Tõusvoolu tõkestajad: evolutsioon materjalid ja äikäitsmine selgitatud

Vooluvahtid ja nende evolutsioon

Vooluvahti on alati paralleelselt ühendatud sellele elektriseadmega, mida see kaitseb. See ei takista seadme normaalset tööd süsteemi pingel. Kuid kui seadmest esineb ohtlik ülepinge, siis vooluvaht läbib seda ülepintset ohutult maapinna suunas.

Varasem ja lihtsaim vooluvahti koosnes kahest metallipüramikust, mis olid omavahel vahele jäänud ja paralleelselt ühendatud elektriseadmega. Kui selle vahe pingel saavutati teatud limiit, siis õhk (vahe) lagunes, kaitstes seadet. Seda tüüpi vooluvahti nimetatakse "väljastusvaheks" või "kaitsevaheks".

Äikeade ilming on sarnane: äikesepilved ja maa toimivad kaks juhuribla (elektrood). Kui nende vaheline pinge saab liiga suureks, siis nende vahel olev õhk laguneb, tekkitades äikese.

Siiski on olemas oluline erinevus. Kaitsevahe on otse ühendatud elektripõhjaga. Kui ohtlik ülepinge põhjustab vahe lagunemise (st. õhk riblapüramikute vahel ioniseerub), siis elektrijaam või alamjaam ei ole sellest sündmusest teadlik – või ei suuda piisavalt kiiresti reageerida. Seega jätkab see elektri andmist nüüd joobiva vahele. Kuna vahe pakub tee maapinna suunas, siis see vool jätkub pidevalt, põhjustades lühikut elektrisüsteemis. Nii et kuigi kaitsevahe on lihtne kasutada, siis selle töö käigus tekib pidev plazma vahe üle, mis viib lühiku häälduse juurde.

Kuidas saaks kaitsevahe üle tekkinud plazma kiiresti kustutada? See viis teise põlvkonna vooluvahti – väljastus- (või tuvi-) vooluvahti arendamiseni. See disain tuletab plazma kõigepealt tuba sisse ja seejärel kasutab meetodeid, et seda kustutada.

Siiski on väljastusvooluvahtidel ikka veel ebatõhusus: olenemata nende plazma kustutamisvõimendist, siis need suunavad elektrisüsteemi voolu otse maapinna suunas, põhjustades hetkelise maaviga (lühiku).

Ideaux lahendus oleks seade, mis blokeerib voolu või lubab ainult minimaalset lekke normaalse pingena, vältides lühikuid, kuid kiiresti suunab suured ülepintslahingud (nt. äike) maapinna suunas, kui ohtlikud ülepinged tekivad. Lihtsalt öeldes, selline seade käituks nagu "tegeline lüliti", millel oleks täpne kontroll, millega avada ja sulgeda. Vooluvahtides realiseeriti see "tegev lüliti" algselt materjalina silitsiumkarbid (SiC). Sellise materjali kasutades valmistatud vooluvahtide nimetatakse ventil-vooluvahtideks, kuna need toimivad nagu elektrilised ventilid.

On oluline märkida, et see "ventil" on elektriline komponent, mitte mehaaniline ventil nagu kraan või putuk. Mehaanilised ventilid on liiga aeglased, et vastata mikrosekundites toimuvale äikeale. Selle asemel on vaja elektrilist "ventili", mis on valmistatud mitte-lineaarsest vastustikust. Silitsiumkarbid oli esimene mitte-lineaarne vastustiku materjal, mida kasutati kõrgete pingete rakendustes.

Tehnoloogia arened lõputult. Hiljem avastati vooluvahtide jaoks teine mitte-lineaarne vastustiku materjal: sinkoksiid (ZnO). See täidab sarnast funktsiooni silitsiumkarbidi kõrval, kuid näitab paremaid "ventili" omadusi – professionaalselt kirjeldatuna paremat mitte-lineaarsust.

Mida tähendab mitte-lineaarsus? Kujutlikult tähendab see tegutsemist vastupidises moel: olemasolu, kui peaks puuduma, ja puudumist, kui peaks olemas olema – lineaarsete komponentidega, mis skaalautuvad proportsionaalselt, on see erinev.

