Aşırı gerilim koruyucu cihazların (SPD'ler) esas olarak 8 / 20 ms ve 10 / 350 ms dalga formlarıyla darbe boşalma akımları altında test edilmesi gerekir. Bununla birlikte, SPD ürünlerinin iyileştirilmesiyle, bu standart test akımlarında SPD'lerin performansı ve dayanma kabiliyeti daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyar. XDUMX / 8 ms ve 20 / 10 ms darbeli akımlar altındaki SPD'lerin dayanma kabiliyetini araştırmak ve karşılaştırmak için, sınıf I SPD'ler için kullanılan üç tip tipik metal oksit varistörü (MOV) üzerinde deneyler yapılır. Sonuçlar, daha yüksek sınırlama gerilimi olan MOV'ların, 350 / 8ms impuls akımı altında daha iyi dayanma kabiliyetine sahip olduğunu, 20 / 10ms impuls akımı altındaki sonuç ise bunun tersi olduğunu göstermektedir. 350 / 10 ms akımı altında, MOV arızası, tek bir impuls altında birim hacim başına çekilen enerji ile ilgilidir. Çatlak, 350 / 10ms akımı altındaki MOV plastik kapsülleme ve elektrot tabakasının soyulmasının bir tarafı olarak tanımlanabilen ana hasar şeklidir. Elektrot levhası ile ZnO yüzeyi arasındaki flaşörün neden olduğu ZnO malzemesinin ablasyonu, MOV elektrodunun yakınında ortaya çıktı.
Düşük voltajlı güç sistemlerine, telekomünikasyona ve sinyal ağlarına bağlı aşırı gerilim koruma cihazlarının (SPD) IEC ve IEEE standartlarının [1-5] şartları altında test edilmesi gerekir. Etkileyebileceği yer ve muhtemel aydınlatma akımı göz önüne alındığında, bu SPD'lerin, esas olarak 8 / 20 ms ve 10 / 350 ms [4-6] dalga biçimleriyle darbeli deşarj akımları altında test edilmesi gerekir. 8 / 20 ms'nin geçerli dalga biçimi, yıldırım dürtüsünü [6-8] simüle etmek için yaygın olarak kullanılır. SPD'lerin nominal deşarj akımı (In) ve maksimum deşarj akımı (Imax), 8 / 20 ms impuls akımı [4-5] ile tanımlanır. Ayrıca, 8 / 20 ms akım impuls SPD rezidüel voltaj ve çalışma görevi testleri için yaygın olarak kullanılır [4]. 10 / 350ms darbe akımı, genellikle doğrudan yıldırım dönüş vuruş akımını simüle etmek için kullanılır [7-10]. Bu dalga formu, özellikle sınıf I SPD'ler için ek görev testi için kullanılan, sınıf I SPD testi için darbe deşarj akımı parametrelerini karşılar [4]. Tip testleri sırasında [4-5], SPD'lere uygulamak için belirtilen sayıda darbe akımı gerekir. Örneğin, on beş 8 / 20 ms akımı ve beş 10 / 350 ms darbe akımı, sınıf I SPD'ler için çalışma testi için gereklidir [4]. Bununla birlikte, SPD ürünlerinin iyileştirilmesiyle, bu standart test akımlarında SPD'lerin performansı ve dayanma kabiliyeti daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyar. Daha önce yapılan araştırmalar, MOV performansı üzerinde çok sayıda 8 / 20 ms darbe akımı [11-14] altında yoğunlaşırken, tekrarlanan 10 / 350 ms darbe akımındaki performans ayrıntılı olarak araştırılmamıştır. Ayrıca, binalarda ve dağıtım sistemlerinde yüksek maruz kalma noktalarına kurulan I sınıfı SPD'ler, yıldırım çarpmalarına karşı daha savunmasızdır [15-16]. Bu nedenle, 8 / 20 ms ve 10 / 350 ms darbe akımları altındaki sınıf I SPD'lerin performansı ve dayanma kabiliyetleri araştırılmalıdır. Bu makale, 8 / 20 ms ve 10 / 350 ms impuls akımları altındaki I sınıfı SPD'lerin dayanma yeteneğini deneysel olarak araştırmaktadır. Sınıf I SPD'ler için kullanılan üç tip tipik MOV, analiz için kabul edilmiştir. Mevcut genlik ve darbelerin sayısı, birkaç deney için ayarlanır. İki tip impuls akımı altında MOV'ların dayanma kabiliyeti üzerinde karşılaştırma yapılmıştır. MOV numunelerinin testlerden sonra başarısız olan başarısızlık modu da analiz edilir.
