หลักการป้องกันไฟกระชากสำหรับสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลาย

หลักการป้องกันไฟกระชากสำหรับสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลาย

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) หรือที่เรียกว่าอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก เป็นอุปกรณ์ป้องกันแบบไม่เชิงเส้นที่ใช้ในการจำกัดแรงดันไฟเกินชั่วขณะและปล่อยกระแสไฟกระชากในระบบที่มีไฟฟ้าสถิต และใช้เพื่อป้องกันเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำหรือระบบอิเล็กทรอนิกส์ ได้รับการปกป้องจากฟ้าผ่าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากฟ้าผ่าหรือความเสียหายที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้าเกิน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ระบบข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ (เช่น โทรทัศน์ โทรศัพท์ การสื่อสาร เครือข่ายคอมพิวเตอร์ ฯลฯ) ได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว และอุปกรณ์ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากได้เกิดขึ้นและเป็นที่นิยม ระบบและอุปกรณ์ดังกล่าวมักมีราคาแพงและมีความสำคัญ และแรงดันใช้งานและระดับแรงดันที่ทนทานต่ำมาก ดังนั้นจึงมีความเสี่ยงสูงต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากฟ้าผ่า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมี SPD สำหรับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า

เนื่องจากมาตรฐานที่แตกต่างกันตามประเทศต่างๆ ข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์จึงไม่เป็นเอกภาพ และการระบุพารามิเตอร์ก็มีความสำคัญในตัวเองเช่นกัน ซึ่งด้อยกว่าข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ไฟฟ้าอื่นๆ มาก ซึ่งทำให้การออกแบบและการเลือกใช้งานไม่สะดวกอย่างมาก ในการออกแบบทางวิศวกรรม แบรนด์ทั่วไปสามารถแบ่งออกเป็นผลิตภัณฑ์ในประเทศ ผลิตภัณฑ์ของยุโรป และผลิตภัณฑ์ของอเมริกาตามแหล่งกำเนิด การตั้งค่าพารามิเตอร์ของผลิตภัณฑ์ในประเทศนั้นวุ่นวาย ด้วยข้อกำหนดที่หลากหลายและความดันตกค้างสูง การตั้งค่ารุ่นของผลิตภัณฑ์ที่ได้มาตรฐานบางอย่างเลียนแบบผลิตภัณฑ์ของยุโรป และบางรุ่นเป็นไปตามพารามิเตอร์การสอบเทียบระดับประเทศ ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่มีเครื่องหมาย In และ Imax เนื่องจากผลิตภัณฑ์ในประเทศมีข้อกำหนดค่อนข้างต่ำสำหรับไซต์งาน เกรดอาคารต่ำ และอุปกรณ์ขนาดใหญ่ที่ทนทานต่อค่าแรงดันไฟฟ้า ความต้องการพารามิเตอร์บางอย่างจึงผ่อนปรนได้อย่างเหมาะสม

โดยทั่วไปผลิตภัณฑ์ของยุโรปจะทำเครื่องหมายกระแสไฟสูงสุดและรุ่นของผลิตภัณฑ์จะถูกตั้งค่าตามพารามิเตอร์นี้ด้วย ตัวอย่างเช่น XXX65 และ XXX40 ของแบรนด์ยุโรปที่มีชื่อเสียง ค่า 65 และ 40 คือ Imax อย่างไรก็ตาม มาตรฐานของจีนกำหนดไว้อย่างชัดเจนว่าควรใช้กระแสไฟเข้าเล็กน้อยสำหรับการเลือกประเภท ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่น่าอายที่พบในการออกแบบทางวิศวกรรมในปัจจุบัน หลังจากตรวจสอบข้อมูลผลิตภัณฑ์แล้ว ค่า In ของ XX65 ไม่เกิน 20kA และค่า In ของ XX40 ไม่เกิน 15kA ตามค่าที่แนะนำของ GB50343 ผลิตภัณฑ์ทั้งสองนี้สามารถใช้สำหรับการป้องกันระดับที่สามของเทอร์มินัลอุปกรณ์เท่านั้น แต่ในการออกแบบจริง ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้รับการติดตั้งในระดับที่หนึ่งและสอง ซึ่งไม่สอดคล้องกับพารามิเตอร์การเลือกอย่างเห็นได้ชัด ของมาตรฐานแห่งชาติและแรงดันตกค้าง สูงกว่ารุ่นทั่วไปทั่วไปเกิน 1200V เมื่อสภาพแวดล้อมการเดินสายไฟไม่ดี มันเป็นเรื่องง่ายที่จะเกินค่าแรงดันไฟฟ้าที่ทนต่ออุปกรณ์ โดยทั่วไป ค่า Uc ของผลิตภัณฑ์ในยุโรปจะมีค่าน้อย และแรงดันไฟฟ้าของสายถูกทำเครื่องหมายไว้ตามโอกาส ดังนั้นจึงง่ายต่อการเข้าใจผิดเมื่อเลือกรุ่น

