Bleskosazby: Vývoj materiálů a ochrana před bleskem vysvětlená

Protěživky a jejich evoluce

Protěživka je vždy připojena paralelně s elektrickým zařízením, které chrání. Neovlivňuje normální fungování zařízení při pracovním napětí systému. Pokud se na zařízení objeví nebezpečné přetloukání, protěživka nejprve provede vedlejší proud, bezpečně odvádějící přetloukání do země.

Nejstarší a nejjednodušší forma protěživky se skládala ze dvou kovových tyčí oddělených mezerou a připojených paralelně napříč elektrickým zařízením. Když napětí v této mezere překročilo určitou hranici, vzduch (mezera) byl proražen, chráně tím zařízení. Tento typ protěživky se nazývá "expulzní mezera" nebo "chránící mezera".

Je podobné jako blesk: hromové mračno a země působí jako dva vodiče (elektrody). Když napětí mezi nimi stane příliš vysoké, vzduch mezi nimi praskne, což vede k blesku.

Existuje však klíčový rozdíl. Chránící mezery jsou připojeny přímo napříč elektrickými čarami. Jakmile nebezpečné přetloukání způsobí, že mezera praskne (tj. vzduch mezi tyčemi je ionizován), elektrárna nebo transformační stanice o tomto události neví – nebo nemůže dostatečně rychle reagovat. Proto nadále poskytuje proud do teď už vodivé mezery. Protože mezera poskytuje cestu ke zemi, tento proud průběžně proudí, způsobující krátké spojení v elektrickém systému. Takže, i když chránící mezery jsou jednoduché používat, jejich fungování vytváří trvalou obloukovou stopu napříč mezera, vedoucím k krátkému spojení.

Jak by se mohla oblouková stopa napříč chránící mezerou rychle uhasit po fungování? To vedlo k vývoji druhé generace protěživek – expulzních (nebo trubkovitých) protěživek. Tento design nejprve obklopí oblouk v trubce a pak používá metody pro jeho uhašení.

Nicméně, expulzní protěživky stále mají nedostatek: bez ohledu na jejich schopnost uhasit oblouk, stále odvádějí proud systému přímo do země, způsobující okamžité zemské porušení (krátké spojení).

Ideální řešení by bylo zařízení, které blokuje proud nebo umožňuje jen minimální unikání při normálním napětí, takže se vyhnete krátkému spojení, ale rychle vede velké proudy přetloukání (jako blesk) do země, když se objeví nebezpečné přetloukání. Jinými slovy, takové zařízení by fungovalo jako "inteligentní spínek", který přesně ví, kdy se má otevřít a zavřít. V protěživkách byl tento "inteligentní spínek" poprvé realizován pomocí materiálu zvaného křemenec (SiC). Protěživky vyrobené z tohoto materiálu se nazývají ventilové protěživky, protože fungují jako elektrické ventily.

Je důležité poznamenat, že tento "ventil" je elektrický komponent, nikoli mechanický ventil, jako je kohout nebo trubkový ventil. Mechanické ventily jsou příliš pomalé na reakci na blesk, který zasáhne v mikrosekundách. Místo toho je potřeba elektrický "ventil" vyrobený z nelineárního odporníku. Křemenec byl prvním materiálem pro nelineární odporníky, který byl objeven pro použití v vysokonapěťových aplikacích.

Technologie se neustále vyvíjí. Později byl objeven druhý materiál pro nelineární odporníky v protěživkách: oxid cinku (ZnO). Funguje podobně jako křemenec, ale ukazuje lepší "ventilové" vlastnosti – profesionálně popsané jako lepší nelineárnost.

Co je nelineárnost? Figurativně znamená dělat opak: být malý, když by měl být velký, a velký, když by měl být malý – na rozdíl od lineárních komponentů, které se škáluji úměrně.

V protěživkách se nelineárnost projevuje tak, že když je proud vysoký (např. během bleskového přetloukání), odpornost se stává velmi nízkou, a čím nižší odpornost, tím lepší nelineárnost. Když je proud nízký (po uplynutí bleskového přetloukání a vrácení systému k normálnímu pracovnímu napětí), odpornost se stává velmi vysokou, a čím vyšší odpornost, tím lepší nelineárnost.

Křemenec ukazuje nelineárnost, ale není ideální. Při normálním pracovním napětí jeho odpornost není dostatečně vysoká, což umožňuje malý unikající proud přes protěživku – jako ventil, který se nepřesně uzavírá, což vede k trvalému "kapání" proudu.

Toto chování je vlastní materiálu a pokusy o eliminaci tohoto unikání skrze vylepšení materiálu byly většinou neúspěšné. Proto, když se křemenec používá v protěživkách, jsou použity konstrukční řešení: protěživka je nejprve izolována od čáry a připojena pouze během přetloukání. Tuto úlohu plní sériová vzduchová mezera. Proto téměř všechny ventilové protěživky vyžadují mezera. Na rozdíl od toho, oxid cinku "uzavírá pevně" při normálním pracovním napětí, takže nevyžadují sériovou mezeru.

S vylepšením technologií výroby oxidu cinku byly překonány rané omezení v "uzavírání". Nicméně, kvůli historické převaze návrhů s mezerami, některé protěživky s oxidem cinku stále obsahují mezery. Přesto, bezmezerné protěživky s oxidem cinku tvoří většinu.

Protože oxid cinku je kovový oxid, tyto protěživky jsou také známé jako Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).

