprejeta za merjenje impulznih tokov na preizkušenih MOV. Za merjenje preostalih napetosti se uporablja delilnik napetosti z razmerjem 14.52. Digitalni osciloskop TEK DPO3014 je sprejet za beleženje eksperimentalnih valovnih oblik.

V skladu s preskusnim standardom SPD [4] so amplitude, sprejete za tok 8 / 20 ms, vključevale 30kA (0.75Imax) in 40kA (Imax). Amplitude, sprejete za trenutne 10 / 350 ms, vključujejo 0.75Iimp in Iimp. Sklic na preskus obratovalnih nalog za MOVs [4], petnajst impulzov 8 / 20ms se uporablja za vzorce MOV, interval med impulzi pa je 60 s. Zato je diagram poteka eksperimentalnega postopka prikazan na sliki 2.

Eksperimentalni postopek lahko opišemo kot:

(1) Začetne meritve: Vzorci MOV so označeni z UDC1mA, Ur in fotografijami na začetku poskusov.

(2) Uporabite petnajst impulzov: Prilagodite generator impulznega toka, da odda zahtevani impulzni tok. V vzorcu MOV se zaporedoma uporabi petnajst impulzov z intervalom 60 s.

(3) Zabeležite izmerjene valovne oblike tokov in napetosti MOV po vsaki uporabi impulzov.

(4) Vizualni pregled in meritve po preskusih. Preverite površino MOV za prebijanje ali preboje. Po testih izmerite UDC1mA in Ur. Po testih fotografirajte poškodovane MOV. Merila za preizkuse v skladu s standardom IEC 61643-11 [4] zahtevajo, da zapisi napetosti in toka skupaj z vizualnim pregledom ne kažejo nobenih znakov punkcije ali preboja vzorcev. Poleg tega je IEEE Std. C62.62 [5] je predlagal, da se meritev Ur (MOV za preostalo napetost v In) izmeri po testu, ki ne odstopa več kot 10% od izmerjene vrednosti Ur. Std. IEC 60099-4 [17] zahteva tudi, da UDC1mA po impulznih testih ne odstopa več kot 5%.

  1. Zmogljivost pod 8 / 20 impulzni tok

V tem razdelku se na vzorce SPD uporabijo impulzni tokovi 8 / 20 ms z amplitudami 0.75Imax in Imax. Razmerje sprememb za meritve UDC1mA in Ur, ki so bile opravljene po testu, so opredeljene kot:

pri čemer Ucr predstavlja razmerje spreminjanja izmerjenih vrednosti. Uat predstavlja vrednost, izmerjeno po preskusih. Ubt predstavlja vrednost, izmerjeno pred testi.

3.1 Rezultati pod impulzni tok 8 / 20 ms z vrhom 0.75Imax

Rezultati testov za tri vrste MOV pod petnajstimi impulznimi tokovi 8 / 20 ms z vrha 0.75Imax (30 kA) so prikazani v tabeli II. Rezultat za vsako vrsto MOV je povprečje treh istih vzorcev.

TABELA II

Rezultati pod impulznimi tokovi 8 / 20 ms z vrha 30 kA

Iz TABLEII je razvidno, da so po petnajstih impulzih 8 / 20 ms na MOV-jih spremembe UDC1mA in Ur manjše. „Prehod“ za vizualni pregled ne pomeni nobene vidne poškodbe na preskušenih MOV. Poleg tega je mogoče opaziti, da se s povečanjem omejevalne napetosti MOV zmanjša Ucr. Tako kot je Ucr najmanjši za V460 tipa MOV. Sklepamo lahko, da bi lahko tri vrste MOV mimo petnajst impulzov 8 / 20 ms z vrha 30 kA.

3.2 Rezultati pod impulznim tokom 8 / 20 ms z vrhom Imax

Glede na zgoraj navedene eksperimentalne rezultate se amplituda toka 8 / 20 ms poveča na 40 kA (Imax). Poleg tega se število impulzov poveča na dvajset za V460 tipa MOV. Eksperimentalni rezultati so prikazani v tabeli III. Da bi primerjali absorpcijo energije v treh tipih MOV, se Ea / V uporablja za predstavitev absorbirane energije na enoto prostornine za povprečje petnajst ali dvajset impulzov. Pri tem upoštevamo »povprečje«, ker je absorpcija energije v MOV nekoliko različna pod vsakim impulzom.

