Các thiết bị bảo vệ sốc điện (SPDs) được yêu cầu phải được thử nghiệm dưới dòng phóng xung chủ yếu với dạng sóng 8 / 20 ms và 10 / 350 ms. Tuy nhiên, với sự cải tiến của các sản phẩm SPD, hiệu suất và khả năng chịu đựng của SPD theo dòng thử nghiệm tiêu chuẩn như vậy cần được nghiên cứu nhiều hơn. Để nghiên cứu và so sánh khả năng chịu đựng của các SPD trong dòng xung xung 8 / 20 ms và 10 / 350 ms, các thí nghiệm được thực hiện trên ba loại bộ biến đổi oxit kim loại điển hình (MOV) được sử dụng cho SPD loại I. Kết quả cho thấy các MOV có điện áp giới hạn cao hơn có khả năng chịu đựng tốt hơn dưới dòng xung xung 8 / 20ms, trong khi kết luận dưới dòng xung xung 10 / 350ms thì ngược lại. Trong dòng 10 / 350 ms, lỗi MOV có liên quan đến năng lượng hấp thụ trên mỗi đơn vị thể tích dưới một xung đơn. Crack là hình thức thiệt hại chính dưới dòng 10 / 350ms, có thể được mô tả như là một mặt của đóng gói nhựa MOV và tấm điện cực bị bong ra. Ablation của vật liệu ZnO, gây ra bởi sự lóe sáng giữa tấm điện cực và bề mặt ZnO, xuất hiện gần điện cực MOV.

1. Giới thiệu

Các thiết bị bảo vệ sốc điện (SPDs) được kết nối với hệ thống điện áp thấp, mạng viễn thông và tín hiệu được yêu cầu phải được kiểm tra theo các yêu cầu của tiêu chuẩn IEC và IEEE [1-5]. Xem xét vị trí và dòng điện chiếu sáng có thể bị ảnh hưởng, các SPD như vậy được yêu cầu phải được kiểm tra dưới dòng phóng xung chủ yếu với dạng sóng 8 / 20 ms và 10 / 350 ms [4-6]. Dạng sóng hiện tại của 8 / 20 ms thường được sử dụng để mô phỏng xung sét [6-8]. Cả dòng xả danh định (In) và dòng phóng tối đa (Imax) của SPD đều được xác định bằng dòng xung xung 8 / 20 ms [4-5]. Ngoài ra, xung hiện tại 8 / 20 ms được sử dụng rộng rãi cho điện áp dư SPD và kiểm tra nhiệm vụ vận hành [4]. Dòng xung xung 10 / 350ms thường được sử dụng để mô phỏng dòng điện hồi lưu sét trực tiếp [7-10]. Dạng sóng này đáp ứng các tham số cho dòng phóng xung cho thử nghiệm SPD loại I, đặc biệt được sử dụng cho thử nghiệm bổ sung cho các SPD loại I [4]. Trong các thử nghiệm loại [4-5], số lượng dòng xung được chỉ định là bắt buộc để áp dụng trên SPDs. Ví dụ, mười lăm dòng 8 / 20 ms và năm dòng xung xung 10 / 350 ms được yêu cầu để kiểm tra nhiệm vụ vận hành cho SPDs lớp I [4]. Tuy nhiên, với sự cải tiến của các sản phẩm SPD, hiệu suất và khả năng chịu đựng của SPD theo dòng thử nghiệm tiêu chuẩn như vậy cần được nghiên cứu nhiều hơn. Các nghiên cứu trước đây thường tập trung vào hiệu suất MOV dưới nhiều dòng xung 8 / 20 ms [11-14], trong khi hiệu suất theo dòng xung xung 10 / 350 ms chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng. Hơn nữa, các SPD loại I, được cài đặt tại các điểm tiếp xúc cao trong các tòa nhà và hệ thống phân phối, dễ bị sét đánh hơn [15-16]. Do đó, cần phải nghiên cứu hiệu suất và khả năng chịu đựng của các SPD loại I trong dòng xung xung 8 / 20 ms và 10 / 350 ms. Bài viết này nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu đựng của các SPD loại I dưới dòng xung xung 8 / 20 ms và 10 / 350 ms. Ba loại MOV điển hình được sử dụng cho SPD loại I được sử dụng để phân tích. Biên độ và số lượng xung hiện tại được điều chỉnh cho một vài thí nghiệm. So sánh được thực hiện trên khả năng chịu đựng của MOV dưới hai loại dòng xung. Chế độ thất bại của các mẫu MOV bị lỗi sau khi kiểm tra cũng được phân tích.

