ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΑΠΟ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ

Transcript

1 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΑΠΟ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ Α. Κουλαξουζίδης Raycap Corporation Συστήματα Ηλεκτρικής Προστασίας Τμήμα Έρευνας και Ανάπτυξης Μαρούσι Τηλ , Fax Περίληψη Η συνηθέστερη αιτία προβλημάτων στην λειτουργία του ηλεκτρονικού εξοπλισμού είναι οι κρουστικές υπερτάσεις που διαδίδονται μέσω των καλωδίων παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, όπως είναι τα συστήματα ρύθμισης στροφών ηλεκτροκινητήρων (Variable Speed Drives,VSDs), οι μονάδες ελέγχου και επιτήρησης της γραμμής παραγωγής, συστήματα ηλεκτρικών μετρήσεων, συστήματα αυτομάτου ελέγχου τα οποία χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά ισχύος, τροφοδοτικά αδιάλειπτου παροχής (UPS), καθώς και πλήθος άλλων βιομηχανικών συστημάτων, είναι ευαίσθητα σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και καταστρέφονται από τις κρουστικές υπερτάσεις. Κρουστικές υπερτάσεις δημιουργούνται στο δίκτυο εξαιτίας του φαινομένου της επαγωγής κατά τη διάρκεια των κεραυνοπτώσεων, καθώς επίσης και από προβλήματα του δικτύου ηλεκτρικής παροχής. Οι βλάβες που προκαλούνται στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό και οφείλονται στις κρουστικές υπερτάσεις του δικτύου, έχουν σαν αποτέλεσμα την σημαντική απώλεια εσόδων για την βιομηχανία. Προκειμένου να προστατευθεί ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός από υπερτάσεις, απαιτείται η εγκατάσταση ειδικών συστημάτων απαγωγής κρουστικών υπερτάσεων (Surge Suppression Device, SPD) στην παροχή ηλεκτρικής τροφοδοσίας τους. Αυτά τα συστήματα διοχετεύουν τα κρουστικά ρεύματα προς τη γη, εμποδίζοντάς τα να εισβάλουν στον εξοπλισμό και να τον καταστρέψουν. Στην παρούσα δημοσίευση θα γίνει αναφορά στα αίτια που δημιουργούν τις κρουστικές υπερτάσεις. Εκτεταμένη αναφορά γίνεται στα διεθνή πρότυπα που καθορίζουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά, την απόδοση, καθώς και τις απαιτήσεις ασφάλειας που πρέπει να πληρούνται από τις διατάξεις SPD. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στα διεθνή πρότυπα καθώς και στο πρότυπο ασφάλειας του αμερικανικού οργανισμού Underwriter Laboratories (UL nd ed.) στο οποίο προστέθηκαν αυστηρότεροι έλεγχοι της ασφάλειας των διατάξεων προστασίας οι οποίοι θα ισχύσουν σε ένα χρόνο περίπου, καθιστώντας ακατάλληλες πολλές από τις διατάξεις προστασίας που χρησιμοποιούνται σήμερα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σήμερα για την προστασία του βιομηχανικού εξοπλισμού από υπερτάσεις, οι οποίες στηρίζονται κυρίως στην τεχνολογία των παράλληλων βαρίστορ. Οι τεχνολογίες αυτές εμφανίζουν σοβαρά προβλήματα όσο αφορά το επίπεδο προστασίας που προσφέρουν αλλά και την ασφάλεια που παρέχουν στον εξοπλισμό που προστατεύουν και στους χειριστές του. Τέλος, παρουσιάζονται οι νέες ελπιδοφόρες τεχνολογίες αντικεραυνικής προστασίας που διατίθενται σήμερα, οι οποίες ακολουθούν τα πρόσφατα διεθνή πρότυπα και εξαλείφουν τα προβλήματα που παρουσιάζουν οι συμβατικού τύπου τεχνολογίες. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι κρουστικές υπερτάσεις που εμφανίζονται στους αγωγούς τροφοδοσίας είναι παλμοί μεγάλου πλάτος και διάρκειας μερικών μs. Η κρουστική υπέρταση συχνά υπερβαίνει την τάση διάσπασης του διηλεκτρικού που χρησιμοποιείται για την μόνωση του ηλεκτρονικού εξοπλισμού, προκαλώντας έτσι βαθμιαία εξασθένηση της μόνωσης και τελικά την καταστροφή του εξοπλισμού. Επαναλαμβανόμενες κρουστικές υπερτάσεις, προκαλούν ελάττωση του αναμενόμενου χρόνου ζωής του εξοπλισμού (Mean Time Before Failure, MTBF). Αποτέλεσμα αυτού είναι να απαιτείται συχνή συντήρηση του εξοπλισμού αυξάνοντας έτσι το κόστος λειτουργίας. Κάθε ηλεκτρική ή ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία εκτίθεται σε κρουστικές υπερτάσεις οι οποίες προέρχονται είτε από το δίκτυο της ΔΕΗ είτε από τη λειτουργία γειτονικού εξοπλισμού εντός του εργοστασίου. Προκειμένου να προστατευθεί ο εξοπλισμός από τις υπερτάσεις αυτές χρησιμοποιούνται οι διατάξεις προστασίας από κρουστικές υπερτάσεις (SPD). Οι διατάξεις αυτές τοποθετούνται είτε στον κεντρικό πίνακα ηλεκτρικής παροχής, είτε στους υποπίνακες που τροφοδοτούν τον εξοπλισμό. Οι διατάξεις SPD που διατίθενται στο εμπόριο ποικίλουν όσο αφορά την τεχνολογία, τον τρόπο διασύνδεσής τους, την αντοχή τους σε αλλεπάλληλα κρουστικά πλήγματα καθώς και στο επίπεδο προστασίας που προσφέρουν. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής των διατάξεων SPD στη βιομηχανία έχουν δείξει σοβαρά προβλήματα όσο αφορά την ασφάλεια που παρέχουν σε εξοπλισμό και προσωπικό

