Overstrømingsbeskyttere: Udvikling materialer og beskyttelse mod lyn forklares

Overstrømningssikrere og deres udvikling

En overstrømningssikrer er altid forbundet parallelt med det elektriske udstyr, det beskytter. Den forstyrrer ikke udstyrets normale funktion ved systemspænding. Når en farlig overspænding optræder på udstyret, leder sikrereren først, og ledte den farlige overspænding sikkert til jorden.

Den tidligste og enkleste form for overstrømningssikrer bestod af to metalstaver adskilt af en gab og forbundet parallelt over elektrisk udstyr. Når spændingen over denne gab oversteg en vis grænse, ville luften (gabet) bryde ned, hvilket beskyttede udstyret. Denne type sikrer kaldes en "udkastningsgab" eller "beskyttelsesgab."

Fænomenet lyn er lignende: tordenklouder og jorden fungerer som to ledere (elektroder). Når spændingen mellem dem bliver for høj, bryder luften mellem dem ned, hvilket resulterer i et lynslag.

Der er dog en vigtig forskel. Beskyttelsesgaber er forbundet direkte over strømforsyningen. Når en farlig overspænding forårsager, at gaben bryder ned (dvs. luften mellem staverne ioniseres), er kraftværket eller understationen ikke klar over dette begivenhed - eller kan ikke reagere hurtigt nok. Derfor fortsætter det med at føre strøm til den nu konducerende gab. Da gaben giver en vej til jorden, løber denne strøm kontinuerligt, hvilket forårsager en kortslutning i strømsystemet. Så selvom beskyttelsesgaber er simple at bruge, skaber deres funktion en vedvarende bue over gaben, hvilket fører til en kortslutningstillstand.

Hvordan kunne buen over beskyttelsesgabet slukkes hurtigt efter operation? Dette førte til udviklingen af den anden generation af sikrere - udkastnings- (eller rørtype) sikrere. Denne design indesperrer først buen i en rør og anvender derefter metoder til at slukke den.

Dog har udkastnings-sikrere stadig en ulempe: uanset deres evne til at slukke buer, leder de stadig strømsystemets strøm direkte til jorden, hvilket forårsager en øjeblikkelig jordfejl (kortslutning).

Et ideelt løsning ville være et enhed, der blokerer strøm eller kun tillader minimal leckage under normal spænding, og dermed undgår kortslutninger, men hurtigt leder store overstrømningsstrømme (som lyn) til jorden, når farlige overspændinger optræder. Med andre ord, sådan en enhed ville fungere som en "intelligent kryds," der præcist ved, når den skal åbne og lukke. I overstrømningssikrere blev denne "intelligente kryds" først realiseret ved hjælp af et materiale kaldet siliciumkarbid (SiC). Sikrere lavet af dette materiale kendes som ventiltype sikrere, da de fungerer som elektriske ventiler.

Det er vigtigt at bemærke, at denne "ventil" er en elektrisk komponent, ikke en mekanisk ventil som en hane eller rørventil. Mekaniske ventiler er langtfra hurtige nok til at reagere på lyn, som rammer i mikrosekunder. I stedet er en elektrisk "ventil" lavet af en ikke-lineær resistor nødvendig. Siliciumkarbid var det første ikke-lineære resistor-materiale, der blev opdaget til brug i højspændingsapplikationer.

Teknologi udvikler sig kontinuerligt. Et andet ikke-lineært resistor-materiale blev senere opdaget til overstrømningssikrere: zinkoxid (ZnO). Det udfører en lignende funktion som siliciumkarbid, men viser bedre "ventil"-egenskaber - professionelt beskrevet som at have bedre ikke-linearitet.

Hvad er ikke-linearitet? Figurativt betyder det at gøre det modsatte: at være lille, når det skulle være stort, og stort, når det skulle være lille - imod lineære komponenter, der skaleres proportionalt.

I overstrømningssikrere manifesterer ikke-linearitet som følger: når strømmen er høj (f.eks. under et lynslag), bliver resistansen meget lav, og jo lavere resistansen, jo bedre er ikke-lineariteten. Når strømmen er lav (efter at lynslaget er passerede og systemet vender tilbage til normal driftsspænding), bliver resistansen meget høj, og jo højere resistansen, jo bedre er ikke-lineariteten.

Siliciumkarbid viser ikke-linearitet, men det er ikke ideal. Under normal driftsspænding er dens resistans ikke tilstrækkeligt høj, hvilket tillader, at en lille leckagestrøm løber igennem sikreren - som en ventil, der ikke lukker tæt, hvilket resulterer i en konstant "dryppen" af strøm.

Dette opførsel er inbygget i materialet, og forsøg på at eliminere denne leckage gennem materialeforbedringer har været hovedsageligt mislykkede. Derfor, når siliciumkarbid anvendes i sikrere, anvendes strukturelle løsninger: sikreren isoleres først fra linjen og forbinder kun under en overstrømning. Denne opgave udføres ved hjælp af en serie-luftgab. Derfor kræver ventiltype sikrere næsten altid en gab. I modsætning hereto lukker zinkoxidventiler "tæt" under normal driftsspænding, så de ikke kræver en seriegab.

Efterhånden som zinkoxid-produktionsteknologi har forbedret, er tidligere begrænsninger i "lukke"-kapaciteten blevet overvundet. Dog pga historisk forekomst af gabdesign, inkluderer nogle zinkoxid-sikrere stadig gaber. Alligevel udgør gabløse zinkoxid-sikrere en stor del.