Deneylerde, sınıf I SPD'ler için kullanılan üç tip tipik MOV vardır. Her MOV tipi için, EPCOS tarafından yapılan 12 örnekleri dört çeşit deney altında benimsenmiştir. Temel parametreleri, 8 / 20µs darbesi altında MOV'ların nominal deşarj akımını temsil ettiği Tablo I'de gösterilmektedir, Imax, 8 / 20µs darbesi altındaki maksimum deşarj akımını temsil ederken, Iimp, 10 / 350µs darbesi altındaki maksimum deşarj akımını temsil eder, Iimp, XDUM1 / 1µs darbesi altında XNUMX mA DC akımı altında ölçülen MOV voltajı, Ur, IN altındaki MOV artık voltajını gösterir.
Şekil 1, 10 / 350 ms ve 8 / 20 ms akım darbelerini verecek şekilde ayarlanabilen darbe akımı üretecini göstermektedir. Pearson bobini, test edilen MOV'lar üzerindeki darbe akımlarını ölçmek için uyarlanmıştır. Artık gerilimleri ölçmek için 14.52 oranına sahip gerilim bölücü kullanılır. TEK DPO3014'in dijital osiloskopu, deneysel dalga formlarını kaydetmek için kullanılır.
SPD test standardına [4] göre, 8 / 20 ms akımı için kabul edilen genlikler, 30kA (0.75Imax) ve 40kA (Imax) 'i içerir. 10 / 350 ms akımı için kabul edilen genlikler, 0.75Iimp ve Iimp'i içerir. MOV [4] için çalışma görevi testine referans olarak, MOV numunelerine on beş 8 / 20ms impuls uygulanmış ve darbeler arasındaki aralık 60 s. Bu nedenle, deneysel prosedürün akış şeması, Şekil 2'te gösterilmiştir.
Deney prosedürü şöyle tanımlanabilir:
(1) İlk ölçümler: MOV numuneleri UDC1mA, Ur ve deneylerin başında çekilmiş fotoğraflarla karakterize edilir.
(2) Onbeş dürtü uygulayın: İstenen dürtü akımını çıkarmak için dürtü akımı jeneratörünü ayarlayın. MOV numunesine art arda 60 s aralıklarla on beş dürtü uygulanır.
(3) Her darbe uygulamasından sonra MOV akımlarının ve voltajlarının ölçülen dalga formlarını kaydedin.
(4) Testlerden sonra görsel muayene ve ölçümler. MOV'un yüzeyinde delme veya alevlenme olup olmadığını kontrol edin. Testlerden sonra UDC1mA ve Ur değerini ölçün. Testlerden sonra hasarlı MOV fotoğraflarını çekin. IEC 61643-11 [4] 'e göre deneyler için başarılı kriterler, hem voltaj hem de akım kayıtlarının, görsel bir inceleme ile birlikte, numunelerin delinme veya alevlenme belirtisi göstermemesini gerektirmektedir. Ayrıca, IEEE Std. C62.62 [5], en son ölçülen Ur (In'deki MOV artık voltajlar), ön ölçülen Ur'den% 10'ten daha fazla sapmamayacağını önerdi. Std. IEC 60099-4 [17] ayrıca UDC1mA'nın darbe testinden sonra% 5'ten daha fazla sapma yapmamasını gerektirir.
- 8 / 20 altında dayanma kabiliyeti ms impuls akımı
Bu bölümde, 8 / 20 ms, 0.75Imax ve Imax'in genliklerine sahip darbeli akımlar, SPD numunelerine sırasıyla uygulanır. En son ölçülen UDC1mA ve Ur için değişim oranı şöyle tanımlanır:
buradaki Ucr, ölçülen değerlerin değişim oranını temsil eder. Uat, testlerden sonra ölçülen değeri temsil eder. Ubt, testlerden önce ölçülen değeri temsil eder.
3.1 8 / 20 ms altındaki sonuçlar, 0.75Imax'in tepe noktası olan darbeli akım
8Imax (20 kA) zirvesine sahip on beş 0.75 / 30 ms darbeli akım altındaki üç MOV tipi için test sonuçları Tablo II'de gösterilmiştir. Her MOV tipi için sonuç aynı üç numunenin ortalamasıdır.
TABLO II
8 kA tepe noktası olan 20 / 30 ms darbeli akımların altındaki sonuçlar
TABLEII'den, MOV'lara 15 8 / 20 ms darbesi uygulandıktan sonra, UDC1mA ve Ur değişikliklerinin küçük olduğu görülebilir. Görsel inceleme için "Geçiş", test edilen MOV'larda görünür bir hasar olmadığı anlamına gelir. Ayrıca, MOV sınır geriliminin artmasıyla Ucr'nin daha küçük hale geldiği görülmektedir. Ucr gibi V460 tipi MOV için en küçük olanıdır. Üç tip MOV'un hepsinin 8 kA tepe noktası olan on beş 20 / 30 ms impulsını geçebileceği sonucuna varılabilir.
