أجهزة SPD المتصلة بالتوازي وأجهزة SPD/المرشحات المتصلة على التوالي

عند تصميم وتركيب أنظمة توزيع الطاقة، يجب على المهندسين والمقاولين اختيار أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs) لحماية المعدات والأنظمة الكهربائية من زيادة الجهد العابرة. للقيام بذلك، يجب على واضعي المواصفات فهم الاختلافات بين أجهزة الحماية من زيادة التيار المتصلة بالتوازي والمتصلة على التوالي، وأفضل مكان لتطبيق كل نوع من الأجهزة. يلخص السرد التالي تصميم ووظيفة أجهزة الحماية من زيادة التيار المتصلة بالتوازي والمتصلة على التوالي، ويصف بعض التطبيقات الشائعة لكل منها.

ملخص

يتضمن التطبيق الصحيح معرفة نوع الجهاز الذي يتم تركيبه وكيفية توصيل SPD بنظام توزيع الطاقة. بشكل عام، يتم تثبيت جهاز متصل بالتوازي على لوحة توزيع كهربائية أو لوحة توزيع، عادةً إلى فصل خدمة مخصص، مثل قاطع الدائرة. بدلاً من ذلك، يتم توصيل المرشحات المتصلة على التوالي بشكل مستقل بالقرب من معدات الحمل المحمية. يوضح الشكل 1 والشكل 2 كل نوع.

 

 

الأجهزة المتصلة بشكل متوازي

تستخدم أجهزة SPD المتصلة بالتوازي في أغلب الأحيان المقاومات المتغيرة من أكسيد المعدن (MOVs) لتحويل الجهد الزائد المؤقت من الأحمال. لا توصل هذه المكونات الحساسة للجهد إلا عندما يتجاوز جهد الارتفاع مستوى تثبيت المقاوم المتغير. وكما هو موضح في الشكلين 3 و4، تبدأ أجهزة SPD هذه في تحويل الجهد الزائد عندما يتجاوز الجهد مستوى التثبيت. يُعرف الجهد المتبقي الموجود أسفل مستويات التثبيت، ولكن فوق الموجة الجيبية، باسم الجهد المتسرب.

 

في أجهزة SPD المتصلة بالتوازي، يتم توصيل MOVs عبر كل وضع من أوضاع النظام الكهربائي. تعتمد أطوال مسارات زيادة التيار الناتجة على أطوال الموصلات المثبتة لتوصيل الوحدة بدائرتها. يؤثر طول الأسلاك بشكل مباشر على أداء الجهاز، حيث تعادل أطوال الأسلاك الأكبر جهدًا أكبر للمرور. وبالتالي، يجب تركيب أجهزة SPD المتصلة بالتوازي بالقرب قدر الإمكان من لوحات التحكم التي تحميها. يوضح الشكل 5 مسارات زيادة التيار عبر جهاز متصل بالتوازي.

 

تتمتع أجهزة SPD المتصلة بالتوازي بالقدرة على تثبيت التيارات العابرة عالية الطاقة ومنخفضة التردد. وتتضمن مزاياها انخفاض التكلفة والحجم الأصغر من الأجهزة المتصلة على التوالي، وإجراءات التركيب التي لا تتطلب انقطاع التيار الكهربائي عن الأحمال. وتتضمن عيوبها اختلافات الأداء وفقًا لطول الأسلاك المثبتة، وفولتية المرور اللحظية التي تختلف حسب زاوية الطور، وعدم وجود تخفيف للضوضاء عالية التردد.

الأجهزة المتصلة على التوالي

Series-connected devices fall into two broad categories – series-connected SPDs and series-connected filters. Typically, series-connected SPD designs are wired in series, but internal suppression components are connected in parallel to the circuit. The benefit of this configuration is that lead length is not added during installation, allowing the device to clamp impulses at tighter levels than a parallel-connect unit. The ampere ratings of series-connected units are limited by their lug or terminal block characteristics.

Series-connected filters are designed to protect sensitive equipment, such as computers and digitally controlled equipment, from high-frequency noise that could disrupt reliable operation. Manufacturers offer these products to provide protection from high-frequency, low-energy transient overvoltages as well as noise filtering. As shown in Figure 6, these devices mitigate voltage whenever transient voltages exceed the instantaneous nominal voltage by a specified amount, regardless of phase angle.

Series-connected filters use a low-pass circuit (consisting of series-connected inductors, capacitors, and resistors) to eliminate high-frequency noise. Because the entire load current passes through the components, the device must be designed to pass all of the current carried by the circuit it serves. As a result, series-connected filters are typically larger and more costly than parallel-connected devices.

Series-connected filters employ many different technologies. Figure 7 below shows a typical hybrid design with MOVs acting as a first line of defense, clamping the initial overvoltage event. The inductors and capacitors then mitigate the remaining let through voltage, providing a filtered sign wave to the connected equipment.

 

Figure 7: Phase-to-Ground, Phase-to-Neutral, and Neutral-to-Ground pathways in a series-connected filter

Benefits of series-connected devices include mitigation of potentially damaging high-frequency noise, a tighter clamping voltage, and performance that is independent of installation practices.

DEVICE SELECTION

During the design process, specifiers must decide where to use parallel-connected SPDs and where to use series-connected filters. The appropriate selection could depend on whether protection is needed against damage to equipment, disruption of operations, or both. It also depends on the location in the power distribution where the device will be installed.

Differing types of transients are likely to occur at different locations within a power distribution system. Studies show that 20-30 percent of transient overvoltages originate externally, from environmental and utility sources, and are more likely to consist of high-energy, low-frequency impulses. That means 70-80 percent originate from equipment and operations inside of a facility, and are more likely to consist of low-energy, high-frequency noise, such as ring waves. If destructive high-energy transients pose the greatest risks, then a parallel-connected device is likely to be the most cost effective solution. Consequently, parallel-connected devices are most often used at or near a building’s service entrance and on panels and equipment that manage large amounts of load. If sensitive equipment could be disrupted by highfrequency noise, then a series-connected filter may be the best choice. Where multiple types of transients may occur or where the characteristics of any power disturbance are unknown, then a staged strategy involving both parallel-connected and series-connected devices should be used. Effective protection is often provided when parallel-connected SPDs are installed at service entrances and distribution panels, and series-connected devices are installed near load equipment.

SUMMARY

Parallel-connected SPDs typically use voltage-sensitive MOVs that conduct current only when line voltage exceeds their maximum continuous operating voltage. Parallel-connected SPDs are capable of clamping high-energy, low-frequency transients.

Series-connected filters provide protection from low-energy transient overvoltages as well as noise filtering. These devices provide consistent clamping of let-through voltages regardless of phase angle, and are usually installed close to critical loads.

Cascading parallel-connected devices at service entrances and power distribution panels, coupled with series-connected devices at both load equipment and internal sources of transients and noise, can provide comprehensive protection from a range of potentially damaging and disruptive surge events.