SPD-Probleme und Lösungen für Sekundärkreise von Spannungswandlern

Dieses Papier analysiert die obige Situation im Detail und fasst technische Maßnahmen zur Lösung der Probleme zusammen.

1. Hauptprobleme von SPD-Produkten in Sekundärkreisen von Spannungswandlern

Derzeit gibt es sowohl im In- als auch im Ausland stromfreie SPDs (Schaltungsblitzableiter). Ihre Hauptentladungsschaltungen verwenden Entladungsröhren/Lücken, die eine hohe Entladungsstromkapazität (über Zinkoxidvaristoren) aufweisen. Allerdings haben sie folgende entscheidende Mängel: schlechte Spannungsbeschränkung, Bogenzugspannung und lange Reaktionszeit (bis zu 100 ns). Diese verhindern einen angemessenen Schutz der Ausrüstung im Sekundärkreis. Schlimmer noch, die Bogenzugspannung senkt oft die Spannung im Sekundärkreis des Spannungswandlers (100 V) auf einige Volt, was dazu führt, dass das Mess- und Steuerungssystem den Verlust der Hochspannungsleitungsspannung anzeigt. Daher sind Schaltungsblitzableiter nicht einsetzbar.

2. Lösungen und Hauptinhalte

Gängige Kernentladungselemente von SPDs auf dem Markt umfassen Entladungsröhre CDT, Zinkoxidvaristor MOV und Transienten-Spannungssuppressor TVD. TVD hat eine extrem schnelle Reaktionszeit (1 ns), gute Spannungsbeschränkung und geringen Reststrom (unter 1 μA); er brennt bei Beschädigung aus und trennt sich, ohne Kurzschluss zu verursachen. Sein Entladungsstrom ist jedoch niedrig (1 kA). Auch CDT, GAP und TVD weisen eine stärkere Hochspannungsstoßfestigkeit als MOV auf, indem sie 10 kV-Impulse ohne strukturelle Schäden überstehen.

Indem man die Vorteile dieser Elemente kombiniert und eine kombinierte Schaltung verwendet, wurde ein Produkt (MOV in Serie mit parallelem CDT und TVD) entworfen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Entladungsprinzip

Wenn Blitzzustromung am Punkt A eindringt, bleibt der MOV zunächst nicht leitend. Der Reststrom des MOV gleicht jedoch das Potential zwischen den Punkten A und B aus. In diesem Moment aktiviert sich der TVS innerhalb von 1 ns und schafft einen direkten Pfad zwischen den Punkten B und C. Folglich wird die gesamte Blitzspannung zwischen den Punkten A und B über den MOV angelegt. Da die Aktivierungsspannung Um des MOV nur 50% der Aktivierungsspannung Uc der kombinierten Schaltung beträgt, beschleunigt die hohe Spannung die Aktivierung des MOV, wodurch seine typische Reaktionszeit von 25 ns auf etwa 12,5 ns reduziert wird. Während dieser Zeit, während der Entladungsstrom noch aufbaut, zwingt der direkte Pfad von A nach B den Großteil der Blitzspannung zwischen den Punkten B und C (wo die maximale Stromkapazität des TVD ~1 kA beträgt).

Aus Designperspektive beträgt die Aktivierungsspannung des CDT 50% weniger als Uc. Darüber hinaus bewirkt der interne Widerstand RL des teilweise leitenden MOV einen Spannungsabfall, der die Spannung am Punkt B über die anfängliche Blitzspannung anhebt. Tests zeigen, dass dies die Aktivierungszeit des CDT von 100 ns auf 15 ns reduziert, sodass die gesamte Schaltung innerhalb von 25 ns vollständig leitend wird – was der Reaktionszeit eines einzelnen MOV entspricht.

Nach der Entladung eliminieren der vernachlässigbare Reststrom des TVD und die vollständige Trennung des CDT Reststromprobleme des MOV, wodurch potenzielle Gefahren vermieden werden. Für die Spannungsbeschränkungsleistung sorgt die präzise Aktivierung des TVD (wobei die Aktivierungsspannung gleich der Beschränkungsspannung ist) für eine niedrige Beschränkungsschwelle. Bei Um = 0.5Uc beträgt die Beschränkungsspannung des MOV innerhalb der Schaltung 1.5Uc, was zu einer Gesamtbeschränkungsspannung der kombinierten Schaltung von 2Uc führt – signifikant besser als das 3-fache Verhältnis von einzelnen MOV-Modulen.

Eine zusätzliche Überwachungsschaltung ist integriert, um Komponentenausfälle zu erkennen. Wenn innere Elemente degradieren, wechselt der Überwachungsknoten von offen auf geschlossen, was ein Fehlschlagen des SPD signalisiert. Tabelle 1 vergleicht die Leistung von einzelnen MOV-Modulen mit dem kombinierten Entladungsschaltungs-SPD unter identischen Bedingungen.

Dieser neue Typ von SPD hat zwar Reststrom, kann aber die Überspannung auf einem sehr niedrigen Niveau (unter 10 μA) kontrollieren. Darüber hinaus kann er die Reststromparameter unverändert halten und schnell trennen, wenn die Überspannung verschwindet. Es ist ein ideales Produkt, das für den Sekundärkreis von Spannungswandlern geeignet ist.

Der SPD verwendet eine kombinierte Entladungsschaltung, um das Einzelmodul des Zinkoxidvaristors zu ersetzen und bietet damit technische Maßnahmen zum Überspannungsschutz für den Sekundärkreis des Spannungswandlers. Er kann das Problem des erhöhten Reststroms nach mehrmaliger Belastung durch Blitze oder Betriebsüberspannungen vermeiden. Gleichzeitig tritt bei Durchbruch und Ausfall kein Kurzschlussphänomen auf. Falls der SPD Fehlerstellen wie Durchbruch und Kurzschluss aufweist, können die Betriebs- und Wartungspersonal durch den Alarmkontakt des SPD darauf hingewiesen werden, um das Auftreten von Schutzfehlern oder Nichtauslösung zu vermeiden.

3. Schlussfolgerung

Im tatsächlichen Gebrauch bleibt der Reststromwert des SPD, der die kombinierte Schaltung verwendet, vom Anfang bis zum Ausfall (nach Beschädigung wird er direkt getrennt) praktisch unverändert und kann unter 3 μA gehalten werden. Darüber hinaus kann der SPD bequem über die kombinierte Schaltung einen Fehlerüberwachungskontakt bereitstellen, was für Betriebs- und Wartungspersonal leicht überwachbar ist.

Durch die Verwendung der Überspannungsdämpfungstechnologie für den Sekundärkreis des kombinierten Spannungswandlers wird das Risiko von Fehlfunktionen oder Nichtauslösung des Schutzes, verursacht durch die Erdungsgefahr des SPD im Sekundärkreis des Spannungswandlers, vermieden. Es realisiert tatsächlich den Schutz gegen Blitze und Betriebsüberspannungen im Sekundärkreis des Spannungswandlers und gewährleistet die sichere Betrieb der sekundären Energieausrüstung in schweren Wetterbedingungen und Unfallsituationen.