Problemen en oplossingen voor secundaire circuits van spanningstransformatoren

Dit document analyseert de bovenstaande situatie grondig en somt technische maatregelen op om de problemen op te lossen.

1. Hoofdproblemen van SPD-producten in secundaire circuits van spanningsversterkers

Momenteel zijn er reststroomvrije SPD's (schakelaar-type bliksemafleiders) beschikbaar binnen en buiten het land. Hun belangrijkste interne ontladingsschakelingen gebruiken ontladingbuisjes/gaten, met een hoge ontladingsstroomcapaciteit (die de zinkoxide varistoren overtreft). Echter, ze hebben fatale tekortkomingen: slechte spanningbeperking, boogtrekkerspanning en lange reactietijd (tot 100 ns). Deze voorkomen dat de apparatuur in het secundaire circuit adequate bescherming krijgt. Bovendien laat de boogtrekkerspanning vaak de secundaire circuitspanning van de spanningsversterker (100 V) dalen tot enkele volt, waardoor het meet- en regelsysteem een verlies van hoogspanningslijnspanning aangeeft. Daarom zijn schakelaar-type bliksemafleiders onbruikbaar.

2. Oplossingen en hoofdinhoud

Gangbare kernontladelementen van SPD's op de markt omvatten ontladingbuis CDT, zinkoxide varistor MOV en tijdelijke spanningonderdrukker TVS. TVS heeft een ultra-snelle reactietijd (1 ns), goede spanningbeperking en een kleine reststroom (onder 1 μA); na schade brandt hij door en verbreekt zonder kortsluiting. Maar de ontladingsstroom is laag (1 kA). Ook CDT, GAP en TVS hebben een sterkere weerstand tegen hogespanningsimpulsen dan MOV, en kunnen 10 kV impulsen weerstaan zonder structurele schade.

Door de voordelen van deze elementen te combineren en een gecombineerde schakeling te gebruiken, wordt een product (MOV in serie met parallel CDT en TVS) ontworpen, zoals weergegeven in figuur 1.

Figuur 1: Ontladingsprincipe

Wanneer bliksemstroom op punt A binnendringt, blijft de MOV aanvankelijk niet geleidend. Echter, de reststroom van de MOV gelijkt het potentiaal tussen punten A en B. Op dat moment activeert de TVS binnen 1 ns, creërend een directe weg tussen punten B en C. Hierdoor wordt de volledige bliksemspanning toegepast over de MOV tussen punten A en B. Omdat de activeringsspanning Um van de MOV slechts 50% bedraagt van de activeringsspanning Uc van de gecombineerde schakeling, versnelt de hoge spanning de activering van de MOV, waardoor de typische reactietijd van 25 ns wordt teruggebracht tot ongeveer 12,5 ns. Tijdens deze periode, terwijl de ontladingsstroom nog steeds toeneemt, dwingt de directe weg van A naar B de meeste bliksemspanning tussen punten B en C (waar de maximale stroomcapaciteit van de TVD ~1 kA is).

Vanuit ontwerpogende is de activeringsspanning van de CDT 50% lager dan Uc. Bovendien veroorzaakt de interne weerstand RL van de gedeeltelijk geleidende MOV een spanningval die de spanning op punt B boven de initiële bliksemspanning brengt. Testen tonen aan dat dit de activeringstijd van de CDT van 100 ns terugbrengt tot 15 ns, waardoor het hele circuit binnen 25 ns volledig geleidend wordt - wat overeenkomt met de reactietijd van een losse MOV.

Na de ontlading elimineren de geringe reststroom van de TVD en de volledige afsluiting van de CDT de reststroomproblemen van de MOV, waardoor potentiële gevaren worden voorkomen. Voor de spanningbeperkingsprestaties zorgt de nauwkeurige activering van de TVD (waarbij de activeringsspanning gelijk is aan de beperkingsspanning) voor een lage beperkingsdrempel. Gezien Um = 0.5Uc, is de beperkingsspanning van de MOV in het circuit 1.5Uc, resulterend in een totale gecombineerde circuitspanning van 2Uc - significant beter dan de 3× ratio van losse MOV-modules.

Een extra monitoringcircuit is geïntegreerd om componentenfouten te detecteren. Wanneer interne elementen afkalven, gaat het monitoringknelpunt van open naar gesloten, wat een SPD-fout signaleert. Tabel 1 vergelijkt de prestaties van losse MOV-modules versus de gecombineerde ontladingscircuits SPD onder identieke omstandigheden.

Deze nieuwe type SPD heeft reststroom, maar kan de overspanning op een zeer laag niveau beheren (onder 10 μA). Bovendien kan het de reststroomparameters onveranderd houden en snel uitschakelen nadat de overspanning verdwenen is. Het is een ideaal product dat geschikt is voor het secundaire circuit van spanningsversterkers.

De SPD gebruikt een gecombineerde ontladingscircuit om de enkele zinkoxide varistor module te vervangen, biedt technische maatregelen voor overspanningsbescherming voor het secundaire circuit van de spanningsversterker. Het kan het probleem van toenemende ouderdomsreststroom vermijden na meervoudige impact door bliksem of werkingsoverspanning. Bovendien zal er geen kortsluiting optreden bij doorbraak en storing. Als de SPD fouten heeft zoals doorbraak en kortsluiting, kunnen de operatie- en onderhoudspersoneel via het alarmcontactpunt van de SPD worden gewaarschuwd, waardoor beschermingsfouten of -niet-operaties worden voorkomen.

3. Conclusie

In de praktijk heeft de SPD met gecombineerde schakeling de reststroomwaarde vanaf het begin tot storing (na schade wordt het direct afgesloten) bijna onveranderd, en kan het onder de 3 μA worden gehouden. Bovendien kan de SPD gemakkelijk een storingmonitoringcontactpunt bieden via de gecombineerde schakeling, wat gemakkelijk te monitoren is voor operatie- en onderhoudspersoneel.

Door de overspanningsonderdrukkende technologie voor het secundaire circuit van de gecombineerde spanningsversterker te gebruiken, wordt het risico van veiligheidsfouten of -niet-operaties vanwege de aarding van de SPD in het secundaire circuit van de spanningsversterker vermeden. Het realiseert werkelijk de bescherming tegen bliksem en werkingsoverspanning in het secundaire circuit van de spanningsversterker, waardoor de veilige werking van de elektriciteitssecundaire apparatuur in extreme weersomstandigheden en ongelukken wordt gewaarborgd.