Wirkung von Multi

Die Geschichte des Multi-Burst-Blitzes beginnt mit Karl Berger, Professor für Hochspannungstechnik an der ETH Zürich. Er galt als „Vater der Blitzforschung“ für seine bahnbrechenden Beobachtungen an der Blitzortungsstation auf dem Monte San Salvatore von 1943 bis 1972. Seine Arbeit ist wichtig, weil sie schon früh zeigte, dass ein Blitz aus einem Blitzausbruch bestand Auf einen Schlag folgten mehrere aufeinanderfolgende Striche, die alle nur wenige Millisekunden voneinander entfernt waren, wie beispielsweise in seiner Arbeit von 1967 dargestellt [1].

Als Ergebnis von Karls Arbeit ist die Struktur eines Blitzes mittlerweile gut bekannt, was darauf hindeutet, dass Blitztests mit mehreren Blitzen nun routinemäßig durchgeführt werden sollten. Aber nur wenige Labore haben Geräte für Multi-Burst-Tests gebaut (z. B. Darveniza und Mitarbeiter in Australien, Ray Hill und Mitarbeiter am Georgia Tech und kürzlich Zhang und seine Mitarbeiter in China). Warum wurden Multi-Burst-Tests zur Simulation von Blitzen nicht in größerem Umfang durchgeführt? Und warum hat es nicht Eingang in die Standards gefunden?

Ein möglicher Grund geht auf die Beobachtung von Bodle et al. zurück. 1976 [2] dass,

„Für Entwurfstests der Blitzfestigkeitsfähigkeit von Anlagenteilen und zugehörigen Geräten, sowohl in der Kommunikations- als auch in der Energieindustrie, wird ein einziger großer Impuls verwendet. Dabei handelt es sich um einen „Äquivalenz“-Test, der durch praktische Prüfungserwägungen vorgegeben wird. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass dies eine akzeptable Simulation der tatsächlichen Feldexposition ist, die mehrere Komponentenschläge umfasst.“

Was Bodle und seine Co-Autoren also sagen, ist, dass wir zwar über Blitze mit mehreren Komponenten Bescheid wissen, aber Tests mit mehreren Überspannungen nicht erforderlich sind, da Tests mit einzelnen großen Ausbrüchen gut genug funktionieren. Das würde wahrscheinlich zutreffen, wenn sie Gasrohre oder Kohlenstoffblöcke testen würden, die 1976 die Haupttypen von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) waren.

Ein zweiter möglicher Grund ist, dass Geräte zur Durchführung von Multi-Burst-Tests nicht im Handel erhältlich sind und wahrscheinlich teuer wären, wenn sie verfügbar wären. In beiden Fällen werden Multi-Burst-Tests bei SPDs im Allgemeinen nicht durchgeführt.

Was übersehen wir also, wenn wir mit einem einzelnen großen Spannungsstoß oder mit mehreren, aber weit voneinander entfernten Spannungsstößen testen (was wie eine Reihe von Tests mit einzelnen Spannungsstößen aussieht)? Wenn wir schaltende SPDs (z. B. Gasröhren oder Thyristoren) testen, liegt möglicherweise kein Problem vor. Dies könnte jedoch bei Klemm-SPDs der Fall sein, da Klemm-SPDs, insbesondere Metalloxid-Varistoren (MOVs), eine lange thermische Zeitkonstante haben können. Lange thermische Zeitkonstanten können zu einem Wärmestau in einem SPD führen, das einem Multi-Surge-Burst ausgesetzt ist (möglicherweise einschließlich Dauerstrom). Wärmestau kann zu einem potenziell zerstörerischen Temperaturanstieg führen, was uns entgeht, wenn ein Multi-Surge-Bersttest durch einen einzelnen großen Surge oder mehrere weit voneinander entfernte Surge-Spannungen ersetzt wird.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel eines Blitzes, bei dem wir mit einem Wärmestau rechnen können.

Abbildung 1: Beispiel eines Multi-Burst-Blitzes (nach Rakov, [3])

Die Ansicht, dass Multi-Surge-Burst-Tests erforderlich sind, wird in einem Artikel von Sargent et al. gestützt. [4]. In ihrer Studie wurde ein halber Satz von 18-mm-MOV-Proben einem Multi-Surge-Burst von 8/20 Surge bei Nennstrom ausgesetzt. Diese Proben zeigten Anzeichen von Schäden, wohingegen die andere Hälfte der Proben, die mit einem einzelnen 8/20-Stromstoß bei Nennstrom wiederholt in Abständen von 60 Sekunden oder mehr getestet wurden, keine Schäden aufwies. In einem weiteren Multi-Surge-Burst-Test haben Rousseau et al. [5] setzten einen MOV sechzig 20-kA-8/20-Stößen im Abstand von 60 Sekunden aus, ohne dass es zu einem Ausfall kam. Als derselbe MOV-Typ jedoch nur fünf 20-kA-8/20-Überspannungen im Abstand von 50 ms ausgesetzt wurde, kam es zu einem Ausfall.