2 Οι κρουστικές υπερτάσεις του δικτύου ηλεκτρικής παροχής προκαλούν άμεση καταστροφή, βαθμιαία καταπόνηση ή δυσλειτουργία των ηλεκτρονικών συστημάτων. Η ανάπτυξη επομένως μιας αποτελεσματικής διάταξης SPD είναι πολύ σημαντική για τους κατασκευαστές και για τους χρήστες βιομηχανικού αυτοματισμού. Το αντικείμενο των κρουστικών υπερτάσεων μελετάται από το 1960 [1], όμως λόγω της εκτεταμένης χρήσης των ημιαγωγών και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στα σύγχρονα βιομηχανικά συστήματα, το ενδιαφέρον για την προστασία από τις υπερτάσεις έχει ενταθεί. Η τεχνολογία των ημιαγωγών χρησιμοποιείται ευρύτατα σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές. Τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου, SCADA, συστήματα ελέγχου στροφών ηλεκτροκινητήρων, συστήματα μετρήσεων είναι μερικές από τις εφαρμογές ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (ηλεκτρονικοί διακόπτες, PLC, μικροελεγκτές, μνήμες κλπ) οι οποίες αντικατέστησαν τα παλαιότερα ηλεκτρομηχανικά συστήματα. Η χρήση της σύγχρονης τεχνολογίας των ηλεκτρονικών, παρόλο που επέφερε αύξηση της παραγωγής και καλύτερο έλεγχο της λειτουργίας των βιομηχανικών μονάδων, αύξησε τη συχνότητα των βλαβών από υπερτάσεις λόγω της υψηλής ευαισθησίας των ηλεκτρονικών. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους συντήρησης και την απώλεια εσόδων από την διακοπή της λειτουργίας των μονάδων παραγωγής. Η πλειοψηφία των κατασκευαστών SPD βασίζονται στην τεχνολογία του βαρίστορ (Metal Oxide Varistor, MOV). To βαρίστορ αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του ψευδαργύρου. Όταν στο υλικό αυτό εφαρμόζεται χαμηλή τάση, το υλικό παρουσιάζει μεγάλη ωμική αντίσταση, επιτρέποντας τη διέλευση ρεύματος πολύ χαμηλής έντασης (μικροαμπέρ). Καθώς η τάση αυξάνεται, το βαρίστορ άγει περισσότερο μέχρι η τάση να υπερβεί το κατώφλι αγωγιμότητας (breakdown voltage) πάνω από το οποίο το ρεύμα αυξάνεται ραγδαία, λόγω της ραγδαίας αύξησης της αγωγιμότητας του υλικού. Η αύξηση της αγωγιμότητας του βαρίστορ πάνω από ένα κατώφλι τάσης το οποίο καθορίζεται από τα χαρακτηριστικά και το μέγεθος του βαρίστορ, οδηγεί σε περιορισμό της τάσης στα άκρα του. Με αυτό τον τρόπο, όταν το βαρίστορ συνδέεται μεταξύ των αγωγών τροφοδοσίας και του αγωγού γείωσης, η κρουστική υπέρταση ψαλιδίζεται σε επίπεδο που δεν προκαλεί φθορά στον εξοπλισμό που ακολουθεί. Στα σχήματα 1 και 2 δίνεται η κυματομορφή της τάσης χωρίς τη χρήση SPD και μετά τη χρήση του, αντίστοιχα. Η παρούσα μελέτη περιγράφει τα αποτελέσματα των κρουστικών υπερτάσεων στα βιομηχανικά ηλεκτρονικά ισχύος. Παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των διατάξεων SPD που χρησιμοποιούνται σήμερα, καθώς και στα προβλήματα και μειονεκτήματα που εμφανίζουν. Παρουσιάζονται επίσης τα διεθνή πρότυπα που ισχύουν για τα SPD. Παρατίθενται επίσης μερικά χαρακτηριστικά παραδείγματα αστοχίας διατάξεων προστασίας με επακόλουθη καταστροφή του βιομηχανικού εξοπλισμού. Τέλος, γίνεται αναφορά στη νέα τεχνολογία SPD και τα σημαντικά πλεονεκτήματά της για την προστασία του βιομηχανικού εξοπλισμού και γενικότερα των ηλεκτρονικών ισχύος. Σχήμα 1. Η κυματομορφή της τάσης χωρίς τη χρήση SPD. Σχήμα 2. Η κυματομορφή της τάσης μετά τη χρήση SPD

3 2. ΑΙΤΙΕΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΚΡΟΥΣΤΙΚΩΝ ΥΠΕΡΤΑΣΕΩΝ Οι κρουστικές υπερτάσεις δημιουργούνται στους αγωγούς τροφοδοσίας από την απότομη μεταβολή της ηλεκτρικής κατάστασης του κυκλώματος η οποία προκαλεί την έκλυση μεγάλου ποσού ενέργειας το οποίο βρίσκεται αποθηκευμένο στα επαγωγικά και χωρητικά στοιχεία του δικτύου τροφοδοσίας. Τα αίτια των υπερτάσεων μπορεί να οφείλονται σε παράγοντες έξω από την ηλεκτρική εγκατάσταση μιας μονάδας, όπως: - Κεραυνοί - Σύνδεση / αποσύνδεση πυκνωτών για τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος - Διακοπή / επανασύνδεση ηλεκτρικής τροφοδοσίας - Σύνδεση / αποσύνδεση μετασχηματιστών διανομής - Γενικά χαμηλή ποιότητα του δικτύου ηλεκτρικής διανομής Υπερτάσεις όμως δημιουργούνται και στο εσωτερικό της ηλεκτρικής εγκατάστασης από: - Τη λειτουργία ασφαλειών και αυτόματων διακοπτών (circuit breakers) - Τις ηλεκτρικές μηχανές ισχύος, π.χ. ανελκυστήρες - Τα κλιματιστικά μηχανήματα - Τα συστήματα ρύθμισης στροφών κινητήρων (Variable Speed Drives, VSD) 3. ΔΙΕΘΝΗ ΠΡΟΤΥΠΑ Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται περιληπτικά τα διεθνή πρότυπα που ορίζουν τη λειτουργία και την ασφάλεια των διατάξεων SPD. Οι κύριοι τομείς που καλύπτονται από τα πρότυπα είναι: - Η τοποθεσία των SPD μέσα στην ηλεκτρική εγκατάσταση - Ο καθορισμός των κυματομορφών τάσης και έντασης για τη δοκιμή των SPD - Η περιγραφή των διατάξεων δοκιμών των SPD - Ο έλεγχος ασφαλούς λειτουργίας Κάθε διάταξη SPD πρέπει να είναι πιστοποιημένη σύμφωνα με τα πρότυπα που αναφέρονται στη συνέχεια: IEEE C Το πρότυπο αυτό περιγράφει τα γενικά χαρακτηριστικά των υπερτάσεων που εμφανίζονται στα κυκλώματα χαμηλής τάσης. Σύμφωνα με το πρότυπο, οι υπερτάσεις αυτές δεν ξεπερνούν σε διάρκεια την ημιπερίοδο της τάσης του δικτύου [2]. Μπορεί να εμφανίζονται περιοδικά ή τυχαία μεταξύ των αγωγών φάσεων και ουδετέρου μεταξύ τους, ή μεταξύ των αγωγών αυτών και της γείωσης. Η διάρκεια και το μέγιστο πλάτος μπορεί να είναι αρκετά για να καταστρέψουν τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό, όπως περιγράφεται στο διάγραμμα του σχήματος 3. IEEE C Στο πρότυπο αυτό ορίζονται οι κατηγορίες τοποθέτησης (location categories) των διατάξεων SPD. Στην κατηγορία Α περιλαμβάνονται οι διατάξεις που προορίζονται για χρήση στο εσωτερικό μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης, μακριά από τον κύριο πίνακα ηλεκτρικής διανομής [3]. Στην κατηγορία C ανήκουν οι διατάξεις που τοποθετούνται έξω από την εγκατάσταση, μεταξύ δηλαδή του πίνακα διανομής και του μετασχηματιστή χαμηλής/μέσης τάσης της ΔΕΗ, ενώ στην κατηγορία B περιλαμβάνονται οι ενδιάμεσες θέσεις μεταξύ των κατηγοριών A και C. Σχήμα 3. Σχέση μεταξύ του πλάτος υπέρτασης, της χρονικής διάρκειάς της, και του αποτελέσματος στον εξοπλισμό

