Apsaugos nuo viršįtampių įtaisų (SPD) supratimas
Apibrėžimas ir pagrindinė funkcija
A viršįtampių apsaugos įtaisas (SPD) yra apsauginis įtaisas, skirtas riboti trumpalaikes įtampas nukreipiant arba ribojant viršįtampių srovę, ir galintis kartoti šias funkcijas, kaip nurodyta. Anksčiau SPD buvo žinomi kaip trumpalaikės įtampos viršįtampių slopikliai (TVSS) arba antriniai viršįtampių ribotuvai (SSA), tačiau terminologija buvo standartizuota į SPD, 2009 m. priėmus ANSI/UL 1449 3-iąjį leidimą.
Pagrindinis SPD veikimo principas apima lygiagretų jungimą prie apkrovų, kurias jie apsaugo, maitinimo grandinės. Lygiagrečiai prijungti SPD turi didelę varžą. Kai sistemoje atsiranda trumpalaikis viršįtampis, įrenginio varža sumažėja, todėl viršįtampio srovė teka per SPD, apeidama jautrią įrangą.
SPD klasifikavimo sistema
Pagal Nacionalinį elektros kodeksą (NEC) ir ANSI/UL 1449, SPD skirstomi į tris pagrindinius tipus pagal jų įrengimo vietą ir numatytą paskirtį:
1 tipo SPD: aptarnavimo įėjimo apsauga
1 tipas: Nuolat prijungti, skirti montuoti tarp aptarnavimo transformatoriaus antrinės apvijos ir aptarnavimo atjungimo viršsrovės įtaiso (aptarnavimo įrangos) linijos pusės. Jų pagrindinė paskirtis – apsaugoti elektros sistemos izoliacijos sluoksnius nuo išorinių viršįtampių, kuriuos sukelia žaibas arba kondensatorių baterijos perjungimas.
Pagrindinės specifikacijos:
– Srovės banga: 10/350 µs impulsinė srovė
– Srovės apkrova: nuo 50 000 iki 200 000 amperų
– Montavimas: Aptarnavimo įėjimo įranga
– Pirminė apsauga nuo tiesioginių žaibo smūgių
2 tipo SPD: paskirstymo skydo apsauga
2 tipas: Nuolat prijungti, skirti montuoti aptarnavimo atjungimo viršsrovės įtaiso (aptarnavimo įrangos) apkrovos pusėje, įskaitant firminių skydų vietas. Jų pagrindinė paskirtis – apsaugoti jautrią elektroniką ir mikroprocesorių apkrovas nuo liekamosios žaibo energijos, variklio generuojamų viršįtampių ir kitų viduje generuojamų viršįtampių.
Pagrindinės specifikacijos:
– Srovės banga: 8/20 µs srovės banga
– Srovės apkrova: nuo 20 000 iki 100 000 amperų
– Montavimas: paskirstymo skydai ir apkrovos centrai
– Pirminė pastatų elektros sistemų apsauga
3 tipo SPD: Apsauga naudojimo vietoje
3 tipas: Naudojimo vietoje montuojami SPD, kurių laidininko ilgis nuo elektros tiekimo skydo iki naudojimo vietos yra ne mažesnis kaip 10 metrų (30 pėdų).
Pagrindinės specifikacijos:
– Srovės banga: 1,2/50 μs įtampos ir 8/20 μs srovės derinys
– Srovės apkrova: nuo 5 000 iki 20 000 amperų
– Montavimas: Šalia apsaugotos įrangos
– Paskutinis lokalizuotos apsaugos sluoksnis
Kiti elektros viršįtampių apsaugos metodai
Nepertraukiamo maitinimo (UPS) sistemos
UPS sistemos užtikrina visapusišką elektros energijos apsaugą, kuri apima daugiau nei paprastą apsaugą nuo viršįtampių. Šie įrenginiai nuolat stebi įeinančią įtampą ir reaguoja į elektros energijos kokybės problemas, persijungdami į akumuliatoriaus maitinimą nutrūkus tiekimui arba esant dideliems trikdžiams.