2. Bố cục của Thử nghiệm

Ba loại MOV điển hình được sử dụng cho SPD loại I được áp dụng trong các thí nghiệm. Đối với mỗi loại MOV, các mẫu 12 do EPCOS tạo ra được áp dụng theo bốn loại thí nghiệm. Các tham số cơ bản của chúng được hiển thị trong BẢNG I, trong đó Đại diện cho dòng phóng điện danh nghĩa của MOV dưới sự thúc đẩy của 8 / 20, Imax đại diện cho dòng phóng tối đa theo xung ImpUMX / 8, Iimp đại diện cho dòng phóng tối đa theo 20 / 10. điện áp MOV được đo dưới dòng điện 350 mA DC, Ur đại diện cho điện áp dư MOV dưới In.

Hình. 1 cho thấy bộ tạo dòng xung có thể được điều chỉnh thành đầu ra các dòng xung 10 / 350 ms và 8 / 20 ms. Cuộn dây Pearson được sử dụng để đo dòng xung trên các MOV đã thử nghiệm. Bộ chia điện áp với tỷ lệ 14.52 được sử dụng để đo điện áp dư. Máy hiện sóng kỹ thuật số của TEK DPO3014 được sử dụng để ghi lại các dạng sóng thử nghiệm.

Theo tiêu chuẩn thử nghiệm SPD [4], các biên độ được áp dụng cho dòng 8 / 20 ms bao gồm 30kA (0.75Imax) và 40kA (Imax). Biên độ được áp dụng cho dòng 10 / 350 ms bao gồm 0.75Iimp và Iimp. Tham chiếu đến thử nghiệm nhiệm vụ vận hành cho MOV [4], mười lăm xung 8 / 20ms được áp dụng trên các mẫu MOV và khoảng thời gian giữa các xung là 60 s. Do đó, sơ đồ quy trình thí nghiệm được thể hiện trong hình 2.

Quy trình thí nghiệm có thể được mô tả như sau:

(1) Các phép đo ban đầu: Các mẫu MOV được đặc trưng bằng UDC1mA, Ur và ảnh khi bắt đầu thí nghiệm.

(2) Áp dụng mười lăm xung: Điều chỉnh bộ tạo dòng xung để tạo ra dòng xung theo yêu cầu. Mười lăm xung với khoảng thời gian 60 được áp dụng liên tục trên mẫu MOV.

(3) Ghi lại dạng sóng đo được của dòng MOV và điện áp sau mỗi ứng dụng xung.

(4) Kiểm tra và đo lường trực quan sau các bài kiểm tra. Kiểm tra bề mặt của MOV xem có bị thủng hay lóe sáng không. Đo UDC1mA và Ur sau khi kiểm tra. Chụp ảnh các MOV bị hỏng sau khi thử nghiệm. Tiêu chí vượt qua cho các thí nghiệm, theo tiêu chuẩn IEC 61643-11 [4], yêu cầu cả bản ghi điện áp và dòng điện, cùng với kiểm tra trực quan, sẽ không hiển thị dấu hiệu đâm thủng hoặc lóe sáng của mẫu. Ngoài ra, IEEE Std. C62.62 [5] đề xuất Ur đo được sau khi đo (điện áp dư MOV tại In) sẽ không sai lệch nhiều hơn 10% so với Ur đo được trước. Các Std. IEC 60099-4 [17] cũng yêu cầu UDC1mA không được sai lệch nhiều hơn 5% sau các thử nghiệm xung.

  1. Khả năng chịu đựng dưới 8 / 20 ms xung hiện tại

Trong phần này, các dòng xung 8 / 20 ms với biên độ của 0.75Imax và Imax được áp dụng tương ứng trên các mẫu SPD. Tỷ lệ thay đổi cho UDC1mA được đo sau khi kiểm tra và Ur được xác định là:

trong đó, Ucr biểu thị tỷ lệ thay đổi của các giá trị đo được. Uat đại diện cho giá trị được đo sau các thử nghiệm. Ubt đại diện cho giá trị đo trước khi thử nghiệm.

3.1 Các kết quả dưới dòng xung 8 / 20 ms với đỉnh của 0.75Imax

Kết quả thử nghiệm đối với ba loại MOV dưới mười lăm dòng xung xung 8 / 20 ms với cực đại là 0.75Imax (30 kA) được hiển thị trong BẢNG II. Kết quả cho mọi loại MOV là trung bình của ba mẫu giống nhau.

BẢNG II

Kết quả dưới dòng xung 8 / 20 ms với đỉnh 30 kA

Có thể thấy từ TABLEII rằng sau mười lăm xung động 8 / 20 ms đã được áp dụng trên MOV, những thay đổi của UDC1mA và Ur là không đáng kể. Các Pass Pass trực tiếp để kiểm tra trực quan có nghĩa là không có thiệt hại rõ ràng trên các MOV đã thử nghiệm. Hơn nữa, có thể thấy rằng với việc tăng điện áp giới hạn MOV, Ucr trở nên nhỏ hơn. Chẳng hạn như Ucr là nhỏ nhất cho loại V460 MOV. Có thể kết luận rằng ba loại MOV đều có thể vượt qua mười lăm xung 8 / 20 ms với đỉnh 30 kA.

