Защитни пръсци: Еволюция, материали и защита от молнии обяснена

Защитни устройства срещу превишаване на напрежението и техната еволюция

Защитното устройство срещу превишаване на напрежението винаги е свързано паралелно с електрическото оборудване, което защитава. То не пречи на нормалната работа на оборудването при системното напрежение. Обаче, когато опасно превишено напрежение се появява върху оборудването, устройството за защита първо провежда, отвъртвайки превишаването безопасно в земята.

Най-ранната и най-простата форма на защитно устройство срещу превишаване на напрежението се състои от два метални пръта, разделени от разстояние, и свързани паралелно с електрическото оборудване. Когато напрежението между това разстояние надхвърли определен праг, въздухът (разстоянието) се разрушава, защитавайки оборудването. Този тип защитно устройство е известен като "изпълзяващ разрез" или "защитен разрез".

Феноменът на мълнията е подобен: облаци и земята действат като две проводници (електроди). Когато напрежението между тях стане прекалено високо, въздухът между тях се разрушава, водейки до удари от мълния.

Обаче, има важна разлика. Защитните разрези са свързани директно с електроопътните линии. Веднъж опасно превишено напрежение причинява разрушаване на разстоянието (т.е. въздухът между прътите е ионизиран), електроцентрали или подстанции не са информирани за това събитие - или не могат да реагират достатъчно бързо. Следователно, те продължават да доставят ток към сега проводящия разрез. Тъй като разрезът предоставя път към земята, този ток протича непрекъснато, причинявайки коротко съединение в електроопътната система. Така, докато защитните разрези са лесни за използване, техната операция създава устойчив дъга през разреза, водейки до състояние на коротко съединение.

Как може дъгата през защитния разрез да бъде изгасена бързо след операция? Това доведе до развитието на второ поколение защитни устройства - изпълзяващите (или цилиндрични) защитни устройства. Този дизайн първо ограничава дъгата в цилиндър, а после използва методи за изгасване.

Въпреки това, изпълзяващите защитни устройства все още имат недостатък: независимо от способността им за изгасване на дъгата, те все още отвъртват тока от електроопътната система директно към земята, причинявайки кратковременна земна грешка (коротко съединение).

Идеално решение би било устройство, което блокира тока или позволява само минимална утечка при нормално напрежение, така че да се избегне коротко съединение, но бързо провежда големи импулси на ток (като мълния) към земята, когато опасни превишения на напрежението се появят. По прост начин, такова устройство би действало като "умна клоша", знаяща точно кога да се отвори и затвори. В защитните устройства тази "умна клоша" беше реализирана в началото с помощта на материал, наречен карбид на силиций (SiC). Защитните устройства, направени от този материал, са известни като клапови защитни устройства, тъй като функционират като електрически клапи.

Важно е да се отбележи, че тази "клапа" е електрически компонент, а не механична клапа като кран или тръбна клапа. Механичните клапи са много бавни, за да реагират на мълния, която удари в микросекунди. Вместо това, е необходим електрически "клап" отговарящ на нелинейен резистор. Карбидът на силиций беше първият открит материал за нелинейен резистор за използване в приложения с високо напрежение.

Технологията постоянно се развива. Позднее беше открит втори материал за нелинейен резистор за защитни устройства: оксид на цинк (ZnO). Той изпълнява подобна функция като карбид на силиций, но показва по-добри "клап" характеристики - професионално описани като по-добра нелинейност.

Какво е нелинейност? Фигуративно, това означава правене на обратното: да бъде малко, когато трябва да е голямо, и голямо, когато трябва да е малко - в сравнение с линейните компоненти, които се мащабират пропорционално.

В защитните устройства нелинейността се проявява по следния начин: когато токът е висок (например, при удари от мълния), съпротивлението става много ниско, и колкото по-ниско е съпротивлението, толкова по-добра е нелинейността. Когато токът е нисък (след като ударът от мълния е минал и системата се върне към нормалното работно напрежение), съпротивлението става много високо, и колкото по-високо е съпротивлението, толкова по-добра е нелинейността.

Карбидът на силиций показва нелинейност, но не е идеален. При нормално работно напрежение, съпротивлението му не е достатъчно високо, позволявайки малка утечка на ток през защитното устройство - като клапа, която не се затваря плътно, водейки до постоянна "тиха" утечка на ток.

Това поведение е вградено в материала, и усилията за елиминиране на тази утечка чрез подобряване на материала са били по-голямата част неуспешни. Следователно, когато се използва карбид на силиций в защитни устройства, се използват конструктивни решения: защитното устройство е първоначално изолирано от линията и се свързва само при удар. Тази задача се извършва чрез сериен въздушен разрез. Затова, клаповите защитни устройства почти винаги изискват разрез. В сравнение, оксидните на цинк клапи "се затварят плътно" при нормално работно напрежение, така че не изискват сериен разрез.

С подобряването на технологията за производство на оксид на цинк, ранните ограничения в "затваряне" са преодолени. Обаче, поради историческата популярност на дизайни с разрези, някои оксидни на цинк защитни устройства все още включват разрези. Независимо от това, безразрезните оксидни на цинк защитни устройства представляват огромно мнозинство.