4 Στο πρότυπο αυτό καθορίζονται επίσης οι κυματομορφές κρουστικής τάσης και ρεύματος οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της απόδοσης των SPD. Αυτές είναι: - Combination wave. Παράγεται από γεννήτρια κρουστικών υπερτάσεων η οποία παράγει παλμό τάσης ανοικτού κυκλώματος 1.2/50μs και ρεύμα βραχυκυκλώματος 8/20μs. Οι δύο αυτές κυματομορφές δίνονται στα σχήματα 4 και 5 αντίστοιχα kHz ring wave. Χρησιμοποιείται για την προσομοίωση φαινομένων συντονισμού που οφείλονται σε κυρίως σε κεραυνικά πλήγματα. - 10/1000μs long wave. Ο μεγάλης διάρκειας παλμός αυτός, ο οποίος έχει χρόνο ανόδου 10μs και διάρκεια 1000μs χρησιμοποιείται για την εξάλειψη της αυτεπαγωγής των γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. IEEE C Στο πρότυπο αυτό περιγράφεται λεπτομερώς η διαδικασία δοκιμών των διατάξεων SPD καθώς και της διαδικασίας ρύθμισης και ελέγχου του εργαστηριακού εξοπλισμού με τον οποίο γίνονται οι δοκιμές. [4] ΝΕΜΑ-LS1. Το διεθνές αυτό πρότυπο ορίζει τον τρόπο με τον οποίο μετράται η μέγιστη τιμή κρουστικού ρεύματος που μπορεί να δεχθεί χωρίς να καταστραφεί μια διάταξη SPD και αποτελεί εργαλείο σύγκρισης διαφορετικών διατάξεων SPD.[7] IEC To πρότυπο αυτό αναφέρεται σε διατάξεις SPD χαμηλής τάσης οι οποίες εκτίθενται σε άμεσα ή έμμεσα κεραυνικά πλήγματα καθώς και σε κάθε είδους κρουστικές υπερτάσεις. Περιγράφει τα χαρακτηριστικά των SPD και τον τρόπο με τον οποίο πρέπει να δοκιμάζονται. Περιγράφει επίσης τα χαρακτηριστικά του εργαστηριακού εξοπλισμού που απαιτείται για τις δοκιμές των SPD. Στο πρότυπο αυτό ορίζονται οι 3 κλάσεις των SPD [5]: - Κλάση Ι: SPD τα οποία ανταπεξέρχονται σε άμεσα κεραυνικά πλήγματα. Η δοκιμή των διατάξεων αυτών γίνεται με παλμό 10/350μs. - Κλάση ΙΙ και κλάση ΙΙΙ: Διατάξεις SPD οι οποίες εκτίθενται σε έμμεσο κεραυνικό πλήγμα και δοκιμάζονται με κρουστικούς παλμούς 1.2/50 8/20 μs combination wave, όπως αυτός περιγράφεται στο πρότυπο IEEE C που προαναφέρθηκε. Διατάξεις οι οποίες δοκιμάζονται επιτυχώς με παλμό τάσης μέχρι 20kV και έντασης μέχρι 10kA χαρακτηρίζονται ως κλάση ΙΙΙ, ενώ όσες διατάξεις δοκιμάζονται σε μεγαλύτερη τάση και ένταση χαρακτηρίζονται ως κλάση ΙΙ. Όλα τα πρότυπα που προαναφέρθηκαν ισχύουν παγκοσμίως. Παρόλα αυτά, τα πρότυπα ΙΕΕΕ κυριαρχούν στην Βόρεια Αμερική, ενώ τα πρότυπα IEC στην Ευρώπη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στις δύο αυτές γεογραφικές περιοχές χρησιμοποιούνται διαφορετικές τεχνολογίες SPD. Στην Ευρώπη έχουν επικρατήσει οι συσκευές τύπου crowbar ή voltage switching, οι οποίες στηρίζονται στη χρήση σπινθηριστών (spark gap, gas tube). Στην Αμερική από την άλλη πλευρά χρησιμοποιούνται οι διατάξεις τύπου voltage limiting ή clamping type (βαρίστορ, δίοδοι, θυρίστορ) προκειμένου να προστατευτεί ο ευαίσθητος εξοπλισμός. Ο λόγος για τον οποίο έχει απαγορευθεί η χρήση των συσκευών τύπου σπινθηριστών στην Αμερική για την προστασία ηλεκτρονικών διατάξεων χαμηλής τάσης είναι οι βλάβες που έχει αποδειχθεί ότι προκαλούν κυρίως λόγω ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών στον ευαίσθητο ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Σχήμα 4. Combination wave κυματομορφή τάση ανοικτού κυκλώματος

