مثبطات الصواعق: تطور المواد وشرح حماية الرعد
مثبطات الومضات وتطورها
تُربط مثبطات الومضات دائمًا بالتوازي مع المعدات الكهربائية التي تحميها. لا تتدخل في التشغيل الطبيعي للمعدات عند الجهد النظامي. ومع ذلك، عندما يظهر جهد زائد خطير على المعدات، تقوم المثبطة بتوصيل التيار أولاً، مما يحول الومضة بأمان إلى الأرض.
كانت أبسط وأقدم أشكال مثبطات الومضات تتكون من قضيبين معدنيين مفصليين بفجوة وتتصل بالتوازي عبر المعدات الكهربائية. عندما يتخطى الجهد عبر هذه الفجوة عتبة معينة، يحدث الانهيار بين القضيبين (الفجوة)، مما يحمي المعدات. هذا النوع من المثبطات يعرف باسم "الفجوة القاذفة" أو "الفجوة الوقائية".
ظاهرة الصواعق مشابهة: تعمل السحب الرعدية والأرض كموصلين (أقطاب). عندما يصبح الجهد بينهما مرتفعًا جدًا، يحدث الانهيار بينهما، مما يؤدي إلى حدوث صاعقة رعدية.
ومع ذلك، هناك فرق أساسي. ترتبط الفجوات الوقائية مباشرة عبر خطوط الطاقة. بمجرد أن يسبب الجهد الزائد الخطر انفجار الفجوة (أي تكون الهواء بين القضيبين مشحونًا)، فإن محطة الطاقة أو المحطة الفرعية لا تدرك هذا الحدث - أو لا تستطيع الرد بسرعة كافية. وبالتالي، تستمر في تزويد التيار للفجوة الموصلة. بما أن الفجوة توفر مسارًا للأرض، يتدفق هذا التيار بشكل مستمر، مما يؤدي إلى قصر دارة في نظام الطاقة. وهكذا، بينما تكون الفجوات الوقائية سهلة الاستخدام، فإن تشغيلها يخلق قوسًا مستدامًا عبر الفجوة، مما يؤدي إلى حالة قصر الدارة.
كيف يمكن إطفاء القوس عبر الفجوة الوقائية بسرعة بعد التشغيل؟ هذا ما أدى إلى تطوير الجيل الثاني من المثبطات - المثبطات القاذفة (أو الأنبوبية). يتم في هذا التصميم أولاً حبس القوس داخل أنبوب ومن ثم استخدام طرق لإطفائه.
ومع ذلك، لا تزال المثبطات القاذفة لديها عيب: بغض النظر عن قدرتها على إطفاء القوس، لا تزال تحويل تيار نظام الطاقة مباشرة إلى الأرض، مما يسبب خطأ مؤقتًا للأرض (قصر الدارة).
الحل الأمثل سيكون جهازًا يمنع التيار أو يسمح فقط بتسرب ضئيل تحت الجهد العادي، مما يتجنب قصر الدارة، ولكنه يوصل تيارات الومضات الكبيرة (مثل الصواعق) بسرعة إلى الأرض عند حدوث جهد زائد خطر. ببساطة، سيقوم مثل هذا الجهاز بوظيفة "مفتاح ذكي"، يعرف بالضبط متى يجب أن يفتح ويغلق. في مثبطات الومضات، تم تحقيق هذا "المفتاح الذكي" في البداية باستخدام مادة تسمى الكربيد السيليكوني (SiC). تعرف المثبطات المصنوعة من هذه المادة بمثبطات الصمام، حيث تعمل مثل الصمامات الكهربائية.
من المهم ملاحظة أن هذا "الصمام" هو مكون كهربائي، وليس صمامًا ميكانيكيًا مثل صنبور المياه أو صمام الأنابيب. فالصمامات الميكانيكية بطيئة جدًا للرد على الصواعق، والتي تضرب في ميكروثانية. بدلاً من ذلك، يكون مطلوبًا صمام كهربائي مصنوع من مقاومة غير خطية. كان الكربيد السيليكوني أول مادة مقاومة غير خطية تم اكتشافها للاستخدام في التطبيقات ذات الجهد العالي.
تتطور التكنولوجيا باستمرار. تم اكتشاف مادة مقاومة غير خطية ثانية لاحقًا لمثبطات الومضات: أكسيد الزنك (ZnO). يقوم بأداء وظيفة مشابهة للكربيد السيليكوني ولكنه يمتلك خصائص "صمام" أفضل - كما يُوصف محترفيًا بأنه يمتلك عدم خطية أفضل.