3.2 Các kết quả dưới dòng xung impUMX / 8 ms với cực đại của Imax

Xem xét các kết quả thử nghiệm ở trên, biên độ của dòng 8 / 20 ms được tăng lên 40 kA (Imax). Ngoài ra, số lượng xung được tăng lên hai mươi cho loại V460 MOV. Các kết quả thí nghiệm được thể hiện trong BẢNG III. Để so sánh sự hấp thụ năng lượng trong ba loại MOV, Ea / V được sử dụng để biểu thị năng lượng hấp thụ trên một đơn vị thể tích cho trung bình của mười lăm hoặc hai mươi xung. Ở đây, mức trung bình của tạ được xem xét bởi vì sự hấp thụ năng lượng trong MOV hơi khác nhau dưới mỗi xung lực.

BẢNG III

Kết quả dưới dòng xung 8 / 20 ms với đỉnh 40 kA

Có thể nhận thấy từ BẢNG III rằng khi biên độ hiện tại tăng lên 40 kA, Ucr cho UDC1mA sai lệch nhiều hơn so với 5% đối với V230 và V275, mặc dù sự thay đổi của điện áp dư MOV vẫn nằm trong phạm vi hiệu dụng của 10. Kiểm tra trực quan cũng cho thấy không có thiệt hại rõ ràng trên các MOV đã thử nghiệm. Đối với MOV loại ForV230 và V275, Ea / V có nghĩa là năng lượng hấp thụ trên mỗi đơn vị thể tích với trung bình mười lăm xung. Ea / V cho V460 đại diện cho năng lượng hấp thụ trên mỗi đơn vị thể tích với trung bình hai mươi xung. BẢNG III cho thấy các MOV có điện áp giới hạn cao hơn (V460) có Ea / V lớn hơn các MOV có điện áp giới hạn thấp hơn (V275 và V230). Ngoài ra, với dòng xung được áp dụng nhiều lần trên V460, năng lượng hấp thụ trên mỗi đơn vị thể tích (E / V) tăng dần, như trong hình 3.

Do đó, có thể kết luận rằng các loại MOV V230 và V275 không thể chịu được mười lăm xung lực hiện tại 8 / 20ms với cực đại của Imax, trong khi MOV loại V460 có thể chịu được dòng phóng tối đa lên đến các xung của 20. Điều này có nghĩa là các MOV có điện áp giới hạn cao hơn có khả năng chịu đựng tốt hơn dưới dòng xung lực 8 / 20ms.

KHAI THÁC. Khả năng chịu đựng dưới dòng xung impUMX / 4 ms

Trong phần này, các dòng xung 10 / 350 ms với biên độ của 0.75Iimp và Iimp được áp dụng tương ứng trên các mẫu SPD.

4.1 Các kết quả dưới dòng xung xung 10 / 350 ms với đỉnh của 0.75Iimp

Do Iimp của ba loại MOV khác nhau, dòng 10 / 350 ms có biên độ 4875A được áp dụng trên V230 và V275, và các xung có biên độ 4500 A được áp dụng trên V460. Sau khi áp dụng mười lăm dòng xung, các thay đổi cho UDC1mA và Ur trên các MOV đã kiểm tra được hiển thị trong BẢNG IV. ∑E / V có nghĩa là tổng của E / V cho các xung được áp dụng.

Có thể thấy từ BẢNG IV rằng sau khi áp dụng mười lăm dòng 10 / 350 ms với cực đại là 0.75Iimp, V230 có thể vượt qua thử nghiệm, trong khi thay đổi đối với UDC1mA của V275 lệch hơn so với 5%. Sưng và vết nứt nhỏ cũng xuất hiện trên bao bì nhựa của V275. Ảnh của V275 có vết nứt nhỏ được hiển thị trong Hình 4.

Đối với MOV loại V460, sau khi xung thứ tám 10 / 350 ms với cực đại của 4500A được áp dụng, MOV bị nứt và điện áp và dạng sóng hiện tại đo được là bất thường. Để so sánh, điện áp đo được và dạng sóng hiện tại dưới xung thứ bảy và thứ tám 10 / 350 ms trên V460 được hiển thị trong hình. 5.

