3상 서지 보호기는 전기 서지를 줄이는 데 어떻게 작동합니까?

3상 시스템에서 서지 보호는 비정상적인 과전압을 감지하여 작동하며, 내부적으로 고임피던스 상태에서 저임피던스 상태로 전환하고, 서지 전류를 접지 또는 본딩 경로로 전환하고, 연결된 장비에 도달하는 전압을 제한합니다. 서지를 "차단"하지 않습니다. 서지가 민감한 부하에서 제어된 경로를 제공하여 피크 전압을 줄입니다. 그 결과 절연, 전원 공급 장치, 드라이브 및 제어 전자 장치에 대한 전기적 스트레스가 낮아집니다.

3상 시스템은 가능한 서지 경로가 더 많기 때문에 단상 시스템보다 이 접근 방식이 훨씬 더 필요합니다. 서지는 라인-그라운드(L-G), 라인-투-라인(L-L), 그리고 중립적이고 때로는 중립-그라운드(N-G)가 있는 시스템에서 나타날 수 있습니다. 따라서 3상 서지 보호 장치는 하나가 아닌 여러 과전압 모드를 동시에 관리하도록 제작되었습니다.

이 문서에서는 서지 보호 장치가 3상 전력 시스템에서 작동하는 방식, 과도 과전압을 전환 및 제한하는 방법, 다양한 SPD 유형(유형 1, 유형 2 및 유형 3)이 어떻게 사용되는지, 배치 및 조정이 실제 서지 감소 성능에 미치는 영향을 설명합니다.

3상 시스템에서 "전기 서지"가 의미하는 것 

과도 과전압이라고 하는 더 정확하게는 전기 서지가 매우 짧고 매우 빠른 전압 상승입니다. 일반적으로 마이크로초에서 몇 밀리초까지 지속됩니다. 가장 일반적인 두 가지 소스는 번개(직접 타격 또는 인근 라인에 대한 유도 효과)와 전기 시스템 내부의 전환 이벤트입니다.

산업용 및 상업용 3상 설치에서는 많은 서지가 내부적으로 생성됩니다. 대형 모터, 가변 주파수 드라이브, 접촉기 및 커패시터 뱅크는 모두 상당한 에너지를 전환합니다. 전류가 중단되거나 리디렉션될 때마다 시스템 인덕턴스는 전압 스파이크를 생성할 수 있습니다. 즉, 외부 유틸리티 공급이 안정적이더라도 시설은 여전히 빈번한 과도 과전압을 경험할 수 있습니다.

3상 SPD 작동 방식 

SPD(Surge Protective Device)라고 불리는 서지 보호 장치는 단순하지만 세심하게 설계된 원리로 작동합니다. 정상 작동 중에 보이지 않는 상태를 유지하고 전압이 위험해지면 전도성이 됩니다.

모니터링 및 임계값 동작

정상적인 조건에서 장치의 내부 보호 요소는 고임피던스 상태입니다. 이것은 그들이 거의 전류를 소비하지 않고 전력 시스템에 영향을 미치지 않는다는 것을 의미합니다. SPD는 효과적으로 전압을 지속적으로 "시청"합니다.

과도기가 정의된 임계값 수준 이상으로 전압을 밀어 넣으면 동작이 변경됩니다. 내부 요소는 전도성 상태로 빠르게 전환됩니다. 이 스위칭은 기계적인 것이 아니라 장치 내부의 부품의 전기적 특성으로 인해 발생합니다.

전환(현재 리디렉션) + 클램핑

SPD가 전도성이 되면 통전된 도체와 접지 또는 본딩 시스템 사이에 제어된 저임피던스 경로가 생성됩니다. 서지 전류는 민감한 장비를 통해 흐르는 대신 이 저임피던스 경로를 선호합니다.

동시에 장치는 부하에 걸쳐 나타날 수 있는 피크 전압을 제한합니다. 이것을 흔히 “클램핑”이라고 합니다. 전압이 0으로 감소하지 않는다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 특정 "잔류" 또는 "레지 스루" 전압은 항상 남아 있습니다. 이 잔류 전압을 충분히 낮게 유지하여 절연 시스템과 전자 부품이 손상되거나 과도하게 응력을 받지 않는 것이 목표입니다.

