เรียนรู้หลักการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก?
ผมยังคงได้กลิ่นน้ำมันเคลือบเงาไหม้จากการทดสอบที่เราทำเมื่อปีที่แล้วอยู่เลย—แค่ฟ้าผ่า 6 กิโลโวลต์ครั้งเดียว แผงวงจรจำลองก็ดำสนิทภายในครึ่งวินาที
อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากทำงานโดยการดักจับพลังงานส่วนเกินและส่งลงดิน จากนั้นจะจำกัดแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ต่ำกว่าระดับที่อาจเป็นอันตรายต่อเครื่องใช้ไฟฟ้าของคุณ ผมผลิตอุปกรณ์เหล่านี้ทุกวันในเมืองเหวินโจว และทดสอบตามมาตรฐาน IEC 61643-11
ถ้าคุณรู้เคล็ดลับ คุณก็จะสามารถเลือกชิ้นส่วนที่ถูกต้องและหยุดจ่ายเงินสำหรับสเปคที่คุณไม่เคยใช้ได้ อ่านต่อ แล้วฉันจะแสดงให้คุณเห็นถึงส่วนประกอบภายในของอุปกรณ์นี้
เป้าหมายหลัก: การถ่ายโอนพลังงานและการจำกัดแรงดันไฟฟ้า?
ผมเคยเห็นกระแสไฟกระชาก 40 kA พลาดไปแค่หนึ่งไมโครวินาทีเพราะ MOV (อุปกรณ์แปลงไฟแบบ MOV) ตัดการทำงานทันเวลา แผ่นดิสก์ขนาดเล็กนั้นช่วยปกป้องอินเวอร์เตอร์ราคา 12,000 ดอลลาร์ไว้ได้
เป้าหมายหลักสองประการคือ: (1) ย้ายพลังงานกระชากลงสู่พื้นดินอย่างรวดเร็ว และ (2) รักษาแรงดันไฟฟ้าที่ไปถึงโหลดให้อยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดที่ปลอดภัยที่เขียนไว้ในเอกสารข้อมูล
พลังงานเคลื่อนที่อย่างไรภายในกล่อง
กระแสไฟกระชากเกิดขึ้นในสายส่ง ความต้านทานของ MOV ลดลงจากเมกะโอห์มเหลือโอห์มในเวลาเพียงไม่กี่นาโนวินาที กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอุปกรณ์ได้ง่าย จากนั้นไหลลงสู่สายดินสีเขียวเหลือง ยิ่งสายไฟร้อนมากเท่าไหร่ ความต้านทานก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ดังนั้นเราจึงใช้สายทองแดงขนาด 6 มม.² และรักษาความยาวของสายไฟให้ต่ำกว่า 50 ซม. ความยาวที่เกินมาจะเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำ 1 µH และนั่นจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ไหลผ่าน 1 kV ลูกค้ามักลืมรายละเอียดนี้และโทษชิ้นส่วนเมื่อแผงวงจรยังคงเสียหายอยู่ดี
แรงดันหน่วงเทียบกับแรงดันผ่าน
คนส่วนใหญ่มักสับสนระหว่างตัวเลขสองตัวนี้ แรงดันหนีบ (Clamping voltage) คือแรงดันที่ MOV ตรวจจับได้ ส่วนแรงดันที่ไหลผ่าน (Let-through voltage) คือแรงดันที่โหลดตรวจจับได้หลังจากสายเคเบิลลดระดับลง ผมมักจะระบุทั้งสองค่าลงในเอกสารทดสอบเสมอ ชิ้นส่วนที่หนีบแรงดันไว้ที่ 700 V อาจยังปล่อยให้แรงดัน 1,200 V ไปถึง VFD ได้หากสายดินยาว 80 ซม. ตัดสายดินให้สั้นลง ปัญหาก็จะลดลง
ข้อมูลจริงจากห้องปฏิบัติการของเรา
| ระดับการกระชาก | ขนาดไฟล์ MOV | ตะกั่วโลก | การปล่อยผ่าน | ผลลัพธ์ |
| 20 kA 8/20 µs | แผ่นดิสก์ขนาด 32 มม. | 25 ซม. | 980 โวลต์ | ผ่าน |
| 20 kA 8/20 µs | แผ่นดิสก์ขนาด 32 มม. | 80 ซม. | 1.450 โวลต์ | ล้มเหลว |
| 40 kA 8/20 µs | แผ่นดิสก์ขนาด 40 มม. | 25 ซม. | 1.050 โวลต์ | ผ่าน |
ตารางแสดงให้เห็นว่าความยาวของสายเคเบิลสำคัญกว่าขนาดของ MOV ผมบอกผู้ซื้อทุกคนเสมอว่า ให้ลงทุนเพิ่มอีกสักหนึ่งดอลลาร์กับสายไฟสั้นๆ ดีกว่าลงทุนเพิ่มอีกห้าดอลลาร์กับชิ้นส่วนที่ใหญ่กว่า
เหตุผลที่เราเพิ่มท่อปล่อยก๊าซในดีไซน์แบบไฮบริด
MOV จะเสื่อมสภาพหลังจากถูกกระแทกอย่างแรง ส่วน GDT สามารถรับแรงกระแทกได้หลายครั้งกว่า แต่ทำงานช้ากว่า เราจึงต่ออุปกรณ์ทั้งสองแบบขนานกัน MOV จะเริ่มทำงานก่อนและจำกัดกระแสในช่วง 100 นาโนวินาทีแรก จากนั้น GDT จะทำงานและรับกระแสส่วนใหญ่ MOV จึงได้พักและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ปัจจุบันระบบไฮบริดเป็นสินค้าขายดีที่สุดของเราสำหรับฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ในเยอรมนี เพราะทีมงานต้องการอายุการใช้งาน 20 ปี ไม่ใช่แค่ 5 ปี
ส่วนประกอบหลักและกลไกการป้องกันแบบลำดับชั้น?
