افزایش دهنده‌های جریان: تکامل، مواد و توضیحات حفاظت از برق‌آسا
آماژورهای سرنشین و تکامل آنها
یک آماژور همیشه موازی با تجهیزات برقی که محافظت می‌کند، متصل می‌شود. در ولتاژ عادی سیستم، عملکرد تجهیزات تحت حفاظت آماژور مختل نمی‌شود. اما زمانی که ولتاژ خطرناکی روی تجهیزات ظاهر می‌شود، آماژور ابتدا رسانا می‌شود و ولتاژ اضافی را به طور ایمن به زمین هدایت می‌کند.
ساده‌ترین و قدیمی‌ترین نوع آماژور دو میله فلزی جدا شده توسط یک فاصله و موازی با تجهیزات برقی بود. هنگامی که ولتاژ این فاصله از یک حد معین عبور می‌کرد، هوا (فاصله) تخریب می‌شد و تجهیزات محافظت می‌شد. این نوع آماژور به عنوان "گپ خروجی" یا "گپ محافظ" شناخته می‌شود.
پدیده برق از آسمان نیز مشابه است: ابرهای صاعقه‌زا و زمین به عنوان دو رسانا (الکترود) عمل می‌کنند. هنگامی که ولتاژ بین آنها خیلی بالا می‌رود، هوا بین آنها تخریب می‌شود و منجر به ضربه برق از آسمان می‌شود.
با این حال، یک تفاوت مهم وجود دارد. گپ‌های محافظ مستقیماً بر روی خطوط برق متصل می‌شوند. یکبار که ولتاژ خطرناک گپ را تخریب می‌کند (یعنی هوا بین میله‌ها یونیزه می‌شود)، نیروگاه یا زیرстанسیون از این واقعه آگاه نیست یا نمی‌تواند به سرعت واکنش نشان دهد. بنابراین، جریان را به گپ رسانا ادامه می‌دهد. چون گپ یک مسیر به زمین فراهم می‌کند، این جریان به طور مداوم جریان یافته و منجر به کوتاه شدن سیستم برق می‌شود. بنابراین، گپ‌های محافظ اگرچه ساده در استفاده هستند، عملکرد آنها یک قوس پایدار در گپ ایجاد می‌کند که منجر به کوتاه شدن می‌شود.
چگونه می‌توان قوس الکتریکی در گپ محافظ پس از عملکرد به سرعت خاموش کرد؟ این موضوع منجر به توسعه نسل دوم آماژورها یعنی آماژور خروجی (یا آماژور لوله‌ای) شد. این طراحی ابتدا قوس را در یک لوله محصور می‌کند و سپس روش‌هایی برای خاموش کردن آن استفاده می‌کند.
با این حال، آماژورهای خروجی هنوز یک ضعف دارند: صرف نظر از توانایی خاموش کردن قوس، همچنان جریان سیستم برق را مستقیماً به زمین هدایت می‌کنند و منجر به خطا موقتی زمین (کوتاه شدن) می‌شوند.
یک راه‌حل ایده‌آل یک دستگاهی است که در ولتاژ عادی جریان را مسدود یا تنها جریان نشتی کمی را اجازه می‌دهد، بنابراین از کوتاه شدن جلوگیری می‌کند، اما زمانی که ولتاژ خطرناک ظاهر می‌شود، جریان‌های سرنشین بزرگ (مثل برق از آسمان) را به طور سریع به زمین هدایت می‌کند. به بیان ساده‌تر، چنین دستگاهی مثل یک "سوئیچ هوشمند" عمل می‌کند که دقیقاً می‌داند چه زمانی باید باز و بسته شود. در آماژورها، این "سوئیچ هوشمند" ابتدا با استفاده از یک ماده به نام کاربید سیلیسیم (SiC) محقق شد. آماژورهای ساخته شده از این ماده به عنوان آماژورهای والویی شناخته می‌شوند، چون عملکردی شبیه میخ‌های الکتریکی دارند.
باید توجه داشت که این "والو" یک المان الکتریکی است، نه یک والو مکانیکی مثل یک شیر آب یا یک شیر لوله. والوهای مکانیکی برای پاسخ به برق از آسمان که در میکروثانیه‌ها ضربه می‌زند، خیلی آهسته هستند. به جای آن، یک "والو" الکتریکی از یک مقاومت غیرخطی نیاز است. کاربید سیلیسیم اولین ماده مقاومت غیرخطی کشف شده برای کاربردهای ولتاژ بالا بود.
تکنولوژی به طور مداوم در حال تکامل است. ماده مقاومت غیرخطی دیگری برای آماژورهای سرنشین کشف شد: اکسید روی (ZnO). این ماده عملکرد مشابهی با کاربید سیلیسیم دارد اما ویژگی‌های "والو" بهتری دارد که به طور حرفه‌ای به عنوان غیرخطی‌بودن بهتر توصیف می‌شود.
غیرخطی‌بودن چیست؟ به طور تصویری، یعنی انجام عکس: کوچک بودن وقتی باید بزرگ باشد و بزرگ بودن وقتی باید کوچک باشد - متفاوت از المان‌های خطی که به طور متناسب مقیاس می‌یابند.
