K aktuálním problémům zabezpečovací techniky v dopravě IV. 26. května 2011 Měření a testování odolnosti přepěťových ochran RAYCAP nestandardními testy ve zkušebně vvn KEE ZČU Plzeň Ing. Zdeněk Kubík, Doc. Ing. Jiří Skála Ph.D.

OBSAH PREZENTACE Parametry varistorů Varistory Strikesorb Normalizace přepěťových ochran Standardní testy varistorů Nestandardní testy varistorů Zhodnocení výsledků

PARAMETRY VARISTORŮ Varistor = variable resistor -použití: ochrana proti přepětí (desítky až tisíce voltů) -polovodičová součástka (materiál ZnO, SiC) -granulkovitá vnitřní struktura:

PARAMETRY VARISTORŮ VA charakteristika varistoru -popsána rovnicí: kde I je proud varistorem k je konstanta typu varistoru U je napětí na varistoru α je stupeň nelinearity vodivosti -rozdělení na tři oblasti: - svodová oblast - pracovní oblast - zkratová oblast

PARAMETRY VARISTORŮ Základní parametry varistorů: – maximální trvalé pracovní napětí – je to maximální napětí, které může být připojeno trvale na elektrody varistoru; – varistorové napětí – je napětí na elektrodách varistoru, pokud jím protéká proud 1mA; – maximální spínací napětí – je napětí, které je na elektrodách varistoru při použití proudové vlny; – maximální neopakovatelný proud – je proud definovaný proudovou vlnou 8/20μs; – absorbovaná energie – je dána vztahem: kde u je napětí na varistoru, i je proud varistorem.

VARISTORY STRIKESORB

STRIKESORB 40-B Provozní napětí Vn240V Maximální trvalé provozní napětí300V Varistorové napětí (5mA) AC526V Varistorové napětí (5mA) DC506V Pracovní kmitočet Hz Svodový proud (při Vn)400µA max. Maximální spínací napětí1200V Maximální opakovatelný proud140kA/7.5kA Provozní teplota-40 až +85°C -Katalogové hodnoty varistoru Strikesorb 40-B [4]:

STANDARDY PŘEPĚŤOVÝCH OCHRAN -Všeobecná norma: -ČSN EN : - Část 11: Přepěťová ochranná zařízení Ochrany před přepětím nízkého napětí zapojená v sítích nízkého napětí - Požadavky a zkoušky [2] -Pro přepěťové ochrany třídy III: -ČSN EN : Elektromagnetická kompatibilita (EMC) - Část 4-5: Zkušební a měřicí technika - Rázový impulz - Zkouška odolnosti [3] -Definice generátoru kombinované vlny -Špičkové amplitudy napětí naprázdno a proudu nakrátko

STANDARDY PŘEPĚŤOVÝCH OCHRAN Napěťová vlna (obvod naprázdno): Proudová vlna (obvod nakrátko):

STANDARDY PŘEPĚŤOVÝCH OCHRAN Vztah mezi špičkovými hodnotami: Špičkové napětí ±10%Špičkový proud ±10% 0,5 kV0,25 kA 1 kV0,5 kA 2 kV1 kA 4 kV2 kA Vnitřní odpor generátoru: 2Ω±10%

STANDARDNÍ TESTY VARISTORU Dle ČSN EN : –Třída ochrany III: Rázový generátor kombinované vlny 1.2/50µs + 8/20µs dle ČSN EN –Třída ochrany II: Rázový generátor proudové vlny 8/20µs –Třída ochrany I: Rázový generátor proudové vlny 10/350µs

GENERÁTOR 1.2/50µs Náhradní schéma generátoru kombinované vlny 1.2/50µs –Napěťová vlna – RL=10MΩ –Proudová vlna – RL=1mΩ

GENERÁTOR 1.2/50µs Vazební impedance: –9µF+10Ω mezi vodiči L(N) a PE –18µF mezi vodiči L a N