3상 네트워크의 다중 모드 보호

3상 시스템에서는 서지가 한 가지 방식으로만 나타나지 않습니다. 실용적인 장치는 여러 경로를 한 번에 처리해야 합니다.

• 선 대 접지(L-G)
  
• 선 대 선(L–L)
  
• 중립, 때로는 중립이 있는 시스템에서(N-G)
  

따라서 3상 서지 보호 장치가 내부적으로 이러한 모드를 함께 제어하도록 배열됩니다. 서지가 항상 접지를 참조한다고 가정하지 않습니다. 3상 장비의 많은 손상 과도 현상이 단계 사이에 나타납니다.

3상 서지 보호 장치 내부의 주요 구성 요소 

가장 현대적인 서지 보호 장치 필요한 전압 및 전류 레벨에 맞게 배열되고 조정된 소수의 입증된 구성 요소에 의존하십시오.

가장 일반적인 활성 요소는 금속 산화물 배리스터(MOV)입니다. MOV는 정상 전압에서 매우 높은 저항과 전압이 임계값을 초과할 때 낮은 저항처럼 작동합니다. 이 속성은 SPD가 "아무것도 하지 않는"에서 "전류 전환"으로 전환할 수 있는 것입니다.

MOV 및 유사한 요소가 많은 강한 서지 후에 과열되거나 열화될 수 있으므로 실용적인 장치에는 열 차단 또는 유사한 보호 기능도 포함됩니다. 이렇게 하면 실패한 구성 요소가 안전하지 않은 방식으로 시스템에 연결된 상태로 유지되는 것을 방지할 수 있습니다. 또한 많은 장치에는 보호 요소가 여전히 연결되어 있는지 여부를 표시하기 위해 창이나 LED와 같은 간단한 표시기가 포함되어 있습니다. 일부 설계는 제어 시스템에서 상태를 모니터링할 수 있도록 원격 경보 접점을 제공합니다.

중요한 실용적인 점은 이러한 장치가 영구적이지 않다는 것입니다. 서지 에너지를 흡수할 때마다 소량의 용량이 사용됩니다. 많은 사건에 걸쳐 천천히 저하됩니다. 이 "소모성" 동작은 정상이며 조건 표시기가 존재하는 이유입니다.

3상 시스템의 SPD 유형 

에 대한 조건 SPD 유형 전원 시스템에 장치가 설치된 위치와 직면하도록 설계된 서지 환경을 설명하십시오. 품질 수준이 아니라 응용 프로그램 범주입니다.

• 유형 1 서지 보호 장치: 본선 상류의 정비 입구 또는 매우 가까운 곳에 설치됩니다. 공급 라인의 번개 관련 이벤트와 같이 외부에서 발생하는 고에너지 서지를 처리하기 위한 것입니다.
  
• 유형 2 서지 보호 장치: 배전반, 모터 제어 센터 및 이와 유사한 내부 보드에 설치됩니다. 3상 산업용 및 상업용 패널을 들어오는 서지 및 내부에서 생성한 서지 모두로부터 보호하기 위한 가장 일반적인 선택입니다.
  
• 유형 3 서지 보호 장치: 민감한 장비에 가까운 곳에 설치. 큰 서지 에너지를 자체적으로 처리하는 것이 아니며 주요 서지를 보기 전에 줄이기 위해 업스트림 장치에 의존합니다.

• FDS20C/4-275 클래스 II
• 명칭: 유형2
• 분류: 클래스 II
• 보호 모드: L→PE, N→PE
• 공칭 전압 UN: 230VAC/50(60)Hz
• 최대 연속 작동 전압 UC(L-N): 275VAC/50(60)Hz
• 단락 내성 능력: 20kA
• 연속 작동 전류 IC: <20μA
• 대기 전력 소비 PC: ≤25MVA
• 최대 방전 전류(8/20μs) IMAX: 40kA
• 공칭 방전 전류(8/20μs) 에서: 20kA
• 전압 보호 레벨 업: ≤1.3kV
• 격리 저항: ＞1000MΩ
• 하우징 재료: UL94V-0
• 보호 정도: IP20

견적 받기

완전한 시스템에서 이러한 유형은 종종 결합되어 각 유형이 가장 적합한 서지 에너지의 일부를 처리합니다.