3.2 8 / 20 ms altındaki sonuçlar, Imax tepe noktasıyla birlikte geçerli akım
Yukarıdaki deneysel sonuçlar göz önüne alındığında, 8 / 20 ms akımının genliği, 40 kA'ya (Imax) yükseltilir. Ayrıca, V460 tipi MOV için darbelerin sayısı yirmi'ye çıkarıldı. Deney sonuçları, Tablo III'te gösterilmiştir. Üç tip MOV'daki enerji emilimini karşılaştırmak için Ea / V, birim hacim başına emilen enerjiyi ortalama onbeş veya yirmi impuls için temsil etmek için kullanılır. Burada, “ortalama” göz önünde bulundurulur, çünkü MOVs'taki enerji emilimi her darbenin altında biraz farklıdır.
TABLO III
8 kA tepe noktası olan 20 / 40 ms darbeli akımların altındaki sonuçlar
TABLE III'ten, mevcut genliğin 40 kA'ya yükselmesi durumunda, UDC1mA için Ucr'ın, V5 ve V230 için% 275'ten daha fazla sapma gösterdiği, ancak MOV artık voltajının hala 10% 'in etkili aralığındaki aralığında olduğu görülebilir. Görsel inceleme ayrıca test edilen MOV'larda görünür bir hasar olmadığını gösterir. V230 ve V275 tipi MOV'lar için Ea / V, ortalama onbeş darbeyle birim hacim başına emilen enerji anlamına gelir. V460 için Ea / V, ortalama yirmi darbeli, birim hacim başına emilen enerjiyi temsil eder. TABLO III, daha yüksek sınırlama voltajı olan (V460) MOV'ların, düşük sınırlama voltajı (V275 ve V230) olan MOV'lardan daha büyük Ea / V'ye sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, V460 üzerine tekrar tekrar uygulanan darbe akımı ile, birim 3'te gösterildiği gibi birim hacim başına emilen enerji (E / V) yavaş yavaş artar.
Bu nedenle, V230 ve V275 tipi MOV'ların on beş 8 / 20ms akım darbesine dayanamadığı, Imax zirvesine sahip V460 tipi MOV, 20 darbelerine kadar maksimum deşarj akımına dayanabileceği sonucuna varılabilir. Bu, daha yüksek sınırlama gerilimi olan MOV'ların, 8 / 20ms darbe akımı altında daha iyi dayanma kabiliyetine sahip olduğu anlamına gelir.
4. 10 / 350 ms darbe akımı altındaki dayanma kabiliyeti
Bu bölümde, 10Iimp ve Iimp genliklerine sahip 350 / 0.75 ms darbe akımları, SPD örneklerine sırasıyla uygulanır.
4.1 10 / 350 ms'in altındaki sonuçlar, 0.75Iimp'in zirve noktası olan darbe akımı
Üç tür MOV'un Iimp'i farklı olduğu için, V10 ve V350'e 4875A genliğine sahip 230 / 275 ms akımları ve V4500'e 460 A genliğine sahip darbeler uygulanır. Onbeş dürtü akımı uygulandıktan sonra, test edilen MOV'lardaki UDC1mA ve Ur için değişiklikler Tablo IV'te gösterilmektedir. ∑E / V, uygulanan darbeler için E / V'nin toplamını ifade eder.
TABLO IV'ten, 10Iimp zirvesine sahip on beş 350 / 0.75 ms akımının uygulanmasından sonra, V230'in V1'in UDC275mA'sindeki değişiminin% 5'ten daha fazla sapma gösterdiği, V275'in testi geçebileceği görülebilir. V275'in plastik kapsüllenmesinde de şişme ve küçük çatlaklar görüldü. V4'in küçük çatlaklı fotoğrafı Şekil XNUMX'te gösterilmektedir.
V460 tipi MOV için, sekizinci 10 / 350 ms 4500A tepe noktasına sahip darbenin uygulanmasından sonra, MOV çatladı ve ölçülen gerilim ve akım dalga biçimleri anormal. Karşılaştırma için, V10 üzerindeki yedinci ve sekizinci 350 / 460 ms darbesi altındaki ölçülen voltaj ve akım dalga formları, Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5. 460 / 10 ms darbesi altındaki V350 üzerinde ölçülen voltaj ve akım dalga formları
V230 ve V275 için ∑E / V, onbeş impuls için E / V'nin toplamıdır. V460 için ∑E / V, sekiz darbe için E / V'nin toplamıdır. V460’in Ea / V’inin V230 ve V275’den daha yüksek olmasına rağmen, toplam XE / Vof V460’in en düşük olduğu görülmektedir. Ancak V460 en ciddi hasarı verdi. Bu, MOV'un birim hacminde, 10 / 350 ms akımı altındaki MOV arızasının emilen toplam enerjiyle (∑ E / V) ilgili olmadığını, ancak tek darbeli (Ea / V) emilen enerjiyle ilgili olabileceği anlamına gelir. ). 10 / 350 ms darbeli akım altında, V230'in V460 tipi MOV'lardan daha fazla darbeye dayanabileceği sonucuna varılabilir. Bu, düşük sınır gerilimine sahip olan MOV'ların, 10 / 350 ms impuls akımı altındaki sonucun tersine 8 / 20 ms akımı altında daha iyi dayanma kabiliyetine sahip olduğu anlamına gelir.