Vooluvahtides manifesteerub mitte-lineaarsus järgmiselt: kui vool on suur (nt. äikeal), siis vastus muutub väga madalaks, ja mida madalam vastus, seda parem mitte-lineaarsus. Kui vool on väike (pärast äikea möödudes ja süsteem tagastub normaalse tööpinge juurde), siis vastus muutub väga kõrgeks, ja mida kõrgem vastus, seda parem mitte-lineaarsus.

Silitsiumkarbid näitab mitte-lineaarsust, kuid see pole ideaalne. Normaalse tööpinge korral ei ole selle vastus piisavalt kõrge, lubades väikest lekkevoolu vooluvahti läbi – nagu ventil, mis ei suleta täpselt, põhjustades pideva "valangu" voolu.

See käitumine on materjali enda omadus, ja püüdlused selle lekkevoolu kustutamiseks materjali parandamise kaudu on peaaegu alati ebaõnnestunud. Seetõttu, kui silitsiumkarbit kasutatakse vooluvahtides, kasutatakse struktuurilisi lahendusi: vooluvaht on algselt isoleeritud põhjast ja ühendatakse ainult ülepintslahe vallandumisel. Selleks kasutatakse sarivoo õhuvahe. Seega, ventil-vooluvahtidel on peaaegu alati vaja vahe. Vastupidiselt sinkoksiid ventilid "suletakse tihedalt" normaalse tööpinge korral, nii et neil ei ole vaja sarivoo vahe.

Kuna sinkoksiidi tootmise tehnoloogia on parandunud, on varases perioodis olnud "suletava" võime piirangud ületatud. Siiski, kuna vahega disainide ajalooline levimus, on mõned sinkoksiidi vooluvahtid ikka veel vahega. Siiski moodustavad vaheeta sinkoksiidi vooluvahtid suure enamus.

Kuna sinkoksiid on metallioksiid, nimetatakse neid vooluvahte ka Metall-Oksiid-Vooluvahtideks (MOV).

Äikeakaitse elektrisüsteemides

Äikeakaitse seadmete seisukohalt on kolm peamist tüüpi: äikeatermid (õhuterminaalid), ülevalt vedelid maajooned (kaitsejooned) ja vooluvahtid. Esimesed kaks on struktuuriliselt lihtsad – peamiselt lihtsalt riblad ja jooned – samas kui viimane on keerulisem, kuna see sõltub mitte-lineaarsetest vastustikutest, mis toimivad "tegelike lülitjate" rollis.

Kaitsta objektide seisukohalt võib äikeakaitset jagada: ülevalt vedeliste joonte kaitse, alamjaamade kaitse ja mootorite kaitse.

Ülevalt vedelised jooned ulatuvad laia alani, avatud aladel. Et vähendada mõju maapinnal elavatele organismidele ja ökosüsteemidele, on need ehitatud suurel kõrgusel. Kui öelda, et "kõrgeim puu saab kõige rohkem tuult", siis need on äikeade eelistatud siht. Statistika näitab, et enamik elektrivõrgu katked on tingitud äikeade tabamisest joontel. Seetõttu on vaja ülevalt vedeliste joonte kaitsta. Kuid nende pikkuse tõttu on absoluutne kaitse praktikas ebavõimalik ja liiga kallis. Seetõttu on joonte kaitse suhteline: mõned äikead saavad tabada joont ja põhjustada plahvatuse. Selle kaitse saavutatakse peamiselt ülevalt vedeliste maajoonedega.

Vastupidiselt on alamjaamad palju kriitilisemad. Nad on elektrisüsteemi keskpunktid, kus on konsentratsioonis seadmeid ja inimesi. Seetõttu on nende äikeakaitse nõuded väga kõrged.

Äike saab alamjaama kahel peamisel teel: otseste tabamiste kaudu, mida vähendavad äikeatermid (või mõnikord kaitsejooned); ja ülevalt vedeliste joonte kaudu levivate ülepintslahingute kaudu, mida peamiselt hoolitseb vooluvahtid.