Die Multi-Burst-Flash-Arbeit zum Klemmen von SPDs wurde größtenteils an MOVs durchgeführt, da MOVs eine lange thermische Zeitkonstante haben. Aufgrund der langen Zeitkonstante kann es sein, dass die in einem MOV durch einen aus einer Reihe von eng beieinander liegenden Spannungsstößen deponierte Energie nicht vor dem Eintreffen des nächsten Spannungsstoßes verloren geht, sodass sich Energie aufbauen kann. Das Gleiche gilt für siliziumbasierte Geräte, jedoch in geringerem Maße, da die thermischen Zeitkonstanten für Siliziumgeräte kürzer sind als für MOVs. Wir konzentrieren uns also auf MOVs; und als anschauliches Beispiel die Anwendung von MOVs zum Schutz von Gleichstromeinspeisungen zu entfernten Funkköpfen (wie in [6] diskutiert).

Da wir an der Wärmeakkumulation interessiert sind, müssen wir uns mit der thermischen Modellierung befassen. Aufgrund der Ungleichmäßigkeit des Materials eines MOV konzentriert sich der Strom tendenziell in einem relativ kleinen Leitungskanal im MOV. In der Studie von Sargent et al. zeigte die Analyse der ausgefallenen MOV-Proben Risse und die Bildung von neuem amorphem Material in der Nähe des Leitungskanals. Die Untersuchung dieses amorphen Materials ergab, dass sich lokale Hotspots (eigentlich heiße Kanäle) bildeten, wenn ein Stromimpuls durch das MOV geleitet wurde. Das amorphe Material in diesen heißen Stellen entstand wahrscheinlich aus einem während des Stromimpulses gebildeten Plasma, das anschließend aufgrund der Wärmeleitung zu den umgebenden ZnO-Körnern schnell abkühlte.

Aufgrund der Röntgenfluoreszenzanalyse des amorphen Materials ging man davon aus, dass die Bildung des amorphen Materials eine lokale Temperatur von etwa 1000 °C erfordert. Die thermische Modellierung deutete darauf hin, dass dieser Temperaturanstieg auftreten würde, wenn die Impulsleistung auf etwa 2 Prozent des MOV-Volumens konzentriert wäre . Dies ist eine wichtige Beobachtung, da eine Berechnung der im Multi-Surge-Burst-Test absorbierten Energie ergab, dass der Temperaturanstieg des MOV bei gleichmäßiger Temperaturverteilung nur 231 °C betragen hätte, viel weniger als die Temperatur, die vermutlich die Ursache dafür war Schaden.

Die Ergebnisse von Sargent et al. legen nahe, dass das Kriterium für den Ausfall eines MOV ein lokaler Temperaturanstieg auf 1000 °C (oder in die Nähe davon) ist. Für ein MOV, das wir in Betracht ziehen, müssen wir also bestimmen, ob ein lokaler Bereich 1000 °C erreichen könnte. Dazu beginnen wir mit einem thermischen Modell, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Thermisches Ersatzschaltbild

Wärmepfade können mithilfe eines Stromkreisanalogs modelliert werden. Bei der thermischen Modellierung entspricht die Temperatur T(t) in o K den Volt in einem Stromkreis und die Leistung P in Watt dem Strom. Bedenken Sie dies, wenn wir uns den Stromkreisanalog eines MOV ansehen, der in Abbildung 2 dargestellt ist.

In Abbildung 2 sind R1 und C1 der Wärmewiderstand und die Wärmekapazität des Bereichs, der 1000 °C erreichen könnte, und R2 und C2 sind der Wärmewiderstand und die Wärmekapazität des restlichen MOV.

Aus der Stromkreisanalogie können wir die thermische Impedanz Z(ω) schreiben als

(1)

Wo

(R1 und R2 sind die Wärmewiderstände)

Und

s=jω

Für Zinkoxid (die Grundkomponente von MOVs) sind sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Wärmekapazität Funktionen der Temperatur, wie in Abbildung 3 und Abbildung 4 dargestellt (beide basieren auf Daten in Wiley-Büchern [7]). Aufgrund dieser Temperaturabhängigkeit ist die thermische Zeitkonstante auch eine Funktion der Temperatur, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 3: Wärmeleitfähigkeit von ZnO

Abbildung 4: Wärmekapazität von ZnO

Abbildung 5: Zeitkonstante von ZnO

Nehmen Sie unter Bezugnahme auf Abbildung 2 an, dass die Leistung W(t) gegeben ist durch:

(2)

Dabei ist Ip der Spitzenstrom des Stoßes und Vmov(i) die MOV-Spannung als Funktion des Stroms.

