Пристрої захисту від перенапруги (SPD) потрібно випробовувати в імпульсному розрядному струмі переважно з формами хвилі 8 / 20 мс і 10 / 350 мс. Проте, з удосконаленням SPD-продуктів, продуктивність і здатність SPD при таких стандартних тестових струмах потребують додаткового дослідження. Для того, щоб дослідити і порівняти здатність SPDs витримувати імпульсні струми 8 / 20 і 10 / 350, експерименти виконуються на трьох типах типових металооксидних варисторів (MOV), які використовуються для SPD класу I. Результати показують, що MOVs з вищою граничною напругою краще витримувати здатність під імпульсним струмом 8 / 20ms, а висновок під струмом 10 / 350ms протилежний. Під струмом 10 / 350 ms відмова MOV пов'язана з поглиненою енергією на одиницю об'єму під одним імпульсом. Тріщина є основною формою пошкодження під струмом 10 / 350ms, який можна описати як одну сторону пластикового інкапсуляції MOV і відшаровуватися лист електрода. Абляція матеріалу ZnO, викликана спалахом між електродним листом і поверхнею ZnO, з'явилася поблизу MOV-електрода.

1. Вступ

Пристрої захисту від перенапруги (УЗП), підключені до низьковольтних енергосистем, телекомунікаційних і сигнальних мереж, підлягають випробуванню згідно з вимогами стандартів IEC та IEEE [1-5]. Враховуючи місце розташування та можливий освітлювальний струм, від якого він може постраждати, такі УЗИ необхідно випробовувати на імпульсні струми розряду переважно з формами хвилі 8/20 мс і 10/350 мс [4-6]. Для моделювання імпульсу блискавки зазвичай використовується форма струму 8/20 мс [6-8]. Номінальний струм розряду (In) і максимальний струм розряду (Imax) SPD визначаються за допомогою імпульсного струму 8/20 мс [4-5]. Крім того, імпульс струму 8/20 мс широко використовується для перевірки залишкової напруги та робочого режиму SPD [4]. Імпульсний струм 10/350 мс зазвичай використовується для моделювання прямого зворотного струму блискавки [7-10]. Ця форма сигналу відповідає параметрам імпульсного струму розряду для випробування SPD класу I, який особливо використовується для випробування додаткового навантаження для SPD класу I [4]. Під час типових випробувань [4-5] необхідна задана кількість імпульсних струмів для подачі на УЗП. Наприклад, п’ятнадцять струмів 8/20 мс і п’ять імпульсних струмів 10/350 мс необхідні для перевірки робочого навантаження для УЗИП класу I [4]. Однак із вдосконаленням продуктів SPD, продуктивність та стійкість SPD за таких стандартних випробувальних струмів потребують додаткового дослідження. Попередні дослідження зазвичай зосереджувалися на продуктивності MOV при багаторазовому імпульсному струмі 8/20 мс [11-14], тоді як продуктивність при повторюваному імпульсному струмі 10/350 мс не досліджувалася ретельно. Крім того, УЗИ І класу, що встановлюються в місцях високого опромінення в будівлях і розподільчих системах, більш вразливі до ударів блискавки [15-16]. Тому необхідно дослідити продуктивність і витримку УЗИП класу I при імпульсних струмах 8/20 мс і 10/350 мс. У цій роботі експериментально досліджено витримуючу здатність УЗИП класу I при імпульсних струмах 8/20 мс і 10/350 мс. Для аналізу прийнято три типи типових MOV, які використовуються для SPD класу I. Амплітуду струму та кількість імпульсів регулюють для кількох експериментів. Проведено порівняння витримкості МОВ при двох видах імпульсних струмів. Також аналізується режим відмови зразків MOV, які вийшли з ладу після випробувань.