ผมเปิดกล่องอุปกรณ์ Type 1+2 ตัวหนึ่ง แล้วก็เห็น MOV, GDT, ฟิวส์ และสวิตช์ความร้อนขนาดเล็กที่ส่งเสียงคลิกเหมือนกาต้มน้ำร้อนเวลาที่มันใกล้หมดไฟ
ส่วนประกอบหลักได้แก่: (A) วาริสเตอร์หรือ GDT ที่กินพลังงาน (B) สวิตช์ตัดวงจรความร้อนที่ป้องกันไฟไหม้ และ (C) ฟิวส์สำรองที่ตัดวงจรลัดวงจร เราวางส่วนประกอบเหล่านี้ซ้อนกันสามชั้นเพื่อให้เข้ากับระบบสายไฟในโรงงาน
ชั้นที่หนึ่ง: ประเภทที่ 1 ที่ประตูบริการ
ส่วนนี้รับฟ้าผ่าโดยตรง เราใช้หลอดพัลส์ 25 kA 10/350 µs บวกกับบล็อก MOV 50 kA เป้าหมายคือลดแรงดันฟ้าผ่าจาก 1,000 kV ให้ต่ำกว่า 4 kV ก่อนที่จะเข้าสู่แผงสวิตช์ เราติดตั้งบนราง DIN ขนาด 35 มม. และต่อด้วยสายทองแดงขนาด 16 มม.² เข้ากับแท่งกราวด์หลัก รูยึดน็อตเพียงรูเดียวที่อยู่ในตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องจะเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำ 2 µH และแรงดันไฟ 2 kV ผมตรวจสอบแบบร่างสองครั้งแล้ว ผู้ซื้อจึงไม่ต้องเจอปัญหาหม้อแปลงไฟฟ้าไหม้
ชั้นที่สอง: ประเภทที่ 2 ที่แผงย่อย
ชั้นนี้ช่วยป้องกันไฟกระชากที่เกิดจากการกระแทกหรือการสลับมอเตอร์ขนาดใหญ่ในบริเวณใกล้เคียง เราเลือกใช้ MOV ขนาด 40 kA 8/20 µs ที่มีระบบตัดการเชื่อมต่อด้วยความร้อน ชิ้นส่วนนี้เสียบปลั๊กได้ ทำให้ผู้ใช้สามารถเปลี่ยนได้โดยไม่ต้องตัดไฟ เราเพิ่มไฟ LED สีเขียวที่จะดับลงเมื่อชิ้นส่วนนั้นเสีย ผู้จัดการไซต์งานในมิลานบอกผมว่า เขาตรวจสอบแผงควบคุม 50 แผงได้ภายในสิบนาที เพียงแค่เดินไปตามทางเดินและนับจุดสีเขียว
ชั้นที่สาม: ประเภทที่ 3 ที่จุดโหลด
ไดรฟ์, PLC และพีซี จำเป็นต้องมีอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟรั่วเฉพาะจุด เราใช้หน่วย 10 kA 8/20 µs ที่มีแรงดันไฟผ่านต่ำกว่า 900 V ชิ้นส่วนนี้สามารถติดตั้งในกล่องติดผนังหรือภายในรางปลั๊กไฟได้ สายเคเบิลจาก Type 2 ไปยังโหลดต้องมีความยาวไม่เกิน 10 เมตร หากระยะทางยาวกว่านั้น เราจะเพิ่ม Type 3 อีกตัวหนึ่ง ผมเคยช่วยประหยัดเงินค่าเซอร์โวมอเตอร์ไป 4,000 ดอลลาร์ โดยการเพิ่มอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟรั่วแบบปลั๊กไฟราคา 9 ดอลลาร์ เพราะแผงควบคุมอยู่ห่างออกไป 30 เมตร
วิธีการที่ชั้นต่างๆ สื่อสารกัน
