Säteilytusarrestit: Evoluutio materiaalit ja ukkosvarustus selitetty
Tulivuorot ja niiden kehitys
Tulivuoro on aina yhdistetty rinnakkaan sähkölaiteen kanssa, jota se suojailee. Se ei häiritse laitteen normaalia toimintaa järjestelmän jännitteessä. Kuitenkin kun vaarallinen ylivoltage ilmenee laitteessa, tulivuoro johtaa ensin, suuntaten ylivoltage turvallisesti maahan.
Varhaisin ja yksinkertaisin tulivuoron muoto koostui kahdesta metallipalkista, jotka olivat erottamassa väliään ja yhdistetty rinnakkaan sähkölaiteeseen. Kun jännite tässä välissä ylitti tietyn kynnysarvon, ilma (väli) romuttui, suojaen laitetta. Tämäntyyppistä tulivuorta kutsutaan "purkugapiksi" tai "suojagapiksi."
Salaman ilmiö on samankaltainen: ukkosnuvet ja maa toimivat kuten kaksi johtinta (elektrodeja). Kun niiden väliset jännite tulee liian korkeaksi, niiden välinen ilma romuttuu, mikä johtaa salamaan.
Kuitenkin on tärkeä ero. Suojagapit on yhdistetty suoraan sähköjohtoihin. Kun vaarallinen ylivoltage aiheuttaa gapin romuttumisen (eli palkkien välinen ilma ionisoituu), voimala tai alijakoasema ei ole tietoinen tästä tapahtumasta – tai ei pysty reagoimaan riittävän nopeasti. Tämän vuoksi se jatkaa sähkövirran tuomista nyt johtavaan gapiin. Koska gap tarjoaa polun maalle, tämä virta virtaa jatkuvasti, aiheuttaen sähköjärjestelmässä lyhytsirron. Siksi, vaikka suojagapid ovat yksinkertaisia käyttää, niiden toiminta luo jatkuvan kaaren gapin yli, mikä johtaa lyhytsirtoon.
Miten kaari suojagapin yli voisi sammuttaa nopeasti toiminnan jälkeen? Tämä johti toisen sukupolven tulivuoren – purku- (tai putkitulivuoren) kehittymiseen. Tämä suunnitelma ensin rajasi kaaren putkiin ja sitten käytti menetelmiä sen sammuttamiseksi.
Silti purku-tulivuorilla on edelleen puute: riippumatta niiden kaarisammutuskyvystä, ne ohjaavat edelleen sähköjärjestelmän virran suoraan maahan, aiheuttaen hetkellisen maavirheen (lyhytsirron).
Ideaalinen ratkaisu olisi laite, joka estää virran tai sallii vain vähän valoja normaalissa jännitteessä, välttäen siten lyhytsirtoja, mutta nopeasti johtaa suuria surgesuosia (kuten salamaa) maahan, kun vaarallinen ylivoltage ilmenee. Yksinkertaisesti sanottuna, tällainen laite toimisi "älykkänä kytkentänä", tietäen tarkasti, milloin avata ja sulkea. Tulivuoreissa tämä "älykäs kytkentä" toteutettiin aluksi materiaalilla nimeltä siilikaesiide (SiC). Tällaisesta materiaalista tehdetyt tulivuoret tunnetaan valve-tulivuorina, koska ne toimivat kuin sähköiset venttiilit.
On tärkeää huomioida, että tämä "venttiili" on sähkökomponentti, ei mekaaninen venttiili kuten kraana tai putkiventtiili. Mekaaniset venttiilit ovat liian hitaita vastaamaan salamiin, joka iskee mikrosekunneissa. Sen sijaan tarvitaan sähköinen "venttiili", joka on tehty epälineaariseen vastukseen. Siilikaesiide oli ensimmäinen epälineaarinen vastustemateriaali, joka löydettiin korkeajännitteisiin sovelluksiin.
Teknologia kehittyy jatkuvasti. Myöhemmin löydettiin toinen epälineaarinen vastustemateriaali tulivuoreihin: sinkioksiidi (ZnO). Se toimii samankaltaisesti kuin siilikaesiide, mutta näyttää parempia "venttiilimuotoisia" ominaisuuksia – ammattimaailmassa kuvataan paremmalla epälinearisuudella.