در آماژورهای سرنشین، غیرخطی‌بودن به این شکل ظاهر می‌شود: زمانی که جریان بالا است (مثلاً در زمان ضربه برق از آسمان)، مقاومت بسیار کم می‌شود و کمترین مقاومت بهتر است. زمانی که جریان کم است (پس از گذشت ضربه برق از آسمان و بازگشت سیستم به ولتاژ عادی عملیاتی)، مقاومت بسیار بالا می‌شود و بالاترین مقاومت بهتر است.
کاربید سیلیسیم غیرخطی است، اما ایده‌آل نیست. در ولتاژ عادی عملیاتی، مقاومتش به اندازه کافی بالا نیست و اجازه می‌دهد که جریان نشتی کمی از آماژور عبور کند - مانند یک والو که به طور کامل بسته نمی‌شود و منجر به جریان مداوم کمی می‌شود.
این رفتار ذاتی ماده است و تلاش‌های زیادی برای حذف این جریان نشتی از طریق بهبود مواد موفقیت چندانی نداشته‌اند. بنابراین، زمانی که کاربید سیلیسیم در آماژورها استفاده می‌شود، راه‌حل‌های ساختاری به کار گرفته می‌شوند: آماژور ابتدا از خط جدا می‌شود و فقط در زمان ضربه متصل می‌شود. این کار با استفاده از یک گپ هوا انجام می‌شود. بنابراین، آماژورهای والویی تقریباً همیشه نیاز به یک گپ دارند. در مقابل، والوها از اکسید روی در ولتاژ عادی عملیاتی "به طور کامل بسته می‌شوند"، بنابراین نیازی به گپ سری ندارند.
با بهبود تکنولوژی تولید اکسید روی، محدودیت‌های اولیه در "بسته شدن" رفع شده‌اند. با این حال، به دلیل فراگیری طرح‌های گپ‌دار، برخی از آماژورهای اکسید روی هنوز گپ دارند. با این حال، آماژورهای بدون گپ اکسید روی بخش عمده‌ای از آماژورها را تشکیل می‌دهند.
چون اکسید روی یک اکسید فلزی است، این آماژورها به عنوان آماژورهای سرنشین اکسید فلزی (MOSA) نیز شناخته می‌شوند.
محافظت از برق از آسمان در سیستم‌های برق
از دیدگاه دستگاه‌های محافظت از برق از آسمان، سه نوع اصلی وجود دارد: میخ‌های برق از آسمان (ترمینال‌های هوایی)، سیم‌های زمینی بالا (سیم‌های محافظ)، و آماژورهای سرنشین. دو نوع اول ساختاری ساده دارند - به طور اساسی فقط میخ‌ها و سیم‌ها - در حالی که نوع آخر پیچیده‌تر است به دلیل وابستگی به مقاومت‌های غیرخطی که به عنوان "سوئیچ‌های هوشمند" عمل می‌کنند.
از دیدگاه اشیاء محافظت شده، محافظت از برق از آسمان به سه دسته تقسیم می‌شود: محافظت خطوط انتقال هوایی، محافظت زیرستانسیون‌ها، و محافظت موتورها.
خطوط انتقال هوایی مسافت‌های وسیعی را می‌پوشانند و در مناطق باز قرار دارند. برای کاهش تأثیر بر زندگی زمینی و اکوسیستم‌ها، آنها در ارتفاعات قابل توجهی ساخته می‌شوند. همانطور که گفته می‌شود، "بالاترین درخت بیشترین باد را می‌گیرد"، که آنها را هدف اصلی برق از آسمان می‌کند. آمار نشان می‌دهد که بیشتر خرابی‌های شبکه برق ناشی از ضربه برق از آسمان به خطوط است. بنابراین، خطوط انتقال باید محافظت شوند. با این حال، به دلیل طول آنها، محافظت کامل غیرعملی و گران است. بنابراین، محافظت خطوط نسبی است: برخی از ضربه‌های برق از آسمان اجازه می‌شود به خط برسد و منجر به فلاشوور شود. این محافظت اغلب با استفاده از سیم‌های زمینی بالا انجام می‌شود.
در مقابل، زیرستانسیون‌ها بسیار حیاتی‌تر هستند. آنها مرکز‌های اصلی سیستم برق هستند که تجهیزات و کارکنان متمرکز شده‌اند. بنابراین، نیازهای محافظت از برق از آسمان آنها بسیار بالا است.
برق از آسمان می‌تواند از دو مسیر اصلی به یک زیرستانسیون برسد: ضربه مستقیم، که با میخ‌های برق از آسمان (یا گاهی سیم‌های محافظ) کاهش می‌یابد؛ و سرنشین‌های منتشر شده از ضربه برق از آسمان به خطوط انتقال، که اغلب با آماژورهای سرنشین مدیریت می‌شوند.