ما هو عدم الخطية؟ بشكل مجازي، يعني القيام بالعكس: أن يكون صغيرًا عندما يجب أن يكون كبيرًا، وكبيرًا عندما يجب أن يكون صغيرًا - على عكس المكونات الخطية، التي تناسب بشكل تناسبي.
في مثبطات الومضات، يظهر عدم الخطية كالتالي: عندما يكون التيار عاليًا (مثل خلال ومضات الصواعق)، تصبح المقاومة منخفضة جدًا، وكلما كانت المقاومة أقل، كلما كان عدم الخطية أفضل. عندما يكون التيار منخفضًا (بعد مرور ومضات الصواعق وعودة النظام إلى الجهد التشغيلي العادي)، تصبح المقاومة عالية جدًا، وكلما كانت المقاومة أعلى، كلما كان عدم الخطية أفضل.
يظهر الكربيد السيليكوني عدم الخطية، ولكنه ليس مثاليًا. تحت الجهد التشغيلي العادي، ليست مقاومته عالية بما يكفي، مما يسمح بمرور تيار تسرب صغير عبر المثبطة - مثل صمام لا يغلق بإحكام، مما يؤدي إلى "تسرب" مستمر للتيار.
هذا السلوك هو جوهري للمادة، والجهود المبذولة لتقليل هذا التسرب من خلال تحسين المادة لم تنجح بشكل كبير. وبالتالي، عند استخدام الكربيد السيليكوني في المثبطات، يتم استخدام حلول بنائية: يتم عزل المثبطة في البداية عن الخط وربطها فقط أثناء الومضات. يتم إنجاز هذه المهمة باستخدام فجوة هواء متسلسلة. لذلك، غالبًا ما تحتاج مثبطات الصمام إلى فجوة. في المقابل، "يغلق" صمامات أكسيد الزنك بإحكام تحت الجهد التشغيلي العادي، لذا لا تحتاج إلى فجوة متسلسلة.
مع تحسين تقنية تصنيع أكسيد الزنك، تم التغلب على القيود المبكرة في قدرة "الإغلاق". ومع ذلك، بسبب شيوع التصاميم ذات الفجوات تاريخيًا، لا تزال بعض مثبطات أكسيد الزنك تستخدم الفجوات. ومع ذلك، تشكل مثبطات أكسيد الزنك بدون فجوات الغالبية العظمى.
نظرًا لأن أكسيد الزنك هو أكسيد معدني، تُعرف هذه المثبطات أيضًا بمثبطات الومضات بالأكسيد المعدني (MOSA).
حماية الصواعق في أنظمة الطاقة
من وجهة نظر أجهزة حماية الصواعق، يوجد ثلاثة أنواع رئيسية: أبراج الصواعق (الأقطاب الهوائية)، الأسلاك الأرضية العلوية (أسلاك الدرع)، ومثبطات الومضات. الأولان بسيطان من الناحية البنيوية - أساسًا قضبان وأسلاك - بينما الأخير أكثر تعقيدًا بسبب اعتماده على المقاومات غير الخطية التي تعمل كـ "مفاتيح ذكية".
من وجهة نظر الأشياء المحمية، يمكن تصنيف حماية الصواعق إلى: حماية خطوط النقل العلوية، حماية المحطات الفرعية، وحماية المحركات.
تمتد خطوط النقل العلوية لمسافات طويلة، معرضة في المناطق المفتوحة. لتقليل التأثير على الحياة البرية والأنظمة البيئية، يتم رفعها إلى ارتفاعات كبيرة. كما يقول المثل: "أشجار الشاهقة تلتقط معظم الرياح"، مما يجعلها أهدافًا رئيسية للصواعق. تشير الإحصاءات إلى أن معظم أعطال شبكة الطاقة تحدث بسبب الصواعق على الخطوط. لذا، يجب حماية الخطوط العلوية. ومع ذلك، بسبب طولها، فإن الحماية المطلقة غير عملية وغير مكلفة. لذا، تكون حماية الخطوط نسبية: يتم السماح لبعض الصواعق بالصعود على الخط وتسبب الانفجارات. يتم تحقيق هذه الحماية بشكل أساسي باستخدام الأسلاك الأرضية العلوية.
بالنسبة للمحطات الفرعية، فهي أكثر أهمية بكثير. تعمل كمراكز لنظام الطاقة، تحتوي على تركيز للمعدات والعاملين. لذا، تكون متطلبات حمايتها من الصواعق عالية جدًا.