SPD ทำงานอย่างไร

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากเหมาะสำหรับการป้องกันแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำ 220/380V เป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้น ตามมาตรฐาน IEC อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากเป็นอุปกรณ์ที่ป้องกันแรงดันไฟเกินและกระแสไฟเกินของสายที่ดำเนินการเป็นหลัก อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากมีบทบาทในการป้องกัน ข้อกำหนดพื้นฐานคือต้องทนต่อกระแสฟ้าผ่าที่คาดว่าจะผ่านไปได้ และผ่านแรงดันไฟกระชากสูงสุดของการหนีบ จะสามารถดับกระแสไฟต่อเนื่องความถี่ไฟฟ้าที่สร้างขึ้นหลังจากกระแสฟ้าผ่าผ่านได้อย่างมีประสิทธิภาพ และป้องกันไม่ให้เกิดทันทีทันใด กระชากเข้าสายไฟและสายส่งสัญญาณ แรงดันไฟฟ้าเกินจะจำกัดอยู่ภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่อุปกรณ์หรือระบบสามารถทนได้ หรือกระแสไฟฟ้าแรงสูงรั่วไหลลงสู่พื้นเพื่อป้องกันอุปกรณ์หรือระบบที่ได้รับการป้องกันจากความเสียหายเนื่องจากการกระแทก

ประเภทและโครงสร้างของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากแตกต่างกันไปตามวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน แต่มีองค์ประกอบจำกัดแรงดันไฟฟ้าแบบไม่เชิงเส้นอย่างน้อยหนึ่งรายการรวมอยู่ด้วย อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ MOV (Metal Oxide Varistor) และท่อปล่อยแก๊ส ไฟกระชากมีพลังงานจำนวนมากและไม่สามารถหยุดได้ ด้วยเหตุนี้ กลยุทธ์ในการปกป้องอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ละเอียดอ่อนจากความเสียหายจากไฟกระชากคือ การปัดไฟกระชากออกจากอุปกรณ์และลงดิน

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก MOV ประกอบด้วยสามส่วน: ส่วนตรงกลางเป็นวัสดุออกไซด์ของโลหะ และเซมิคอนดักเตอร์สองตัวเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟและกราวด์ เมื่อเกิดไฟกระชาก MOV จะทำงานทันที และเวลาตอบสนองคือ 1 ถึง 3 นาโนวินาที "V" ใน MOV เป็นรีโอสแตท ในช่วงเวลาของการตอบสนอง ความต้านทานของ MOV จะลดลงจากค่าสูงสุดเป็นเกือบศูนย์โอห์ม และกระแสเกินจะไหลลงสู่พื้นผ่าน MOV อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ได้รับการป้องกันยังคงทำงานภายใต้แรงดันไฟฟ้าปกติ องค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์มีคุณสมบัติในการเปลี่ยนความต้านทานเมื่อแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง เมื่อแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าค่าหนึ่ง การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำจะสร้างความต้านทานสูง ในทางกลับกัน เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินค่าที่กำหนด การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไปและความต้านทานของสารกึ่งตัวนำจะลดลงจนเกือบเป็นศูนย์โอห์ม แรงดันไฟฟ้าเป็นปกติ และตัวป้องกันไฟกระชาก MOV ไม่ทำงาน ซึ่งไม่ส่งผลกระทบต่อสายไฟ

ตัวบ่งชี้ข้อดีและข้อเสียของ MOV ป้องกันไฟกระชาก: (1) แรงดันไฟฟ้าหนีบ: ระบุค่าแรงดันไฟฟ้าที่จะทำให้ MOV เชื่อมต่อกับกราวด์ ยิ่งแรงดันในการหนีบต่ำลงเท่าใด ประสิทธิภาพการป้องกันก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น (2) ความสามารถในการดูดซับ/การกระจายพลังงาน: ค่าเล็กน้อยนี้บ่งชี้ว่าอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากสามารถดูดซับพลังงานได้เท่าใดก่อนที่ไฟจะไหม้ในหน่วยจูล ค่ายิ่งสูงประสิทธิภาพการป้องกันยิ่งดี (3) เวลาตอบสนอง: อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะไม่ตัดการเชื่อมต่อทันที แต่จะมีความล่าช้าเล็กน้อยในการตอบสนองต่อไฟกระชาก

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากทั่วไปอีกอย่างคือท่อปล่อยแก๊ส ท่อปล่อยก๊าซเหล่านี้ทำสิ่งเดียวกันกับ MOV คือย้ายกระแสไฟฟ้าส่วนเกินจากกระแสไฟฟ้าไปยังกราวด์โดยใช้ก๊าซเฉื่อยเป็นตัวนำระหว่างสายไฟทั้งสอง เมื่อแรงดันไฟฟ้าอยู่ในช่วงที่กำหนด ส่วนประกอบของก๊าซจะระบุว่าเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี หากแรงดันไฟเกินช่วงนี้ กระแสจะแรงพอที่จะทำให้ก๊าซแตกตัวเป็นไอออน ทำให้ท่อระบายก๊าซเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีมาก มันนำกระแสลงกราวด์จนกว่าแรงดันไฟฟ้าจะกลับสู่ระดับปกติ จากนั้นจึงกลายเป็นตัวนำที่ไม่ดีอีกครั้ง