UPS apsaugos charakteristikos:
– Reakcijos laikas2–10 milisekundžių energijos perdavimui
– Apsaugos taikymo sritisIndividualus įrangos lygis
– Srovės valdymasKintamas pagal įrenginio našumą
– Papildomos funkcijosAtsarginis akumuliatoriaus veikimas, energijos tiekimas, įtampos reguliavimas
– Išlaidų intervalas$100–5000+ (priklausomai nuo talpos)
UPS viršįtampių apsaugos apribojimai:
– Lėtesnis atsako laikas, palyginti su SPD
– Ribotas viršįtampių srovės atlaikymo pajėgumas
– Reikalinga akumuliatoriaus priežiūra ir keitimas
– Neskirta naudoti esant didelės energijos žaibo smūgiams
Maitinimo juostų viršįtampių apsaugos priemonės, palyginti su pagrindinėmis maitinimo juostomis
Pagrindinės maitinimo juostos
Ilgintuvas – tai elektros lizdų blokas, leidžiantis maitinti kelis elektros prietaisus iš vieno elektros lizdo. Paprasti ilgintuvai neužtikrina apsaugos nuo viršįtampių, nepaisant vizualinio panašumo į viršįtampių apsaugas.
Savybės:
– Funkcija: Tik energijos paskirstymas
– Apsauga: Automatinis jungiklis tik perkrovoms
– Reakcijos laikas: nėra apsaugos nuo viršįtampių galimybės
– Kaina: $10-30
– Taikymas: Nekritiniai įrenginiai, kuriems nereikia apsaugos nuo viršįtampių
Vartotojų viršįtampių apsaugos maitinimo juostos
Pagrindinis skirtumas tarp viršįtampių apsaugos ir ilgintuvo yra tas, kad viršįtampių apsaugos įrenginyje yra MOV. MOV nukreipia žalingus elektros viršįtampius iš prijungtų įrenginių.
Savybės:
– Srovės apkrova: įprastai 1 000–4 000 džaulių
– Reakcijos laikas: 25 nanosekundės (MOV pagrindu)
– Apsaugos apimtis: Tik įrenginiai, tiesiogiai prijungti prie juostelės
– Įtempimo įtampa: 330–600 voltų
– Tarnavimo trukmė: Trumpėja su kiekvienu viršįtampiu
Metalo oksido varistoriai (MOV)
Metalo oksido varistoriai yra nuo įtampos priklausantys rezistoriai, kurie sudaro pagrindinę daugelio vartotojams skirtų viršįtampių apsaugų technologiją. MOV sudaro keraminę cinko oksido grūdelių matricą su grūdelių ribomis, sudarančiomis diodų jungtis.
MOV operacija:
– Normalios sąlygosDidelė varža ir minimalus srovės tekėjimas
– Viršįtampių sąlygosLavinos sugedimas sukuria mažo pasipriešinimo kelią
– Reakcijos laikas25 nanosekundės
– Srovės valdymas1 000–20 000 amperų, priklausomai nuo dydžio
MOV apribojimai:
– Progresyvus degradavimas dėl pakartotinio viršįtampių poveikio
– Galiausiai reikia pakeisti po kelių viršįtampių
– Bazinėse versijose apsaugos būsena nenurodoma
Pereinamosios įtampos slopinimo (TVS) diodai
TVS diodai yra specializuoti lavininiai diodai, skirti itin greitai apsaugai nuo viršįtampių jautrioje elektronikoje.
TVS diodų charakteristikos:
– Reakcijos laikas1 pikosekundė (greičiausias galimas laikas)
– Srovės valdymas10 000–30 000 amperų didžiausias impulsas
– Įtampos tikslumasLabai tikslūs prispaudimo lygiai
– Gyvenimo trukmėNėra senėjimo poveikio, puikus ilgalaikis stabilumas
– ParaiškaPCB lygio apsauga elektroninėje įrangoje
Privalumai, palyginti su MOV:
– Laikui bėgant nėra degradacijos
– Ypač greitas atsakas apsaugai nuo ESD
– Tikslios įtampos fiksavimo charakteristikos
– Patikimas veikimas per visą įrenginio naudojimo laiką
Dujų išlydžio vamzdeliai (GDT)
Dujų išlydžio vamzdeliai veikia kaip įtampos valdomi jungikliai, naudojantys inertinių dujų išlydžio principus, dažniausiai naudojamus telekomunikacijų įrangoje.