GENERÁTOR 1.2/50µs Vazební kapacita 18µF, U = 4kV U: Měřění = 967,7V; simulace = 922,7V I: Měření = 1660A; simulace = 1547A

GENERÁTOR 1.2/50µs Vazební kapacita 9µF+10Ω, U = 4kV U: Měřění = 1017V; simulace = 792,6V I: Měření =277,5A; simulace = 274,1A

NESTANDARDNÍ TESTY VARISTORU Pro test vybrán Marxův generátor –Ideální parametry: Výstupní napěťová vlna 1.2/50µs Špičkové výstupní napětí až 600kV Energie až 4kJ –Standardní generátor pro vysokonapěťové zkoušky –Nestandardní pro měření varistorů Důvod testu: zničení varistoru Strikesorb

MARXŮV GENERÁTOR Výstupní vlna 1.2/50µs Maximální napětí: Celková kapacita: Celková energie: Náš generátor: 600kV, 22,5nF, 4kJ

MARXŮV GENERÁTOR Napěťová vlna naprázdno Proudová vlna nakrátko (pouze simulace)

MARXŮV GENERÁTOR V = 200kV, přímé spojení U: měření = 848V; simulace = 881V / 46kV I: simulace = 1241A

MARXŮV GENERÁTOR V = 80kV, nepřímé spojení U: měření = 1068V; simulace = 830V I: simulace = 1241A

ZHODNOCENÍ Varistory Strikesobr – velmi odolná konstrukce s výborným odvodem tepla Pro daná měření vytvořeny počítačové simulace Výsledky standardních testů – po dlouhodobém testování se neprojevily žádné výrazné změny v chování varistoru (měřením VA charakteristiky a svodového proudu) Výsledky nestandardních testů – žádné změny v chování varistoru (měřením svodového proudu) ZÁVĚR: předpoklad pro provoz v náročných drážních podmínkách

ZHODNOCENÍ Absorbované energie varistorem

ZHODNOCENÍ MěřeníSimulace Surge generátorSpínací U1017V792.67V 4kV, 9+10Špičkový I277.5A274.1A Surge generátorSpínací U967.7V922.71V 4kV, 18Špičkový I1660A1547A Marxův generátorSpínací U1068V830V 80kV nepřímoŠpičkový I-1801A Marxův generátorSpínací U848V881V 200kV přímoŠpičkový I-1240A Sjednocené výsledky spínacích napětí a proudů

PODĚKOVÁNÍ Tímto bychom rádi poděkovali společnosti Raycom s.r.o. za zapůjčení vzorků varistorů Strikesorb a také kolegům z katedry elektroenergetiky ZČU, především panu Ing. Miroslavovi Hromádkovi za vstřícný přístup a pomoc při měření v laboratoři velmi vysokého napětí.

POUŽITÁ LITERATURA [1] EPCOS: SIOV metal oxide varistor - General technical information, 2007 [2] ČSN EN : Ochrany před přepětím nízkého napětí - Část 11: Přepěťová ochranná zařízení zapojená v sítích nízkého napětí - Požadavky a zkoušky. Změna A11, Praha: ČNI, 2007 [3] ČSN EN : Elektromagnetická kompatibilita (EMC) - Část 4-5: Zkušební a měřicí technika - Rázový impulz - Zkouška odolnosti, Praha: ČNI, 2007 [4] Strikesorb Product Information [online], [cit. 19.dubna 2011], dostupné na Internetu:

K aktuálním problémům zabezpečovací techniky v dopravě IV. 26. května 2011 Děkuji za pozornost.

K aktuálním problémům zabezpečovací techniky v dopravě IV. 26. května 2011 Děkuji za pozornost.

GENERÁTOR 8/20µs HAKELGUN 240 Generátor proudových zkušebních impulsů s provozní kapacitou do Imax = 240 kA kel%2Fzkusebna_cz.pdf

GENERÁTOR 10/350µs HAKELGUN 200BB Generátor impulsů bleskového proudu s provozní kapacitou do 210 kA y%2Fhakel%2Fzkuseb na_cz.pdf