محدودکنندگان سریع: تکامل، مواد و توضیحات حفاظت از برق ابری

گذرگاه‌های ضدبرق و تکامل آنها

یک گذرگاه ضدبرق همیشه به صورت موازی با تجهیزات الکتریکی که محافظت می‌کند، متصل می‌شود. این گذرگاه عملکرد عادی تجهیزات را در ولتاژ سیستم مختل نمی‌کند. اما وقتی که یک ولتاژ بیش از حد خطرناک روی تجهیزات ظاهر می‌شود، گذرگاه ابتدا رسانایی می‌کند و ولتاژ بیش از حد را به طور ایمن به زمین هدایت می‌کند.

پیشین و ساده‌ترین شکل گذرگاه ضدبرق شامل دو میله فلزی جدا شده توسط یک فاصله و به صورت موازی با تجهیزات الکتریکی متصل می‌شد. وقتی ولتاژ در این فاصله از یک آستانه خاص بیشتر می‌شد، هوا (فاصله) پاره می‌شد و تجهیزات محافظت می‌شد. این نوع گذرگاه به عنوان "گذرگاه انفجاری" یا "گذرگاه محافظتی" شناخته می‌شود.

پدیده برق به صورت مشابه است: ابرهای رعد و برق و زمین به عنوان دو رسانا (الکترود) عمل می‌کنند. وقتی ولتاژ بین آنها خیلی بالا می‌رود، هوا بین آنها پاره می‌شود و منجر به ضربه برق می‌شود.

با این حال، یک تفاوت مهم وجود دارد. گذرگاه‌های محافظتی مستقیماً روی خطوط تغذیه متصل می‌شوند. یک بار که ولتاژ بیش از حد خطرناک باعث پاره شدن فاصله (یعنی یونیزاسیون هوا بین میله‌ها) می‌شود، نیروگاه یا زیرстанسیون از این واقعه آگاه نیست یا نمی‌تواند به سرعت کافی واکنش نشان دهد. بنابراین، جریان را به فاصله رسانا ادامه می‌دهد. چون فاصله یک مسیر به زمین فراهم می‌کند، این جریان به طور مداوم جریان یافته و منجر به کوتاه‌شدن سیستم تغذیه می‌شود. بنابراین، در حالی که گذرگاه‌های محافظتی ساده برای استفاده هستند، عملکرد آنها باعث ایجاد قوس برق مداوم روی فاصله می‌شود و منجر به حالت کوتاه‌شدن می‌شود.

چگونه می‌توان قوس برق روی گذرگاه محافظتی را پس از عملکرد به سرعت خاموش کرد؟ این موضوع منجر به توسعه گذرگاه ضدبرق نسل دوم یعنی گذرگاه انفجاری (یا لوله‌ای) شد. این طراحی ابتدا قوس برق را درون یک لوله محصور می‌کند و سپس روش‌هایی برای خاموش کردن آن استفاده می‌کند.

با این حال، گذرگاه‌های انفجاری همچنان یک معیب دارند: صرف نظر از توانایی خاموش کردن قوس برق، آنها همچنان جریان سیستم تغذیه را مستقیماً به زمین هدایت می‌کنند و منجر به خطا موقتی زمین (کوتاه‌شدن) می‌شوند.

یک راه حل ایده‌آل یک دستگاه خواهد بود که جریان را تحت ولتاژ عادی مسدود کند یا فقط جریان‌های نشتی کمی را اجازه دهد، بدین ترتیب از کوتاه‌شدن جلوگیری کند، اما وقتی ولتاژ بیش از حد خطرناک ظاهر می‌شود، جریان‌های بزرگ برق (مانند برق) را به طور سریع به زمین هدایت کند. به عبارت ساده، چنین دستگاهی مانند یک "سوئیچ هوشمند" عمل می‌کند که دقیقاً می‌داند کی باید باز و بسته شود. در گذرگاه‌های ضدبرق، این "سوئیچ هوشمند" ابتدا با استفاده از یک ماده به نام کربید سیلیسیم (SiC) محقق شد. گذرگاه‌های ساخته شده از این ماده به عنوان گذرگاه‌های شیری شناخته می‌شوند، زیرا مانند شیرهای الکتریکی عمل می‌کنند.