GDT charakteristikos:
– Reakcijos laikas<1 mikrosekundė
– Srovės valdymas10 000–40 000 amperų
– Normali būsenaLabai didelė varža, minimali talpa
– Aktyvuota būsenaMažos varžos laidumo kelias
– ParaiškosTelekomunikacijos, aukštos įtampos apsauga
Grandinės pertraukikliai ir saugos apsauga
Tradiciniai grandinės pertraukikliai
Automatiniai jungikliai užtikrina apsaugą nuo viršsrovės, bet nėra skirti apsaugai nuo viršįtampių.
Grandinės pertraukiklio specifikacijos:
– FunkcijaApsauga nuo viršsrovės ir trumpojo jungimo
– Reakcijos laikas: 16–100 milisekundžių
– Apsauga nuo viršįtampiųNėra (per lėtas įtampos šuoliams)
– Srovės valdymasNominali srovės stipris nepertraukiamam veikimui
– ParaiškaBendroji elektros grandinės apsauga
GFCI ir AFCI apsauga
– GFCIApsauga nuo įžeminimo gedimo (5 mA jautrumas, 25–30 ms atsakas)
– AFCIApsauga nuo lanko gedimo gaisro prevencijai
– FunkcijaApsauga nuo viršįtampių, o ne apsauga nuo saugos
– ReikalavimaiNEC įpareigojimas tam tikrose vietose
Žaibosaugos sistemos
Žaibolaidžiai
Žaibolaidžiai apsaugo perdavimo ir paskirstymo sistemas nuo tiesioginių žaibo smūgių ir perjungimo pereinamųjų procesų.
Žaibolaidžio charakteristikos:
– Srovės valdymas: 100 000+ amperų
– Įtampos lygiaiPerdavimo sistemos įtampa (>1000 V)
– Reakcijos laikasMikrosekundės
– ParaiškaKomunalinės perdavimo ir paskirstymo sistemos
– Išlaidos$1 000–10 000+ perdavimo klasės įrenginiams
Žaibolaidžiai (oro terminalai)
– FunkcijaNurodykite pageidaujamą žaibo smūgio kelią
– ApsaugaPastato konstrukcijų apsauga
– IntegracijaVeikia su įžeminimo sistema
– Srovės valdymasPilna žaibo srovė (iki 200 000 amperų)
Elektros energijos kokybės ir kondicionavimo įranga
Įtampos reguliatoriai ir stabilizatoriai
Maitinimo reguliatoriai daugiausia dėmesio skiria pastovios būsenos energijos kokybei, o ne trumpalaikių viršįtampių apsaugai.
Įtampos reguliavimo charakteristikos:
– FunkcijaPalaikyti pastovų įtampos lygį (±1–5%)
– Reakcijos laikasMilisekundės įtampos korekcijai
– Apsaugos tipasApsauga nuo įtampos kritimo ir viršįtampio
– Paraiška: Vietovės, kuriose prasta elektros energijos kokybė
– Išlaidos$100–1000+, priklausomai nuo talpos
Izoliaciniai transformatoriai
– FunkcijaElektros izoliacija ir viršįtampių mažinimas
– ApsaugaBendrojo režimo viršįtampių slopinimas (-60 dB arba geresnis)
– Įtampos tvarkymas30 kV impulsinė įvestis, 10 kV išvestis (tipinė)
– ParaiškaMedicinos įranga, jautrūs instrumentai
Elektros linijų filtrai ir EMI apsauga
– Funkcija: Filtruoja elektromagnetinius trukdžius ir elektrinį triukšmą
– OperacijaNuolatinis laidinių EMI/RFI filtravimas
– KomponentaiInduktoriai, kondensatoriai, ferito šerdys
– Taikymo sritisPapildykite viršįtampių apsaugą, o ne pakeiskite ją