Im Frequenzbereich gilt Gleichung (2).

(3)

Der Temperaturanstieg T(ω) beträgt dann

(4)

Im Zeitbereich beträgt T(t).

(5)

Wo

Betrachten Sie als Beispiel für eine Temperaturanstiegsberechnung den Schutz von Gleichstromeinspeisungen zu Remote Radio Heads (RRH), einer prominenten Anwendung für MOV-SPDs, die in [6] diskutiert wird. Angenommen, wir haben einen 80 m hohen Turm mit einer RRH-48-V-Gleichstromeinspeisung, den wir vor Blitzen schützen möchten. Gehen Sie bei Blitzen von einem Blitz aus, der nach unten gerichtet und negativ gepolt ist, da etwa 90 Prozent aller Blitze von dieser Art sind. Es charakterisiert Bodenblitze und Blitze auf Türme, die im Allgemeinen weniger als 80 m hoch sind. Ein typischer Blitz dieser Art besteht aus drei bis fünf Schlägen mit typischen Intervallen zwischen den Schlägen von 30 bis 60 Millisekunden. Es kann auch Dauerstrom und in manchen Fällen Anfangsstrom enthalten.

Seien wir konservativ und gehen wir von einem Blitzschlag mit einer Eintrittswahrscheinlichkeit von fünf Prozent aus. Aus CIGRE TB549 [8] ergibt sich dann, dass die Amplitude eines ersten Schlags 80 kA und das Wirkungsintegral (i2t) 5,5×105 A2s beträgt. Wenn wir von einer doppelt-exponentiellen Wellenform ausgehen, beträgt die entsprechende Zeit bis zur Halbwertsspitze 120 µs. Die Anstiegszeit korreliert im Allgemeinen nicht mit der Dauer und könnte laut [8] vernünftigerweise zwischen 5,5 und 18 µs liegen. Angenommen, es beträgt 10 µs (normalerweise sind die Ergebnisse von dieser Auswahl nicht abhängig). Die Wellenform, die wir haben, ist dann 80 kA 10/120. Basierend auf den Berechnungen aus [6] führt ein 80-kA-10/120-Einschlag auf einen 80-m-Turm zu einem 17,5-kA-10/63-Überspannungsstoß in der Gleichstromeinspeisung.

Es scheint, dass ein 25-mm-MOV mit einer Nennleistung von 20 kA und einem Mcov von 130 V für die Anwendung geeignet wäre, also werden wir uns dafür entscheiden. Für die Berechnung benötigen wir die VI-Kurve für dieses Gerät. Diese Kurve hängt vom Gerätehersteller ab, aber der höhere Strombereich für einen typischen MOV des gewählten Typs ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6: Variation der MOV-Klemmspannung mit dem Strom für den gewählten MOV-Typ

Eine weitere Information, die wir benötigen, sind die Derating-Kurven von Strom und Spannungsstoßbreite für den ausgewählten MOV. Im vorliegenden Fall ist ein typischer Satz in Abbildung 7 und eine erweiterte Ansicht in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 7: Derating-Kurven für den ausgewählten MOV

Abbildung 8: Erweiterte Ansicht von Abbildung 7

Ok, wir haben den Drahtstrom mit 17,5 kA berechnet und der gewählte MOV hat eine Nennleistung von 20 kA, also kann es losgehen, oder?

Nun, nein! Der 20-kA-Nennwert des gewählten MOV gilt für einen Spannungsstoß von 8/20, bei uns liegt er bei 10/63. Um die Bewertung für einen 10/63-Überspannungsstoß zu ermitteln, müssen wir die Derating-Kurven in Abbildung 7 heranziehen. Um diese Kurven zu verwenden, müssen wir die Strom-Zeit-Beziehung eines doppelt exponentiellen Impulses in die eines rechteckigen Impulses mit der Breite tr umwandeln . Der Umrechnungsfaktor ist tr = (a – b)/ab, wobei a und b wie in Gleichung (2) angegeben sind. Für einen 10/63-Anstieg ist tr = 69 µs. Wenn wir in Abbildung 7 (oder Abbildung 8) der roten Linie bei tr = 69 µs bis zu der Stelle folgen, an der sie die Kurve für einen einzelnen Stoß schneidet, beträgt Ip = Imax = 6 kA, was wesentlich weniger ist als die von einem erwarteten 17,5 kA 80-kA-Schlag. Wenn wir also den Spannungsstoß von 17,5 kA in der Gleichstromeinspeisung bewältigen wollen, müssen wir mindestens drei dieser Geräte parallel schalten, sodass kein einzelnes Gerät mehr als 6 kA bewältigen muss.