يمكن أن يصل الصاعق إلى المحطة الفرعية عبر طريقتين رئيسيتين: الصواعق المباشرة، التي يتم تخفيفها بواسطة أبراج الصواعق (أو أحيانًا أسلاك الدرع)؛ والومضات المنتشرة من الصواعق على خطوط النقل، والتي يتم التعامل معها بشكل أساسي بواسطة مثبطات الومضات.
حماية المحركات (بما في ذلك المولدات، المكثفات المتزامنة، مبدلات التردد، والمحركات الكهربائية) مهمة مثل حماية المحطات الفرعية. تعتبر المولدات "قلب" نظام الطاقة، والمحركات الكبيرة هي محركات صناعية حيوية. تؤدي الأضرار الناجمة عن الصواعق لهذه المكونات إلى خسائر كبيرة. ومع ذلك، تكون حماية المحركات أكثر صعوبة من حماية المحطات الفرعية. المحركات هي آلات دوارة، لذا لا يمكن أن تكون العزلة سميكة للغاية ويجب أن تكون صلبة (على عكس العزلة السائلة المستخدمة في المحولات). العزلة الصلبة عرضة للتآكل، مما يتطلب ليس فقط الحماية الأولية بمثبطات الومضات ولكن أيضًا إجراءات حماية مساعدة إضافية.
مثبطات الومضات بأكسيد الزنك ذات الغلاف المركب
مثبط الومضات هو جهاز كهربائي به كهربائيتان - واحدة عادة ما تكون متصلاً بالأرض والأخرى متصلاً بجهد عالي - مفصليتان بواسطة مادة عازلة، تُعرف محترفيًا باسم العازل.
نظرًا لوجود معظم معدات نظام الطاقة معرضة للجو، فإن الأسطح العازلة تكون في اتصال مباشر مع البيئة. يُطلق على هذه الجزء من العزل العازل الخارجي أو العازل الخارجي.
يكون العازل الخارجي معرضاً باستمرار للشمس والمطر والرياح والثلوج والضباب والندى. لذا، يجب أن تتمتع المواد العازلة الخارجية المؤهلة ليس فقط بخصائص كهربائية وميكانيكية ممتازة، ولكن أيضًا بمقاومة جيدة للطقس وعمر خدمة يبلغ 40-50 عامًا. حالياً، يعتبر الخزف الأكثر استخدامًا كمادة عازلة خارجية في الهندسة، مع استخدام الزجاج المقسى أيضًا في تطبيقات الخطوط.
الخزف والزجاج هما مواد غير عضوية. بالإضافة إلى أدائهما الكهربائي والميكانيكي الممتاز، فإن ميزة رئيسية لهما هي الاستقرار البيئي - مقاومة استثنائية للظروف المناخية - مما مكنهما من السيطرة على العزل الخارجي لنظام الطاقة لمدة قرن تقريبًا.
ومع ذلك، يشتركان في ضعف واحد مشترك: أسطحهما محبة للماء. هذا يسمح بامتصاص الرطوبة من طبقات التلوث على سطح العازل. عندما يختلط التلوث بالرطوبة، يمكن أن يسمح بمرور التيار، مما قد يؤدي إلى حدوث انفجار عبر سطح العازل تحت الجهد التشغيلي العادي. يُعرف هذا عادةً بانفجار التلوث، وبشكل أكثر تحديدًا، الانفجار السطحي عبر العازل الملوث والمبلل.
في العقود الأخيرة، تم تبني مطاط السيليكون على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم كبديل للمواد التقليدية للعازلات. مطاط السيليكون هو مادة عضوية تتميز بقوة رفض الماء، مما يزيد بشكل كبير من الجهد الانفجاري للعزل الخارجي.
غالبًا ما يُطلق على العازلات المصنوعة من المواد العضوية اسم العازلات البوليمرية (لأن المواد العضوية هي بوليمرات)، العازلات غير السيراميكية، العازلات المركبة (لأن العزل الخارجي هو مركب)، وحتى العازلات البلاستيكية في الخارج.
في الصين، كانت تُعرف سابقًا باسم العازلات المركبة أو عازلات مطاط السيليكون. الآن، يتم تسميتها بشكل موحد بالعازلات العضوية المركبة (لأن المواد العضوية هي مركبات، وهذه العازلات عادة ما تكون مصنوعة من مركب من مطاط السيليكون وقضيب الألياف الزجاجية المدعمة بالراتنج الإبوكسي)، ويُختصر عادةً باسم العازلات المركبة.
لذا، يستخدم مثبط الومضات بأكسيد الزنك ذو الغلاف المركب مادة عضوية - وبالتحديد مطاط السيليكون - كعزل خارجي لمثبط الومضات بأكسيد الزنك.
