Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) deben probarse bajo corrientes de descarga de impulsos, principalmente con formas de onda de 8 / 20 ms y 10 / 350 ms. Sin embargo, con la mejora de los productos SPD, el rendimiento y la capacidad de resistencia de los SPD bajo dichas corrientes de prueba estándar necesitan más investigación. Para investigar y comparar la capacidad de resistencia de los SPD en 8 / 20 ms y 10 / 350 ms en las corrientes de impulso, se realizan experimentos en tres tipos de varistores de óxido de metal (MOV) típicos que se utilizan para SPD de clase I. Los resultados muestran que los MOV con mayor voltaje límite tienen una mejor capacidad de resistencia bajo la corriente de impulso 8 / 20ms, mientras que la conclusión bajo la corriente de impulso 10 / 350ms es opuesta. Bajo la corriente de 10 / 350 ms, la falla de MOV se relaciona con la energía absorbida por unidad de volumen en un solo impulso. La grieta es la forma de daño principal bajo la corriente 10 / 350ms, que se puede describir como un lado de la encapsulación plástica MOV y el desprendimiento de la hoja del electrodo. La ablación del material de ZnO, causada por el flashover entre la lámina del electrodo y la superficie de ZnO, apareció cerca del electrodo MOV.

1. Introducción

Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) conectados a los sistemas de alimentación de baja tensión, las redes de telecomunicaciones y de señal deben someterse a pruebas conforme a los requisitos de las normas IEC e IEEE [1-5]. Teniendo en cuenta la ubicación y la posible corriente de iluminación que puede sufrir, es necesario que dichos SPD se prueben bajo corrientes de descarga de impulsos, principalmente con formas de onda de 8 / 20 ms y 10 / 350 ms [4-6]. La forma de onda actual de 8 / 20 ms se usa comúnmente para simular el impulso de rayo [6-8]. La corriente de descarga nominal (In) y la corriente de descarga máxima (Imax) de los SPD se definen con la corriente de impulso de 8 / 20 ms [4-5]. Además, el impulso de corriente de 8 / 20 ms se usa ampliamente para las pruebas de tensión residual de SPD y de servicio operativo [4]. La corriente de impulso 10 / 350ms se utiliza generalmente para simular la corriente de la carrera de retorno del rayo directo [7-10]. Esta forma de onda cumple con los parámetros para la corriente de descarga de impulsos para la prueba SPD de clase I, que se utiliza especialmente para la prueba de servicio adicional para SPD de clase I [4]. Durante las pruebas de tipo [4-5], se requiere un número específico de corrientes de impulso para aplicar en los SPD. Por ejemplo, se requieren quince corrientes de 8 / 20 y cinco corrientes de impulso de 10 / 350 para la prueba de servicio operativo para SPD de clase I [4]. Sin embargo, con la mejora de los productos SPD, el rendimiento y la capacidad de resistencia de los SPD bajo dichas corrientes de prueba estándar necesitan más investigación. Las investigaciones anteriores generalmente se concentraron en el rendimiento de MOV bajo la corriente de impulso 8 / 20 múltiple [11-14], mientras que el rendimiento bajo la corriente de impulso 10 / 350 ms repetida no se ha investigado a fondo. Además, los SPD de clase I, instalados en los puntos de alta exposición en edificios y sistemas de distribución, son más vulnerables a los rayos (15-16). Por lo tanto, el rendimiento y la capacidad de resistencia de los SPD de clase I bajo 8 / 20 ms y 10 / 350 ms corrientes de impulso son necesarios para ser investigados. Este artículo investiga experimentalmente la capacidad de resistencia de los SPD de clase I bajo 8 / 20 ms y 10 / 350 ms corrientes de impulso. Tres tipos de MOV típicos utilizados para SPD de clase I se adoptan para el análisis. La amplitud actual y el número de impulsos se ajustan para varios experimentos. La comparación se lleva a cabo en la capacidad de resistencia de los MOV bajo los dos tipos de corrientes de impulso. También se analiza el modo de falla de las muestras de MOV que fallaron después de las pruebas.

