I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) devono essere testati sotto correnti di scarica impulsive principalmente con forme d'onda di 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Tuttavia, con il miglioramento dei prodotti SPD, le prestazioni e la capacità di resistenza degli SPD in tali correnti di prova standard richiedono ulteriori indagini. Al fine di studiare e confrontare la capacità di resistenza degli SPD nelle correnti di impulso 8 / 20 ms e 10 / 350, gli esperimenti sono condotti su tre tipi di varistori di ossido di metallo tipici (MOV) utilizzati per gli SPD di classe I. I risultati mostrano che i MOV con tensione limite più elevata hanno una capacità di sopportare meglio sotto la corrente di impulso 8 / 20ms, mentre la conclusione sotto la corrente di impulso 10 / 350ms è opposta. Con corrente 10 / 350 ms, il guasto MOV è correlato all'energia assorbita per unità di volume sotto singolo impulso. La crepa è la forma di danno principale sotto la corrente 10 / 350ms, che può essere descritta come un lato dell'incapsulamento in plastica MOV e il foglio dell'elettrodo si stacca. L'ablazione del materiale ZnO, causata dal flashover tra il foglio dell'elettrodo e la superficie ZnO, è apparsa vicino all'elettrodo MOV.

1. introduzione

I dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) collegati ai sistemi di alimentazione a bassa tensione, alle reti di telecomunicazione e di segnale devono essere testati secondo i requisiti degli standard IEC e IEEE [1-5]. Considerando la posizione e la possibile corrente di illuminazione che potrebbe subire, tali SPD devono essere testati sotto correnti di scarica impulsive principalmente con forme d'onda di 8 / 20 ms e 10 / 350 ms [4-6]. La forma d'onda corrente di 8 / 20 ms è comunemente usata per simulare l'impulso del fulmine [6-8]. La corrente di scarica nominale (In) e la corrente di scarica massima (Imax) degli SPD sono entrambe definite con la corrente di impulso 8 / 20 ms [4-5]. Inoltre, l'impulso di corrente 8 / 20 ms è ampiamente utilizzato per prove di tensione residua e di funzionamento SPD [4]. La corrente di impulso 10 / 350ms viene solitamente utilizzata per simulare la corrente di ritorno del fulmine diretto [7-10]. Questa forma d'onda soddisfa i parametri per la corrente di scarica impulsiva per il test SPD di classe I, che è particolarmente utilizzata per il test di servizio aggiuntivo per gli SPD di classe I [4]. Durante i test di tipo [4-5], è richiesto il numero specificato di correnti d'impulso da applicare agli SPD. Ad esempio, quindici correnti 8 / 20 ms e cinque correnti d'impulso 10 / 350 ms sono necessarie per il test di funzionamento per gli SPD di classe I [4]. Tuttavia, con il miglioramento dei prodotti SPD, le prestazioni e la capacità di resistenza degli SPD in tali correnti di prova standard richiedono ulteriori indagini. Le ricerche precedenti di solito si concentravano sulle prestazioni MOV sotto più correnti di impulso 8 / 20 ms [11-14], mentre le prestazioni sotto ripetute correnti d'impulso 10 / 350 ms non sono state studiate a fondo. Inoltre, gli SPD di classe I, installati nei punti di alta esposizione negli edifici e nei sistemi di distribuzione, sono più vulnerabili ai fulmini [15-16]. Pertanto, è necessario esaminare le prestazioni e la capacità di resistenza degli SPD di classe I con correnti di impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Questo documento esamina sperimentalmente la capacità di resistenza degli SPD di classe I con correnti di impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Tre tipi di MOV tipici utilizzati per gli SPD di classe I sono adottati per l'analisi. L'ampiezza corrente e il numero di impulsi sono regolati per diversi esperimenti. Il confronto viene effettuato sulla capacità di resistere dei MOV sotto i due tipi di correnti impulsive. Viene analizzata anche la modalità di errore dei campioni MOV che hanno avuto esito negativo dopo i test.