Da zinkoxid er en metaloksid, kendes disse sikrere også som Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).

Lynbeskyttelse i strømsystemer

Fra perspektivet af lynbeskyttelsesenheder findes tre hovedtyper: lynrod (luftterminaler), overhede jordledninger (skjoldledninger) og overstrømningssikrere. De to første er strukturelt simple - i bund og grund bare staver og ledninger - mens sidste er mere kompleks pga sin afhængighed af ikke-lineære resistorer, der fungerer som "intelligente krydser."

Fra perspektivet af beskyttede objekter kan lynbeskyttelse inddeles i: overhede transmissionslinje-beskyttelse, understationsbeskyttelse og motorebeskyttelse.

Overhede linjer strækker sig over store afstande, eksponeret i åbne områder. For at minimere indvirkningen på terrestriske liv og økosystemer er de opført i betydelige højder. Som ordsproget lyder, "den højeste træ fanger mest vind," gør dem primære mål for lyn. Statistikker viser, at flertallet af strømnetværksfejl skyldes lynslag på linjer. Derfor skal overhede linjer beskyttes. Men pga deres længde, er absolut beskyttelse upraktisk og uoverskueligt dyrt. Så linje-beskyttelse er relativ: nogle lynslag tillades at ramme linjen og forårsage flashover. Denne beskyttelse opnås primært ved hjælp af overhede jordledninger.

Imidlertid er understationer langt vigtigere. De fungerer som knudepunkter i strømsystemet, med koncentrerede udstyr og personale. Deres krav til lynbeskyttelse er derfor ekstremt høje.

Lyn kan nå en understation via to hovedveje: direkte slag, modereret af lynrod (eller nogle gange skjoldledninger); og overstrømninger, der propagerer fra lynslag på transmissionslinjer, hovedsageligt håndteret af overstrømningssikrere.

Lynbeskyttelse for motorer (herunder generatorer, synchrone kondensatorer, frekvensomformere og elektriske motorer) er lige så kritisk som understationsbeskyttelse. Generatorer er "hjertet" i strømsystemet, og store motorer er vitale industrielle drivkræfter. Lynskade på disse komponenter resulterer i betydelige tab. Men motorbeskyttelse er mere udfordrende end understationsbeskyttelse. Motorer er roterende maskiner, så deres isolation kan ikke være for tyk og skal være solid (imod flydende isolation, der bruges i transformatorer). Solid isolation er anfaldet af aldring, hvilket kræver ikke blot primær beskyttelse med overstrømningssikrere, men også yderligere hjælpebeskyttelsesforanstaltninger.

Komposit-huskede zinkoxid-overstrømningssikrere

En overstrømningssikrer er en elektrisk enhed med to elektroder - typisk en jordet og en forbundet til højspænding - adskilt af et isolerende materiale, professionelt kendt som en isolator.

Da det meste af strømsystemets udstyr er udsat for atmosfæren, er isolerende overflader i direkte kontakt med miljøet. Dette afsnit af isolation kaldes eksterne isolation eller outdoor-isolation.

Outdoor-isolation er konstant udsat for sollys, regn, vind, sne, tåge og dugg. Derfor skal kvalificerede outdoor-isolationsmaterialer ikke blot have fremragende elektriske og mekaniske egenskaber, men også demonstrere fremragende vejrmodstandsdygtighed og en levetid på 40-50 år. I øjeblikket er porcelæn det mest anvendte outdoor-isolationsmateriale i ingeniørvirksomheden, med tempereret glas også anvendt i linjeapplikationer.

Porcelæn og glas er inorganiske materialer. Udover deres fremragende elektriske og mekaniske ydeevne, er deres nøglefordele miljøstabilitet - fremragende modstandsdygtighed over for klimatiske forhold - hvilket har gjort, at de har domineret strømsystemets eksterne isolation i næsten et århundrede.

Men de har en fælles svaghed: deres overflader er hydrofil. Dette tillader, at forureningslag på isolatoroverfladen absorberer fugt. Når forurening kombineres med fugt, gør det det muligt for strøm at løbe, potentielt forårsager en flashover over isolatoroverfladen under normal driftsspænding. Dette er generelt kendt som forurening-flashover, mere specifikt, overfladeudladning langs en forurenede og fugtet isolator.

I de seneste tiår er silikonkautschuk bredt anvendt verden over til at erstatte traditionelle materialer til isolatorer. Silikonkautschuk er et organisk materiale, der viser stærk hydrofobi, hvilket betydeligt øger forurening-flashoverspændingen for eksterne isolationer.

Isolatorer lavet af organiske materialer kaldes ofte polymerisolatorer (da organiske materialer er polymere), ikke-keramiske isolatorer, kompositisolatorer (da den eksterne isolation er syntetisk) eller endda plastisolatorer i udlandet.

I Kina kendtes de tidligere som kompositisolatorer eller silikonkautschuk-isolatorer. Nu kaldes de ensartet organiske kompositisolatorer (da organiske materialer er komposit, og disse isolatorer typisk er lavet af en komposit af silikonkautschuk og epoxi-resin-glasfiber-stang), ofte forkortet til kompositisolatorer.

Derfor bruger en komposit-husket zinkoxid-overstrømningssikrer et organisk materiale - specifikt silikonkautschuk - som den eksterne isolation for en zinkoxid-overstrømningssikrer.