SPD ir kiti elektros viršįtampių apsaugos metodai
Metodas | Funkcija | Atsakymas | Vieta | Dabartinis | Įtampa | Gyvenimo trukmė | Išlaidos | Paraiškos |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SPD 1 tipas | Žaibo banga | 25 ns | Paslaugos įrašas | 50–200 kA | 700–1500 V | Didelis patvarumas | Aukštas | Aptarnavimo skydai |
SPD 2 tipas | Platinimas | 25 ns | Platinimas | 20–100 kA | 600–1200 V | Didelis patvarumas | Vidutinis | Šakų grandinės |
SPD 3 tipas | Naudojimo vieta | 25 ns | Šalia įrangos | 5–20 kA | 330–600 V | Vidutinio patvarumo | Žemas | Jautrus elektrinis |
UPS sistemos | Atsarginis maitinimas | 2–10 ms | Įrangos lygis | Kintamasis | ±3-5% | Priklauso nuo baterijos | Aukštas | Kritinė įranga |
Grandinės pertraukikliai | Virš srovės | 16–100 ms | Platinimas | Kintamasis | Nėra | Labai aukštas | Žemas | Bendroji grandinė |
MOV failai | Įtampos spaustukas | 25 ns | Įrenginio lygis | 1–20 kA | Kintamasis | Degraduoja | Labai žemas | Komponento apsauga |
TVS diodai | Greitas trumpalaikis | 1 vnt. | PCB lygis | 10–30 kA | Labai tikslus | Nėra senėjimo | Žemas | Elektronika |
Dujų išleidimas | Aukšta įtampa | <1 µs | Įrangos lygis | 10–40 kA | Aukšta įtampa | Labai aukštas | Vidutinis | Telekomunikacijos |
Žaibo sulaikymas | Žaibo apsauga | Mikrosekundės | Užkrato pernešimas | 100+ kA | kV lygiai | Labai aukštas | Aukštas | Maitinimo sistemos |
Maitinimo būsena | Maitinimo kokybė | Nuolatinis | Įrangos lygis | Priklauso nuo apkrovos | ±5-10% | Aukštas | Aukštas | Jautri įranga |
Izoliacijos trans | Elektros izoliacija | Nuolatinis | Įrangos lygis | Priklauso nuo apkrovos | Gera izoliacija | Labai aukštas | Aukštas | Medicininė įranga |
Išsamus palyginimas: SPD ir kiti apsaugos metodai
Reakcijos laiko analizė
Itin greita apsauga (pikosekundės):
– TVS diodai: 1 pikosekundė – idealiai tinka ESD ir greitiems pereinamiesiems išsekimams
Greita apsauga (nanosekundės):
– SPD (visų tipų): 25 nanosekundės – Puikiai tinka įtampos šuoliams
– MOV: 25 nanosekundės – Tinka esant vidutinio stiprumo viršįtampiams
Vidutinis greitis (mikrosekundės):
– Dujų išlydžio vamzdeliai: <1 mikrosekundė – Tinka didelės energijos įvykiams
Lėtas atsakas (milisekundės):
– UPS sistemos: 2–10 milisekundžių – Pakanka energijos perdavimui
– GFCI/AFCI: 25–30 milisekundžių – Saugumo užtikrinimo programos
– Automatiniai jungikliai: 16–100 milisekundžių – Tik apsauga nuo viršsrovės
Dabartinio apdorojimo pajėgumų palyginimas
Didžiausia energija (100+ kA):
– Žaibolaidžiai: perdavimo lygio apsauga
– 1 tipo SPD: 50–200 kA įvado apsauga
Didelė energija (20–100 kA):
– SPD 2 tipas: 20–100 kA paskirstymo apsauga
– Dujų išlydžio vamzdeliai: 10–40 kA telekomunikacijų apsauga
Vidutinė energija (5–30 kA):