2. Diseño del experimento

En los experimentos se adoptan tres tipos de MOV típicos utilizados para SPD de clase I. Para cada tipo de MOV, las muestras de 12 hechas por EPCOS se adoptan bajo cuatro tipos de experimentos. Sus parámetros básicos se muestran en la TABLA I, donde In representa la corriente de descarga nominal de los MOV bajo el impulso 8 / 20, Imax representa la corriente de descarga máxima bajo el impulso de 8 / 20, Iimp representa la corriente de descarga máxima bajo el impulso 10 / 350, el impulso UDC1mA representa la tensión de MOV medida bajo la corriente de CC 1 mA, Ur representa la tensión residual de MOV bajo In.

La figura 1 muestra el generador de corriente de impulso que se puede ajustar para emitir los impulsos de corriente 10 / 350 ms y 8 / 20 ms. La bobina de Pearson se adopta para medir las corrientes de impulso en los MOV probados. El divisor de voltaje con relación de 14.52 se usa para medir los voltajes residuales. El osciloscopio digital de TEK DPO3014 se adopta para registrar las formas de onda experimentales.

Según el estándar de prueba SPD [4], las amplitudes adoptadas para la corriente 8 / 20 ms incluyen 30kA (0.75Imax) y 40kA (Imax). Las amplitudes adoptadas para la corriente 10 / 350 ms incluyen 0.75Iimp e Iimp. En referencia a la prueba de servicio operativo para MOVs [4], se aplican quince impulsos 8 / 20ms en muestras MOV, y el intervalo entre impulsos es 60 s. Por lo tanto, el diagrama de flujo del procedimiento experimental se muestra en la Fig. 2.

El procedimiento experimental puede ser descrito como:

(1) Mediciones iniciales: las muestras de MOV se caracterizan con UDC1mA, Ur y fotografías al comienzo de los experimentos.

(2) Aplique quince impulsos: ajuste el generador de corriente de impulso para generar la corriente de impulso requerida. Quince impulsos con intervalo de 60 s se aplican sucesivamente en la muestra MOV.

(3) Registre las formas de onda medidas de las corrientes y voltajes MOV después de cada aplicación de impulso.

(4) Inspección visual y mediciones después de las pruebas. Revise la superficie del MOV para ver si hay pinchazo o flameo. Mida el UDC1mA y la Ur después de las pruebas. Tome fotografías de los MOV dañados después de las pruebas. Los criterios de aprobación para los experimentos, según IEC 61643-11 [4], requieren que tanto los registros de voltaje como los de corriente, junto con una inspección visual, no muestren ninguna indicación de pinchazo o flashover de las muestras. Además, el IEEE Std. C62.62 [5] sugirió que el valor de Ur medido posterior a la prueba (voltajes residuales de MOV en In) no debe desviarse más del 10% del valor de Ur medido previamente. El std. IEC 60099-4 [17] también requiere que el UDC1mA no se desvíe más del 5% después de las pruebas de impulso.

  1. La capacidad de soportar bajo 8 / 20 corriente de impulso ms

En esta sección, las corrientes de impulsos de 8 / 20 ms con amplitudes de 0.75Imax e Imax se aplican a las muestras de SPD respectivamente. La relación de cambio para el UDC1mA medido después de la prueba y la Ur se define como:

donde, Ucr representa la relación de cambio de los valores medidos. Uat representa el valor medido después de las pruebas. Ubt representa el valor medido antes de las pruebas.

3.1 Los resultados bajo 8 / 20 ms corriente de impulso con pico de 0.75Imax

Los resultados de la prueba para tres tipos de MOV bajo quince corrientes de impulso 8 / 20 ms con pico de 0.75Imax (30 kA) se muestran en la TABLA II. El resultado para cada tipo de MOV es el promedio de tres muestras iguales.

TABLA II

Resultados bajo 8 / 20 ms corrientes de impulso con 30 kA peak

Se puede ver en la TABLEII que después de quince impulsos de 8 / 20 ms se han aplicado en los MOV, los cambios de UDC1mA y Ur son menores. El "Pase" para la inspección visual significa que no hay daños visibles en los MOV probados. Además, se puede observar que con el aumento del voltaje limitante de MOV, el Ucr se vuelve más pequeño. Como el Ucr es el más pequeño para V460 tipo MOV. Se puede concluir que los tres tipos de MOV podrían pasar todos los quince 8 / 20 ms impulso con 30 kA pico.