พลังงานก็เหมือนน้ำ ถ้าเขื่อนแรกเต็ม เขื่อนที่สองก็ต้องพร้อมสร้าง เรากำหนดระดับแรงดันไฟฟ้าเป็นขั้นๆ: ตัวหนีบแบบที่ 1 ที่ 1.8 kV, แบบที่ 2 ที่ 1.4 kV, แบบที่ 3 ที่ 0.9 kV ชั้นล่างจะไม่เริ่มทำงานก่อนชั้นบน ดังนั้นแต่ละส่วนจึงรับภาระร่วมกัน เราทดสอบวงจรทั้งหมดในห้องปฏิบัติการของเราโดยใช้สามยูนิตต่ออนุกรมและกระแสไฟ 100 kA แรงดันไฟฟ้าที่ไหลผ่านที่ซ็อกเก็ตปลายคือ 720 V ซึ่งปลอดภัยสำหรับไดรฟ์ 230 V ใดๆ
รายการชิ้นส่วนที่เราใช้ทุกวัน
| ส่วนหนึ่ง | บทบาท | สเปค | วงจรชีวิต |
| MOV 40 มม. | แคลมป์ | 40 kA 8/20 µs | 20 เพลงฮิต |
| สวิตช์ความร้อน | หยุดไฟไหม้ | 120 องศาเซลเซียส | ช็อตเดียว |
| ฟิวส์ 6 A gG | สั้น ชัดเจน | แรงดึง 50 kA | ช็อตเดียว |
| หลอด GDT | สำรองข้อมูล | ประกายไฟ 600 โวลต์ | 100 ครั้ง |
| LED + ตัวต้านทาน | สถานะ | กระแสระบาย 2 mA | 10 ปี |
การทำงานร่วมกันและการสำรองข้อมูลด้านความปลอดภัย?
ฉันยังจำวันนั้นได้ดี วันนั้นฟิวส์ความร้อนขาด และสัญญาณเตือนสีแดงบอกให้ช่างเปลี่ยนอุปกรณ์ ไม่มีเรื่องวุ่นวาย ไม่มีไฟไหม้ แค่พักห้านาทีเท่านั้น
อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) ต้องทำงานร่วมกับเบรกเกอร์ ระบบสายดิน และการเดินสายเคเบิล เราเพิ่มฟิวส์ความร้อน สวิตช์ขนาดเล็ก และสัญญาณระยะไกล เพื่อให้ทีมงานหน้างานทราบว่าชิ้นส่วนใดทำงานผิดปกติ และระบบสำรองที่ปลอดภัยจะเข้ามาทำงานแทน
เหตุใดผู้ที่มีภาวะ SPD จึงต้องการเบรกเกอร์เป็นเพื่อน
MOV อาจเกิดการลัดวงจรเมื่อมันเสีย ฟิวส์สำรองต้องตัดวงจรให้เสร็จก่อนที่แผงควบคุมจะไหม้ เราเลือกฟิวส์ให้ตรงกับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรของ MOV MOV ขนาด 40 kA จะเสียเมื่อเกิดการลัดวงจรที่ 1 kA เราจึงเลือกฟิวส์ gG ขนาด 6 A ที่ตัดวงจรได้ภายใน 0.1 วินาที ที่กระแส 1 kA ฟิวส์จะไม่ขาดเมื่อเกิดกระแสไฟกระชากปกติ เพราะมันเกิดขึ้นเพียงไม่กี่ไมโครวินาที การคำนวณอาจดูซับซ้อน แต่ได้ผล ผมให้แผนภูมิฟิวส์แก่ผู้ซื้อเพื่อให้ช่างไฟฟ้าไม่ต้องเดา
การส่งสัญญาณระยะไกลสำหรับไซต์ขนาดใหญ่
ลูกค้ารายหนึ่งใช้งานเตาหลอมแก้วตลอด 24 ชั่วโมง 7 วันต่อสัปดาห์ เขาไม่สามารถเดินตรวจโรงงานได้ทุกสัปดาห์ เราจึงติดตั้งไมโครสวิตช์ไว้ภายใน SPD ซึ่งจะทำงานเมื่อแผ่นความร้อนเปิดออก สวิตช์นี้จ่ายไฟไปยังอินพุต PLC 24 โวลต์ ไฟสีแดงบน HMI จะแสดงว่า “SPD เสีย” ผู้ปฏิบัติงานจะโทรหาเรา เราจะจัดส่งตลับสำรองให้ และเขาจะเปลี่ยนในกะถัดไป ไม่มีการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดเลยตลอดสองปีที่ผ่านมา
การประสานงานกับ RCD และเครื่องตรวจจับประกายไฟ
