서지 보호 장치 (SPD)는 주로 8 / 20 ms 및 10 / 350 ms의 파형으로 임펄스 방전 전류에서 테스트해야합니다. 그러나 SPD 제품의 개선과 함께 이러한 표준 테스트 전류에서 SPD의 성능과 내구성은 더 많은 조사가 필요합니다. 8 / 20 ms 및 10 / 350 ms 임펄스 전류에서 SPD의 내량 성능을 조사하고 비교하기 위해 클래스 I SPD에 사용되는 3 가지 유형의 일반적인 금속 산화물 배리스터 (MOV)에 대한 실험이 수행됩니다. 결과는 제한 전압이 높은 MOV는 8 / 20ms 임펄스 전류에서보다 견딜 수있는 능력을 나타내지 만 10 / 350ms 임펄스 전류에서의 결론은 반대입니다. 10 / 350 ms 전류에서 MOV 실패는 단일 임펄스 하에서 단위 체적 당 흡수 된 에너지와 관련이있다. 균열은 10 / 350ms 전류에서 주요 손상 형태이며 MOV 플라스틱 캡슐화의 한면과 전극 시트가 벗겨지는 것으로 설명 할 수 있습니다. 전극 시트와 ZnO 표면 사이의 플래시 오버 (flashover)로 인한 ZnO 물질의 제거는 MOV 전극 근처에 나타났다.

1. 소개

저전압 전력 시스템, 통신 및 신호 네트워크에 연결된 서지 보호 장치 (SPD)는 IEC 및 IEEE 표준 [1-5] 요구 사항에 따라 테스트해야합니다. 가능한 위치 및 가능한 조명 전류를 고려할 때 이러한 SPD는 주로 8 / 20 ms 및 10 / 350 ms [4-6] 파형의 임펄스 방전 전류로 테스트해야합니다. 8 / 20 ms의 현재 파형은 일반적으로 번개 임펄스 [6-8]를 시뮬레이트하는 데 사용됩니다. SPD의 공칭 방전 전류 (In) 및 최대 방전 전류 (Imax)는 모두 8 / 20 ms 임펄스 전류 [4-5]로 정의됩니다. 또한 8 / 20 ms 전류 임펄스는 SPD 잔류 전압 및 작동 시험 [4]에 널리 사용됩니다. 10 / 350ms 임펄스 전류는 대개 직접 번개 복귀 스트로크 전류 [7-10]를 시뮬레이트하는 데 사용됩니다. 이 파형은 클래스 I SPD 테스트의 임펄스 방전 전류에 대한 매개 변수를 충족하며, 특히 클래스 I SPD [4]에 대한 추가 듀티 테스트에 사용됩니다. 형식 시험 [4-5] 동안 SPD에 지정된 임펄스 전류의 수를 지정해야합니다. 예를 들어, Class I SPD [8]에 대한 작동 시험에 15 개의 20 / 10 ms 전류와 5 개의 350 / 4 ms 임펄스 전류가 필요합니다. 그러나 SPD 제품의 개선과 함께 이러한 표준 테스트 전류에서 SPD의 성능과 내구성은 더 많은 조사가 필요합니다. 8 / 20 ms 임펄스 전류 반복에 따른 성능은 철저히 조사되지 않은 반면, 이전의 연구는 일반적으로 여러 11 / 14 ms 임펄스 전류 [10-350]에서 MOV 성능에 집중되었습니다. 더욱이 건물 및 배전 시스템의 높은 노출 지점에 설치된 클래스 I SPD는 낙뢰에 더 취약합니다 [15-16]. 따라서 8 / 20 ms 및 10 / 350 ms 임펄스 전류에서 Class I SPD의 성능 및 내구성 성능을 조사해야합니다. 이 논문은 8 / 20 ms 및 10 / 350 ms 임펄스 전류에서 클래스 I SPD의 내량 성능을 실험적으로 조사합니다. Class I SPD에 사용되는 세 가지 유형의 일반적인 MOV가 분석을 위해 채택됩니다. 전류 진폭과 충격 횟수는 여러 실험에서 조정됩니다. 두 종류의 임펄스 전류에서 MOVs의 내량 성능을 비교합니다. 테스트 후 실패한 MOV 샘플의 고장 모드도 분석됩니다.

