Överspänningsskydd (SPD) måste testas under impulsavladdningströmmar, huvudsakligen med vågformer av 8 / 20 ms och 10 / 350 ms. Men med förbättringen av SPD-produkter behöver prestanda och motståndskraften hos SPD under sådana standard testströmmar mer undersökning. För att undersöka och jämföra resistensförmågan hos SPDs under 8 / 20 ms och 10 / 350 ms impulsström, utförs experiment på tre typer av typiska metalloxidvaristorer (MOV) som används för klass I SPD. Resultaten visar att MOVs med högre begränsningsspänning har bättre motståndskraft under 8 / 20ms impulsström, medan slutsatsen under 10 / 350ms impulsström är motsatt. Under 10 / 350 ms ström är MOV-felet relaterat till den absorberade energin per volymenhet under enstaka impulser. Sprickning är huvudskadaformen under 10 / 350ms ström, som kan beskrivas som ena sidan av MOV-plastinkapslingen och elektrodskiktet avskalning. Ablationen av ZnO-materialet, som orsakades av flashoverlaget mellan elektrodarket och ZnO-ytan, visade sig nära MOV-elektroden.
Överspänningsskyddsanordningar (SPD) anslutna till lågspänningssystem, telekommunikations- och signalnätverk måste testas enligt kraven i IEC- och IEEE-standarderna [1-5]. Med tanke på platsen och den eventuella belysningsström som den kan drabbas av måste sådana SPD:er testas under impulsurladdningsströmmar huvudsakligen med vågformer på 8/20 ms och 10/350 ms [4-6]. Den nuvarande vågformen på 8/20 ms används vanligtvis för att simulera blixtimpulsen [6-8]. Den nominella urladdningsströmmen (In) och den maximala urladdningsströmmen (Imax) för SPD är båda definierade med 8/20 ms impulsström [4-5]. Dessutom används strömimpulsen på 8/20 ms i stor utsträckning för SPD-restspännings- och driftstester [4]. 10/350ms impulsström används vanligtvis för att simulera den direkta blixtens returström [7-10]. Denna vågform uppfyller parametrarna för impulsurladdningsströmmen för klass I SPD-test, som speciellt används för det extra drifttestet för klass I SPD:er [4]. Under typtesterna [4-5] krävs specificerat antal impulsströmmar för att applicera på SPD. Till exempel krävs femton 8/20 ms strömmar och fem 10/350 ms impulsströmmar för drifttest för klass I SPD [4]. Men med förbättringen av SPD-produkter behöver prestandan och motståndsförmågan hos SPD:er under sådana standardtestströmmar mer undersökas. Tidigare forskning koncentrerade sig vanligtvis på MOV-prestanda under multipla 8/20 ms impulsström [11-14], medan prestandan under upprepad 10/350 ms impulsström inte har undersökts noggrant. Dessutom är klass I SPD, installerade vid punkter med hög exponering i byggnader och distributionssystem, mer känsliga för blixtnedslag [15-16]. Därför är prestandan och motståndsförmågan hos klass I SPD:er under 8/20 ms och 10/350 ms impulsströmmar nödvändiga för att undersökas. Detta dokument undersöker experimentellt motståndsförmågan hos klass I SPD: er under 8/20 ms och 10/350 ms impulsströmmar. Tre typer av typiska MOV:er som används för klass I SPD:er används för analys. Strömamplituden och antalet impulser justeras för flera experiment. Jämförelse utförs på motståndsförmågan hos MOVs under de två typerna av impulsströmmar. Felläget för MOV-proverna som misslyckades efter tester analyseras också.
Tre typer av typiska MOV: er som används för klass I SPD används i experimenten. För varje typ av MOV antas 12 prover gjorda av EPCOS under fyra typer av experiment. Deras grundläggande parametrar visas i TABELL I, där In representerar den nominella urladdningsströmmen för MOVs under 8/20µs impuls, Imax representerar den maximala urladdningsströmmen under 8/20µs impuls, Iimp representerar den maximala urladdningsströmmen under 10/350µs impuls, UDC1mA representerar MOV-spänningen mätt under 1 mA DC-ström, Ur representerar MOV-restspänningen under In.
Fig. 1 visar impulsströmgeneratorn som kan justeras för att ge ut 10/350 ms och 8/20 ms strömimpulser. Pearson-spolen används för att mäta impulsströmmarna på de testade MOV:erna. Spänningsdelaren med förhållandet 14.52 används för att mäta restspänningarna. Det digitala oscilloskopet i TEK DPO3014 används för att registrera de experimentella vågformerna.
Enligt SPD-teststandarden [4] inkluderar amplituderna för 8/20 ms ström 30kA (0.75Imax) och 40kA (Imax). Amplituder som används för 10/350 ms ström inkluderar 0.75 Iimp och Iimp. Hänvisning till drifttestet för MOVs [4], femton 8/20ms-impulser appliceras på MOV-prover, och intervallet mellan impulserna är 60 s. Därför visas flödesschemat för den experimentella proceduren i fig. 2.