วิศวกรบางคนกังวลว่ากระแสไฟรั่วจากอุปกรณ์ป้องกันกระแสไฟรั่ว (SPD) จะทำให้เบรกเกอร์ตัดไฟรั่ว (RCD) ทำงาน เราจึงควบคุมกระแสไฟรั่วให้อยู่ต่ำกว่า 0.3 มิลลิแอมป์ ที่แรงดัน 230 โวลต์ เบรกเกอร์ตัดไฟรั่วขนาด 30 มิลลิแอมป์จึงไม่สามารถตรวจจับได้ หากสถานที่ติดตั้งใช้เครื่องตรวจจับประกายไฟ เราจะเพิ่มตัวกรอง EMI ไว้ด้านหน้า SPD เพื่อป้องกันไม่ให้การหน่วงความถี่สูงหลอกเครื่องตรวจจับ เราได้ทดสอบส่วนประกอบนี้ที่ TÜV Rheinland และผ่านการรับรองแล้ว
ตัวชี้วัดผลการดำเนินงานหลัก?
ผมติดตามตัวเลขสามอย่างในทุกการจัดส่ง ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าที่ผ่านเข้าไป อัตราความล้มเหลวต่อ 1,000 ชิ้น และเวลาในการเปลี่ยนชิ้นส่วน ณ สถานที่ติดตั้ง หากพบค่าใดๆ ผิดปกติ ผมจะหยุดสายการผลิตทันที
ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลัก (KPI) ได้แก่: (1) ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า (Up) ที่วัดในห้องปฏิบัติการ (2) จำนวนครั้งที่ไฟกระชากหมดอายุการใช้งานก่อนการสึกหรอ และ (3) เวลาเฉลี่ยในการเปลี่ยน (MTTR) ในระบบใช้งานจริง ฉันบันทึกข้อมูลเหล่านี้สำหรับทุกชุดที่เราขาย
เหตุใดการปล่อยให้ผ่านจึงสำคัญที่สุด
การลดแรงดันไฟขึ้น 200 โวลต์ สามารถยืดอายุการใช้งานของฮาร์ดไดรฟ์ได้เป็นสองเท่า เราทดสอบแผ่นดิสก์ MOV ทุกแผ่นที่กระแสไฟ 100% และบันทึกแรงดันไฟ แผ่นดิสก์ที่อ่านค่าได้สูงจะถูกส่งไปยังสายการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งการจำกัดแรงดันไฟมีความสำคัญน้อยกว่า ส่วนแผ่นดิสก์ที่อ่านค่าได้ต่ำจะถูกส่งไปยังสายการผลิต PLC ของเยอรมนี กระบวนการนี้เพิ่มเวลาในการผลิตขึ้นหนึ่งชั่วโมง แต่ลดข้อผิดพลาดในภาคสนามลงได้ 40% ผมจ่ายค่าแรงหนึ่งชั่วโมง และประหยัดค่าใช้จ่ายในการเรียกช่างมาซ่อมตอนกลางคืน
การทดสอบนับจำนวนชีวิตที่เราดำเนินการ
เราใช้กระแสไฟ 20 kA ยิงใส่ชิ้นส่วนเดิมทุกๆ ห้านาที จนกระทั่งสวิตช์ความร้อนทำงาน ตัวที่ทนทานที่สุดใช้งานได้ 27 ครั้ง เราเผยแพร่กราฟลงในเอกสารข้อมูล ผู้ซื้อเห็นว่าชิ้นส่วนยังคงใช้งานได้หลังจากใช้งานกับกระแสไฟกระชากปกติมาสิบปี กราฟเดียวนี้ช่วยปิดการขายได้มากกว่าส่วนลดราคาที่ดีที่สุดของผมเสียอีก
บทสรุป
การถ่ายโอนพลังงาน การยึด การแบ่งชั้น การสำรองข้อมูล และตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่ชัดเจน นั่นคือทั้งหมดที่สำคัญ เลือกอุปกรณ์ป้องกันระบบทางเดินหายใจ (SPD) ที่มีคะแนนการรั่วไหลต่ำและอัตราการกลับคืนต่ำ แล้วคุณจะได้การนอนหลับที่ดี