2. 실험 레이아웃

실험에서 Class I SPD에 사용되는 세 가지 유형의 일반적인 MOV가 채택되었습니다. 각 유형의 MOV에 대해 EPCOS에서 만든 12 샘플을 네 가지 종류의 실험에서 채택합니다. 이들의 기본 파라미터는 표 I에 나와 있으며, 여기서 In은 8 / 20μs 임펄스에서의 MOV의 공칭 방전 전류를 나타내며 Imax는 8 / 20μs 임펄스에서의 최대 방전 전류를 나타내며 Iimp는 10 / 350μs 임펄스에서의 최대 방전 전류를 나타내며 UDC1mA는 1 mA DC 전류에서 측정 된 MOV 전압, Ur는 In에서 MOV 잔류 전압을 나타냅니다.

그림 1은 전류 임펄스를 출력하기 위해 조정할 수있는 임펄스 전류 생성기를 보여줍니다. 10 / 350 ms 및 8 / 20 ms. Pearson 코일은 테스트 된 MOV의 임펄스 전류를 측정하는 데 사용됩니다. 14.52 비율의 분압기는 잔류 전압을 측정하는 데 사용됩니다. TEK DPO3014의 디지털 오실로스코프는 실험 파형을 기록하기 위해 채택되었습니다.

SPD 테스트 표준 [4]에 따르면, 8 / 20 ms 전류에 채택 된 진폭은 30kA (0.75Imax) 및 40kA (Imax)를 포함합니다. 10 / 350 ms 전류에 대해 채택 된 진폭에는 0.75Iimp 및 Iimp가 포함됩니다. MOVs [4], 8 / 20ms 임펄스 15 회에 대한 작동 시험은 MOV 샘플에 적용되며 임펄스 간 간격은 60입니다. 그러므로 실험 절차의 흐름도는 그림 2에 나와있다.

실험 절차는 다음과 같이 설명 할 수 있습니다.

(1) 초기 측정 : MOV 샘플은 실험 초기에 UDC1mA, Ur 및 사진으로 특성화됩니다.

(2) 15 개의 임펄스 적용 : 임펄스 전류 생성기를 조정하여 요구되는 임펄스 전류를 출력합니다. 60 간격의 15 개의 임펄스가 MOV 샘플에 연속적으로 적용됩니다.

(3) 각 임펄스 적용 후에 MOV 전류 및 전압의 측정 된 파형을 기록하십시오.

(4) 검사 후 육안 검사 및 측정. MOV 표면을 확인하여 펑크 나 플래시 오버를 확인하십시오. 테스트 후 UDC1mA 및 Ur를 측정합니다. 테스트 후 손상된 MOV의 사진을 찍으십시오. IEC 61643-11 [4]에 따른 실험의 합격 기준은 육안 검사와 함께 전압 및 전류 기록 모두 샘플의 펑크 나 플래시 오버를 나타내지 않아야 함을 요구합니다. 또한, IEEE Std. C62.62 [5]은 사후 측정 된 Ur (In에서 MOV 잔여 전압)가 사전 테스트 측정 Ur에서 10 % 이상 벗어나지 않아야 함을 제안했습니다. The Std. IEC 60099-4 [17]은 또한 충격 시험 후에 UDC1mA가 5 % 이상 벗어나지 않아야 함을 요구합니다.

  1. 8 / 20에서 견딜 수있는 기능 ms 임펄스 전류

이 절에서는 8 / Imax의 진폭을 갖는 20 / 0.75 ms 임펄스 전류가 각각 SPD 샘플에 적용됩니다. 사후 테스트 된 UDC1mA와 Ur의 변경 비율은 다음과 같이 정의됩니다.

여기서 Ucr은 측정 된 값의 변경 비율을 나타냅니다. Uat는 테스트 후에 측정 된 값을 나타냅니다. Ubt는 테스트 전에 측정 된 값을 나타냅니다.

3.1 피크가 8Imax 인 임펄스 전류 20 / 0.75 ms에서의 결과

8Imax (20 kA) 피크를 갖는 15 개의 0.75 / 30 ms 임펄스 전류 하에서 3 가지 유형의 MOV에 대한 시험 결과가 표 2에 제시되어있다. 모든 유형의 MOV에 대한 결과는 3 개의 동일한 샘플의 평균입니다.

표 II

8 / 20 ms 임펄스 전류 (30 kA 피크 포함)

MOVs에 15 개의 8 / 20 ms 자극이 적용된 후, UDC1mA 및 Ur의 변화는 경미한 것으로 TABLEⅡ에서 알 수있다. 육안 검사를위한 "합격"은 테스트 된 MOV에 눈에 띄는 손상이 없음을 의미합니다. 또한, MOV 제한 전압의 증가에 따라 Ucr이 작아지는 것을 알 수있다. Ucr과 같은 것은 V460 유형 MOV에 대해 가장 작습니다. 3 가지 유형의 MOV가 모두 8 kA 피크를 갖는 15 개의 20 / 30 ms 임펄스를 통과 할 수 있다고 결론 내릴 수 있습니다.