(1) สายไฟ SPD

เนื่องจากพลังงานของสายฟ้าฟาดนั้นมีขนาดใหญ่มาก จึงจำเป็นต้องปล่อยพลังงานของสายฟ้าฟาดลงสู่พื้นทีละขั้นตอนด้วยวิธีการปล่อยตามลำดับชั้น ในเขตป้องกันฟ้าผ่าโดยตรง (LPZ0A) หรือที่จุดเชื่อมต่อของเขตป้องกันฟ้าผ่าโดยตรง (LPZ0B) และเขตป้องกันแรก (LPZ1) ให้ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากหรือ เครื่องป้องกันไฟกระชากแบบจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่ผ่านการทดสอบการจำแนกประเภท Class I เป็นอันดับแรก การป้องกันระดับแรกคือการปล่อยกระแสฟ้าผ่าโดยตรง หรือเมื่อสายส่งไฟฟ้าถูกฟ้าผ่าโดยตรง มันจะปล่อยพลังงานมหาศาลที่ดำเนินการ ติดตั้งเครื่องป้องกันไฟกระชากแบบจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่ทางแยกของแต่ละส่วน (รวมถึงพื้นที่ LPZ1) หลังจากเขตป้องกันแรก เป็นการป้องกันระดับที่สอง สาม หรือสูงกว่า ตัวป้องกันระดับที่สองเป็นอุปกรณ์ป้องกันแรงดันตกค้างของตัวป้องกันระดับก่อนหน้าและฟ้าผ่าที่เหนี่ยวนำในพื้นที่ เมื่อการดูดซับพลังงานสายฟ้าฟาดขนาดใหญ่เกิดขึ้นที่ระดับด้านหน้า ยังมีส่วนที่ค่อนข้างใหญ่สำหรับอุปกรณ์หรือตัวป้องกันระดับที่สาม พลังงานจะถูกส่งและจำเป็นต้องดูดซับเพิ่มเติมโดยตัวป้องกันระดับที่สอง ในเวลาเดียวกัน สายส่งสัญญาณที่ผ่านอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าระดับแรกจะเหนี่ยวนำการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของฟ้าผ่า เมื่อสายยาวเพียงพอ พลังงานของฟ้าผ่าที่เหนี่ยวนำจะมีมากเพียงพอ โดยต้องใช้ตัวป้องกันระดับที่สองเพื่อปล่อยพลังงานฟ้าผ่าเพิ่มเติม ตัวป้องกันระดับที่สามจะป้องกันพลังงานฟ้าผ่าที่ตกค้างผ่านตัวป้องกันระดับที่สอง ตามระดับแรงดันไฟฟ้าที่ทนต่ออุปกรณ์ที่มีการป้องกัน หากการป้องกันฟ้าผ่าสองระดับสามารถจำกัดแรงดันไฟฟ้าให้ต่ำกว่าระดับแรงดันไฟฟ้าที่ทนต่ออุปกรณ์ได้ จำเป็นต้องมีการป้องกันเพียงสองระดับ หากระดับแรงดันไฟฟ้าที่ทนต่ออุปกรณ์ต่ำ สี่ระดับหรือระดับการป้องกันที่มากกว่า

สายสัญญาณ สพป

ด้วยการประยุกต์ใช้ระบบข้อมูลอย่างกว้างขวาง เนื่องจากมีสายเครือข่ายจำนวนมากและระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ฟ้าผ่าจึงเป็นอันตรายต่อระบบข้อมูลมากขึ้นเรื่อยๆ อันตรายจากฟ้าผ่าต่อระบบข้อมูลส่วนใหญ่เกิดจากพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าของฟ้าผ่า ซึ่งรวมถึงคลื่นไฟฟ้าแรงสูงฟ้าผ่าที่เกิดขึ้นตามสาย การโต้กลับที่มีศักยภาพสูงที่เกิดจากกระแสฟ้าผ่าบนสายดิน การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟ้าผ่า สนามแม่เหล็กไฟฟ้า มาตรการป้องกันสำหรับพัลส์แม่เหล็กไฟฟ้ารวมถึงการสกัดกั้น การแบ่ง การเชื่อมศักย์เท่ากัน การป้องกัน การต่อลงดิน และการเดินสายที่เหมาะสม การติดตั้ง SPD บนสายสัญญาณเป็นมาตรการที่สำคัญสำหรับระบบข้อมูลเพื่อป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มันสามารถเล่นบทบาทของการสกัดกั้น การหลบเลี่ยง และการเชื่อมโยงที่มีศักยภาพเท่าเทียมกัน สายสัญญาณ SPD ควรเชื่อมต่อกับพอร์ตสัญญาณของอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกัน เทอร์มินัลเอาต์พุตเชื่อมต่อกับพอร์ตของอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกัน ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นการเชื่อมต่อแบบอนุกรมและการเชื่อมต่อแบบขนาน และโดยทั่วไปจะติดตั้งเป็นอนุกรมบนสายสัญญาณ ดังนั้น เมื่อเลือก SPD ของสัญญาณ ควรเลือก SPD ที่มีการสูญเสียการแทรกน้อยกว่า