TABELA III

Rezultati pod impulznimi tokovi 8 / 20 ms z vrha 40 kA

Iz tabele III je razvidno, da ko je trenutna amplituda povečana na 40 kA, Ucr za UDC1mA odstopa za več kot 5% za V230 in V275, čeprav je sprememba preostale napetosti MOV še vedno znotraj efektivnega območja 10%. Vizualni pregled tudi ne kaže nobenih vidnih poškodb na preizkušenih MOV. Za MOV-e tipa V230 in V275 pomeni Ea / V absorbirano energijo na enoto prostornine s povprečjem petnajstih impulzov. Ea / V za V460 predstavlja absorbirano energijo na enoto prostornine s povprečjem dvajsetih impulzov. TABELA III kaže, da imajo MOVs z višjo mejno napetostjo (V460) večji Ea / V kot MOVs z nižjo mejno napetostjo (V275 in V230). Poleg tega, ko je impulzni tok večkrat uporabljen na V460, se absorbirana energija na enoto prostornine (E / V) postopoma poveča, kot je prikazano na sliki 3.

Zato lahko sklepamo, da MOV-ji tipa V230 in V275 ne morejo vzdržati petnajstih trenutnih impulzov 8 / 20ms z vrhom Imax, medtem ko lahko tip V460 MOV prenese največji tok toka do impulzov 20. To pomeni, da imajo enote MOV z višjo mejno napetostjo boljšo odpornost na impulzni tok 8 / 20ms.

4. Odporna zmogljivost pod impulznim tokom 10 / 350 ms

V tem razdelku se na vzorce SPD uporabijo impulzni tokovi 10 / 350 ms z amplitudami 0.75Iimp in Iimp.

4.1 Rezultati pod impulznim tokom 10 / 350 s konico 0.75Iimp

Ker so različice treh vrst MOV-ov različne, so na V10 in V350 uporabljeni tokovi 4875 / 230 z amplitudo 275A, impulzi z amplitudo 4500 A pa se uporabljajo na V460. Po uporabi petnajstih impulznih tokov so spremembe za UDC1mA in Ur na testiranih MOV prikazane v tabeli IV. /E / V pomeni seštevek E / V za uporabljene impulze.

Iz tabele IV je razvidno, da je po uporabi petnajstih tokov 10 / 350 z vrhom 0.75Iimp V230 lahko opravil test, medtem ko sprememba za UDC1mA V275 odstopa za več kot 5%. Otekanje in manjša razpoka sta se pojavila tudi na plastični enkapsulaciji V275. Fotografija V275 z manjšo razpoko je prikazana na sliki 4.

Za V460 tip MOV, po osmi 10 / 350 ms impulz z vrha 4500A, MOV razpokan in izmerjene napetostne in tokovne oblike nenormalne. Za primerjavo so izmerjene napetostne in tokovne oblike v sedmem in osmem 10 / 350 ms impulzu na V460 prikazane na sliki 5.

Slika 5. Merjene napetostne in tokovne oblike na V460 pod impulzom 10 / 350 ms

Za V230 in V275 je /E / V vsota E / V za petnajst impulzov. Za V460 je /E / V vsota E / V za osem impulzov. Opazimo lahko, da je Ea / V V460 višja od vrednosti V230 in V275, vendar je skupna vrednost /E / Vof V460 najnižja. V460 pa je doživel najhujšo škodo. To pomeni, da za enoto prostornine enote MOV napaka MOV pod tokom 10 / 350 ms ni povezana s skupno absorbirano energijo (/ E / V), vendar je lahko bolj povezana z absorbirano energijo pod enim impulzom (Ea / V) ). Ugotovimo lahko, da bi lahko pod 10 / 350 impulznim tokom V230 zdržal več impulzov kot MOV-ji tipa V460. To pomeni, da imajo enote MOV z nižjo mejno napetostjo boljšo odpornost pod trenutnim tokom 10 / 350 ms, kar je nasprotno od zaključka pod impulznim tokom 8 / 20 ms.