Hình. 5. Điện áp và dạng sóng hiện tại đo được trên V460 theo xung impUMX / 10 ms

Đối với V230 và V275, ∑E / V là tổng của E / V cho mười lăm xung. Đối với V460, ∑E / V là tổng của E / V cho tám xung. Có thể thấy rằng mặc dù Ea / V của V460 cao hơn V230 và V275, nhưng tổng số ∑E / Vof V460 là thấp nhất. Tuy nhiên, V460 đã trải qua thiệt hại nghiêm trọng nhất. Điều này có nghĩa là đối với khối lượng đơn vị của MOV, lỗi MOV dưới dòng 10 / 350 ms không liên quan đến tổng năng lượng hấp thụ (∑ E / V), nhưng có thể liên quan nhiều hơn đến năng lượng hấp thụ dưới một xung (Ea / V ). Có thể kết luận rằng dưới dòng xung lực 10 / 350 ms, V230 có thể chịu được nhiều xung hơn so với MOV loại V460. Điều này có nghĩa là các MOV có điện áp giới hạn thấp hơn có khả năng chịu đựng tốt hơn dưới dòng 10 / 350 ms, ngược lại với kết luận dưới dòng xung xung 8 / 20 ms.

4.2 Các kết quả dưới dòng xung 10 / 350 ms với cực đại của Iimp

Khi biên độ của dòng 10 / 350 ms tăng lên Iimp, tất cả các MOV được thử nghiệm không thể vượt qua mười lăm xung. Các kết quả trong dòng xung xung 10 / 350 ms với biên độ Iimp được hiển thị trong BẢNG V, trong đó Số chịu được xung xung có nghĩa là số lượng xung mà MOV có thể chịu được trước khi bị nứt.

Có thể nhận thấy từ BẢNG V rằng V230 với Ea / V của 122.09 J / cm3 có thể chịu được tám xung 10 / 350 ms trong khi V460with Ea / V của 161.09 J / cm3 chỉ có thể vượt qua ba xung. V230 (6500 A) cao hơn V460 (6000 A). Điều này xác nhận kết luận rằng các MOV có điện áp giới hạn cao dễ bị hỏng hơn dưới dòng điện 10 / 350 ms. Hiện tượng này có thể được giải thích là: năng lượng lớn mang theo dòng 10 / 350 ms sẽ được hấp thụ trong MOV. Đối với MOV có điện áp giới hạn cao dưới dòng 10 / 350 ms, năng lượng sẽ được hấp thụ nhiều hơn trong khối lượng đơn vị của MOV so với MOV có điện áp giới hạn thấp và việc hấp thụ năng lượng quá mức sẽ dẫn đến hỏng MOV. Tuy nhiên, cơ chế thất bại trong 8 / 20 ms hiện tại cần điều tra thêm.

Kiểm tra trực quan cho thấy hình thức thiệt hại tương tự được quan sát trên ba loại MOV dưới dòng 10 / 350 ms. Một mặt của đóng gói nhựa MOV và tấm điện cực hình chữ nhật bóc ra. Sự cắt bỏ vật liệu ZnO xuất hiện gần tấm điện cực, nguyên nhân là do sự lóe sáng giữa điện cực MOV và bề mặt ZnO. Ảnh của V230 bị hỏng được hiển thị trong Hình 6.

5. Phần kết luận

Các SPD được yêu cầu phải được kiểm tra dưới dòng phóng xung chủ yếu với dạng sóng là 8 / 20 ms và 10 / 350 ms. Để nghiên cứu và so sánh khả năng chịu đựng của các SPD theo dòng xung xung 8 / 20 ms và 10 / 350 ms, một số thí nghiệm được thực hiện với dòng phóng tối đa cho dạng sóng 8 / 20 ms (Imax) và 10 / 350 ms (Iimp) , cũng như biên độ của 0.75Imax và 0.75Iimp. Ba loại MOV điển hình được sử dụng cho SPD loại I được sử dụng để phân tích. Một số kết luận có thể được rút ra.

(1) Các MOV có điện áp giới hạn cao hơn có khả năng chịu đựng tốt hơn dưới dòng xung xung 8 / 20ms. Các loại MOV V230 và V275 không thể chịu được mười lăm xung lực 8 / 20ms với đỉnh Imax, trong khi MOV loại V460 có thể vượt qua hai mươi xung.

(2) Các MOV có điện áp giới hạn thấp hơn có khả năng chịu đựng tốt hơn dưới dòng 10 / 350 ms. MOV loại V230 có thể chịu được tám xung 10 / 350 ms với đỉnh Iimp, trong khi V460 chỉ có thể vượt qua ba xung.

(3) Xem xét khối lượng đơn vị của MOV theo dòng 10 / 350 ms, năng lượng hấp thụ dưới một xung có thể liên quan đến sự thất bại MOV, thay vì tổng năng lượng hấp thụ trong tất cả các xung được áp dụng.

(4) Hình thức sát thương tương tự được quan sát trên ba loại MOV dưới dòng 10 / 350 ms. Một mặt của đóng gói nhựa MOV và tấm điện cực hình chữ nhật bóc ra. Ablation của vật liệu ZnO, gây ra bởi sự lóe lên giữa tấm điện cực và bề mặt ZnO, xuất hiện gần điện cực MOV.