Chránění před blesky v elektrických systémech

Ze struktury ochranných zařízení existují tři hlavní typy: bleskosvětlice (vzdušné terminály), přetloukací vodiče (ochranné vodiče) a protěživky. První dva jsou konstrukčně jednoduché – v podstatě jen tyče a vodiče – zatímco ten poslední je složitější, protože se spoléhá na nelineární odporníky, které fungují jako "inteligentní spínky".

Z hlediska chráněných objektů lze chránění před blesky rozdělit na: chránění přenosových čar, chránění transformačních stanic a chránění motorů.

Přenosové čáry se táhnou na velké vzdálenosti, vystavené otevřenému prostoru. Aby se minimalizoval dopad na terestrický život a ekosystémy, jsou postaveny ve výšce. Jak se říká, "nejvyšší strom chytá nejvíce větru", což z nich dělá hlavní cíl pro blesky. Statistiky ukazují, že většina selhání elektřinových sítí je způsobena blesky na čáry. Proto musí být přenosové čáry chráněny. Nicméně, kvůli své délce je absolutní ochrana prakticky nemožná a finančně nákladná. Tedy, ochrana čar je relativní: některé blesky jsou povoleny zasáhnout čáru a způsobit flashover. Tato ochrana je primárně dosažena pomocí přetloukacích vodičů.

Naopak, transformační stanice jsou mnohem důležitější. Slouží jako uzly elektrického systému, obsahují koncentrované zařízení a personál. Proto jsou jejich požadavky na ochranu před blesky extrémně vysoké.

Blesk může do transformační stanice proniknout dvěma hlavními cestami: přímým zásahem, který je zmírňován bleskosvětlíky (nebo někdy ochrannými vodiči); a přetloukáním, které se šíří z bleskových zásahů na přenosových čárách, což je primárně řešeno protěživkami.

Ochrana motorů (včetně generátorů, synchronních kondenzérů, frekvencních měničů a elektrických motorů) je stejně důležitá jako ochrana transformačních stanic. Generátory jsou "srdcem" elektrického systému a velké motory jsou klíčovými průmyslovými pohonnémi mechanismy. Poškození těchto komponent bleskem vede k významným ztrátám. Nicméně, ochrana motorů je obtížnější než ochrana transformačních stanic. Motory jsou rotační stroje, takže jejich izolace nemůže být příliš silná a musí být tuhá (na rozdíl od kapalné izolace používané v transformátorech). Tuhé izolace jsou náchylné k stárnutí, což vyžaduje nejen primární ochranu pomocí protěživek, ale také dodatečná pomocná ochranná opatření.

Kompozitní protěživky s oxidem cinku

Protěživka je elektrické zařízení s dvěma elektrodami – jedna obvykle zemněná a druhá připojená k vysokému napětí – oddělenými izolačním materiálem, profesionálně označovaným jako izolátor.

Jelikož většina zařízení elektrických systémů je vystavena atmosféře, izolační povrchy jsou v přímém kontaktu s prostředím. Tato část izolace se nazývá externí izolace nebo venkovní izolace.

Venkovní izolace je neustále vystavena slunci, dešti, větru, sněhu, mlze a rosě. Proto musí kvalifikované materiály pro venkovní izolaci mít nejen vynikající elektrické a mechanické vlastnosti, ale také vynikající odolnost vůči povětrnostním podmínkám a životnost 40–50 let. V současné době je porcelán nejrozšířenějším materiálem pro venkovní izolaci v inženýrství, s tvrdým sklem používaným v čárových aplikacích.

Porcelán a sklo jsou anorganické materiály. Kromě svých vynikajících elektrických a mechanických vlastností mají klíčovou výhodu v podobě environmentální stability – vynikající odolnosti vůči klimatickým podmínkám – což jim umožnilo dominovat v externí izolaci elektrických systémů téměř století.

Nicméně, sdílejí společnou slabou stránku: jejich povrchy jsou hydrofilní. To umožňuje, aby se na povrchu izolátoru tvořily kontaminace, které absorbují vlhkost. Když se kontaminace spojí s vlhkostí, umožňuje to tok proudu, což může způsobit flashover na povrchu izolátoru při normálním pracovním napětí. Toto je běžně známo jako kontaminační flashover, specifičtěji, povrchový výboj na kontaminovaném a navlhčeném izolátoru.

V posledních desetiletích byl silikonový kauciuk široce adoptován po celém světě jako náhrada za tradiční materiály pro izolátory. Silikonový kauciuk je organický materiál s výraznou hydrofobní vlastností, což výrazně zvyšuje kontaminační flashover napětí externí izolace.

Izolátory vyrobené z organických materiálů jsou často nazývány polymerové izolátory (protože organické materiály jsou polymery), neceramicke izolátory, kompozitní izolátory (protože externí izolace je syntetická) nebo dokonce plastové izolátory v zahraničí.

V Číně byly dříve nazývány kompozitní izolátory nebo silikonové kauciukové izolátory. Nyní jsou uniformně označovány jako organické kompozitní izolátory (protože organické materiály jsou kompozity a tyto izolátory jsou obvykle vyrobeny z kompozitu silikonového kauciuku a epoxidového skelného vlákna), zkráceně kompozitní izolátory.

Tedy, kompozitní obalová protěživka s oxidem cinku používá organický materiál – specificky silikonový kauciuk – jako externí izolaci pro protěživku s oxidem cinku.