3.2 Los resultados bajo 8 / 20 ms corriente de impulso con pico de Imax

Teniendo en cuenta los resultados experimentales anteriores, la amplitud de la corriente de 8 / 20 se incrementa a 40 kA (Imax). Además, el número de impulsos se incrementa a veinte para V460 tipo MOV. Los resultados experimentales se muestran en la TABLA III. Para comparar la absorción de energía en los tres tipos de MOV, Ea / V se utiliza para representar la energía absorbida por unidad de volumen para el promedio de quince o veinte impulsos. Aquí, se considera el "promedio" porque la absorción de energía en los MOV es ligeramente diferente en cada impulso.

TABLA III

Resultados bajo 8 / 20 ms corrientes de impulso con 40 kA peak

Se puede observar en la TABLA III que cuando la amplitud de la corriente aumenta a 40 kA, la Ucr para UDC1mA se desvía más del 5% para V230 y V275, aunque el cambio de la tensión residual de MOV aún se encuentra dentro del rango efectivo de 10%. La inspección visual tampoco muestra daños visibles en los MOV probados. Para los MOV de tipo V230 y V275, Ea / V significa la energía absorbida por unidad de volumen con un promedio de quince impulsos. El Ea / V para V460 representa la energía absorbida por unidad de volumen con un promedio de veinte impulsos. La TABLA III muestra que los MOV con mayor voltaje límite (V460) tienen mayor Ea / V que los MOV con menor voltaje límite (V275 y V230). Además, con la corriente de impulso aplicada repetidamente en el V460, la energía absorbida por unidad de volumen (E / V) aumenta gradualmente, como se muestra en la Fig. 3.

Por lo tanto, se puede concluir que los MOV de tipo V230 y V275 no pueden soportar quince impulsos de corriente 8 / 20ms con el pico de Imax, mientras que el MOV de tipo V460 podría soportar la corriente de descarga máxima hasta los impulsos 20. Esto significa que los MOV con mayor voltaje límite tienen una mejor capacidad de resistencia bajo la corriente de impulso 8 / 20ms.

4. La capacidad de resistencia bajo 10 / 350 ms corriente de impulso

En esta sección, las corrientes de impulso de 10 / 350 ms con amplitudes de 0.75Iimp e Iimp se aplican a las muestras de SPD respectivamente.

4.1 Los resultados bajo 10 / 350 ms corriente de impulso con pico de 0.75Iimp

Como la diferencia de los tres tipos de MOV es diferente, las corrientes 10 / 350 ms con amplitud de 4875A se aplican en V230 y V275, y los impulsos con amplitud de 4500 A se aplican en V460. Después de aplicar quince corrientes de impulso, los cambios para UDC1mA y Ur en los MOV probados se muestran en la TABLA IV. El ∑E / V significa la suma de E / V para los impulsos aplicados.

Se puede ver en la TABLA IV que después de aplicar quince corrientes 10 / 350 ms con el pico de 0.75Iimp, el V230 podría pasar la prueba, mientras que el cambio para UDC1mA de V275 se desvía más del 5%. Hinchazón y grietas menores también aparecieron en la encapsulación plástica de V275. La fotografía de V275 con grieta menor se muestra en la Fig. 4.

Para el MOV tipo V460, después de aplicar el octavo impulso 10 / 350 ms con el pico de 4500A, el MOV se agrieta y las formas de onda de voltaje y corriente medidas son anormales. A modo de comparación, las formas de onda de voltaje y corriente medidas en el séptimo y octavo 10 / 350 impulso de V460 se muestran en la Fig. 5.

Fig. 5. El voltaje medido y las formas de onda de corriente en V460 bajo 10 / 350 ms impulso

Para V230 y V275, ∑E / V es la suma de E / V para quince impulsos. Para V460, ∑E / V es la suma de E / V para ocho impulsos. Se puede observar que aunque el Ea / V de V460 es mayor que el de V230 y V275, el ∑E / Vof de V460 total es el más bajo. Sin embargo, el V460 sufrió el daño más grave. Esto significa que para el volumen de la unidad de MOV, la falla de MOV en 10 / 350 ms actual no está relacionada con la energía total absorbida (∑ E / V), pero puede estar más relacionada con la energía absorbida en un solo impulso (Ea / V ). Se puede concluir que bajo 10 / 350 ms corriente de impulso, el V230 podría soportar más impulsos que los MOV de tipo V460. Esto significa que los MOV con menor voltaje límite tienen una mejor capacidad de resistencia bajo la corriente de 10 / 350 ms, lo cual es opuesto a la conclusión bajo la corriente de impulso de 8 / 20 ms.