2. Макет експерименту

В експериментах використовуються три типи типових MOV, які використовуються для SPD класу I. Для кожного типу MOV 12 зразків, виготовлених EPCOS, прийняті в рамках чотирьох видів експериментів. Їх основні параметри наведені в ТАБЛИЦІ I, де In представляють номінальний струм розряду MOV під імпульсом 8/20 мкс, Imax представляють максимальний струм розряду при імпульсі 8/20 мкс, Iimp представляють максимальний струм розряду при імпульсі 10/350 мкс, UDC1mA представляють напруга MOV, виміряна при постійному струмі 1 мА, Ur представляє залишкову напругу MOV під In.

На рис. 1 показаний генератор імпульсного струму, який можна налаштувати на вихід імпульсів струму 10/350 мс і 8/20 мс. Котушка Пірсона використовується для вимірювання імпульсних струмів на випробуваних MOV. Для вимірювання залишкової напруги використовується дільник напруги з коефіцієнтом 14.52. Цифровий осцилограф TEK DPO3014 використовується для запису експериментальних сигналів.

Відповідно до стандарту випробувань SPD [4], амплітуди, прийняті для струму 8/20 мс, включають 30 кА (0.75 Imax) і 40 кА (Imax). Амплітуди, прийняті для струму 10/350 мс, включають 0.75 Iimp та Iimp. Посилання на робочий тест для MOV [4], п’ятнадцять імпульсів 8/20 мс застосовуються до зразків MOV, а інтервал між імпульсами становить 60 с. Тому блок-схема експериментальної процедури показана на рис. 2.

Процедуру експерименту можна описати так:

(1) Початкові вимірювання: Зразки MOV характеризуються UDC1mA,Ur та фотографіями на початку експериментів.

(2) Застосуйте п'ятнадцять імпульсів: налаштуйте генератор імпульсного струму, щоб вивести необхідний імпульсний струм. П'ятнадцять імпульсів з інтервалом 60 с подаються на зразок MOV послідовно.

(3) Записуйте виміряні форми хвиль струмів і напруг MOV після кожного застосування імпульсу.

(4) Візуальний огляд та вимірювання після випробувань. Перевірте поверхню MOV на наявність проколів або промивання. Виміряйте UDC1mA та Ur після тестів. Зробіть фотографії пошкоджених MOV після випробувань. Критерії проходження експериментів, відповідно до IEC 61643-11 [4], вимагають, щоб записи напруги та струму разом з візуальним оглядом не показували ознак проколу або промивання зразків. Крім того, стандарт IEEE Std. C62.62 [5] запропонував, що виміряний після випробування Ur (залишкова напруга MOV на In) не повинен відхилятися більш ніж на 10% від виміряного Ur перед випробуванням. Std. IEC 60099-4 [17] також вимагає, щоб UDC1mA не повинен відхилятися більше ніж на 5% після імпульсних випробувань.

  1. Витримка до 8/20 ms імпульсний струм

У цьому розділі імпульсні струми 8/20 мс з амплітудою 0.75Imax та Imax застосовуються до зразків SPD відповідно. Коефіцієнт зміни для виміряного після тесту UDC1mA та Ur визначається як:

де Ucr являє собою коефіцієнт зміни виміряних значень. Uat являє собою значення, виміряне після випробувань. Ubt представляє значення, виміряне перед тестами.

3.1 Результати під імпульсним струмом 8/20 мс з піком 0.75Imax

Результати випробувань для трьох типів MOV під п’ятнадцятьма імпульсними струмами 8/20 мс з піком 0.75 Imax (30 кА) наведені в ТАБЛИЦІ II. Результатом для кожного типу MOV є середнє значення трьох однакових вибірок.

ТАБЛИЦЯ II

Результати при імпульсних струмах 8/20 мс з піком 30 кА

З TABLEII видно, що після п’ятнадцяти імпульсів 8/20 мс на MOV зміни UDC1mA та Ur незначні. «Пропуск» на візуальний огляд означає відсутність видимих ​​пошкоджень на протестованих MOV. Крім того, можна помітити, що зі збільшенням граничної напруги MOV Ucr стає меншим. Такий, як Ucr, є найменшим для MOV типу V460. Можна зробити висновок, що всі три типи MOV можуть пропускати п’ятнадцять імпульсів 8/20 мс з піком 30 кА.