Mitä tarkoittaa epälinearisuus? Kuvallisesti se tarkoittaa päinvastaisuutta: olla pieni, kun pitäisi olla iso, ja iso, kun pitäisi olla pieni – eri kuin lineaariset komponentit, jotka skaalaavat verrannollisesti.
Tulivuoreissa epälinearisuus ilmenee seuraavasti: kun virta on suuri (esimerkiksi salaman aikana), vastus tulee hyvin pieneksi, ja mitä pienempi vastus, sitä parempi epälinearisuus. Kun virta on pieni (salaman jälkeen, kun järjestelmä palaa normaalille toimintajännitteelle), vastus tulee hyvin suureksi, ja mitä suurempi vastus, sitä parempi epälinearisuus.
Siilikaesiide esittää epälinearisuutta, mutta se ei ole ideaalinen. Normaalissa toimintajännitteessä sen vastus ei ole riittävän suuri, mikä sallii pieniä valoja kulkea tulivuoren läpi – kuin venttiili, joka ei sulje tiiviisti, mikä johtaa jatkuvaan "valumaan" virtaa.
Tämä käyttäytyminen on materiaalin luonteenomaista, ja yritykset poistaa tämä valo materiaaliparannuksilla ovat olleet suurimmaksi osaksi epäonnistuneet. Siksi, kun siilikaesiidettä käytetään tulivuoreissa, käytetään rakenteellisia ratkaisuja: tulivuoro eristetään aluksi linjasta ja yhdistetään vain surge-aikana. Tämä tehdään sarjagapilla. Siksi valve-tulivuorilla on melkein aina gap. Toisaalta sinkioksiidivalveet "sulkevat tiiviisti" normaalissa toimintajännitteessä, joten niitä ei tarvitse sarjagapia.
Kun sinkioksiidin valmistustekniikka on parantunut, varhaiset rajoitukset "sulkemisessa" on voitettu. Kuitenkin historiallisten gapped-suunnitelmien yleisyyden vuoksi, jotkut sinkioksiidi-tulivuoret sisältävät edelleen gappeja. Silti, gapittomat sinkioksiidi-tulivuoret muodostavat valtavan enemmistön.
Koska sinkioksiidi on metallioksiidi, näitä tulivuoreita kutsutaan myös Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).
Salaman suojaus sähköjärjestelmissä
Salaman suojalaitteiden näkökulmasta, on olemassa kolme pääasiallista tyyppeä: salamatulit (ilmatermit), ylämaajohtimet (suojajohtimet) ja tulivuorot. Kaksi ensimmäistä ovat rakenteeltaan yksinkertaisia – periaatteessa vain puita ja johtoja – kun taas viimeinen on monimutkaisempi sen riippuvuuden takia epälineaarisista vastuista, jotka toimivat "älykkäinä kytkentöinä."
Suojattujen objektien näkökulmasta, salaman suojaus voidaan luokitella: yläjohtojen suojaus, alijakoaseman suojaus ja moottorien suojaus.
Yläjohtot ulottuvat laajalle alueelle, alttiina avoimelle alueelle. Minimoidakseen vaikutuksen maaperälle ja ekosysteemeille, ne on rakennettu merkittäviin korkeuksiin. Kuten sanonta menee, "korkein puu saa eniten tuulta," mikä tekee niistä suosittuja salamien kohdekohteita. Tilastot osoittavat, että suurin osa sähköverkon epäonnistumisista johtuu salamien osuista johtoihin. Siksi yläjohtoja on suojattava. Kuitenkin niiden pituuden vuoksi, ehdoton suojaus on käytännöllisesti ja taloudellisesti mahdotonta. Siksi linjasuojaus on suhteellista: jotkut salamat sallitaan osua linjaan ja aiheuttaa flashovereja. Tämä suojaus saavutetaan pääasiassa ylämaajohtimilla.
Päinvastoin, alijakoasemat ovat paljon tärkeämpiä. Ne toimivat sähköjärjestelmän keskuksina, sisältäen tiheästi laitteita ja henkilöstöä. Siksi niiden salamasuojauksen vaatimukset ovat erittäin korkeat.
Salama voi saavuttaa alijakoaseman kahdella pääasiallisella tavalla: suoraan osuilla, joita lievitetään salamatulilla (tai joskus suojajohtimilla); ja surgejen leviämisenä salamien osuista yläjohtovirtajohdoista, joihin pääasiallisesti vastaavat tulivuorot.