محافظت از برق از آسمان برای موتورها (شامل ژنراتورها، مبدل‌های همزمان، مبدل‌های فرکانس و موتورهای الکتریکی) به همان اندازه محافظت از زیرستانسیون‌ها حیاتی است. ژنراتورها "قلب" سیستم برق هستند و موتورهای بزرگ محرک‌های صنعتی مهم هستند. خسارت برق از آسمان به این مولفه‌ها منجر به از دست دادن‌های قابل توجه می‌شود. با این حال، محافظت از موتورها پیچیده‌تر از محافظت از زیرستانسیون‌ها است. موتورها دستگاه‌های چرخان هستند، بنابراین عایق‌بندی آنها نمی‌تواند خیلی ضخیم باشد و باید جامد باشد (متفاوت از عایق‌بندی مایع استفاده شده در ترانسفورماتورها). عایق‌بندی جامد به سرعت پیر می‌شود، بنابراین نه تنها نیاز به محافظت اصلی با آماژورهای سرنشین دارد، بلکه نیاز به اقدامات محافظتی کمکی اضافی نیز دارد.
آماژورهای سرنشین اکسید روی با پوشش مرکب
یک آماژور سرنشین یک دستگاه الکتریکی با دو الکترود است - یکی معمولاً زمین شده و دیگری به ولتاژ بالا متصل شده - که توسط یک ماده عایق‌بندی جدا شده‌اند، که به طور حرفه‌ای به عنوان یک عایق شناخته می‌شود.
از آنجا که بیشتر تجهیزات سیستم برق در معرض جو هستند، سطوح عایق‌بندی به طور مستقیم با محیط در تماس هستند. این بخش از عایق‌بندی به عایق‌بندی خارجی یا عایق‌بندی بیرونی معروف است.
عایق‌بندی بیرونی به طور مداوم در معرض نور خورشید، باران، باد، برف، مه و شب‌تاب است. بنابراین، مواد عایق‌بندی بیرونی مؤهل باید نه تنها خصوصیات الکتریکی و مکانیکی عالی داشته باشند، بلکه مقاومت بسیار خوبی در برابر آب و هوایی و عمر مفید ۴۰-۵۰ سال نیز داشته باشند. در حال حاضر، سرامیک به عنوان ماده عایق‌بندی بیرونی پرکاربردترین ماده در مهندسی است و شیشه‌های تقویت شده نیز در کاربردهای خطی استفاده می‌شوند.
سرامیک و شیشه مواد بی‌عضوی هستند. علاوه بر خصوصیات الکتریکی و مکانیکی عالی، مزیت اصلی آنها ثبات زیست‌محیطی است - مقاومت بسیار خوب در برابر شرایط آب و هوایی - که آنها را به مدت تقریباً یک قرن بر عایق‌بندی بیرونی سیستم‌های برق حاکم کرده است.
با این حال، آنها یک ضعف مشترک دارند: سطوح آنها هیدروفیلیک هستند. این امر اجازه می‌دهد که لایه‌های آلودگی روی سطح عایق‌بندی رطوبت جذب کنند. هنگامی که آلودگی با رطوبت ترکیب می‌شود، اجازه می‌دهد جریان عبور یابد و می‌تواند منجر به فلاشوور روی سطح عایق‌بندی در ولتاژ عادی عملیاتی شود. این به طور معمول به عنوان فلاشوور آلودگی شناخته می‌شود، به طور خاص‌تر، تخلیه سطحی در عایق‌بندی آلوده و مرطوب.
در دهه‌های اخیر، کائوچو سیلیکون به طور گسترده‌ای در سراسر جهان برای جایگزینی مواد سنتی در عایق‌بندی استفاده شده است. کائوچو سیلیکون یک ماده عضوی است که مقاومت بسیار خوبی در برابر آب دارد و ولتاژ فلاشوور آلودگی عایق‌بندی بیرونی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.
عایق‌بندی‌های ساخته شده از مواد عضوی معمولاً به عنوان عایق‌بندی‌های پلیمری (چون مواد عضوی پلیمر هستند)، عایق‌بندی‌های غیرسرامیک، عایق‌بندی‌های مرکب (چون عایق‌بندی بیرونی مصنوعی است) یا حتی عایق‌بندی‌های پلاستیکی در خارج از کشور شناخته می‌شوند.
در چین، آنها قبلاً به عنوان عایق‌بندی‌های مرکب یا عایق‌بندی‌های کائوچو سیلیکون شناخته می‌شدند. حالا به طور یکپارچه به عنوان عایق‌بندی‌های مرکب عضوی (چون مواد عضوی مرکب هستند و این عایق‌بندی‌ها معمولاً از ترکیب کائوچو سیلیکون و میله‌های فیبر شیشه‌ای اپوکسی ساخته می‌شوند) شناخته می‌شوند و به طور معمول به اختصار عایق‌بندی‌های مرکب نامیده می‌شوند.
بنابراین، یک آماژور سرنشین اکسید روی با پوشش مرکب از یک ماده عضوی - به طور خاص کائوچو سیلیکون - به عنوان عایق‌بندی بیرونی یک آماژور سرنشین اکسید روی استفاده می‌کند.