3상 SPD가 서지를 가장 많이 감소시키는 곳 

서지 보호 단계적으로 적용할 때 가장 잘 작동합니다. 서비스 입구에 있는 장치는 건물을 통해 퍼지기 전에 대규모 들어오는 서지의 에너지를 줄입니다. 그런 다음 분배 패널의 장치는 나머지 에너지를 줄이고 내부 스위칭으로 인해 발생하는 서지를 처리합니다. 마지막으로, 사용 시점 보호는 남아 있는 더 작고 빠른 과도 현상을 처리할 수 있습니다.

물리적 설치 세부 사항은 매우 중요합니다. SPD와 버스바 또는 도체 사이의 연결은 가능한 한 짧고 직접적이어야 합니다. 긴 리드는 인덕턴스를 추가하고 인덕턴스는 빠른 전류 변화 중에 추가 전압을 생성합니다. 실제로 이것은 매우 우수한 서지 보호 장치라도 길고 루핑 와이어로 설치된 경우 성능이 저하될 수 있음을 의미합니다.

3상 SPD가 서지를 줄이는 방법(단계적 보호 개요)

이 표는 단계적 보호의 논리를 보여줍니다. 모든 것을 처리할 단일 장치는 없습니다. 각 위치는 서지 에너지의 일부와 피크 전압을 줄입니다. 과도기가 민감한 전자 장치에 도달할 때까지의 진폭과 에너지는 서비스 입구보다 훨씬 낮습니다.

실제 성능 요인 

3상 시스템에서 서지 보호 장치의 실제 성능은 장치 자체뿐만 아니라 몇 가지 실용적인 요소에 따라 달라집니다.

• 접지 및 본딩 시스템의 품질은 서지 전류가 장비에서 멀리 떨어져 나갈 수 있는 정도에 큰 영향을 미칩니다.
  
• 짧은 직선 연결 도체는 유도 전압 상승을 줄이고 클램핑 성능을 향상시킵니다.
  
• 여러 서지 보호 장치 간의 조정은 한 장치가 모든 스트레스와 노화를 너무 빨리 취하는 것을 방지합니다.
  
• 많은 3상 시설에서 내부적으로 생성된 스위칭 서지는 라이트닝 관련 이벤트보다 더 빈번하며 보호 전략에서 고려해야 합니다.
  

일반적인 실수 

몇 가지 일반적인 설치 및 계획 실수로 실제 시스템에서 서지 보호의 효율성이 떨어집니다.

• 전체 시설에 대해 하나의 서지 보호 장치만 사용하고 모든 것을 동등하게 보호할 것이라고 가정합니다.
  
• 부스바에서 멀리 떨어져 있거나 불필요한 인덕턴스를 추가하는 긴 루프 도체를 사용하여 장치를 설치합니다.
  
• 3상 시스템의 라인-투-라인 서지를 무시하고 라인-그라운드 경로에만 초점을 맞춥니다.
  
• 업스트림 유형 1 또는 유형 2 보호 장치가 없는 장비 근처에서 Type 3 장치만 사용합니다.
  
• "OK"를 표시하는 상태 표시기가 시스템이 가능한 모든 서지로부터 완벽하게 보호된다는 것을 의미한다고 가정합니다.
  

결론 

3상 전력 시스템에서 서지 보호는 비정상적인 과전압을 감지하고, 저임피던스 경로로 전환하고, 서지 전류를 접지로 전환하고, 장비에 도달하는 전압을 제한함으로써 작동합니다. 서지를 완전히 제거하기보다는 전기적 스트레스를 줄입니다. 3상 시스템에는 여러 서지 경로가 있으므로 보호는 라인-라인 및 라인-그라운드 모드를 포함해야 합니다. 가장 효과적인 결과는 올바른 배치, 짧은 연결 및 다양한 SPD 유형 간의 조정에서 비롯됩니다. 시스템이 모든 서지 효과를 제거할 수 없더라도 적절하게 적용하면 이러한 장치는 고장률과 가동 중지 시간을 크게 줄입니다.

자주 묻는 질문