4.2 Los resultados bajo 10 / 350 ms corriente de impulso con pico de Iimp

Cuando la amplitud de la corriente de 10 / 350 ms aumenta a Iimp, todos los MOV probados no pudieron pasar quince impulsos. Los resultados bajo 10 / 350 ms corrientes de impulso con amplitud de Iimp se muestran en la TABLA V, donde el "número de impulso de resistencia" significa la cantidad de impulso que el MOV podría soportar antes de la grieta.

Se puede observar en la TABLA V que el V230 con Ea / V de 122.09 J / cm3 puede soportar ocho impulsos de 10 / 350 mientras que el V460 con Ea / V de 161.09 J / cm3 solo puede pasar tres impulsos, aunque la corriente máxima adoptada para V230 (6500 A) es mayor que el de V460 (6000 A). Esto valida la conclusión de que los MOV con alto voltaje límite se dañan más fácilmente con la corriente de 10 / 350 ms. Este fenómeno puede explicarse como: la gran energía transportada por la corriente de 10 / 350 ms será absorbida en los MOV. Para los MOV con alta tensión límite bajo 10 / 350 ms corriente, se absorberá mucha más energía en el volumen unitario de MOV que en los MOV con baja tensión límite, y la absorción de energía excesiva conducirá a la falla de MOV. Sin embargo, el mecanismo de falla bajo 8 / 20 ms actual necesita más investigación.

La inspección visual muestra que se observa la misma forma de daño en los tres tipos de MOV bajo 10 / 350 ms actual. Un lado de la encapsulación de plástico MOV y la lámina de electrodo rectangular se despegan. La ablación del material de ZnO apareció cerca de la hoja del electrodo, que es causada por el flashover entre el electrodo de MOV y la superficie de ZnO. La fotografía del V230 dañado se muestra en la Fig. 6.

5. Conclusión

Los SPD se deben probar bajo corrientes de descarga de impulsos, principalmente con formas de onda de 8 / 20 ms y 10 / 350 ms. Para investigar y comparar la capacidad de resistencia de los SPD en 8 / 20 ms y 10 / 350 ms en las corrientes de impulso, se realizan varios experimentos con corriente de descarga máxima para 8 / 20 ms (Imax) y 10 / 350 ms (Iimp) , así como las amplitudes de 0.75Imax y 0.75Iimp. Tres tipos de MOV típicos utilizados para SPD de clase I se adoptan para el análisis. Se pueden sacar algunas conclusiones.

(1) Los MOV con mayor voltaje límite tienen una mejor capacidad de resistencia bajo la corriente de impulso 8 / 20ms. Los MOV de tipo V230 y V275 no pudieron soportar quince impulsos 8 / 20ms con el pico de Imax, mientras que los MOV de tipo V460 podrían pasar veinte impulsos.

(2) Los MOV con menor voltaje límite tienen una mejor capacidad de resistencia bajo la corriente de 10 / 350 ms. El MOV tipo V230 podría soportar ocho impulsos más 10 / 350 con el pico de Iimp, mientras que el V460 solo pudo pasar tres impulsos.

(3) Teniendo en cuenta el volumen unitario de MOV bajo 10 / 350 ms corriente, la energía absorbida bajo un solo impulso puede estar relacionada con la falla de MOV, en lugar de la suma de la energía absorbida bajo todos los impulsos aplicados.

(4) Se observa la misma forma de daño en tres tipos de MOV bajo las corrientes de 10 / 350 ms. Un lado de la encapsulación de plástico MOV y la lámina de electrodo rectangular se despegan. La ablación del material de ZnO, causada por un flameo entre la lámina del electrodo y la superficie de ZnO, apareció cerca del electrodo MOV.