Os dispositivos de proteção contra surtos (SPDs) devem ser testados em correntes de descarga de impulso principalmente com formas de onda de 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. No entanto, com a melhoria dos produtos SPD, a capacidade de desempenho e resistência dos SPDs sob tais correntes de teste padrão precisa de mais investigação. Para investigar e comparar a capacidade de suportar dos SPDs sob as correntes de impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms, são realizados experimentos em três tipos de varistores de óxido metálico (MOVs) típicos que são usados ​​para os SPDs classe I. Os resultados mostram que os MOVs com tensão limite mais alta têm melhor capacidade de suportar sob corrente de impulso 8 / 20ms, enquanto a conclusão sob corrente de impulso 10 / 350ms é oposta. Sob a corrente 10 / 350 ms, a falha do MOV está relacionada com a energia absorvida por unidade de volume sob impulso único. O crack é a principal forma de dano sob a corrente 10 / 350ms, que pode ser descrita como um lado do encapsulamento de plástico MOV e a folha de eletrodo descascada. Ablação do material de ZnO, causada pelo flashover entre a folha do eletrodo e a superfície do ZnO, apareceu perto do eletrodo MOV.

1. Introdução

Os dispositivos de proteção contra surtos (SPDs) conectados a sistemas de energia de baixa tensão, redes de telecomunicação e de sinal precisam ser testados de acordo com os requisitos dos padrões IEC e IEEE [1-5]. Considerando a localização e a possível corrente de iluminação que pode sofrer, esses SPDs devem ser testados em correntes de descarga de impulso principalmente com formas de onda de 8 / 20 ms e 10 / 350 ms [4-6]. A forma de onda atual de 8 / 20 ms é comumente usada para simular o impulso do raio [6-8]. A corrente de descarga nominal (In) e a corrente de descarga máxima (Imax) dos SPDs são ambas definidas com a corrente de impulso 8 / 20 ms [4-5]. Além disso, o impulso de corrente 8 / 20 ms é amplamente utilizado para a tensão residual SPD e testes de funcionamento [4]. A corrente de impulso 10 / 350ms é geralmente usada para simular a corrente de retorno de relâmpago direto [7-10]. Essa forma de onda atende aos parâmetros para a corrente de descarga de impulso para o teste de classe I SPD, que é especialmente usado para o teste de serviço adicional para os SPDs de classe I [4]. Durante os testes de tipo [4-5], o número especificado de correntes de impulso é necessário para aplicar nos SPDs. Por exemplo, quinze correntes 8 / 20 ms e cinco correntes de impulso 10 / 350 ms são necessárias para o teste de funcionamento para SPDs de classe I [4]. No entanto, com a melhoria dos produtos SPD, a capacidade de desempenho e resistência dos SPDs sob tais correntes de teste padrão precisa de mais investigação. Pesquisas anteriores geralmente concentravam-se no desempenho do MOV sob múltiplas correntes de impulso 8 / 20 ms [11-14], enquanto o desempenho sob repetidas correntes de impulso 10 / 350 ms não foram investigadas completamente. Além disso, os SPDs da classe I, instalados nos pontos de alta exposição em edifícios e sistemas de distribuição, são mais vulneráveis ​​a descargas elétricas [15-16]. Portanto, a capacidade de desempenho e tolerância dos SPDs classe I nas correntes de impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms é necessária para ser investigada. Este trabalho investiga experimentalmente a capacidade de resistência dos SPDs classe I sob correntes de impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Três tipos de MOVs típicos usados ​​para os SPDs classe I são adotados para análise. A amplitude atual e o número de impulsos são ajustados para vários experimentos. A comparação é realizada com base na capacidade de suportar os MOVs sob os dois tipos de correntes de impulso. O modo de falha das amostras MOV que falharam após os testes também são analisados.