5 Σχήμα 5. Combination wave κυματομορφή ρεύματος βραχυκυκλώματος. Κατά τη διάρκεια μιας υπέρτασης, η διάταξη SPD διαρρέεται από κρουστικό ρεύμα μεγάλης έντασης, το οποίο συχνά υπερβαίνει δεκάδες ή εκατοντάδες ka, προκειμένου να καταλήξει στη γη. Παρά το γεγονός ότι στην αγώγημη κατάστασή του το SPD παρουσιάζει αρκετά χαμηλή ωμική αντίσταση, εντούτοις λόγω του πολύ υψηλού ρεύματος εκλύεται μεγάλο ποσό θερμότητας στο εσωτερικό του SPD. Η θερμότητα αυτή είναι ικανή να καταστρέψει τη διάταξη SPD. Έχουν αναφερθεί πολλά παραδείγματα καταστροφικής αστοχίας των διατάξεων SPD, η οποία συνοδεύεται από καταστροφή παρακείμενου εξοπλισμού, αλλά και από τραυματισμούς προσωπικού. Μερικά παραδείγματα καταστροφικής αστοχίας των SPD θα δοθούν στη συνέχεια. Καταστροφική αστοχία των SPD μπορεί να προέλθει επίσης από σφάλματα του δικτύου ηλεκτρικής παροχής τα οποία οδηγούν σε παρατεταμένες υπερτάσεις. Για την εξακρίβωση της καταλληλότητας και της ασφάλειας που παρέχουν σε εξοπλισμό και προσωπικό οι διατάξεις SPD, ο οργανισμός ασφάλειας της Αμερικής Underwriters Laboratories, UL, έχει θεσπίσει ειδικό πρότυπο για τα SPD. Το πρότυπο αυτό είναι το UL nd Edition [6]. Το πρότυπο αυτό περιγράφει τις μηχανικές και ηλεκτρικές δοκιμές που πρέπει να υποβληθεί με επιτυχία κάθε διάταξη SPD προκειμένου να μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια. Μία από τις βασικές δοκιμές που υποβάλλεται κάθε SPD είναι ο έλεγχος αντοχής της σε παρατεταμένη υπέρταση περιορισμένου ρεύματος (limited current abnormal overvoltage test). Με την δοκιμή αυτή ελέγχεται ο τρόπος με τον οποίο αποτυγχάνει η διάταξη (failure mode). Σύμφωνα με τη δοκιμή αυτή, στο SPD εφαρμόζεται υπέρταση η οποία ρυθμίζεται έτσι ώστε το ρεύμα που διαρρέει τη διάταξη να παραμένει σταθερό. Η δοκιμή απαιτεί ότι η διάταξη SPD αντέχει τη θερμότητα που αναπτύσσεται στο εσωτερικό της για χρονικό διάστημα 7 ωρών χωρίς να εμφανίσει σημάδια καταστροφής, όπως υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας, έκλυση καπνού, ανάφλεξη, ή παραμόρφωση του εξωτερικού περιβλήματος. Η πλειοψηφία των διατάξεων SPD που είναι διαθέσιμες σήμερα βασίζονται στη χρήση εσωτερικού μηχανισμού θερμικής διακοπής ο οποίος διακόπτει το SPD από την τροφοδοσία προτού η διάταξη καταστραφεί βίαια. Πρόσφατα, στο πρότυπο UL nd edition προστέθηκαν νέες, αυστηρότερες δοκιμές οι οποίες απαιτούν την αντοχή των διατάξεων προστασίας όταν αυτές διαρρέονται από ρεύμα μέχρι 1000Α rms για 7 ώρες, χωρίς να καταστρέφονται. Οι νέες αυτές δοκιμές, οι οποίες θα τεθούν σε ισχύ από τον Φεβρουάριο του 2007, πιθανόν να καταστήσουν ακατάλληλες πολλές από τις συμβατικές διατάξεις προστασίας που προορίζονται για βιομηχανική χρήση. 4. ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ SPD Οι διατάξεις SPD χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με τα στοιχεία προστασίας που χρησιμοποιούν: Discharge Tube (GDT), Silicone Avalanche Diode (SAD) και Metal Oxide Varistor (MOV). Τα στοιχεία αυτά διαφέρουν σημαντικά όσο αφορά τον τρόπο λειτουργίας τους, την απόδοσή τους και την ικανότητά τους να απορροφούν την θερμική ενέργεια που παράγεται κατά την διάρκεια των κρουστικών υπερτάσεων. Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται περιληπτικά τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του κάθε τύπου προστασίας με ιδιαίτερη έμφαση στην εφαρμογή τους στις διατάξεις SPD χαμηλής τάσης. Τα στοιχεία GDT περιλαμβάνουν δυο μεταλλικά ηλεκτρόδια τοποθετημένα μέσα σε κεραμικό σωλήνα ο οποίος περιέχει αέριο ή μείγμα αερίων. Έχουν στιβαρή κατασκευή, χαμηλό κόστος και έχουν υψηλή αντοχή σε κεραυνικά ρεύματα μεγάλης έντασης. Παρουσιάζουν, όμως, τρία βασικά μειονεκτήματα τα οποία καθιστούν τα στοιχεία αυτά ακατάλληλα για την προστασία κρίσιμου και ευαίσθητου ηλεκτρονικού εξοπλισμού: 1. Αργή απόκριση στα κρουστικά ρεύματα. Η τάση ενεργοποίησής τους εξαρτάται από το ρυθμό ανόδου της υπέρτασης με αποτέλεσμα σε πολλές περιπτώσεις η τάση στα άκρα του, πριν την ενεργοποίηση του GDT, να - 5 -

