Modos de falha de limitação de tensão SPD s (varistores)

Como um componente central da limitação de tensão SPD Os modos de falha do varistor (MOV) decorrem principalmente das propriedades físicas do material e do estresse elétrico. O principal modo de falha é a falha por curto-circuito e sua consequente ruptura térmica. Quando submetido a correntes de pico que excedem sua tolerância (um único evento de grande energia ou múltiplos eventos de energia cumulativos) ou exposição prolongada a estresse por sobretensão de frequência de energia (TOV), a estrutura de contorno de grão do varistor sofre degradação irreversível. Isso pode se manifestar como:

A corrente de fuga aumenta significativamente : A barreira de contorno de grão é destruída, resultando em um aumento acentuado na corrente de fuga na tensão operacional nominal e geração significativa de calor Joule.

Ruptura térmica: O aumento da corrente de fuga faz com que a temperatura do dispositivo continue a subir, e o aumento da temperatura reduz ainda mais a resistência do contorno de grão, fazendo com que a corrente de fuga aumente, formando um ciclo de feedback positivo vicioso. Esse processo, em última análise, faz com que a temperatura do varistor aumente acentuadamente até o ponto de fusão ou decomposição do material.

Falha de curto-circuito : Durante ou ao final da ruptura térmica, o material interno do varistor derrete, carboniza ou forma um caminho condutor, fazendo com que sua resistência caia drasticamente para um estado próximo ao de curto-circuito. Nesse ponto, se o dispositivo de proteção térmica interno do DPS (como um fusível térmico ou mecanismo de liberação por mola) não desconectar o varistor da rede elétrica de forma rápida e confiável, uma corrente contínua de curto-circuito na frequência de alimentação fluirá pelo varistor com falha.

Risco de incêndio : A corrente contínua de alta frequência que flui através do ponto de falha de curto-circuito gera calor extremo, fazendo com que o varistor ou os materiais ao redor queimem violentamente, formem um arco voltaico ou até mesmo explodam, representando um risco significativo de incêndio. Este é o estado mais perigoso após a falha de um DPS limitador de tensão, portanto, um mecanismo de disparo térmico integrado confiável é crucial.

Modos de falha de comutação de SPDs (lacuna de grafite)

Como representantes de SPDs de comutação (geralmente centelhadores), os gaps de grafite apresentam modos de falha fundamentalmente diferentes dos varistores, manifestando-se principalmente como "falha de circuito aberto" ou "degradação de desempenho". A falha é causada principalmente pela erosão do eletrodo durante a descarga e pela interrupção contínua da corrente na frequência de energia.

Erosão e degradação do eletrodo : Cada vez que uma corrente de surto é descarregada, os eletrodos (especialmente os eletrodos de grafite) sofrem erosão (sublimação, oxidação e fusão) sob a ação do arco de alta temperatura. À medida que o número de operações aumenta, a folga entre os eletrodos aumenta, fazendo com que a tensão de ignição da descarga (tensão de ruptura CC, tensão de ruptura por impulso) aumente gradualmente. Isso pode degradar o nível de proteção do DPS (tensão residual) e reduzir sua eficácia. O aumento da rugosidade da superfície do eletrodo pode afetar a estabilidade e a consistência da descarga. A perda severa de material do eletrodo e a erosão podem levar ao afinamento ou até mesmo à perfuração do eletrodo.

Falha na interrupção da frequência de energia de corrente contínua : Este é o principal risco de falha do DPS de comutação. Após o surto, a corrente contínua de frequência de energia, mantida pela tensão do sistema, pode se formar no gap. O gap deve interrompê-lo de forma confiável em seu primeiro ponto de cruzamento de corrente por zero. A ablação severa do eletrodo leva à baixa dissipação de calor e à redução da capacidade de dissipação; a capacidade de curto-circuito do sistema é muito grande e a amplitude da corrente contínua é muito alta; defeitos de projeto ou fabricação do gap (como vedação inadequada, alterações na composição do gás) resultarão na incapacidade de interromper a corrente contínua dentro do tempo esperado, e o gap continuará a conduzir corrente de frequência de energia, formando um curto-circuito de fato.

Falha de circuito aberto : Após a falha da interrupção da corrente contínua de frequência de energia, se o dispositivo de proteção de backup do DPS (como um fusível ou disjuntor) funcionar corretamente, ele interromperá a corrente contínua de frequência de energia, mas também desconectará todo o DPS (ou o ramo de gap) do sistema, resultando em um estado de circuito aberto permanente e perda de proteção. Ablação ou danos físicos extremamente graves (como perfuração do eletrodo ou rachaduras no invólucro) também podem fazer com que o gap não consiga mais estabelecer uma descarga efetiva, resultando em um estado de circuito aberto.

O risco de incêndio é relativamente baixo (comparado a uma falha de curto-circuito) Mesmo que ocorra uma falha de interrupção, desde que o dispositivo de proteção de backup opere prontamente para interromper a corrente de frequência de energia, geralmente não produz o ponto de aquecimento persistente de alta energia que ocorre com um varistor em uma falha de curto-circuito. O estado de circuito aberto após a falha também significa que a corrente não flui mais pelo ponto de falha. O principal risco físico são os fortes arcos voltaicos e jatos de gás que podem ocorrer durante a falha de interrupção, mas a duração é geralmente curta (dependendo do tempo de operação da proteção de backup) e o risco geral de incêndio é menor do que o de um varistor em um estado de curto-circuito persistente.