Тъй като оксидът на цинк е метален оксид, тези защитни устройства са известни и като Метални Оксидни Защитни Устройства (МОЗУ).

Защита срещу мълнии в електроопътните системи

От гледна точка на устройствата за защита срещу мълнии, съществуват три основни типа: мълнични игли (въздушни терминали), въздушни заземяващи жици (защитни жици) и защитни устройства срещу превишаване на напрежението. Първите две са структурно прости - по същество просто игли и жици - докато последното е по-сложен поради използването на нелинейни резистори като "умни клоши".

От гледна точка на защитаваните обекти, защитата срещу мълнии може да бъде категоризирана като: защита на въздушни линии, защита на подстанции и защита на двигатели.

Въздушните линии се проточват на огромни разстояния, изложени в открити области. За да се минимизира влиянието върху земната живот и екосистеми, те се издигат на значителни височини. Както се казва, "най-високото дърво хваща най-много вятър", правейки ги главни мишени за мълнии. Статистиката показва, че повечето провали в електроопътната мрежа се дължат на удари от мълнии върху линиите. Затова, въздушните линии трябва да бъдат защитени. Но, поради дължината им, абсолютната защита е непрактична и прекалено скъпа. Следователно, защитата на линиите е относителна: някои удари от мълнии се допускат да удрят линията и да причиняват пробиви. Тази защита се осъществява предимно чрез въздушни заземяващи жици.

В сравнение, подстанциите са много по-важни. Те служат като хубове на електроопътната система, домакинствуващи концентрирани оборудвания и персонал. Следователно, изискванията за защита срещу мълнии са изключително високи.

Мълниите могат да достигнат подстанцията по два основни пътя: пряки удари, намалени от мълнични игли (или понякога защитни жици); и импулси, пренасящи се от удари на мълнии върху линиите, които се обработват предимно от защитни устройства срещу превишаване на напрежението.

Защитата на двигатели (включително генератори, синхронни кондензатори, променители на честота и електродвигатели) е толкова важна, колкото и защитата на подстанциите. Генераторите са "сърцето" на електроопътната система, а големите двигатели са важни индустриални движители. Щетите от мълнии върху тези компоненти водят до значителни загуби. Но, защитата на двигатели е по-трудна от защитата на подстанциите. Двигателите са въртящи се машини, така че изолацията им не може да бъде прекалено дебела и трябва да бъде твърда (в сравнение с течната изолация, използвана в трансформаторите). Твърдата изолация е склонна към стареене, което изисква не само основна защита с защитни устройства, но и допълнителни вспомогателни защитни мерки.

Композитни защитни устройства с оксид на цинк

Защитното устройство срещу превишаване на напрежението е електрическо устройство с два електрода - единият обикновено е заземен, а другият е свързан с високо напрежение - разделени от изолационен материал, професионално известен като изолатор.

Тъй като повечето оборудване в електроопътната система е изложено на атмосферата, изолационните повърхности са в директен контакт с околната среда. Тази част от изолацията се нарича външна изолация или изолация на открито.

Изолацията на открито е постоянно изложена на слънце, дъжд, вятър, сняг, мъгла и роса. Следователно, квалифицираните материали за изолация на открито трябва да притежават не само отлични електрически и механични свойства, но и изключителна устойчивост към климатични условия и срок на полезност от 40-50 години. В момента, фарфорът е най-широко използваният материал за изолация на открито в инженерството, а закаленото стъкло също се използва в линейни приложения.

Фарфорът и стъклото са неорганични материали. Освен отличните им електрически и механични характеристики, ключовото им преимущество е екологичната стабилност - изключителна устойчивост към климатични условия - което им позволява да доминират във външната изолация на електроопътната система почти век.

Обаче, те споделят общ недостатък: повърхностите им са хидрофилни. Това позволява на замърсяващите слоеве върху повърхността на изолатора да абсорбират влага. Когато замърсяването се комбинира с влага, то позволява протичане на ток, потенциално причинявайки пробив през повърхността на изолатора при нормално работно напрежение. Това обикновено се нарича замърсяващ пробив, по-специфично, пробив по замърсен и влажен изолатор.

В последните десетилетия, силиконовата гума е широко приета по света като замяна на традиционните материали за изолатори. Силиконовата гума е органичен материал, показващ силна хидрофобност, значително увеличавайки напрежението на пробив при замърсяване на външната изолация.

Изолаторите, направени от органични материали, често се наричат полимерни изолатори (тъй като органичните материали са полимери), некерамични изолатори, композитни изолатори (тъй като външната изолация е синтетична) или дори пластмасови изолатори в чужбина.

В Китай, те преди бяха известни като композитни изолатори или силиконови гумени изолатори. Сега те са унифицирани като органични композитни изолатори (тъй като органичните материали са композити, и тези изолатори обикновено са направени от композит на силиконова гума и епоксидно-стъклено влакно), обикновено съкратено като композитни изолатори.

Следователно, композитното защитно устройство с оксид на цинк използва органичен материал - специално силиконова гума - като външна изолация за защитно устройство с оксид на цинк.