2. Layout do experimento

Três tipos de MOVs típicos usados ​​para os SPDs classe I são adotados nos experimentos. Para cada tipo de MOV, as amostras 12 feitas pelo EPCOS são adotadas em quatro tipos de experimentos. Seus parâmetros básicos são mostrados na TABELA I, onde In representam a corrente de descarga nominal dos MOVs sob o impulso 8 / 20, Imax representa a corrente máxima de descarga sob o impulso 8 / 20, Iimp representa a corrente máxima de descarga sob o impulso 10 / 350, UDC1mA a tensão MOV medida em corrente contínua 1 mA, Ur representa a tensão residual MOV em In.

A Fig. 1 mostra o gerador de corrente de impulso que pode ser ajustado para emitir impulsos de corrente 10 / 350 ms e 8 / 20 ms. A bobina de Pearson é adotada para medir as correntes de impulso nos MOVs testados. O divisor de tensão com relação 14.52 é usado para medir as tensões residuais. O osciloscópio digital do TEK DPO3014 é adotado para registrar as formas de onda experimentais.

De acordo com o padrão de teste SPD [4], as amplitudes adotadas para a corrente 8 / 20 ms incluem 30kA (0.75Imax) e 40kA (Imax). As amplitudes adotadas para a corrente 10 / 350 ms incluem 0.75Iimp e Iimp. Referência ao teste de funcionamento para MOVs [4], quinze impulsos 8 / 20ms são aplicados em amostras de MOV, e o intervalo entre impulsos é 60 s. Portanto, o fluxograma do procedimento experimental é mostrado na Fig. 2.

O procedimento experimental pode ser descrito como:

(1) Medições iniciais: As amostras de MOV são caracterizadas com UDC1mA, Ur e fotografias no início dos experimentos.

(2) Aplique quinze impulsos: Ajuste o gerador de corrente de impulso para produzir a corrente de impulso exigida. Quinze impulsos com intervalo de 60 s são aplicados na amostra MOV sucessivamente.

(3) Registre as formas de onda medidas das correntes e tensões do MOV após cada aplicação de impulso.

(4) Inspeção visual e medições após os testes. Verifique a superfície do MOV para perfuração ou flashover. Meça o UDC1mA e o Ur após os testes. Tire fotografias dos MOVs danificados após os testes. Os critérios de aprovação para os experimentos, de acordo com a IEC 61643-11 [4], exigem que os registros de tensão e corrente, juntamente com uma inspeção visual, não mostrem nenhuma indicação de perfuração ou flashover das amostras. Além disso, o IEEE Std. C62.62 [5] sugeriu que o pós-teste medido Ur (voltagens residuais MOV em In) não deve desviar mais do que 10% do pré-teste medido Ur. O Std. O IEC 60099-4 [17] também requer que o UDC1mA não se desvie mais que 5% após os testes de impulso.

  1. A capacidade de suportar sob 8 / 20 corrente de impulso ms

Nesta seção, as correntes de impulso 8 / 20 ms com amplitudes de 0.75Imax e Imax são aplicadas nas amostras de SPD, respectivamente. A taxa de mudança para o UDC1mA medido após o teste e o Ur é definido como:

onde, Ucr representa a taxa de mudança dos valores medidos. Uat representa o valor medido após os testes. Ubt representa o valor medido antes dos testes.

3.1 Os resultados sob corrente de impulso 8 / 20 ms com pico de 0.75Imax

Os resultados do teste para três tipos de MOVs abaixo de quinze correntes de impulso 8 / 20 ms com pico de 0.75Imax (30 kA) são mostrados na TABELA II. O resultado para cada tipo de MOV é a média de três amostras iguais.

TABELA II

Resultados sob correntes de impulso 8 / 20 ms com pico 30 kA

Pode ser visto na TABELA II que depois de quinze impulsos 8 / 20 ms terem sido aplicados nos MOVs, as alterações de UDC1mA e Ur são menores. O "passe" para inspeção visual significa que não há danos visíveis nos MOVs testados. Além disso, pode-se observar que, com o aumento da tensão limite de MOV, o Ucr se torna menor. Tal como o Ucr é o menor para o tipo V460 MOV. Pode-se concluir que os três tipos de MOVs poderiam passar o impulso quinze 8 / 20 ms com o pico 30 kA.