– SPD 3 tipas: 5–20 kA apsauga naudojimo vietoje
– TVS diodai: 10–30 kA tiksli elektronikos apsauga
Ribotos energijos (1–20 kA):
– Vartotojų viršįtampių apsaugos: 1–4 kA įrenginio apsauga
– MOV: 1–20 kA komponentų apsauga
Nėra apsaugos nuo viršįtampių:
– Pagrindiniai maitinimo šaltiniai: tik automatinio jungiklio vardinė vertė
– Automatiniai jungikliai: apsauga nuo viršsrovės, nėra viršįtampių valdymo
Įrengimo vieta ir sistemos integravimas
Hierarchinis SPD diegimas
SPD taiko sistemingą įrengimo metodą, užtikrindami koordinuotą apsaugą:
1. 1 tipo SPDTarnybinis įėjimas – pirmoji gynybos linija
2. 2 tipo SPDSkirstomieji skydai – pagrindinės pastato apsaugos
3. 3 tipo SPDNaudojimo vietoje – galutinė įrangos apsauga
Kitų metodų diegimas
– UPS sistemosĮrangos lygis, reikalingos apkrovos jungtys
– Vartotojų viršįtampių apsaugosĮrenginio lygis, nešiojamas
– Apsauga nuo grandinėsSkirstomieji skydai, skirti saugumui
– Komponentų apsaugaPCB lygmuo arba įrangos viduje
– Elektros energijos kokybės įrangaĮrangos lygis, specifiniai pritaikymai
Standartai ir atitiktis reglamentams
SPD standartų sistema
– ANSI/UL 1449Pagrindinis Šiaurės Amerikos SPD standartas
– IEC 61643 serijaTarptautiniai SPD standartai
– NEC 285 straipsnisSPD įrengimo reikalavimai
– Privalomi reikalavimaiNEC 2020+ reikalauja SPD gyvenamiesiems vienetams.
Kiti metodų standartai
– UPS sistemos: UL 1778, IEC 62040 serija
– Grandinės pertraukikliai: UL 489, IEC 60947 serija
– Vartotojų viršįtampių apsaugos: UL 1449 (3 tipo klasifikacija)
– Komponentų apsaugaĮvairūs komponentams būdingi standartai
Ekonominiai ir praktiniai aspektai
Sąnaudų ir naudos analizė
SPD investicijų privalumai:
– Visos sistemos apsauga, palyginti su sąnaudomis kiekvienam įrenginiui atskirai
– Ilgas eksploatavimo laikas su minimalia priežiūra
– Atitiktis reglamentams, kai įrenginys yra vienas
– Pastato laidų ir įmontuojamų prietaisų apsauga
Bendros nuosavybės išlaidos:
– 2 tipo SPD$200-800 plius instaliacija apsaugo visus namus
– Keli vartotojų viršįtampių apsaugos įrenginiai$20-100 kiekvienas, reikia kelių vienetų
– UPS sistemos$100–5 000+ plius akumuliatoriaus keitimo išlaidos
– Viršįtampių žalaVidutinis pramonės objektas kasmet praranda 1 TP4,39 mlrd.
Priežiūros reikalavimai
Mažai priežiūros reikalaujantis:
– SPD: būsenos stebėjimas, periodinė patikra
– TVS diodai: Nereikia priežiūros
– Automatiniai jungikliai: periodiniai bandymai
Didelė priežiūra:
– UPS sistemos: Baterijų keitimas kas 3–5 metus
– MOV: pakeitimas po degradacijos
– Galios reguliatoriai: filtrų keitimas, kalibravimas
Konkrečioms programoms skirtos rekomendacijos
Gyvenamosios paskirties patalpos
Pirminė apsauga: 2 tipo SPD pagrindiniame skydelyje (NEC reikalaujama nuo 2020 m.)