مهم است ذکر شود که این "شیر" یک مولفه الکتریکی است، نه یک شیر مکانیکی مانند یک شیر آب یا لوله. شیرهای مکانیکی خیلی آهسته برای واکنش به برق که در میکروثانیه‌ها ضربه می‌زند، هستند. به جای آن، یک "شیر" الکتریکی ساخته شده از یک مقاومت غیرخطی مورد نیاز است. کربید سیلیسیم اولین ماده مقاومت غیرخطی کشف شده برای استفاده در کاربردهای ولتاژ بالا بود.

تکنولوژی به طور مداوم تکامل می‌یابد. ماده مقاومت غیرخطی دیگری بعداً برای گذرگاه‌های ضدبرق کشف شد: اکسید روی (ZnO). این ماده عملکرد مشابه کربید سیلیسیم را انجام می‌دهد اما ویژگی‌های "شیر" بهتری دارد - به طور حرفه‌ای بهترین غیرخطی بودن را توصیف می‌کند.

غیرخطی بودن چیست؟ به طور تخیلی، این به معنای انجام کار عکس است: وقتی بزرگ باید باشد، کوچک است و وقتی کوچک باید باشد، بزرگ است - متفاوت از مولفه‌های خطی که تناسب متناسب دارند.

در گذرگاه‌های ضدبرق، غیرخطی بودن به این شکل ظاهر می‌شود: وقتی جریان بالاست (مانند زمان ضربه برق)، مقاومت خیلی کم می‌شود و کمتر مقاومت، بهتر غیرخطی بودن است. وقتی جریان کم است (پس از گذشت ضربه برق و بازگشت سیستم به ولتاژ عملیاتی عادی)، مقاومت خیلی زیاد می‌شود و بیشتر مقاومت، بهتر غیرخطی بودن است.

کربید سیلیسیم غیرخطی بودن را نشان می‌دهد، اما ایده‌آل نیست. تحت ولتاژ عملیاتی عادی، مقاومتش به اندازه کافی بالا نیست و اجازه می‌دهد که جریان نشتی کمی از طریق گذرگاه جریان یابد - مانند یک شیر که محکم بسته نمی‌شود و منجر به جریان مداوم "آبکش" می‌شود.

این رفتار ذاتی ماده است و تلاش‌هایی برای حذف این جریان نشتی از طریق بهبود مواد به طور کلی موفق نبوده است. بنابراین، وقتی کربید سیلیسیم در گذرگاه‌ها استفاده می‌شود، راه‌حل‌های ساختاری به کار گرفته می‌شوند: ابتدا گذرگاه از خط جدا می‌شود و فقط در زمان ضربه به آن متصل می‌شود. این کار با استفاده از یک فاصله هوا انجام می‌شود. بنابراین، گذرگاه‌های شیری تقریباً همیشه نیاز به یک فاصله دارند. در مقابل، شیرهای اکسید روی تحت ولتاژ عملیاتی عادی "محکم بسته" می‌شوند، بنابراین نیازی به یک فاصله سری ندارند.

با بهبود تکنولوژی تولید اکسید روی، محدودیت‌های اولیه در توانایی "بستن" رفع شده است. با این حال، به دلیل شیوع طرح‌های دارای فاصله، برخی از گذرگاه‌های اکسید روی همچنان فاصله دارند. با این حال، گذرگاه‌های بدون فاصله اکسید روی تشکیل بخش عمده‌ای از آنها را می‌دهند.

از آنجا که اکسید روی یک اکسید فلزی است، این گذرگاه‌ها همچنین به عنوان گذرگاه‌های ضدبرق اکسید فلزی (MOSA) شناخته می‌شوند.