3.2 Os resultados sob corrente de impulso 8 / 20 ms com pico de Imax

Considerando os resultados experimentais acima, a amplitude da corrente 8 / 20 ms é aumentada para 40 kA (Imax). Além disso, o número de impulsos é aumentado para vinte para o MOV do tipo V460. Os resultados experimentais são mostrados na TABELA III. A fim de comparar a absorção de energia nos três tipos de MOVs, Ea / V é usado para representar a energia absorvida por unidade de volume para a média de quinze ou vinte impulsos. Aqui, a “média” é considerada porque a absorção de energia nos MOVs é ligeiramente diferente sob cada impulso.

TABELA III

Resultados sob correntes de impulso 8 / 20 ms com pico 40 kA

Pode ser observado na TABELA III que quando a amplitude de corrente é aumentada para 40 kA, o Ucr para UDC1mA desvia mais que 5% para V230 e V275, embora a variação da tensão residual de MOV ainda esteja dentro da faixa efetiva de 10%. A inspeção visual também não mostra danos visíveis nos MOVs testados. Para os MOVs do tipo V230 e V275, o Ea / V significa a energia absorvida por unidade de volume com uma média de quinze impulsos. O Ea / V para V460 representa a energia absorvida por unidade de volume com uma média de vinte impulsos. A TABELA III mostra que os MOVs com tensão limite mais alta (V460) têm Ea / V maiores que os MOVs com tensão limite mais baixa (V275 e V230). Além disso, com a corrente de impulso aplicada repetidamente no V460, a energia absorvida por unidade de volume (E / V) aumenta gradualmente, como mostrado na Fig. 3.

Portanto, pode-se concluir que os MOVs do tipo V230 e V275 não suportam quinze impulsos de corrente 8 / 20ms com pico de Imax, enquanto o MOV V460 pode suportar a máxima corrente de descarga até os impulsos 20. Isto significa que os MOVs com maior limite de tensão têm melhor capacidade de suportar sob corrente de impulso 8 / 20ms.

4. A capacidade de suportar sob corrente de impulso 10 / 350 ms

Nesta seção, as correntes de impulso 10 / 350 ms com amplitudes de 0.75Iimp e Iimp são aplicadas nas amostras de SPD, respectivamente.

4.1 Os resultados sob corrente de impulso 10 / 350 ms com pico de 0.75Iimp

Como o Iimp dos três tipos de MOVs são diferentes, as correntes 10 / 350 ms com amplitude de 4875A são aplicadas em V230 e V275, e impulsos com amplitude de 4500 A são aplicados em V460. Depois de aplicar quinze correntes de impulso, as mudanças para UDC1mA e Ur nos MOVs testados são mostradas na TABELA IV. O ∑E / V significa a soma de E / V para os impulsos aplicados.

Pode ser visto na TABELA IV que depois de aplicar quinze correntes de 10 / 350 ms com pico de 0.75Iimp, o V230 poderia passar no teste, enquanto a mudança para UDC1mA de V275 desviar mais do que 5%. Inchaço e menor rachadura também apareceram no encapsulamento plástico do V275. A fotografia de V275 com pequena rachadura é mostrada na Fig. 4.

Para V460 tipo MOV, após o oitavo impulso 10 / 350 ms com pico de 4500A é aplicado, o MOV é trincado e as formas de onda de tensão e corrente medidas são anormais. Para comparação, as formas de onda de tensão e corrente medidas sob o sétimo e oitavo impulso 10 / 350 ms no V460 são mostradas na Fig. 5.

Fig. 5. As formas de onda de tensão e corrente medidas no V460 sob impulso 10 / 350 ms

Para V230 e V275, ∑E / V é a soma de E / V para quinze impulsos. Para V460, ∑E / V é a soma de E / V para oito impulsos. Pode-se observar que embora o Ea / V do V460 seja maior que o do V230 e V275, o ∑E / V total do V460 é o mais baixo. No entanto, o V460 sofreu o dano mais grave. Isto significa que para o volume unitário de MOV, a falha de MOV sob corrente 10 / 350 ms não está relacionada com a energia total absorvida (∑ E / V), mas pode estar mais relacionada com a energia absorvida sob impulso único (Ea / V ). Pode-se concluir que sob corrente de impulso 10 / 350 ms, o V230 pode suportar mais impulsos do que os MOVs do tipo V460. Isto significa que os MOVs com tensão limite mais baixa têm melhor capacidade de suportar sob corrente 10 / 350 ms, o que é o oposto da conclusão sob corrente de impulso 8 / 20 ms.