3.2 피크가 Imax 인 8 / 20 ms 임펄스 전류에서의 결과

위의 실험 결과를 고려하면 8 / 20 ms 전류의 진폭은 40 kA (Imax)로 증가합니다. 또한, V460 유형 MOV의 경우 충 동 횟수가 20 개로 증가합니다. 실험 결과를 표 3에 나타낸다. 3 가지 유형의 MOV에서 에너지 흡수를 비교하기 위해 Ea / V는 평균 15 또는 20 개의 충격에 대해 단위 부피 당 흡수 된 에너지를 나타 내기 위해 사용됩니다. 여기서 "평균"은 MOV의 에너지 흡수가 각 임펄스마다 약간 다르기 때문에 고려됩니다.

표 III

8 / 20 ms 임펄스 전류 (40 kA 피크 포함)

표 3으로부터, 전류 진폭이 40 kA로 증가 될 때, UDC1mA에 대한 Ucr은 V5 및 V230에 대해 275 % 이상 벗어 났지만, MOV 잔류 전압의 변화는 여전히 10 %의 유효 범위 내에있다. 육안 검사는 테스트 된 MOV에도 눈에 띄는 손상이 없음을 보여줍니다. V230 및 V275 유형 MOV의 경우, Ea / V는 평균 15 개의 충격으로 단위 부피 당 흡수 된 에너지를 의미합니다. V460에 대한 Ea / V는 평균 20 자극의 단위 부피 당 흡수 된 에너지를 나타냅니다. 표 3은보다 높은 제한 전압 (V460)을 갖는 MOV가 낮은 제한 전압 (V275 및 V230)을 갖는 MOV보다 큰 Ea / V를 갖는다는 것을 보여준다. 또한, V460에 반복적으로 가해지는 충격 전류로 인해 그림 3 에서처럼 단위 부피 당 흡수 된 에너지 (E / V)가 점차적으로 증가합니다.

따라서 V230 및 V275 유형 MOV는 피크가 Imax 인 15 개의 8 / 20ms 전류 임펄스를 견딜 수없는 반면 V460 유형 MOV는 20 임펄스까지의 최대 방전 전류를 견딜 수 있다고 결론 내릴 수 있습니다. 즉, 제한 전압이 높은 MOV는 8 / 20ms 임펄스 전류에서 더 우수한 내구성을 갖습니다.

4. 10 / 350 ms 임펄스 전류에서의 내량 성능

이 섹션에서는 진폭이 10Iimp 및 Iimp 인 350 / 0.75 ms 임펄스 전류가 SPD 샘플에 각각 적용됩니다.

4.1 10 / 350 ms의 임펄스 전류와 0.75Iimp 피크의 결과

3 가지 유형의 MOV의 Iimp가 다르므로 진폭이 10A 인 350 / 4875 ms 전류가 V230 및 V275에 적용되고 4500 A의 진폭이 V460에 적용됩니다. 15 개의 임펄스 전류를인가 한 후, 테스트 된 MOV에 대한 UDC1mA 및 Ur의 변화를 표 4에 나타내었다. ΣE / V는 적용된 임펄스에 대한 E / V 합계를 의미합니다.

VNNXX의 UDC10mA에 대한 변화가 350 % 이상 벗어나는 동안, 0.75Iimp의 피크를 갖는 15 개의 230 / 1 ms 전류를인가 한 후에 V275가 시험에 합격 할 수 있다는 것을 표 IV로부터 알 수있다. V5의 플라스틱 캡슐에 팽창과 작은 균열이 나타났습니다. 작은 균열이있는 V275의 사진이 그림 275에 나와 있습니다.

V460 유형 MOV의 경우 10A 피크가있는 여덟 번째 350 / 4500 ms 임펄스가 적용된 후 MOV 균열이 발생하고 측정 된 전압 및 전류 파형이 비정상입니다. 비교를 위해 V10의 7 번째 및 8 번째 350 / 460 ms 임펄스에서 측정 된 전압 및 전류 파형이 그림 5에 표시됩니다.

그림 5. 460 / 10 ms 임펄스에서 V350의 측정 된 전압 및 전류 파형

V230 및 V275의 경우 ΣE / V는 15 개의 임펄스에 대한 E / V 합계입니다. V460의 경우 ΣE / V는 8 개의 임펄스에 대한 E / V의 합계입니다. V460의 Ea / V는 V230 및 V275의 Ea / V보다 높지만 V460의 총 ΣE / V는 가장 낮다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 V460은 가장 심각한 손상을 입었습니다. 이것은 MOV의 단위 부피에 대해 10 / 350 ms 전류에서의 MOV 실패가 전체 흡수 에너지 (ΣE / V)와 관련이 없지만 단일 임펄스 (Ea / V)에서 흡수 된 에너지와 더 관련이 있음을 의미합니다 ). 10 / 350 ms 임펄스 전류 하에서 V230은 V460 타입 MOV보다 더 많은 충격을 견딜 수 있다고 결론 지을 수 있습니다. 이것은 제한 전압이 낮은 MOV가 10 / 350 ms 전류에서 더 우수한 내구성을 가지며 이는 8 / 20 ms 임펄스 전류의 결론과 반대입니다.