Den experimentella proceduren kan beskrivas som:
(1) Initiala mätningar: MOV-proverna karakteriseras med UDC1mA,Ur och fotografier i början av experiment.
(2) Applicera femton impulser: Justera impulsströmgeneratorn för att mata ut den begärda impulsströmmen. Femton impulser med ett intervall på 60 s appliceras på MOV-provet successivt.
(3) Registrera de uppmätta vågformerna för MOV-strömmar och spänningar efter varje impulsapplikation.
(4) Visuell inspektion och mätningar efter testerna. Kontrollera ytan på MOV för punktering eller överslag. Mät UDC1mA och Ur efter testerna. Ta bilder av de skadade MOV:erna efter tester. Godkäntkriterierna för experimenten, enligt IEC 61643-11 [4], kräver att både spännings- och strömregistreringen, tillsammans med en visuell inspektion, inte ska visa några tecken på punktering eller överslag av proverna. Dessutom har IEEE Std. C62.62 [5] föreslog att eftertestet uppmätta Ur (MOV-restspänningar vid In) inte ska avvika mer än 10 % från förtestet uppmätta Ur. Std. IEC 60099-4 [17] kräver också att UDC1mA inte ska avvika mer än 5 % efter impulstesterna.
- Motståndsförmågan under 8/20 ms impulsström
I detta avsnitt appliceras 8/20 ms impulsströmmar med amplituder på 0.75 Imax respektive Imax på SPD-proverna. Förändringsförhållandet för eftertestet uppmätta UDC1mA och Ur definieras som:
där Ucr representerar förändringsförhållandet för de uppmätta värdena. Uat representerar det värde som uppmätts efter testerna. Ubt representerar det värde som uppmätts före tester.
3.1 Resultaten under 8/20 ms impulsström med topp på 0.75 Imax
Testresultaten för tre typer av MOV under femton 8/20 ms impulsströmmar med en topp på 0.75 Imax (30 kA) visas i TABELL II. Resultatet för varje typ av MOV är medelvärdet av tre samma prover.
TABELL II
Resultat under 8/20 ms impulsströmmar med 30 kA topp
Det kan ses från TABLEII att efter att femton 8/20 ms-impulser har applicerats på MOV:erna är förändringarna av UDC1mA och Ur små. "Pass" för visuell inspektion betyder inga synliga skador på de testade MOV:erna. Dessutom kan det observeras att med ökningen av MOV-begränsningsspänningen blir Ucr mindre. Såsom Ucr är den minsta för V460 typ MOV. Man kan dra slutsatsen att de tre typerna av MOV:er alla kunde passera de femton 8/20 ms-impulserna med 30 kA-topp.
3.2 Resultaten under 8/20 ms impulsström med topp på Imax
Med tanke på de experimentella resultaten ovan, ökas amplituden på 8/20 ms ström till 40 kA (Imax). Dessutom ökas antalet impulser till tjugo för V460 typ MOV. De experimentella resultaten visas i tabell III. För att jämföra energiabsorptionen i de tre typerna MOV används Ea/V för att representera den absorberade energin per volymenhet för medeltalet av femton eller tjugo impulser. Här beaktas "genomsnittet" eftersom energiabsorptionen i MOV: er är något annorlunda under varje impuls.
TABELL III
Resultat under 8/20 ms impulsströmmar med 40 kA topp
Det kan observeras från TABELL III att när strömamplituden ökas till 40 kA avviker Ucr för UDC1mA mer än 5 % för V230 och V275, även om förändringen av MOV-restspänningen fortfarande ligger inom det effektiva området 10 %. Den visuella inspektionen visar inte heller några synliga skador på de testade MOV:erna. För V230 och V275 typ MOV betyder Ea/V den absorberade energin per volymenhet med ett genomsnitt av femton impulser. Ea/V för V460 representerar den absorberade energin per volymenhet med ett genomsnitt på tjugo impulser. TABELL III visar att MOV med högre begränsningsspänning (V460) har större Ea/V än MOV med lägre begränsningsspänning (V275 och V230). Dessutom, med impulsströmmen upprepade gånger på V460, ökar den absorberade energin per volymenhet (E/V) gradvis, som visas i Fig. 3.
Därför kan man dra slutsatsen att V230 och V275 typ MOV inte kunde motstå femton 8/20ms strömimpulser med en topp på Imax, medan V460 typ MOV kunde motstå den maximala urladdningsströmmen upp till 20 impulser. Detta innebär att MOV med högre begränsningsspänning har bättre motståndsförmåga under 8/20ms impulsström.
4. Motståndsförmågan under 10/350 ms impulsström
I detta avsnitt appliceras 10/350 ms impulsströmmar med amplituder på 0.75 Iimp respektive Iimp på SPD-proverna.
4.1 Resultaten under 10/350 ms impulsström med en topp på 0.75 Iimp
Eftersom Iimp av de tre typerna av MOV är olika, appliceras 10/350 ms strömmar med amplituden 4875A på V230 och V275, och impulser med amplituden 4500 A appliceras på V460. Efter applicering av femton impulsströmmar visas ändringarna för UDC1mA och Ur på de testade MOV:erna i TABELL IV. ∑E/V betyder summan av E/V för de applicerade impulserna.