4.2 Rezultati pod impulznim tokom 10 / 350 ms z vrha Iimp

Ko se amplituda 10 / 350 ms toka poveča na Iimp, vsi testirani MOV-ji ne morejo prenesti petnajst impulzov. Rezultati pod impulznima tokovoma 10 / 350 z amplitudo Iimp so prikazani v TABELI V, pri čemer "število vztrajnih impulzov" pomeni količino impulza, ki jo MOV lahko vzdrži pred razpokami.

Iz tabele V je razvidno, da bi lahko V230 z Ea / V 122.09 J / cm3 zdržal osem impulzov 10 / 350 ms, medtem ko bi lahko V460 z Ea / V 161.09 J / cm3 prenašal samo tri impulze, čeprav je največji tok, sprejet za V230 (6500 A) je višji od V460 (6000 A). To potrjuje sklep, da so MOV-ji z ​​visoko mejno napetostjo lažje poškodovani pod tokom 10 / 350 ms. Ta pojav lahko pojasnimo kot: velika energija, ki jo nosi tok 10 / 350 ms, bo absorbirana v MOVs. Za enote MOV z visoko mejno napetostjo pod tokom 10 / 350 se bo v enoto prostornine enote MOV absorbiralo veliko več energije kot v MOVs z nizko mejno napetostjo, pretirana absorpcija energije pa bo povzročila MOV napako. Vendar pa mehanizem okvare pod trenutnim 8 / 20 ms potrebuje več preiskav.

Vizualni pregled pokaže, da se enaka oblika poškodbe opazi na treh vrstah MOV pod tok 10 / 350 ms. Na eni strani plastične enkaze MOV in pravokotne plošče elektrode se odlepi. Ablacija ZnO materiala se je pojavila v bližini elektrodne plošče, kar je posledica preboja med MOV elektrodo in površino ZnO. Fotografija poškodovanega V230 je prikazana na sliki 6.

5. Zaključek

SPD-je je treba preskusiti pod impulznimi razelektritvenimi tokovi predvsem z valovnimi oblikami 8 / 20 ms in 10 / 350 ms. Da bi raziskali in primerjali odpornost SPD-jev pod impulznimi tokovi 8 / 20 ms in 10 / 350 ms, je bilo izvedenih več poskusov z največjim tokom za 8 / 20 ms (Imax) in 10 / 350 ms (Iimp) , kot tudi amplitude 0.75Imax in 0.75Iimp. Za analizo se sprejmejo tri vrste tipičnih MOV, ki se uporabljajo za SPD razreda I. Nekaj ​​sklepov je mogoče narediti.

(1) MOVs z višjo mejno napetostjo imajo boljšo odpornost na impulzni tok 8 / 20ms. MOV-ji tipa V230 in V275 ne morejo vzdržati petnajst impulzov 8 / 20ms z vrhom Imaxa, medtem ko lahko tip V460 MOV poda dvajset impulzov.

(2) MOV-i z nižjo mejno napetostjo imajo boljšo odpornost pod trenutnim tokom 10 / 350. Tip V230 MOV lahko vzdrži osem impulzov 10 / 350 ms z vrha Iimp, medtem ko lahko V460 prenese samo tri impulze.

(3) Glede na enoto prostornine enote MOV pod tokom 10 / 350 je lahko absorbirana energija pod enim impulzom povezana z MOV napako, namesto da se vsota absorbirane energije pri vseh uporabljenih impulzih.

(4) Enaka oblika poškodb je opažena na treh vrstah MOV pod tokovi 10 / 350 ms. Na eni strani plastične enkaze MOV in pravokotne plošče elektrode se odlepi. V bližini elektrode MOV se je pojavila ablacija materiala ZnO, ki je nastal zaradi preboja med elektrodno ploščo in površino ZnO.