Gehen Sie davon aus, dass so viele Geräte parallel geschaltet sind, dass kein einzelnes Gerät mehr als 6 kA verarbeiten kann. Für das betrachtete Gerät können die Leitfähigkeit und die Wärmekapazität aus Abbildung 3 und Abbildung 4 abgelesen werden. Abbildung 6 dient zur Berechnung von Vmov(i) als Funktion des Stroms. Bedenken Sie, dass der Stromstoß die Form e-at – e-bt hat, für einen 10/63-Stromstoß ist a = 1,39×104 und b = 3,12×105. Dann können wir aus Gleichung (5) den Temperaturanstieg in einem MOV für einen 6 kA 10/63-Anstieg berechnen und das Ergebnis grafisch darstellen (siehe Abbildung 9).

Abbildung 9: Beispiel für einen Temperaturanstieg in einem 25-mm-MOV, der einem Ip-Anstieg von 6 kA ausgesetzt ist

Abbildung 10: Beispiel für einen Temperaturanstieg bei einem 25-mm-MOV, der zwei Ip-Überspannungen von 6 kA ausgesetzt ist

Unter Berücksichtigung der Feststellung von Sargent et al., dass ein MOV-Ausfall auftritt, wenn die Temperatur im Kanalbereich die Nähe von 1000 °C erreicht, zeigt Abbildung 9, dass ein Ausfall für den betrachteten Single-Shot-Fall nicht zu erwarten ist. Wie wäre es also mit einem Multi-Burst-Blitz?

Abbildung 10 zeigt den zusätzlichen Temperaturanstieg, der auftritt, wenn der zur Erzeugung von Abbildung 9 verwendete Stromstoß nach 30 ms ein zweites Mal an den MOV angelegt wird (der Stromstoß nach 30 ms ist identisch mit dem ersten, wird jedoch aufgrund der Stromspannung als Linie angezeigt). logarithmische Zeitskala). Der zusätzliche Temperaturanstieg ist auf die relativ lange thermische Zeitkonstante des MOV zurückzuführen, die verhindert, dass der MOV viel Wärmeenergie abgibt, bevor der zweite Anstieg eintrifft. Der Temperaturanstieg liegt nun im roten Bereich über 1000 °C, wo mit einem Ausfall zu rechnen ist. Dieses Ergebnis stimmt mit den Derating-Kurven in Abbildung 8 überein, die darauf hinweisen, dass mehr als eine Überspannung bei 6000 A zu einem Ausfall führen würde.

Aus Abbildung 8 geht hervor, dass bei zwei Überspannungen von 10/63 kein Ausfall auftreten würde, wenn Imax auf 3400 A reduziert würde, was unter sonst gleichen Bedingungen eine Verdoppelung der Anzahl parallel geschalteter Geräte erfordern würde. Berechnungen deuten darauf hin, dass zwei Überspannungen von 3400 A 10/63 im Abstand von 30 ms zu einem Temperaturanstieg von 630 °C führen würden, deutlich unter dem angenommenen Ausfallniveau von 1000 °C. Dies ist nur ein Beispiel, und was in einer tatsächlichen Anwendung passiert, hängt von der jeweiligen Spannungsstoßamplitude und der Anzahl der Spannungsstöße ab.

In der Beispielberechnung betrug die Gesamtzahl der Überspannungen zwei, in einer tatsächlichen Anwendung wird die Gesamtzahl der Überspannungen jedoch viel höher sein. Die Anzahl der Überspannungen kann abgeschätzt werden, indem man n Blitze pro Jahr annimmt (aus einer isokeraunischen Karte), eine Anzahl von Blitzschlägen pro Blitz x hat und die Anzahl der erwarteten Betriebsjahre auf y festlegt, was insgesamt nxy Überspannungen ergibt . Wenn also beispielsweise die Lebensdauer eines RRH-Geräts 20 Jahre beträgt und pro Jahr 10 Blitze mit fünf Schlägen auftreten, beträgt die Gesamtzahl der Überspannungen 1000. Aus Abbildung 8, die das gewählte MOV charakterisiert, entlang der roten Linie Bei 1000 10/63-Überspannungen wäre Imax auf etwa 500 A begrenzt, daher sollte ein viel größerer MOV gewählt werden.