6 υπερβαίνει την τάση αντοχής του εξοπλισμού που προστατεύουν προκαλώντας κατά συνέπεια την καταστροφή του. 2. Σε μερικές περιπτώσεις η κατάσταση αγωγιμότητας διατηρείται για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα μετά την έλευση του κρουστικού παλμού (follow current). Το φαινόμενο αυτό προκαλεί παροδική διακοπή της τροφοδοσίας του εξοπλισμού με αποτέλεσμα την δυσλειτουργία ή την διακοπή λειτουργίας του εξοπλισμού με όλα τα αρνητικά αποτελέσματα που μια τέτοια κατάσταση επιφέρει στις σύγχρονες βιομηχανικές μονάδες. 3. Η ηλεκτρική εκκένωση που δημιουργείται μεταξύ των ηλεκτροδίων στο εσωτερικό του GDT είναι ένα βίαιο φαινόμενο το οποίο παράγει ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές στον παρακείμενο εξοπλισμό, προκαλώντας δυσλειτουργία του. Τα στοιχεία SAD είναι ημιαγωγικές διατάξεις οι οποίες έχουν ιδιαίτερα γρήγορα απόκριση στα κρουστικά ρεύματα, εμφανίζουν σχετικά χαμηλή παραμένουσα τάση, όμως χαρακτηρίζονται από χαμηλή αντοχή σε ρεύματα μεγάλης έντασης. Η προσπάθεια λύσης του προβλήματος αυτού με την παραλληλία πολλών στοιχείων SAD για την αύξηση του μέγιστου ρεύματος που μπορούν να δεχθούν έχει αποδειχθεί στην πράξη αναποτελεσματική λόγω της αδυναμίας ισοκατανομής του ρεύματος στα παράλληλα στοιχεία SAD. Τα στοιχεία βαρίστορ MOV εμφανίζουν εξαιρετική αντοχή σε ρεύματα μεγάλης έντασης, έχουν γρήγορη απόκριση και παρουσιάζουν χαμηλή τιμή παραμένουσας τάσης. Για τους λόγους αυτούς τα βαρίστορ έχουν κυριαρχήσει και θεωρούνται ως η ποιο αποτελεσματική τεχνολογία για την προστασία του βιομηχανικού ηλεκτρονικού εξοπλισμού από τις υπερτάσεις. Υπάρχουν δύο τύποι διατάξεων SPD που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία και βασίζονται στη χρήση MOV: οι διατάξεις που χρησιμοποιούν παράλληλα συνδεδεμένα βαρίστορ και οι διατάξεις που χρησιμοποιούν ένα μόνο βαρίστορ. Τα SPD παράλληλων MOV χρησιμοποιούν κοινά στοιχεία βαρίστορ που διατίθενται στο εμπόριο κυρίως για την τοπική προστασία ηλεκτρονικών πλακετών (PCB) από υπερτάσεις, τα οποία δεν έχουν επαρκή αντοχή για την προστασία από κρουστικά ρεύματα μεγάλης έντασης. Τα στοιχεία αυτά έχουν μικρή διάμετρο, συνήθως μικρότερη από 20mm και περιβάλλονται από ρητίνη για την στεγανοποίηση από την υγρασία, η οποία ρητίνη περιορίζει την απόδοση του βαρίστορ και μειώνει τη διάρκεια ζωής του. Για να αυξήσουν την μέγιστη αντοχή σε κρουστικά ρεύματα, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν παράλληλα συνδεδεμένα βαρίστορ. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται από την συντριπτική πλειοψηφία των κατασκευαστών SPD. Οι διαφορές των διατάξεων παραλλήλων MOV από διαφορετικούς κατασκευαστές είναι το μέγεθος και ο αριθμός των παράλληλων βαρίστορ. Η εφαρμογή των SPD παραλλήλων MOV στην βιομηχανία έχει αναδείξει τα σοβαρά προβλήματα των διατάξεων αυτών όσο αφορά τόσο το επίπεδο προστασίας που προσφέρουν, όσο και την ασφάλεια που παρέχουν στον εξοπλισμό. Ο δεύτερος τύπος SPD τεχνολογίας βαρίσορ χρησιμοποιεί ένα μόνο MOV (single-mov) μεγάλης διαμέτρου (μέχρι και 80mm) και κατασκευασμένο από υλικό υψηλων προδιαγραφών, ειδικό για να αντέχει μεγάλα και επαναλαμβανόμενα κρουστικά πλήγματα τα οποία συχνά εμφανίζονται στην τροφοδοσία των βιομηχανικών εγκαταστάσεων. Η επικάλυψη με ρητίνη αντικαταστάθηκε με ένα στιβαρό περίβλημα αλουμινίου το οποίο λειτουργεί ταυτόχρονα ως ψύκτρα για το βαρίστορ. Η τεχνολογία SPD single-mov περιγράφεται εκτενώς στην ενότητα ΤΡΟΠΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΩΝ SPD Οι διατάξεις SPD συνδέονται μεταξύ των αγωγών φάσεων, του ουδετέρου και της γης σύμφωνα με τους παρακάτω τρόπους: - Προστασία Φάσης-Ουδετέρου (Line to Neutral, L-N): Όταν ένα στοιχείο SPD τοποθετείται μεταξύ του αγωγού τροφοδοσίας και του ουδετέρου αγωγού, προστατεύει από υπερτάσεις που οφείλονται κυρίως σε σφάλματα του δικτύου ηλεκτρικής παροχής. - Προστασία Φάσης Γης (Line to Ground, L-G): Προστασία από κεραυνικά και κρουστικά ρεύματα μεταξύ των φάσεων και της γης. - Προστασία Ουδετέρου-Γης (Neutral to Ground, N-G): Προστασία από κεραυνικά και κρουστικά ρεύματα μεταξύ του ουδετέρου και της γης. Στη γενική περίπτωση μιας τριφασικής παροχής, απαιτούνται 7 στοιχεία προστασίας: 3 στοιχεία μεταξύ φάσεων και γης, 1 στοιχείο μεταξύ ουδετέρου και γης και 3 στοιχεία μεταξύ φάσεων και ουδετέρου

7 6. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΠΑΡΑΛΛΗΛΩΝ MOV A. Ελλιπής σχεδίαση και εσφαλμένες υποθέσεις κατά τη σχεδίαση Αποτελεί κοινή υπόθεση σχεδίασης διατάξεων SPD να χρησιμοποιούνται πολλά στοιχεία προστασίας συνδεδεμένα παράλληλα προκειμένου να αυξηθεί η μέγιστη κρουστική ικανότητα των διατάξεων SPD. Το κρουστικό ρεύμα θεωρείται ότι μοιράζεται ισόποσα μεταξύ των παράλληλα συνδεδεμένων βαρίστορ. Θεωρείται επίσης ότι η μέγιστη ένταση του κρουστικού ρεύματος που μπορεί να δεχθεί η διάταξη είναι ίση με το γινόμενο του αριθμού των παράλληλων MOV επί τη μέγιστη ένταση του κάθε MOV. Οι δύο αυτές υποθέσεις είναι εσφαλμένες. Τα βαρίστορ εμφανίζουν διαφορές όσο αφορά τα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά, με αποτέλεσμα το ρεύμα που διαρρέει κάθε ένα από τα παράλληλα βαρίστορ να είναι διαφορετικό. Το βαρίστορ το οποίο δέχεται το μεγαλύτερο ρεύμα είναι αυτό που θα καταστραφεί γρηγορότερα, ακολουθεί στη συνέχεια το βαρίστορ με το αμέσως μικρότερο ρεύμα κ.ο.κ. Επομένως, η μέγιστη κρουστική ικανότητα της διάταξης ελαττώνεται σταδιακά μέχρι την οριστική καταστροφή της διάταξης. Ένα τυπικό παράδειγμα διάταξης SPD παράλληλων βαρίστορ δίνεται στο σχήμα 6. Στο σχήμα 7 εικονίζεται μια κατεστραμμένη διάταξη παράλληλων MOV. Η φωτογραφία αυτή ελήφθη από πραγματική εγκατάσταση. B. Χρήση ασφαλειών Οι ασφάλειες που χρησιμοποιούνται για την προστασία των συμβατικών SPD παράλληλων MOV από καταστροφική αστοχία παρουσιάζουν συχνά προβλήματα αξιοπιστίας και γήρανσης με την πάροδο του χρόνου, καθώς και από τη μηχανική καταπόνηση λόγω της έκθεσής τους σε πολλαπλά κρουστικά πλήγματα [8]. Είναι προφανές ότι, ακόμα και στη περίπτωση που η ασφάλεια λειτουργήσει ικανοποιητικά προστατεύοντας τη διάταξη SPD από καταστροφική αστοχία, το αποτέλεσμα είναι ότι ο βιομηχανικός εξοπλισμός παραμένει απροστάτευτος από τις κρουστικές υπερτάσεις που ακολουθούν. C. Έκλυση καπνού και φωτιάς Στη φωτογραφία του σχήματος 8 εικονίζεται μια διάταξη παραλλήλων MOV στην οποία ένα από τα στοιχεία προστασίας ανεφλέγη. Η διάταξη αυτή προστατεύεται από ασφάλειες ταχείας τήξης 30Α. Οι ασφάλειες αυτές έμειναν ανέπαφες, εξακολουθώντας να τροφοδοτούν την κατεστραμμένη συσκευή. Η μελέτη της διάταξης αυτής έδειξε ότι η αστοχία οφείλεται σε γήρανση των MOV λόγω έκθεσης σε μεγάλο αριθμό κρουστικών ρευμάτων. Η ασφάλεια των 30Α δεν ήταν δυνατή να εμποδίσει το αυξημένο ρεύμα διαρροής μέσα από τα βαρίστορ, το οποίο όμως στάθηκε ικανό να καταστρέψει τη διάταξη χωρίς να μπορεί να προστατευτεί από την ασφάλεια των 30Α. Σχήμα 6. Συμβατική διάταξη προστασίας που χρησιμοποιεί παράλληλα MOV