حفاظت از برق در سیستم‌های تغذیه

از دیدگاه دستگاه‌های حفاظت از برق، سه نوع اصلی وجود دارد: میله‌های ضدبرق (طرف‌های هوا)، سیم‌های زمینی بالایی (سیم‌های محافظ) و گذرگاه‌های ضدبرق. دو نوع اول ساختاری ساده دارند - به طور اساسی فقط میله‌ها و سیم‌ها - در حالی که نوع آخر به دلیل وابستگی به مقاومت‌های غیرخطی که به عنوان "سوئیچ‌های هوشمند" عمل می‌کنند، پیچیده‌تر است.

از دیدگاه اشیاء محافظت شده، حفاظت از برق به سه دسته تقسیم می‌شود: حفاظت خطوط هوایی، حفاظت زیرستانسیون‌ها و حفاظت موتورها.

خطوط هوایی مسافت‌های وسیعی را پوشش می‌دهند و در مناطق باز قرار دارند. برای کاهش تأثیر بر زندگی زمینی و اکوسیستم‌ها، آنها در ارتفاعات قابل توجهی نصب می‌شوند. مانند آنچه که می‌گویند: "درخت بلندترین باد را می‌گیرد"، آنها هدف اصلی برای برق هستند. آمار نشان می‌دهد که بیشتر خرابی‌های شبکه توزیع به دلیل ضربه برق به خطوط است. بنابراین، خطوط هوایی باید محافظت شوند. با این حال، به دلیل طول آنها، حفاظت کامل عملی و اقتصادی نیست. بنابراین، حفاظت خطوط نسبی است: برخی از ضربات برق مجاز به ضربه خوردن خط و ایجاد فشار برق هستند. این حفاظت اغلب با استفاده از سیم‌های زمینی بالایی انجام می‌شود.

در مقابل، زیرستانسیون‌ها بسیار حیاتی‌تر هستند. آنها به عنوان مرکز‌های سیستم تغذیه عمل می‌کنند و تجهیزات و کارکنان متمرکز شده را در خود جای می‌دهند. بنابراین، نیازهای حفاظتی آنها بسیار بالا است.

برق می‌تواند از دو مسیر اصلی به یک زیرستانسیون برسد: ضربه مستقیم، که با استفاده از میله‌های ضدبرق (یا گاهی اوقات سیم‌های محافظ) کاهش می‌یابد؛ و فشارهای منتشر شده از ضربه برق به خطوط انتقال، که اغلب توسط گذرگاه‌های ضدبرق مدیریت می‌شوند.

حفاظت از موتورها (شامل ژنراتورها، مکمل‌های همزمان، تغییردهنده‌های فرکانس و موتورهای الکتریکی) به اندازه حفاظت از زیرستانسیون‌ها حیاتی است. ژنراتورها "قلب" سیستم تغذیه هستند و موتورهای بزرگ محرک‌های صنعتی حیاتی هستند. خرابی برق در این مؤلفه‌ها بازدهی قابل توجهی را از دست می‌دهد. با این حال، حفاظت از موتورها بیشتر از حفاظت از زیرستانسیون‌ها چالش‌برانگیز است. موتورها ماشین‌های چرخان هستند، بنابراین عایق‌بندی آنها نمی‌تواند بسیار ضخیم باشد و باید جامد باشد (متفاوت از عایق‌بندی مایع استفاده شده در ترانسفورماتورها). عایق‌بندی جامد آسان‌تر تخریب می‌شود، بنابراین نیاز به حفاظت اولیه با گذرگاه‌های ضدبرق و همچنین اقدامات محافظتی کمکی اضافی است.

گذرگاه‌های ضدبرق اکسید روی با پوشش مرکب

یک گذرگاه ضدبرق یک دستگاه الکتریکی با دو الکترود است - یکی معمولاً به زمین متصل شده و دیگری به ولتاژ بالا - که توسط یک ماده عایق‌بندی جدا شده است که به طور حرفه‌ای به عنوان یک عایق شناخته می‌شود.