3.2 Результати при імпульсному струмі 8/20 мс з піком Imax

Враховуючи наведені вище експериментальні результати, амплітуду струму 8/20 мс збільшують до 40 кА (Imax). Крім того, для MOV типу V460 кількість імпульсів збільшено до двадцяти. Результати експерименту наведені в ТАБЛИЦІ III. Щоб порівняти поглинання енергії в трьох типах MOV, Ea/V використовується для представлення поглиненої енергії на одиницю об’єму для середнього значення з п’ятнадцяти або двадцяти імпульсів. Тут розглядається «середнє», оскільки поглинання енергії в MOV дещо відрізняється під кожним імпульсом.

ТАБЛИЦЯ III

Результати при імпульсних струмах 8/20 мс з піком 40 кА

З ТАБЛИЦІ III можна помітити, що при збільшенні амплітуди струму до 40 кА Ucr для UDC1mA відхиляється більш ніж на 5% для V230 і V275, хоча зміна залишкової напруги MOV все ще знаходиться в межах ефективного діапазону 10%. Візуальний огляд також не показує видимих ​​пошкоджень на протестованих MOV. Для MOV типу V230 і V275 Ea/V означає поглинуту енергію на одиницю об’єму із середнім числом п’ятнадцяти імпульсів. Ea/V для V460 являє собою поглинуту енергію на одиницю об’єму із середнім числом двадцяти імпульсів. ТАБЛИЦЯ III показує, що MOV з вищою граничною напругою (V460) мають більший Ea/V, ніж MOV з нижчим граничною напругою (V275 і V230). Крім того, при багаторазовому застосуванні імпульсного струму на V460, поглинена енергія на одиницю об’єму (E/V) поступово збільшується, як показано на рис. 3.

Таким чином, можна зробити висновок, що MOV типу V230 і V275 не витримали п’ятнадцяти імпульсів струму 8/20 мс з піком Imax, тоді як MOV типу V460 витримали максимальний струм розряду до 20 імпульсів. Це означає, що MOV з більш високою граничною напругою мають кращу здатність витримувати імпульсний струм 8/20 мс.

4. Здатність витримувати імпульсний струм 10/350 мс

У цьому розділі імпульсні струми 10/350 мс з амплітудою 0.75Iimp та Iimp застосовуються до зразків SPD відповідно.

4.1 Результати під імпульсним струмом 10/350 мс з піком 0.75 Iimp

Оскільки Iimp трьох типів MOV різні, то на V10 і V350 подаються струми 4875/230 мс з амплітудою 275 А, а на V4500 – імпульси з амплітудою 460 А. Після застосування п’ятнадцяти імпульсних струмів зміни для UDC1mA та Ur на випробуваних MOV наведені в ТАБЛИЦІ IV. ∑E/V означає суму E/V для прикладених імпульсів.

З ТАБЛИЦІ IV видно, що після застосування п’ятнадцяти струмів 10/350 мс з піком 0.75 Iimp V230 міг пройти тест, тоді як зміна для UDC1mA V275 відхилялася більш ніж на 5%. Здуття та незначні тріщини також з’явилися на пластиковій капсулі V275. Фотографія V275 з незначною тріщиною показана на рис. 4.

Для MOV типу V460 після застосування восьмого імпульсу 10/350 мс з піком 4500 А, MOV тріснув, а виміряні форми напруги та струму були ненормальними. Для порівняння, виміряні форми напруги та струму під сьомим і восьмим імпульсами 10/350 мс на V460 наведені на рис. 5.