Antrinė apsauga: 3 tipo SPD jautriai elektronikai
Atsarginė energija: UPS kritinei įrangai (kompiuteriams, medicinos prietaisams)
Komercinės ir pramoninės programos
Pirminė apsauga: 1 arba 2 tipo SPD prie įėjimo į elektros tinklą
Paskirstymo apsauga: 2 tipo SPD subpaneliuose
Įrangos apsauga: 3 tipo SPD ir UPS kritinėms sistemoms
Speciali apsauga: Galios reguliatoriai jautriems procesams
Telekomunikacijos ir duomenų centrai
Kintamosios srovės apsauga: Koordinuotas SPD įrengimas (1, 2, 3 tipai)
Nuolatinės srovės apsauga: Specializuoti telekomunikacijų linijų SPD
Didelės spartos duomenys: TVS diodai signalo linijų apsaugai
Kritinės sistemos: UPS su atsarginiu akumuliatoriumi nepertraukiamam veikimui
Pagrindinių skirtumų santrauka
SPD ir vartotojų viršįtampių apsaugos priemonės
– Energijos tvarkymas: SPD atlaiko 20–200 kA, palyginti su 1–4 kA vartotojų įrenginiuose
– Apsaugos apimtis: Visos sistemos ir individualaus įrenginio apsauga
– Įrengimas: Nuolatinis montavimas ant skydelio, palyginti su nešiojamu kištuku
– Standartai: Profesionalūs elektros standartai ir vartojimo prekių standartai
– Gyvenimo trukmė: Sukurta ilgam tarnavimo laikui, palyginti su keitimu po didelių viršįtampių
SPD ir UPS sistemos
– Pagrindinė funkcija: Apsauga nuo viršįtampių ir atsarginis maitinimo šaltinis
– Reakcijos laikas: 25 nanosekundės, palyginti su 2–10 milisekundžių
– Energijos tvarkymas: Didelė viršįtampių srovė, palyginti su ribota apsauga nuo viršįtampių
– Techninė priežiūra: Minimalus, palyginti su reikalingu akumuliatoriaus keitimu
– Kaina: Vienkartinis įrengimas, palyginti su nuolatinėmis akumuliatoriaus išlaidomis
SPD ir energijos kokybės įranga
– Apsaugos tipas: Apsauga nuo trumpalaikių viršįtampių, palyginti su pastovios būsenos elektros energijos kokybe
– Reakcijos greitis: Nanosekundės ir milisekundės
– Taikymas: Viršįtampių įvykiai ir nuolatinis galios kondicionavimas
– Įrengimas: Lygiagretusis jungimas ir nuoseklusis įrengimas
Išvada
Apsaugos nuo viršįtampių įtaisai yra specializuotas ir labai efektyvus elektros viršįtampių apsaugos metodas, kuris iš esmės skiriasi nuo kitų apsaugos metodų savo sisteminiu taikymu, atitiktimi reglamentams ir išsamiomis apsaugos galimybėmis. Nors kiti metodai, pvz., UPS sistemos, jungtuvai, MOV, TVS diodai ir galios reguliatoriai, atlieka svarbų vaidmenį elektros apsaugoje, viršįtampių įtaisai siūlo unikalių pranašumų dėl savo:
– Standartizuota klasifikavimo sistema (1, 2, 3 tipai) koordinuotai apsaugai
– Greitas reagavimo laikas (25 nanosekundės) efektyviam viršįtampių fiksavimui
– Didelė srovės apdorojimo galia (20 000–200 000 amperų) esant stipriems viršįtampiams
– Išsami reguliavimo sistema su konkrečiais NEC reikalavimais
– Sisteminė diegimo hierarchija viso pastato apsaugai
Pagrindinis skirtumas yra tas, kad viršįtampių apsaugos įtaisai (SPD) užtikrina pagrindinę apsaugą nuo viršįtampių visoms elektros sistemoms, o kiti metodai paprastai apsaugo atskirus įrenginius arba sprendžia skirtingas elektros problemas. Šiuolaikiniai elektros įrenginiai daugiausiai naudojasi sluoksninės apsaugos metodu, kuris sujungia tinkamai suderintus SPD su atitinkamais papildomais apsaugos metodais, pagrįstais konkrečiais taikymo reikalavimais.
Suprasdami šiuos skirtumus, elektros specialistai gali sukurti išsamias apsaugos strategijas, kurios atitiktų tiek našumo tikslus, tiek norminius reikalavimus, kartu optimizuodamos investicijas į apsaugą gyvenamosiose, komercinėse ir pramoninėse patalpose.
Susijęs
Kas yra viršįtampių apsaugos įtaisas (SPD)?
Bendruomenės įžvalgos: geriausi „Reddit“ patarimai dėl viršįtampių apsaugos įrenginių (SPD)
Kaip pasirinkti tinkamą SPD saulės energijos sistemai