8 Σχήμα 7. Καταστροφική αστοχία διάταξης SPD που χρησιμοποιεί παράλληλα MOV. Σχήμα 8. Καταστροφική αστοχία διάταξης SPD που χρησιμοποιεί παράλληλα MOV. Ανάφλεξη στο εσωτερικό της. 7. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ SPD ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΤΡΟΦΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ A. Προβλήματα με τη χρήση συμβατικής τεχνολογίας SPD βασισμένης στα παράλληλα MOV Στην ενότητα αυτή αναφέρουμε τα συμπεράσματα από την μελέτη προστασίας από κρουστικές υπερτάσεις των συστημάτων ελέγχου στροφών των ηλεκτροκινητήρων (Variable Speed Drive, VSD). Τα VSD χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βιομηχανία, είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στις κρουστικές υπερτάσεις λόγω των ημιαγωγών ισχύος που χρησιμοποιούν και αποτελούν τυπικό παράδειγμα εφαρμογής των διατάξεων προστασίας από υπερτάσεις. Τροφοδοτούνται συνήθως από τριφασική παροχή χαμηλής τάσης. Τα VSD καταστρέφονται από υπερτάσεις οι οποίες οφείλονται είτε σε κεραυνοπτώσεις είτε σε προβλήματα του δικτύου παροχής, προκαλώντας σημαντική απώλεια εσόδων στην βιομηχανία σαν αποτέλεσμα της διακοπής της παραγωγικής διαδικασίας και του κόστους επισκευής των βλαβών. Στην προσπάθεια να προστατεύσουν τα VSD από τις κρουστικές υπερτάσεις οι χρήστες τους έχουν εγκαταστήσει διατάξεις SPD συμβατικής τεχνολογίας η οποία στηρίζεται στη χρήση παράλληλων βαρίστορ, τα προβλήματα των οποίων αναφέρθηκαν εκτενώς στην προηγούμενη ενότητα. Στο σχήμα 9 δίνεται το διάγραμμα διασύνδεσης της συμβατικής διάταξης προστασίας με την ηλεκτρική παροχή του VSD. Η διάταξη προστασίας τοποθετείται εξωτερικά από την καμπίνα του VSD και η διασύνδεσή της με τους αγωγούς τροφοδοσίας του VSD γίνεται μέσω πρόσθετων καλωδίων και ασφαλειών. Η προσπάθεια προστασίας των VSD με τη χρήση συμβατικών διατάξεων SPD παρουσίασε τα ακόλουθα προβλήματα: - Οι συμβατικές διατάξεις χρησιμοποιούν ασφάλειες για την προστασία της διάταξης όταν δεχθούν εξαιρετικά ισχυρά κρουστικά ρεύματα και την αποφυγή πιθανής έκρηξης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το VSD να μένει απροστάτευτο όταν η συσκευή προστασίας τίθεται εκτός λειτουργίας από την ασφάλεια. - Επαναλαμβανόμενα κρουστικά πλήγματα ή πλήγματα μεγάλης έντασης οδήγησαν στην καταστροφική αστοχία των διατάξεων αυτών. Στο σχήμα 10 δίνεται ένα παράδειγμα διάταξης SPD που εξερράγη. - Οι συμβατικές διατάξεις απαιτούν τη χρήση πρόσθετων αγωγών καθώς και ασφαλειών για την παράλληλη διασύνδεσή τους με τους αγωγούς τροφοδοσίας του VSD. Η ύπαρξη όμως των ασφαλειών αλλά κυρίως η χρήση των πρόσθετων αγωγών, συμβάλει στην αύξηση της παραμένουσας τάσης σε περίπτωση κρουστικού ρεύματος μεγάλης έντασης, λόγω της αυτεπαγωγής των αγωγών αυτών. Σε πολλές περιπτώσεις η αύξηση της παραμένουσας τάσης είναι τόσο μεγάλη που υπερβαίνει την τάση αντοχής (immunity level) του VSD. Παρατηρήθηκαν - 8 -