Рис. 5. Виміряні форми напруги та струму на V460 під час імпульсу 10/350 мс

Для V230 і V275 ∑E/V – це підсумок E/V для п’ятнадцяти імпульсів. Для V460 ∑E/V – це підсумок E/V для восьми імпульсів. Можна помітити, що хоча Ea/V для V460 вище, ніж у V230 і V275, загальний ∑E/Vof V460 є найнижчим. Однак V460 зазнав найбільш серйозних пошкоджень. Це означає, що для одиниці об’єму MOV відмова MOV під струмом 10/350 мс не пов’язана із загальною поглиненою енергією (∑ E/V), але може бути більше пов’язана з поглиненою енергією під дією одного імпульсу (Ea/V ). Можна зробити висновок, що при імпульсному струмі 10/350 мс V230 витримує більше імпульсів, ніж MOV типу V460. Це означає, що MOV з нижньою граничною напругою мають кращу здатність витримувати струм 10/350 мс, що протилежно висновку при імпульсному струмі 8/20 мс.

4.2 Результати при імпульсному струмі 10/350 мс з піком Iimp

При збільшенні амплітуди струму 10/350 мс до Iimp всі випробувані MOV не змогли пройти п’ятнадцять імпульсів. Результати при імпульсних струмах 10/350 мс з амплітудою Iimp наведені в ТАБЛИЦІ V, де «Число імпульсу витримки» означає кількість імпульсів, яку MOV міг би витримати до тріщини.

З ТАБЛИЦІ V можна помітити, що V230 з Ea/V 122.09 Дж/см3 міг витримати вісім імпульсів 10/350 мс, тоді як V460 з Ea/V 161.09 Дж/см3 міг пропустити лише три імпульси, хоча піковий струм, прийнятий для V230 (6500 А) вище, ніж у V460 (6000 А). Це підтверджує висновок, що MOV з високою граничною напругою легше пошкоджуються при струмі 10/350 мс. Це явище можна пояснити так: велика енергія, яку несе струм 10/350 мс, буде поглинатися в MOV. Для MOV з високою граничною напругою під струмом 10/350 мс одиниця об’єму MOV буде поглинати набагато більше енергії, ніж у MOV з низькою граничною напругою, а надмірне поглинання енергії призведе до відмови MOV. Однак механізм відмови під струмом 8/20 мс потребує додаткового дослідження.

Візуальний огляд показує, що така сама форма пошкодження спостерігається на трьох типах MOV під струмом 10/350 мс. Одна сторона пластикової оболонки MOV і прямокутний лист електрода відклеюються. Біля електродного листа з'явилася абляція матеріалу ZnO, що викликано промиванням між електродом MOV і поверхнею ZnO. Фотографія пошкодженого V230 показана на рис. 6.

5. Висновок

УЗИП необхідно випробовувати на імпульсних струмах розряду в основному з формами хвилі 8/20 мс і 10/350 мс. Щоб дослідити та порівняти здатність SPD витримувати імпульсні струми 8/20 мс і 10/350 мс, було проведено кілька експериментів з максимальним струмом розряду для форми хвилі 8/20 мс (Imax) і 10/350 мс (Iimp). , а також амплітуди 0.75Imax і 0.75Iimp. Для аналізу прийнято три типи типових MOV, які використовуються для SPD класу I. Деякі висновки можна зробити.

(1) MOV з більш високою граничною напругою мають кращу здатність витримувати імпульсний струм 8/20 мс. MOV типу V230 і V275 не витримали п’ятнадцяти імпульсів 8/20 мс з піком Imax, тоді як MOV типу V460 міг пропустити двадцять імпульсів.

(2) MOV з нижньою граничною напругою мають кращу здатність витримувати струм 10/350 мс. MOV типу V230 міг витримати вісім імпульсів 10/350 мс з піком Iimp, тоді як V460 міг пропустити лише три імпульси.

(3) Враховуючи одиницю об’єму MOV під струмом 10/350 мс, поглинута енергія під дією одного імпульсу може бути пов’язана з несправністю MOV, а не з підсумовуванням поглиненої енергії під усіма прикладеними імпульсами.

(4) Така ж форма пошкодження спостерігається на трьох типах MOV при струмі 10/350 мс. Одна сторона пластикової оболонки MOV і прямокутний лист електрода відклеюються. Біля електрода MOV з'явилася абляція матеріалу ZnO, викликана промиванням між листом електрода та поверхнею ZnO.