In dieser Analyse gibt es viele Variablen und die Schlussfolgerungen können sich je nach den verwendeten Annahmen ändern. Insbesondere haben wir angenommen, dass alle Überspannungen die gleiche Amplitude haben (um die Verwendung der Derating-Kurven zu vereinfachen). Im Allgemeinen würde es nachfolgende Überspannungen mit geringerer Amplitude und Dauer geben, aber davon auszugehen, dass alle Überspannungen die gleiche Amplitude und Dauer haben wie die ersten, ist der schlimmste Fall, es sei denn, es liegt ein Dauerstrom oder ein anfänglicher Dauerstrom vor

Im allgemeinen Fall kann das Verfahren zur Berechnung des Temperaturanstiegs weiterhin verwendet werden, wenn die genaue Reihenfolge und Charakteristik des ersten Stoßes, der nachfolgenden Stöße und eines eventuellen Dauerstroms oder anfänglichen Dauerstroms bekannt ist. Die Leistungsaufnahme jedes einzelnen Ereignisses im Blitz wird zum vorherigen addiert (mit der entsprechenden Zeitverzögerung) und der kumulative Temperaturanstieg berechnet. Wenn der berechnete Temperaturanstieg 1000 °C (oder konservativer 800 °C) überschreitet, ist mit einem Ausfall zu rechnen.

Diese Berechnung für eine beliebige Abfolge von Überspannungen und Dauerstrom ist aufwändig und lohnt sich wahrscheinlich nicht, außer für forensische Zwecke. Es wurden forensische Studien durchgeführt, beispielsweise die von Yang et al. [9] mit Kommentaren in [10], wo es um die Frage ging, warum ein für 40 kA ausgelegter MOV ausfiel, wenn er einer Reihe von Überspannungen, von denen keine 26 kA überschritt, und Dauerstrom ausgesetzt war.

Wenn kein Dauerstrom vorhanden ist (z. B. bei der oben betrachteten DC-Einspeisung zum RRH), könnte das folgende Verfahren bei der Auswahl eines MOV hilfreich sein:

Mit diesen Informationen beträgt die Gesamtzahl TL der erwarteten Überspannungen n mal x mal y.

Manchmal reicht bereits der Dauerstrom aus, um einen Ausfall zu verursachen. Um festzustellen, ob dies der Fall ist, approximieren Sie den Dauerstrom durch einen Rechteckimpuls mit der Amplitude Imax und der Dauer tr des Dauerstroms. Suchen Sie auf der Derating-Kurve für den MOV nach dem Schnittpunkt von Imax und tr (um diesen zu finden, muss die Derating-Kurve möglicherweise erweitert werden). Liegt er bei einem einzelnen Anstieg über der Kurve, kommt es zu einem Ausfall.

MOVs sind die SPDs, die aufgrund von Multi-Burst-Überspannungen am anfälligsten für Ausfälle sind. Bei MOVs führt die Inhomogenität der Zusammensetzung dazu, dass Stromstöße in einem engen Kanal geleitet werden. Der begrenzte Spannungsstoß verursacht einen Temperaturanstieg, der bei über 1000 °C zu einem Ausfall führen kann. Ein Wärmestau aufgrund von Multi-Burst-Überspannungen kann zu einem Temperaturanstieg in MO-Varistoren auf über 1000 °C und damit zu einem Ausfall führen. Dies legt nahe, dass zumindest für kritische Anwendungen Multi-Burst-Überspannungstests durchgeführt werden sollten.

Die Analyse gilt hier für jede Folge von eng beieinander liegenden Überspannungen, nicht nur für Blitze. Neben MOVs gibt es auch Silizium-Klemmvorrichtungen. Auch sie können unter akkumulierten Temperatureinflüssen leiden. Aber Siliziumgeräte haben eine ganz andere thermische Zeitkonstante, ein anderes thermisches Modell und einen anderen Fehlermodus, das ist also eine andere Geschichte.

Al MartinLightningMetal Oxide Varistormov Surge Testing

Al Martin schrieb häufig Beiträge für das In Compliance Magazine und war Autor oder Co-Autor von über 35 Artikeln zu EMV und Telekommunikation. Er ist im August 2021 verstorben.

Deine Email-Adresse wird nicht veröffentlicht.

Kommentar

Name*

Email*

Webseite

Speichern Sie meinen Namen, meine E-Mail-Adresse und meine Website in diesem Browser für den nächsten Kommentar.

D