از آنجا که بیشتر تجهیزات سیستم تغذیه به جو معرض هستند، سطوح عایق‌بندی به طور مستقیم با محیط در تماس هستند. این بخش از عایق‌بندی به عنوان عایق‌بندی خارجی یا عایق‌بندی خارجی شناخته می‌شود.

عایق‌بندی خارجی به طور مداوم به آفتاب، باران، باد، برف، ابر و رایحه مواجه است. بنابراین، مواد عایق‌بندی خارجی که معتبر هستند باید نه تنها خصوصیات الکتریکی و مکانیکی عالی داشته باشند، بلکه مقاومت بسیار بالایی نسبت به آب و هوا و عمر مفید ۴۰-۵۰ ساله داشته باشند. در حال حاضر، سرامیک به عنوان ماده عایق‌بندی خارجی پرکاربردترین ماده در مهندسی است، با استفاده از شیشه سخت‌شده نیز در کاربردهای خطی استفاده می‌شود.

سرامیک و شیشه مواد بی‌آلایه هستند. علاوه بر عملکرد الکتریکی و مکانیکی عالی، مزیت اصلی آنها پایداری محیطی است - مقاومت فوق‌العاده نسبت به شرایط آب و هوایی - که آنها را قادر می‌سازد تا به مدت نزدیک به یک قرن عایق‌بندی خارجی سیستم‌های تغذیه را تحت تسلط خود داشته باشند.

با این حال، آنها یک ضعف مشترک دارند: سطوح آنها هیدروفیلیک هستند. این امر اجازه می‌دهد تا لایه‌های آلودگی روی سطح عایق‌بندی رطوبت جذب کنند. وقتی آلودگی با رطوبت ترکیب می‌شود، امکان جریان الکتریکی فراهم می‌شود و می‌تواند منجر به قوس برق روی سطح عایق‌بندی تحت ولتاژ عملیاتی عادی شود. این به طور معمول به عنوان قوس برق آلودگی شناخته می‌شود، به طور خاص‌تر، جریان روی یک عایق‌بندی آلوده و مرطوب.

در دهه‌های اخیر، کauti>ربریل سیلیکون به طور گسترده‌ای در سراسر جهان برای جایگزینی مواد سنتی در عایق‌بندی استفاده شده است. کauti>ربریل سیلیکون یک ماده آلی با هیدروفوبیک بسیار قوی است که به طور قابل توجهی ولتاژ قوس برق آلودگی را افزایش می‌دهد.

عایق‌بندی‌های ساخته شده از مواد آلی غالباً به عنوان عایق‌بندی‌های پلیمری (زیرا مواد آلی پلیمر هستند)، عایق‌بندی‌های غیرسرامیک، عایق‌بندی‌های مرکب (زیرا عایق‌بندی خارجی مصنوعی است) یا حتی عایق‌بندی‌های پلاستیکی در خارج از کشور شناخته می‌شوند.

در چین، آنها قبلاً به عنوان عایق‌بندی‌های مرکب یا عایق‌بندی‌های کauti>ربریل سیلیکون شناخته می‌شدند. اکنون به طور یکپارچه به عنوان عایق‌بندی‌های آلی مرکب (زیرا مواد آلی مرکب هستند و این عایق‌بندی‌ها معمولاً از ترکیب کauti>ربریل سیلیکون و میله فیبر شیشه‌ای رزین اپوکسی ساخته می‌شوند) شناخته می‌شوند و به طور معمول به عنوان عایق‌بندی‌های مرکب خلاصه می‌شوند.

بنابراین، یک گذرگاه ضدبرق اکسید روی با پوشش مرکب از یک ماده آلی - به طور خاص کauti>ربریل سیلیکون - به عنوان عایق‌بندی خارجی برای یک گذرگاه ضدبرق اکسید روی استفاده می‌کند.