2. Layout dell'esperimento

Tre tipi di MOV tipici usati per gli SPD di classe I sono adottati negli esperimenti. Per ogni tipo di MOV, i campioni 12 realizzati da EPCOS sono adottati in quattro tipi di esperimenti. I loro parametri di base sono mostrati nella TABELLA I, dove In rappresenta la corrente nominale di scarica dei MOV sotto impulso 8 / 20μs, Imax rappresenta la corrente massima di scarica sotto impulso 8 / 20μs, Iimp rappresenta la corrente massima di scarica sotto impulso 10 / 350μs, UDC1mA rappresentano la tensione MOV misurata sotto 1 mA DC current, Ur rappresenta la tensione residua MOV sotto In.

Fig. 1 mostra il generatore di corrente impulsiva che può essere regolato per emettere gli impulsi di corrente 10 / 350 ms e 8 / 20 ms. La bobina Pearson viene utilizzata per misurare le correnti impulsive sui MOV testati. Il partitore di tensione con rapporto di 14.52 viene utilizzato per misurare le tensioni residue. L'oscilloscopio digitale di TEK DPO3014 viene utilizzato per registrare le forme d'onda sperimentali.

Secondo lo standard del test SPD [4], le ampiezze adottate per la corrente 8 / 20 ms includono 30kA (0.75Imax) e 40kA (Imax). Le ampiezze adottate per 10 / 350 ms includono 0.75Iimp e Iimp. Riferimento al test di funzionamento per MOV [4], quindici impulsi 8 / 20ms vengono applicati su campioni MOV e l'intervallo tra gli impulsi è 60 s. Pertanto, il diagramma di flusso della procedura sperimentale è mostrato in Fig. 2.

La procedura sperimentale può essere descritta come:

(1) Misurazioni iniziali: i campioni MOV sono caratterizzati da UDC1mA, Ur e fotografie all'inizio degli esperimenti.

(2) Applicare quindici impulsi: regolare il generatore di corrente impulsiva per emettere la corrente impulsiva richiesta. Quindici impulsi con intervallo di 60 s vengono applicati successivamente al campione MOV.

(3) Registrare le forme d'onda misurate delle correnti e delle tensioni MOV dopo ogni applicazione di impulso.

(4) Ispezione visiva e misurazioni dopo i test. Controllare la superficie del MOV per foratura o flashover. Misurare l'UDC1mA e l'Ur dopo i test. Scatta fotografie dei MOV danneggiati dopo i test. I criteri del passaggio per gli esperimenti, secondo IEC 61643-11 [4], richiedono che sia i registri di tensione che quelli di corrente, unitamente ad un'ispezione visiva, non mostrino alcuna indicazione di perforazione o di scagliamento dei campioni. Inoltre, lo standard IEEE. C62.62 [5] ha suggerito che l'Ur misurato post-test (Tensione residua MOV in In) non devierà più di 10% dal valore di misurazione pre-testato di Ur. The Std. IEC 60099-4 [17] richiede inoltre che UDC1mA non diventi più di 5% dopo i test degli impulsi.

  1. La capacità di resistenza sotto 8 / 20 ms corrente impulsiva

In questa sezione, le correnti di impulso 8 / 20 ms con ampiezze di 0.75Imax e Imax vengono applicate rispettivamente ai campioni SPD. Il rapporto di variazione per UDC1mA misurato dopo il test e Ur è definito come:

dove, Ucr rappresenta il rapporto di variazione dei valori misurati. Uat rappresenta il valore misurato dopo i test. Ubt rappresenta il valore misurato prima delle prove.

3.1 I risultati sotto 8 / 20 ms di corrente impulsiva con picco di 0.75Imax

I risultati del test per tre tipi di MOV sotto quindici correnti di impulso 8 / 20 ms con picco di 0.75Imax (30 kA) sono mostrati nella TABELLA II. Il risultato per ogni tipo di MOV è la media di tre stessi campioni.

TABELLA II

Risultati con correnti di impulso 8 / 20 ms con picco 30 kA

Da TABLEII si può vedere che dopo quindici impulsi 8 / 20 ms sono stati applicati ai MOV, i cambiamenti di UDC1mA e Ur sono minori. Il "Pass" per ispezione visiva non comporta danni visibili sui MOV testati. Inoltre, si può osservare che con l'aumento della tensione limite MOV, l'Ucr diventa più piccolo. Ad esempio l'Ucr è il più piccolo per il tipo MOV di V460. Si può concludere che i tre tipi di MOV potrebbero tutti passare il quindici impulso 8 / 20 ms con picco 30 kA.