9 περιπτώσεις βλαβών από κρουστικές υπερτάσεις σε VSD στα οποία ήταν εγκαταστημένες διατάξεις προστασίας, χωρίς οι διατάξεις αυτές να έχουν υποστεί καταστροφή. B. Η λύση: Διάταξη προστασίας με στοιχεία ενός βαρίστορ (single-mov) Η αντικατάσταση των διατάξεων προστασίας συμβατικού τύπου που προαναφέρθηκαν, από τις διατάξεις SPD που βασίζονται στην τεχνολογία του ενός βαρίστορ (single-mov Technology) αποδεικνύεται, τόσο εργαστηριακά όσο και στην πράξη, ότι εξαλείφει τα προβλήματα που προαναφέρθηκαν παρέχοντας συνεχή προστασία στον βιομηχανικό εξοπλισμό όπως για παράδειγμα τα VSD. Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στη χρήση ενός δισκίου βαρίστορ το οποίο είναι ειδικά κατασκευασμένο για να αντέχει σε ιδιαίτερα υψηλά κρουστικά ρεύματα χωρίς να υφίσταται γήρανση, παρέχοντας ταυτόχρονα χαμηλό επίπεδο παραμένουσας τάσης. Η τεχνολογία αυτή έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς για την προστασία πλήθος άλλων κρίσημων εφαρμογών, όπως για παράδειγμα οι σταθμοί βάσης κινητής τηλεφωνίας, εξοπλισμός μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, εξοπλισμός αεροδρομίων, σταθμοί μικροκυματικών ζεύξεων κλπ. Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στη χρήση ενός βαρίστορ βιομηχανικού τύπου το οποίο περικλείεται σε στεγανό περίβλημα από αλουμίνιο το οποίο παρέχει προστατεύει το βαρίστορ από την υγρασία, ενώ παράλληλα προσφέρει μεγάλη μηχανική αντοχή. Το αλουμινένιο κέλυφος λειτουργεί ταυτόχρονα ως ψήκτρα για το βαρίστορ, κρατώντας τη θερμοκρασία του χαμηλή, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του και συμβάλλοντας στην αύξηση του μέγιστου πλάτους του κρουστικού ρεύματος που μπορεί να απορροφήσει χωρίς να καταστρέφεται. Η τεχνολογία αυτή είναι η μόνη η οποία πιστοποιείται από το UL χωρίς τη χρήση εσωτερικής ασφάλειας, εξασφαλίζοντας την συνεχή προστασία του εξοπλισμού. Το στοιχείο προστασίας τεχνολογίας single-mov εικονίζεται στο σχήμα 11. H στιβαρή κατασκευή του στοιχείου αυτού δίνει τη δυνατότητα να μπορεί να εγκατασταθεί στο εσωτερικό της καμπίνας του VSD και να συνδεθεί απευθείας στους αγωγούς τροφοδοσίας (σχήμα 12), χωρίς να χρειάζονται επιπρόσθετα καλώδια και ασφάλειες. Η απευθείας (in-line) διασύνδεση τριών στοιχείων προστασίας (ένα για κάθε φάση) δίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 13. Σχήμα 9. Προστασία VSD με χρήση συμβατικής τεχνολογίας SPD. Σχήμα 10. Καταστροφική αστοχία συμβατικής διάταξης - 9 -

10 Σχήμα 11. Στοιχείο προστασίας single-mov Σχήμα 12. Στοιχεία single-mov εγκατεστημένα απευθείας στους αγωγούς τροφοδοσίας, στο εσωτερικό του VSD Σχήμα 13. Διάγραμμα απευθείας διασύνδεσης των στοιχείων single-mov στο εσωτερικό του VSD. 8. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ [9] Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την εφαρμογή των στοιχείων single-mov για την προστασία του VSD, καθώς επίσης και αποτελέσματα από εργαστηριακές δοκιμές που έγιναν στα στοιχεία αυτά. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τις διαφορές των δύο τεχνολογιών (παράλληλα MOV single-mov). A. Αποτελέσματα από την πραγματική εφαρμογή

11 Προκειμένου να συγκριθούν οι δύο τεχνολογίες που περιγράφηκαν στις προηγούμενες ενότητες, επιλέχθηκαν δύο εγκατεστημένα συστήματα VSD με ιστορικό βλαβών από υπερτάσεις: - VSD 1: προστασία με SPD τεχνολογίας single-mov - VSD 2: προστασία με SPD τεχνολογίας παράλληλων βαρίστορ. Αρχικά έγινε καταγραφή των υπερτάσεων πριν την εγκατάσταση των SPD στην είσοδο τροφοδοσίας των δύο αυτών VSD για χρονικό διάστημα 24 ωρών. Η καταγραφή έγινε με ειδική συσκευή παρακολούθησης τάσης (power line monitoring). Η τάση λειτουργίας των VSD ήταν 240/415V, 3-αγωγών (χωρίς ουδέτερο). Η συσκευή ρυθμίστηκε έτσι ώστε να μετράει κρουστικές υπερτάσεις με πλάτος μεγαλύτερο από 290V. Στο σχήμα 14 δίνεται το γράφημα του πλάτους των υπερτάσεων στο VSD 1 πριν την εγκατάσταση των στοιχείων προστασίας. Στο διάγραμμα αυτό δίνεται το πλάτος της υπέρτασης πάνω από την rms τιμή της τάσης κανονικής λειτουργίας. Για παράδειγμα, υπέρταση 100V στο γράφημα σημαίνει πραγματικό πλάτος υπέρτασης, μετρούμενο από το μηδέν, ίσο με 340V. Το ίδιο σύστημα χρησιμοποιήθηκε μετά την εγκατάσταση των στοιχείων single-mov. Τα αποτελέσματα δίνονται στο διάγραμμα του σχήματος 15. Η ίδια διαδικασία μέτρησης ακολουθήθηκε για την καταγραφή των μετρήσεων στο VSD 2. Τα αποτελέσματα πριν και μετά την εγκατάσταση της συμβατικής διάταξης προστασίας δίνονται στα σχήματα 16 και 17 αντίστοιχα. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των γραφημάτων (σχήματα 14-17) γίνεται αμέσως φανερή η ανάγκη για προστασία των VSD από κρουστικές υπερτάσεις. Η εγκατάσταση των στοιχείων προστασίας τεχνολογίας single-mov επέφερε δραστική μείωση τόσο του αριθμού των υπερτάσεων, όσο και του μέγιστου πλάτους τους, το οποίο δεν υπερβαίνει τα 215V, επίπεδο το οποίο εξασφαλίζει την απόλυτη προστασία του εξοπλισμού. Η εφαρμογή των στοιχείων προστασίας τεχνολογίας single-mov επέφερε σημαντική μείωση στο πλήθος των υπερτάσεων κατά 84%. Η συμβατική διάταξη παράλληλων MOV από την άλλη πλευρά αποδεικνύεται ότι δεν παρέχει ικανοποιητική προστασία στον εξοπλισμό. Η μέση τιμή του μέγιστου πλάτους της κρουστικής υπέρτασης μειώθηκε μόλις κατά 18.5% ενώ κατά τη διάρκεια της 24ωρης μέτρησης κατεγράφησαν 8 κρούσεις με πλάτος μεγαλύτερο από 500V. Σχήμα 14. Κρουστικές υπερτάσεις στο VSD 1, μετρούμενες πριν την εγκατάσταση των στοιχείων single-mov