Moottorien (mukaan lukien generaattorit, synkronikondensaattorit, taajuusmuunnokset ja sähkömoottorit) salamasuojaus on yhtä tärkeä kuin alijakoaseman suojaus. Generaattorit ovat sähköjärjestelmän "sydän", ja suuret moottorit ovat tärkeitä teollisuusajureita. Salaman aiheuttama vahingoitus näihin komponentteihin aiheuttaa huomattavia tappioita. Kuitenkin moottorien suojaus on haastavampaa kuin alijakoaseman suojaus. Moottorit ovat pyörimäkoneita, joten niiden eristyksen ei voi olla liian paksua ja se täytyy olla kiinteä (erona transformatorien nestemäisestä eristyksenä). Kiinteä eristys on altis vanhenemiselle, joten lisäksi primääriselle suojaus tulivuorilla tarvitaan myös lisäsuojatoimenpiteitä.
Kompositikuoriset sinkioksiidi-tulivuorot
Tulivuoro on sähkölaite, jossa on kaksi elektrodetta – yksi yleensä maanjäristetty ja toinen yhdistetty korkeaan jännitteeseen – erotettuna eristyksellä, jota ammattimaailmassa kutsutaan eristykseksi.
Koska useimmat sähköjärjestelmän laitteet ovat alttiina ilmakehälle, eristyspinnat ovat suoraan yhteydessä ympäristöön. Tämä osa eristystä kutsutaan ulkoiseksi eristyksiksi tai ulkoeristyksiksi.
Ulkoeristyksen on sietettävä jatkuvasti auringonpaiste, sade, tuuli, lumisate, sumu ja kaste. Siksi pätevän ulkoeristyksen materiaaleilla on oltava paitsi erinomaiset sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet, myös erinomainen sääolosuhteiden vastustuskyky ja 40–50 vuoden käyttöikä. Nykyisin porseleini on laajimmin käytetty ulkoeristyksen materiaali insinööritekniikassa, ja temperatuurivaakasuolaliitosta käytetään myös linjahankkeissa.
Porseleini ja lasi ovat anorganisia materiaaleja. Lisäksi niiden erinomaiseen sähköiseen ja mekaaniseen suorituskykyyn, niiden tärkein etu on ympäristövakaus – erinomainen sääolosuhteiden vastustuskyky – mikä on antanut niille hallitsevan aseman sähköjärjestelmän ulkoeristyksessä lähes vuosisadan ajan.
Kuitenkin niillä on yhteinen heikkous: niiden pinnat ovat hydrofiilisiä. Tämä mahdollistaa saastepinnoille vedyn imeytymisen. Kun saaste yhdistyy vedyn kanssa, se mahdollistaa sähkövirran kuljetuksen, mikä voi aiheuttaa flashoverin eristyspinnan yli normaalissa toimintajännitteessä. Tätä kutsutaan yleisesti saaste-flashoveriksi, tarkemmin sanottuna pinnanpäälliseksi virraksi saastuneella ja kostuneella eristyspinnalla.
Viime vuosikymmeninä silikonikumi on laajalti otettu käyttöön maailmanlaajuisesti korvaamaan perinteisiä materiaaleja eristyspinoille. Silikonikumi on orgaaninen materiaali, jolla on vahva hydrofoobisuus, mikä merkittävästi lisää ulkoeristyksen saaste-flashover-jännitettä.
Orgaanisista materiaaleista valmistetut eristyspinnot kutsutaan usein polymeerieristyspineiksi (koska orgaaniset materiaalit ovat polymeereja), ei-keramiikkieristyspineiksi, kompositieristyspineiksi (koska ulkoeristyksen on syntetinen) tai jopa muoveeristyspineiksi ulkomailla.
Kiinassa niitä kutsuttiin aiemmin kompositieristyspineiksi tai silikonikumi-eristyspineiksi. Nyt niitä kutsutaan yhtenäisesti orgaanisiksi kompositieristyspineiksi (koska orgaaniset materiaalit ovat kompositeja, ja nämä eristyspinnot ovat yleensä valmistettu silikonikumin ja epoksiresiin-glasfiberputken kompositista), yleisesti lyhennettynä kompositieristyspineiksi.
Näin ollen, kompositikuorinen sinkioksiidi-tulivuoro käyttää orgaanista materiaalia – tarkemmin sanottuna silikonikumia – sinkioksiidi-tulivuoren ulkoeristyksenä.