Mootorite äikeakaitse (sh. generaatorid, sinkondensaatorid, sagedusmuutjad ja elektrimootorid) on sama kriitiline kui alamjaamade äikeakaitse. Generaatorid on elektrisüsteemi "süda" ja suured mootorid on olulised tööstuslike dünaamikad. Äikeade kahjustamine nendele komponentidele põhjustab suuri kahju. Kuid mootorite kaitse on keerulisem kui alamjaamade kaitse. Mootorid on pöörlevad masinad, nende isolatsioon ei saa olla liiga paks ja peab olema soliidne (mitte nagu transformatorki, mis kasutab vedelikisolatsiooni). Soliidne isolatsioon vananeb, nii et vooluvahtidega primäärsed kaitsemeetmed on vajalikud, kuid lisaks on vaja ka abikaitsemeetmeid.

Komposiit-kodu sinkoksiidi vooluvahtid

Vooluvaht on elektriline seade, millel on kaks elektroodi – üks tavaliselt maapinna suunas ja teine kõrgepinge suunas – eraldatud insuleerivast materjalist, mida professionaalselt nimetatakse insulaatoriiks.

Kuna enamik elektrisüsteemi seadmeid on atmosfääris väljaspool, on insuleerivad pinnad otseses kontaktis keskkonnaga. Selle osa insuleerimist nimetatakse välimiseks insuleerimiseks või välismiseks insuleerimiseks.

Välimine insuleerimine on pidevalt päikese, sadu, tuuli, lumet, udune ja rosma tõttu. Seega peavad kvalifitseeritud välimised insuleerimismaterjalid mitte ainult näitama häid elektrilisi ja mehaanilisi omadusi, vaid ka suureimat ilmastikustruktuurilist vastupidavust ja 40–50-aastase kasutusaega. Praegu on porselein kõige laialdasem välimise insuleerimismaterjal insenööriharus, samuti kasutatakse temperatuurkatkise klaasi ülevalt vedeliste joonte rakendustes.

Porselein ja klaas on anorgaanilised materjalid. Loodusliku stabiilsuse (väga hea ilmastikutingimuste vastupidavus) lisaks nende häid elektrilisi ja mehaanilisi omadusi, on nad suutnud domineerida elektrisüsteemi välimise insuleerimise üle umbes sajandi aja jooksul.

Siiski jagavad nad ühte nõrkust: nende pinnad on hydrofiililised. See võimaldab saastuse kihtidel insuleeriva pinnal niiskust imeda. Kui saaste kombinneeritakse niiskusega, võimaldab see voolu, mis võib põhjustada insuleeriva pinna üle plahvatuse tavapärases tööpingel. See on tavaliselt tuntud kui saastuse põhjustatud plahvatuse, spetsiifilisemalt, saastunud ja niiske insuleeriva pinnal valatav vool.

Viimased kümnendid on silikooni kumm laialdaselt kasutuses kogu maailmas, asendades traditsioonilisi materjale insuleerijate jaoks. Silikooni kumm on orgaaniline materjal, mis näitab tugevat hydrofoobilisust, märkimisväärselt suurendades välimise insuleerimise saastuse põhjustatud plahvatuse pinget.

Orgaanilistest materjalidest valmistatud insuleerijaid nimetatakse sageli polümeerinsuleerijateks (kuna orgaanilised materjalid on polümeerid), mitte keramiilseteks insuleerijateks, komposiitinsuleerijateks (kuna välimine insuleerimine on sünteetiline) või isegi plastikinsuleerijateks väljaspool.

Hiinas nimetati neid eelnevalt komposiitinsuleerijateks või silikooni kumi insuleerijateks. Nüüd on neid ühtlaselt nimetatud orgaanilisteks komposiitinsuleerijateks (kuna orgaanilised materjalid on komposiitid, ja need insuleerijad on tavaliselt valmistatud silikooni kumi ja epoksi-resi-mürglaasribla komposiitsist), mida tavaliselt kokkuvõttes nimetatakse komposiitinsuleerijateks.

Seega, komposiit-kodu sinkoksiidi vooluvaht kasutab orgaanilist materjali – konkreetset silikooni kumi – sinkoksiidi vooluvahti välimiseks insuleerimiseks.