4.2 Iamp의 피크를 갖는 10 / 350 ms 임펄스 전류에서의 결과

10 / 350 ms 전류의 진폭이 Iimp로 증가하면 모든 테스트 된 MOV는 15 개의 임펄스를 통과 할 수 없습니다. 진폭이 Iimp 인 10 / 350 ms 임펄스 전류의 결과는 표 V에 나와 있으며, 여기서 "내충격 수"는 MOV가 균열 전에 견딜 수있는 임펄스 양을 의미합니다.

표 V에서 230 J / cm122.09의 E / V가있는 V3는 8 개의 10 / 350 ms 자극을 견딜 수있는 반면 460 J / cm161.09의 VaNUMX는 3 개의 충격을 통과 할 수 있지만 V3 (230 A)는 V6500 (460 A)보다 높습니다. 이것은 제한 전압이 높은 MOV가 6000 / 10 ms 전류로 인해 더 쉽게 손상된다는 결론을 확인합니다. 이 현상은 다음과 같이 설명 할 수 있습니다 : 350 / 10 ms 전류가 전달하는 큰 에너지는 MOV에 흡수됩니다. 350 / 10 ms 전류에서 제한 전압이 높은 MOV의 경우 제한 전압이 낮은 MOV보다 MOV의 단위 볼륨에 훨씬 많은 에너지가 흡수되어 과도한 에너지 흡수로 인해 MOV가 실패합니다. 그러나, 350 / 8 ms 현재의 실패 메커니즘은 더 많은 조사가 필요합니다.

육안 검사는 10 / 350 ms 전류 하에서 3 가지 유형의 MOV에서 동일한 손상 형태가 관찰되었음을 보여줍니다. MOV 플라스틱 캡슐화의 한면과 사각형 전극 시트가 벗겨집니다. MOV 전극과 ZnO 표면 사이의 플래시 오버 (flashover)에 의해 야기되는 ZnO 물질의 절삭이 전극 시트 근처에서 나타났다. 손상된 V230 사진이 그림 6에 표시됩니다.

5. 결론

SPD는 주로 8 / 20 ms 및 10 / 350 ms의 파형을 사용하여 임펄스 방전 전류로 테스트해야합니다. 8 / 20 ms 및 10 / 350 ms 임펄스 전류에서 SPD의 내성 성능을 조사하고 비교하기 위해 8 / 20 ms (Imax) 및 10 / 350 ms (Iimp) 파형에 대한 최대 방전 전류로 여러 실험을 수행했습니다 0.75Imax 및 0.75Iimp의 진폭뿐만 아니라 Class I SPD에 사용되는 세 가지 유형의 일반적인 MOV가 분석을 위해 채택됩니다. 몇 가지 결론을 도출 할 수 있습니다.

(1) 한계 전압이 더 높은 MOV는 8 / 20ms 임펄스 전류보다 우수한 내구성을가집니다. V230 및 V275 유형 MOV는 15 개의 8 / 20ms 임펄스를 견딜 수 없었으며 V460 유형 MOV는 20 개의 임펄스를 전달할 수있었습니다.

(2) 제한 전압이 낮은 MOV는 10 / 350 ms 전류에서보다 견딜 수 있습니다. V230 유형 MOV는 Iimp가 피크 인 8 개의 10 / 350 ms 임펄스를 견딜 수 있었지만 V460는 3 개의 임펄스만을 통과 할 수있었습니다.

(3) 10 / 350 ms 전류 하에서 MOV의 단위 부피를 고려하면, 단일 임펄스 하에서 흡수 된 에너지는 모든 적용된 임펄스 하에서 흡수 된 에너지의 합산 대신에 MOV 실패와 관련 될 수있다.

(4) 10 / 350 ms 전류 하에서 3 가지 유형의 MOV에서 동일한 손상 형태가 관찰됩니다. MOV 플라스틱 캡슐화의 한면과 사각형 전극 시트가 벗겨집니다. MOV 전극 근처에 전극 시트와 ZnO 표면 사이의 섬락에 의해 야기 된 ZnO 물질의 제거가 나타났다.