4.2 10 / 350 ms altındaki sonuçlar, Iimp tepe noktasındaki darbeli akım
10 / 350 ms akımının amplitüdü Iimp'e yükseltildiğinde, test edilen tüm MOV'lar onbeş darbeyi geçemedi. 10 / 350 ms altındaki Iimp genliğindeki darbeli akımlar sonuçları, TABLO V'de gösterilmektedir, burada “Dayanma darbesi sayısı”, MOV'ın çatlamadan önce dayanabileceği darbe miktarını ifade eder.
TABLO V'den Ea / V 230 J / cm122.09 ile V3'in sekiz 10 / 350 ms darbesine dayanabileceği, XXUMUM J / cm460 için V161.09 Ea / V ile ancak 3 darbeye dayanabileceği görülebilir. V3 (230 A), V6500 (460 A) için olandan daha yüksektir. Bu, yüksek sınırlama gerilimi olan MOV'ların 6000 / 10 ms akımı altında daha kolay hasar gördüğü sonucunu doğrular. Bu fenomen şu şekilde açıklanabilir: 350 / 10 ms akımı tarafından taşınan büyük enerji MOV'larda emilecektir. 350 / 10 ms akımı altında yüksek sınırlama gerilimi olan MOV'lar için, MOV birim hacminde, düşük sınırlama gerilimi olan MOV'lerde olduğundan çok daha fazla enerji emilecek ve aşırı enerji emilimi, MOV arızasına neden olacaktır. Bununla birlikte, 350 / 8 ms akımı altındaki arıza mekanizması daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyar.
Görsel inceleme, 10 / 350 ms akımı altındaki üç MOV tipinde aynı hasar formunun gözlemlendiğini gösterir. MOV plastik kapsülleme ve dikdörtgen elektrot levha bir tarafı soyulur. ZnO malzemesinin ablasyonu, MOV elektrotu ve ZnO yüzeyi arasındaki flaşın neden olduğu elektrot tabakasının yakınında ortaya çıktı. Hasarlı V230'in fotoğrafı Şekil 6'te gösterilmektedir.
5. Sonuç
SPD'lerin, esas olarak 8 / 20 ms ve 10 / 350 ms dalga formlarıyla darbe boşalma akımları altında test edilmesi gerekir. 8 / 20 ms ve 10 / 350 ms darbe akımları altındaki SPD'lerin dayanma kabiliyetini araştırmak ve karşılaştırmak amacıyla, 8 / 20 ms (Imax) ve 10 / 350 ms (Iimp) dalga formu için maksimum deşarj akımı ile birkaç deney yapılmıştır. 0.75Imax ve 0.75Iimp gibi genliklerin yanı sıra. Sınıf I SPD'ler için kullanılan üç tip tipik MOV, analiz için kabul edilmiştir. Bazı sonuçlar çıkarılabilir.
(1) Yüksek sınırlama voltajı olan MOV'lar, 8 / 20ms darbe akımı altında daha iyi dayanma özelliğine sahiptir. V230 ve V275 tipi MOV'lar, Imax zirvesine sahip on beş 8 / 20ms darbesine dayanamadı, V460 tipi MOV ise yirmi darbeyi geçebildi.
(2) Düşük sınır gerilimine sahip MOV'lar, 10 / 350 ms akımı altında daha iyi dayanma özelliğine sahiptir. V230 tipi MOV, Iimp tepe noktasına sahip sekiz 10 / 350 ms darbesine dayanırken, V460 yalnızca üç darbeyi geçebilir.
(3) MOV'un 10 / 350 ms akımı altında birim hacmine bakıldığında, tek darbeli emilen enerji, uygulanan tüm darbeler altında emilen enerjinin toplanması yerine, MOV arızası ile ilgili olabilir.
(4) Aynı hasar formu, 10 / 350 ms akımı altındaki üç MOV tipinde de gözlenir. MOV plastik kapsülleme ve dikdörtgen elektrot levha bir tarafı soyulur. MOV elektrodunun yakınında, elektrot levhası ile ZnO yüzeyi arasındaki flaşın neden olduğu ZnO malzemesinin ablasyonu ortaya çıktı.