4.2 Os resultados sob corrente de impulso 10 / 350 ms com pico de Iimp

Quando a amplitude da corrente 10 / 350 ms é aumentada para o Iimp, todos os MOVs testados não poderiam passar quinze impulsos. Os resultados sob correntes de impulso 10 / 350 ms com amplitude de Iimp são mostrados na TABELA V, onde o “Número de impulso suportável” significa a quantidade de impulso que o MOV pode suportar antes da fissura.

Pode ser observado na TABELA V que o V230 com Ea / V de 122.09 J / cm3 pode suportar oito impulsos 10 / 350 ms enquanto o V460 com Ea / V de 161.09 J / cm3 pode passar apenas três impulsos, embora a corrente de pico adotada para V230 (6500 A) é maior do que para V460 (6000 A). Isso confirma a conclusão de que os MOVs com alta tensão limite são mais facilmente danificados com corrente 10 / 350 ms. Este fenômeno pode ser explicado como: a grande energia transportada pela corrente 10 / 350 ms será absorvida nos MOVs. Para MOVs com alta limitação de tensão sob corrente 10 / 350 ms, muito mais energia será absorvida no volume unitário de MOV do que nos MOVs com baixa tensão limite, e a absorção excessiva de energia levará a falha do MOV. No entanto, o mecanismo de falha sob 8 / 20 ms atual precisa de mais investigação.

A inspeção visual mostra que a mesma forma de dano é observada nos três tipos de MOVs sob corrente 10 / 350 ms. Um lado do encapsulamento de plástico MOV e a folha de eletrodo retangular descolam. A ablação do material ZnO apareceu perto da folha do eletrodo, que é causada pelo flashover entre o eletrodo MOV e a superfície ZnO. A fotografia do V230 danificado é mostrada na Fig. 6.

5. Conclusão

Os SPDs precisam ser testados em correntes de descarga de impulso principalmente com formas de onda de 8 / 20 ms e 10 / 350 ms. Para investigar e comparar a capacidade de suportar dos SPDs sob correntes de impulso 8 / 20 ms e 10 / 350 ms, várias experiências são realizadas com corrente de descarga máxima para 8 / 20 ms (Imax) e 10 / 350 ms (Iimp) , bem como amplitudes de 0.75Imax e 0.75Iimp. Três tipos de MOVs típicos usados ​​para os SPDs classe I são adotados para análise. Algumas conclusões podem ser tiradas.

(1) Os MOVs com maior limite de tensão têm melhor capacidade de suportar sob corrente de impulso 8 / 20ms. Os MOVs do tipo V230 e V275 não suportavam quinze impulsos 8 / 20ms com pico de Imax, enquanto o MOV do tipo V460 podia passar vinte impulsos.

(2) Os MOVs com tensão limite mais baixa têm melhor capacidade de suportar sob corrente 10 / 350 ms. O MOV do tipo V230 pode suportar oito impulsos 10 / 350 ms com pico de Iimp, enquanto o V460 só pode passar três impulsos.

(3) Considerando o volume unitário de MOV sob corrente de 10 / 350 ms, a energia absorvida sob impulso único pode estar relacionada à falha do MOV, em vez da soma da energia absorvida sob todos os impulsos aplicados.

(4) A mesma forma de dano é observada em três tipos de MOVs sob correntes 10 / 350 ms. Um lado do encapsulamento de plástico MOV e a folha de eletrodo retangular descolam. Ablação do material de ZnO, causada pelo flashover entre a folha do eletrodo e a superfície do ZnO, apareceu perto do eletrodo MOV.