12 Σχήμα 15. Κρουστικές υπερτάσεις στο VSD 1, μετρούμενες μετά την εγκατάσταση των στοιχείων single-mov. Σχήμα 16. Κρουστικές υπερτάσεις στο VSD 2, μετρούμενες πριν την εγκατάσταση της συμβατικής διάταξης SPD. Σχήμα 17. Κρουστικές υπερτάσεις στο VSD 2, μετρούμενες μετά την εγκατάσταση της συμβατικής διάταξης SPD

13 Σχήμα 18. Παραμένουσα τάση συμβατικής διάταξης σε επαναλαμβανόμενα πλήγματα. B. Αποτελέσματα από εργαστηριακές δοκιμές Στη συνέχεια παρουσιάζουμε τα συγκριτικά αποτελέσματα από τις εργαστηριακές δοκιμές μεταξύ των συμβατικών στοιχείων προστασίας παραλλήλων MOV και των στοιχείων τεχνολογίας single-mov, χρησιμοποιώντας τις κυματομορφές τάσης και έντασης που περιγράφηκαν στην ενότητα 3. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μέτρησης της παραμένουσας τάσης σε επαναλαμβανόμενα κρουστικά ρεύματα σταθερού πλάτους, καθώς κα της παραμένουσας τάσης σε διάφορα πλάτη κρουστικών ρευμάτων κυματομορφής 8/20μs. Παραμένουσα τάση σε επαναλαμβανόμενους παλμούς κρουστικού ρεύματος σταθερής έντασης. Κατά τη δοκιμή αυτή, το στοιχείο προστασίας συμβατικού τύπου υπεβλήθη σε 10 παλμούς 8/20μs έντασης 9kA με χρονική διαφορά 1 λεπτού μεταξύ του κάθε παλμού. Το πλάτος της παραμένουσας τάσης και του ρεύματος σε κάθε παλμό μετρήθηκαν και τα αποτελέσματα δίνονται σε κοινό γράφημα στο σχήμα 18. όπως φαίνεται από το διάγραμμα, παρατηρείται σημαντική αύξηση της παραμένουσας τάσης μετά από κάθε παλμό, με ταυτόχρονη μείωση της τιμής του ρεύματος μέσα από το στοιχείο. Η παραμένουσα τάση αυξήθηκε από 1484V τον πρώτο παλμό σε 3335V στον 10 ο παλμό, αύξηση δηλαδή σε ποσοστό 125%. Αντίστοιχο πείραμα έγινε για το στοιχείο προστασίας single-mov το οποίο υπεβλήθη σε 2000 παλμούς ρεύματος έντασης 20kA. Η παραμένουσα τάση μετρήθηκε σε κάθε παλμό. Η παραμένουσα τάση κατά τον πρώτο παλμό μετρήθηκε ίση με 810V ενώ κατά τον τελευταίο παλμό μετρήθηκε ίση με 822V, παρουσιάζοντας μεταβολή μόλις κατά 1.5%. Παραμένουσα τάση σε κρουστικό ρεύμα αυξανόμενης έντασης (Slope resistance). Η μεταβολή της τιμής της παραμένουσας τάσης σε συνάρτηση με το πλάτος του κρουστικού ρεύματος κυματομορφής 8/20μs, για τη συμβατική διάταξη παραλλήλων MOV και για τη διάταξη single-mov δίνεται στο σχήμα 19. Από το διάγραμμα προκύπτει ότι το στοιχείο single-mov παρουσιάζει χαμηλή τιμή slope resistance σε σχέση με το στοιχείο παράλληλων MOV. H χαμηλή τιμή slope resistance συμβάλει στην διατήρηση της παραμένουσας τάσης σε χαμηλά επίπεδα όταν η ένταση του κρουστικού ρεύματος αυξάνεται. Σχήμα 19. Γράφημα παραμένουσας τάσης έντασης για το συμβατικό στοιχείο προστασίας και για το στοιχείο single-mov

14 9. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα μελέτη έγινε μια σύντομη αναφορά στο φαινόμενο των κρουστικών υπερτάσεων που εμφανίζονται στους αγωγούς ηλεκτρικής τροφοδοσίας και στα προβλήματα που δημιουργούν οι υπερτάσεις αυτές στα συστήματα αυτοματισμού και γενικότερα στις σύγχρονες ηλεκτρονικές διατάξεις που χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία. Παρουσιάστηκαν οι διάφορες τεχνολογίες προστασίας δίνοντας έμφαση στα προβλήματα που παρουσιάζουν. Ιδιαίτερη αναφορά έγινε επίσης στα διεθνή πρότυπα που καθορίζουν τα χαρακτηριστικά των διατάξεων αυτών καθώς και των μεθόδων δοκιμών τους. Παρουσιάστηκε επίσης η νέα τεχνολογία του στοιχείου προστασίας που βασίζεται στη χρήση ενός βαρίστορ (single-mov) και τα πλεονεκτήματά της σε σχέση με τις συμβατικού τύπου διατάξεις παράλληλων MOV. Τέλος, παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα της εφαρμογής του στοιχείου single-mov για την προστασία ευαίσθητου ηλεκτρονικού εξοπλισμού όπως είναι τα συστήματα ρύθμισης στροφών ηλεκτροκινητήρων (VSD), καθώς και τα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι το στοιχείο προστασίας single- MOV προσφέρει ικανοποιητική προστασία στον κρίσιμο και ευαίσθητο ηλεκτρονικό εξοπλισμό των σύγχρονων βιομηχανικών μονάδων. 10. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] R. B. Standler, Protection of Electronic Circuits from Overvoltages, Dover Edition, [2] IEEE C , IEEE Guide on the Surge Environment in Low Voltage (1000 V or less) AC Power Circuits, New York, NY, IEEE. [3] IEEE C , IEEE Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-Voltage (1000 or less) AC Power Circuits, New York, NY, IEEE. [4] IEEE C , IEEE Recommended Practice on Surge Testing for Equipment Connected to Low-Voltage (1000 or less) AC power Circuits, New York, NY, IEEE. [5] IEC , Surge Protective Devices Connected to Low-Voltage Power Distribution Systems, Geneva, Switzerlend. [6] UL nd Edition, Transient Voltage Surge Suppressors, Underwriters Laboratories, Northbrook, IL. [7] NEMA LS , Low Voltage Surge Protection Devices, National Electrical Manufacturers Association, Rosslyn, VA. [8] F.D. Martzloff, Matching Surge Protective Devices to their Environment, IEEE Transactions on Industry Applications, IA-21,Jan/Feb 1985, pp [9] K. Samaras, C. Sandberg, C. J. Salmas, A. Koulaxouzidis, Electrical Surge Protection Devices for Industrial Facilities A Tutorial Review, IEEE PCIC 2005, Denver, CO, USA