Det kan ses av TABELL IV att efter att ha applicerat femton 10/350 ms strömmar med en topp på 0.75 Iimp, kunde V230 klara testet, medan förändringen för UDC1mA av V275 avviker mer än 5%. Svullnad och mindre sprickor förekom också på plastinkapslingen av V275. Fotografiet av V275 med mindre sprickor visas i fig. 4.
För V460 typ MOV, efter att den åttonde 10/350 ms-impulsen med en topp på 4500A applicerats, sprack MOV och de uppmätta spännings- och strömvågformerna är onormala. Som jämförelse visas de uppmätta spännings- och strömvågformerna under sjunde och åttonde 10/350 ms-impulsen på V460 i Fig. 5.
Fig. 5. De uppmätta spännings- och strömvågformerna på V460 under 10/350 ms impuls
För V230 och V275 är ∑E/V summan av E/V för femton impulser. För V460 är ∑E/V summeringen av E/V för åtta impulser. Det kan observeras att även om Ea/V för V460 är högre än för V230 och V275, är den totala ∑E/V för V460 den lägsta. V460 fick dock den allvarligaste skadan. Detta betyder att för enhetsvolymen för MOV är MOV-felet under 10/350 ms ström inte relaterat till den totala absorberade energin (∑ E/V), utan kan vara mer relaterad till den absorberade energin under en enda impuls (Ea/V) ). Man kan dra slutsatsen att under 10/350 ms impulsström kan V230 motstå fler impulser än MOV av V460-typ. Detta innebär att MOV:erna med lägre begränsningsspänning har bättre motståndsförmåga under 10/350 ms ström, vilket är motsatt slutsatsen under 8/20 ms impulsström.
4.2 Resultaten under 10/350 ms impulsström med topp på Iimp
När amplituden på 10/350 ms ström ökas till Iimp kunde inte alla testade MOV:er passera femton impulser. Resultaten under 10/350 ms impulsströmmar med amplitud på Iimp visas i TABELL V, där "Tåla impulsnummer" betyder den impulsmängd som MOV kunde motstå innan spricka.
Det kan observeras från TABELL V att V230 med Ea/V på 122.09 J/cm3 kunde motstå åtta 10/350 ms-impulser medan V460 med Ea/V på 161.09 J/cm3 bara kunde passera tre impulser, även om toppströmmen antagen för V230 (6500 A) är högre än för V460 (6000 A). Detta bekräftar slutsatsen att MOV med hög begränsningsspänning lättare skadas under 10/350 ms ström. Detta fenomen kan förklaras som: den stora energin som bärs av 10/350 ms ström kommer att absorberas i MOV. För MOV:er med hög begränsningsspänning under 10/350 ms ström, kommer mycket mer energi att absorberas i enhetsvolymen för MOV än i MOV:er med låg begränsningsspänning, och den överdrivna energiabsorptionen kommer att leda till MOV-fel. Felmekanismen under 8/20 ms ström behöver dock mer utredning.
Visuell inspektion visar att samma skadeform observeras på de tre typerna av MOVs under 10/350 ms ström. Ena sidan av MOV-plastinkapslingen och det rektangulära elektrodskiktet skalar av. Ablationen av ZnO-material uppträdde nära elektrodskiktet, vilket orsakas av överslag mellan MOV-elektroden och ZnO-ytan. Fotografiet av skadad V230 visas i fig. 6.
5. Slutsats
SPD:er måste testas under impulsurladdningsströmmar huvudsakligen med vågformer på 8/20 ms och 10/350 ms. För att undersöka och jämföra motståndsförmågan hos SPD:er under 8/20 ms och 10/350 ms impulsströmmar, utförs flera experiment med maximal urladdningsström för 8/20 ms (Imax) och 10/350 ms (Iimp) vågformer , samt amplituder på 0.75Imax och 0.75Iimp. Tre typer av typiska MOV:er som används för klass I SPD:er används för analys. Vissa slutsatser kan dras.
(1) MOV:erna med högre begränsningsspänning har bättre motståndsförmåga under 8/20ms impulsström. V230 och V275 typ MOV kunde inte motstå femton 8/20ms impulser med topp på Imax, medan V460 typ MOV kunde passera tjugo impulser.
(2) MOV:erna med lägre begränsningsspänning har bättre motståndsförmåga under 10/350 ms ström. V230 typ MOV klarade åtta 10/350 ms impulser med en topp på Iimp, medan V460 bara kunde passera tre impulser.
(3) Med tanke på enhetsvolymen för MOV under 10/350 ms ström, kan den absorberade energin under en enda impuls vara relaterad till MOV-fel, istället för summeringen av absorberad energi under alla applicerade impulser.
(4) Samma skadeform observeras på tre typer av MOV under 10/350 ms strömmar. Ena sidan av MOV-plastinkapslingen och det rektangulära elektrodskiktet skalar av. Ablation av ZnO-materialet, orsakad av överslag mellan elektrodskiktet och ZnO-ytan, uppträdde nära MOV-elektroden.