3.2 I risultati sotto 8 / 20 ms di corrente impulsiva con picco di Imax

Considerando i risultati sperimentali sopra, l'ampiezza della corrente di 8 / 20 ms è aumentata a 40 kA (Imax). Inoltre, il numero di impulsi è aumentato a venti per V460 di tipo MOV. I risultati sperimentali sono mostrati nella Tabella III. Per confrontare l'assorbimento di energia nei tre MOV di tipo, Ea / V viene utilizzato per rappresentare l'energia assorbita per unità di volume per la media di quindici o venti impulsi. Qui, la "media" è considerata perché l'assorbimento di energia nei MOV è leggermente diverso sotto ogni impulso.

TABELLA III

Risultati con correnti di impulso 8 / 20 ms con picco 40 kA

Si può osservare dalla TABELLA III che quando l'ampiezza corrente viene aumentata a 40 kA, l'Ucr per UDC1mA devia più di 5% per V230 e V275, sebbene la variazione della tensione residua MOV sia ancora entro il campo effettivo di 10%. Anche l'ispezione visiva non mostra danni visibili sui MOV testati. Per MOV di tipo V230 e V275, l'Ea / V indica l'energia assorbita per unità di volume con una media di quindici impulsi. L'Ea / V per V460 rappresenta l'energia assorbita per unità di volume con una media di venti impulsi. La tabella III mostra che i MOV con tensione limite più alta (V460) hanno Ea / V più grande rispetto ai MOV con tensione limite inferiore (V275 e V230). Inoltre, con la corrente impulsiva applicata ripetutamente sul V460, l'energia assorbita per unità di volume (E / V) aumenta gradualmente, come mostrato in Fig. 3.

Pertanto, si può concludere che i MOV di tipo V230 e V275 non sono in grado di sopportare quindici impulsi di corrente 8 / 20ms con picco di Imax, mentre il tipo V460 MOV può resistere alla massima corrente di scarica fino agli impulsi 20. Ciò significa che i MOV con tensione limite più elevata hanno una migliore capacità di sopportare sotto la corrente impulsiva 8 / 20ms.

4. La capacità di tenuta sotto corrente di impulso 10 / 350 ms

In questa sezione, le correnti di impulso 10 / 350 ms con ampiezze di 0.75Iimp e Iimp vengono applicate rispettivamente ai campioni SPD.

4.1 I risultati sotto 10 / 350 ms di corrente impulsiva con picco di 0.75Iimp

Poiché l'Iimp dei tre tipi di MOV è diverso, le correnti di 10 / 350 ms con l'ampiezza di 4875A vengono applicate su V230 e V275 e gli impulsi con l'ampiezza di 4500 A vengono applicati su V460. Dopo aver applicato quindici correnti di impulso, le modifiche per UDC1mA e Ur sui MOV testati sono mostrate nella TABELLA IV. ΣE / V indica la somma di E / V per gli impulsi applicati.

Dalla TABELLA IV si può vedere che dopo aver applicato quindici correnti di 10 / 350 ms con il picco di 0.75Iimp, il V230 potrebbe superare il test, mentre la variazione per UDC1mA di V275 devia più di 5%. Il gonfiore e le crepe minori sono comparsi sull'incapsulamento di plastica di V275. La fotografia di V275 con incrinature minori è mostrata in Fig. 4.

Per MOV di tipo V460, dopo l'ottavo impulso 10 / 350 ms con picco di 4500A applicato, il MOV si è incrinato e le forme d'onda di tensione e corrente misurate sono anormali. Per confronto, le forme d'onda di tensione e corrente misurate sotto il settimo e ottavo impulso 10 / 350 ms su V460 sono mostrate in Fig. 5.

Fig. 5. Le forme d'onda di tensione e corrente misurate su V460 sotto impulso 10 / 350 ms

Per V230 e V275, ΣE / V è la somma di E / V per quindici impulsi. Per V460, ΣE / V è la somma di E / V per otto impulsi. Si può osservare che, sebbene l'Ea / V di V460 sia superiore a quello di V230 e V275, il totale ΣE / Vof V460 è il più basso. Tuttavia, il V460 ha subito il danno più grave. Ciò significa che per il volume dell'unità MOV, il guasto MOV sotto la corrente 10 / 350 ms non è correlato all'energia assorbita totale (Σ E / V), ma può essere più correlato all'energia assorbita sotto singolo impulso (Ea / V ). Si può concludere che sotto la corrente di impulso 10 / 350 ms, il V230 potrebbe sopportare più impulsi rispetto ai MOV di tipo V460. Ciò significa che i MOV con tensione limite inferiore hanno una migliore capacità di sopportare la corrente 10 / 350 ms, che è opposta alla conclusione sotto la corrente di impulso 8 / 20 ms.

4.2 I risultati sotto 10 / 350 ms di corrente impulsiva con picco di Iimp

Quando l'ampiezza della corrente di 10 / 350 ms viene aumentata a Iimp, tutti i MOV testati non possono superare quindici impulsi. I risultati sotto le correnti di impulso 10 / 350 ms con ampiezza di Iimp sono mostrati nella TABELLA V, dove il "Numero di impulso di Withstand" indica la quantità di impulso che il MOV potrebbe sopportare prima della rottura.

Si può osservare dalla TABELLA V che il V230 con Ea / V di 122.09 J / cm3 poteva resistere a otto impulsi 10 / 350 ms mentre il V460 con Ea / V di 161.09 J / cm3 poteva trasmettere solo tre impulsi, sebbene la corrente di picco adottata per V230 (6500 A) è superiore a quello per V460 (6000 A). Ciò conferma la conclusione che i MOV con alta tensione limite sono più facilmente danneggiati con corrente 10 / 350 ms. Questo fenomeno può essere spiegato come: la grande energia trasportata da 10 / 350 ms corrente verrà assorbita nei MOV. Per i MOV con tensione limite elevata in corrente 10 / 350 ms, molta più energia sarà assorbita nel volume dell'unità di MOV rispetto a quella nei MOV con tensione limite bassa e l'assorbimento eccessivo di energia porterà a guasto MOV. Tuttavia, il meccanismo di errore in corrente 8 / 20 ms richiede ulteriori indagini.

L'ispezione visiva mostra che la stessa forma di danno è stata osservata sui tre tipi di MOV in corrente 10 / 350 ms. Un lato dell'incapsulamento in plastica MOV e il foglio dell'elettrodo rettangolare si staccano. L'ablazione del materiale ZnO è apparsa vicino al foglio dell'elettrodo, che è causato dal flashover tra l'elettrodo MOV e la superficie ZnO. La fotografia del V230 danneggiato è mostrata in Fig. 6.

5. Συμπέρασμα

Gli SPD devono essere testati sotto correnti di scarica impulsive principalmente con forme d'onda di 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Per studiare e confrontare la capacità di resistenza degli SPD con correnti di impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms, vengono eseguiti diversi esperimenti con corrente di scarica massima per 8 / 20 ms (Imax) e 10 / 350 ms (Iimp) forma d'onda , così come le ampiezze di 0.75Imax e 0.75Iimp. Tre tipi di MOV tipici utilizzati per gli SPD di classe I sono adottati per l'analisi. Alcune conclusioni possono essere tratte.

(1) I MOV con tensione limite più elevata hanno una migliore capacità di sopportare sotto la corrente impulsiva 8 / 20ms. I MOV di tipo V230 e V275 non potevano sopportare quindici impulsi 8 / 20ms con picco di Imax, mentre il tipo V460 MOV poteva superare venti impulsi.

(2) I MOV con tensione limite inferiore hanno una capacità di tenuta migliore con corrente 10 / 350 ms. Il tipo V230 MOV poteva resistere a otto impulsi 10 / 350 ms con picco di Iimp, mentre il V460 poteva trasmettere solo tre impulsi.

(3) Considerando il volume unitario di MOV sotto corrente 10 / 350 ms, l'energia assorbita sotto singolo impulso può essere correlata al guasto MOV, invece della somma dell'energia assorbita sotto tutti gli impulsi applicati.

(4) La stessa forma di danno viene osservata su tre tipi di MOV in corrente di 10 / 350 ms. Un lato dell'incapsulamento in plastica MOV e il foglio dell'elettrodo rettangolare si staccano. L'ablazione del materiale ZnO, causata dal flashover tra il foglio dell'elettrodo e la superficie ZnO, è apparsa vicino all'elettrodo MOV.