Surge Arresters: Ebolusyon Mga Materyales at Paglilinaw ng Proteksyon sa Kidlat

Surge Arresters and Their Evolution

Ang surge arrester ay laging nakakonekta sa paraan na parallel sa elektrikal na kagamitan na ito protektahan. Hindi ito nagiging hadlang sa normal na operasyon ng kagamitan sa sistema ng tensyon. Gayunpaman, kapag may mabahong overvoltage ang lumitaw sa kagamitan, unang nagkoconduct ang arrester, iniiwas ang overvoltage nang ligtas patungo sa lupa.

Ang pinakaunang at pinakasimpleng anyo ng surge arrester ay binubuo ng dalawang metal rods na nahahati ng isang gap at nakakonekta sa paraan na parallel sa mga kagamitan ng elektrikal. Kapag ang tensyon sa gitna ng gap na ito ay lumampas sa tiyak na threshold, ang hangin (ang gap) ay bubuo, nagprotekta sa kagamitan. Ang uri ng arrester na ito ay kilala bilang "expulsion gap" o "protective gap."

Ang pangyayari ng kidlat ay katulad: ang mga thunderclouds at ang lupa ay gumagana bilang dalawang conductor (electrodes). Kapag ang tensyon sa pagitan nila ay naging masyadong mataas, ang hangin sa pagitan nila ay bubuo, nagresulta sa isang kidlat.

Gayunpaman, may mahalagang pagkakaiba. Ang mga protective gaps ay direktang nakakonekta sa power lines. Kapag ang mabahong overvoltage ang nagdulot ng bubong sa gap (i.e., ang hangin sa pagitan ng mga rod ay ionized), ang power plant o substation ay hindi aware ng pangyayaring ito - o hindi makakapag-react nang sapat na mabilis. Bilang resulta, ito ay patuloy na nagbibigay ng current sa ngayong conducting gap. Dahil ang gap ay nagbibigay ng daan patungo sa lupa, ang current na ito ay patuloy na umagos, nagdudulot ng short circuit sa power system. Kaya, bagama't simple ang paggamit ng mga protective gaps, ang kanilang operasyon ay nagdudulot ng patuloy na arc sa pagitan ng gap, nagresulta sa isang kondisyong short-circuit.

Paano mapapabilis ang pagputol ng arc sa protective gap pagkatapos ng operasyon? Ito ang nag-udyok sa pagbuo ng ikalawang henerasyon ng arrester - ang expulsion (o tube-type) arrester. Ang disenyo na ito ay una'y nagpapalimita ng arc sa loob ng isang tube at pagkatapos ay gumagamit ng mga pamamaraan upang maputol ito.

Gayunpaman, ang expulsion arresters ay mayroon pa ring kadahilanan: anuman ang kanilang kakayahang maputol ang arc, sila pa rin ay nagdadala ng power system current diretso sa lupa, nagdudulot ng sandaling earth fault (short circuit).

Ang ideal na solusyon ay isang device na nagbabaril ng current o nagpapayag lamang ng minimal na leakage sa normal na tensyon, kaya nag-iwas ng short circuits, ngunit mabilis na nagcoconduct ng malaking surge currents (tulad ng kidlat) patungo sa lupa kapag may mabahong overvoltages. Sa madaling salita, ang ganitong device ay magiging tulad ng isang "intelligent switch," alam nito kailan buksan at isara. Sa surge arresters, ang "intelligent switch" na ito ay unang natupad gamit ang materyal na tinatawag na silicon carbide (SiC). Ang mga arrester na gawa sa materyal na ito ay kilala bilang valve-type arresters, dahil gumagana sila tulad ng mga electrical valves.

Mahalaga na tandaan na ang "valve" na ito ay isang electrical component, hindi isang mechanical valve tulad ng faucet o pipe valve. Ang mga mechanical valves ay masyadong mabagal upang makapag-respond sa kidlat, na sumusugod sa microseconds. Sa halip, kinakailangan ng isang electrical "valve" na gawa sa non-linear resistor. Ang silicon carbide ang unang materyal ng non-linear resistor na natuklasan para sa high-voltage applications.

Patuloy na umuunlad ang teknolohiya. Natuklasan ang pangalawang materyal ng non-linear resistor para sa surge arresters: ang zinc oxide (ZnO). Gumagampan ito ng katulad na tungkulin tulad ng silicon carbide ngunit may mas superior na "valve" characteristics - propesyonal na ipinapaliwanag bilang mas mahusay na non-linearity.

Ano ang non-linearity? Figuratively, ibig sabihin nito ang paggawa ng kabaligtaran: maliit kapag dapat malaki, at malaki kapag dapat maliit - hindi tulad ng linear components, na proporsyonal ang scaling.

Sa surge arresters, ang non-linearity ay lumilitaw sa susunod: kapag mataas ang current (halimbawa, sa panahon ng lightning surge), ang resistance ay naging napakababa, at ang mas mababa ang resistance, ang mas mahusay ang non-linearity. Kapag mababa ang current (pagkatapos ng lightning surge at bumalik ang sistema sa normal na operating voltage), ang resistance ay naging napakataas, at ang mas mataas ang resistance, ang mas mahusay ang non-linearity.

Ang silicon carbide ay nagpapakita ng non-linearity, ngunit hindi ito perpekto. Sa normal na operating voltage, ang resistance nito ay hindi sapat na mataas, nagpapayag ng maliit na leakage current na umagos sa arrester - tulad ng isang valve na hindi lubos na nagsasara, nagresulta sa patuloy na "trickle" ng current.

Ang pag-uugali na ito ay inherent sa materyal, at ang mga pagsisikap upang tanggalin ang leakage sa pamamagitan ng pag-improve ng materyal ay hindi masyadong matagumpay. Bilang resulta, kapag ginagamit ang silicon carbide sa mga arrester, ginagamit ang mga estruktural na solusyon: ang arrester ay unang i-isolate mula sa line at lamang konektado kapag may surge. Ang task na ito ay natatapos gamit ang series air gap. Kaya, ang valve-type arresters ay halos palaging nangangailangan ng isang gap. Sa kabaligtaran, ang zinc oxide valves ay "tightly closed" sa normal na operating voltage, kaya hindi sila nangangailangan ng series gap.

Bilang ang teknolohiya ng paggawa ng zinc oxide ay naging mas maunlad, ang mga naunang limitasyon sa kakayahang "closing" ay nalampasan. Gayunpaman, dahil sa historical prevalence ng mga disenyo ng may gap, ang ilang zinc oxide arresters ay mayroon pa ring gaps. Ngunit, ang gapless zinc oxide arresters ang bumubuo ng napakaraming bahagi.

Dahil ang zinc oxide ay isang metal oxide, ang mga arrester na ito ay kilala rin bilang Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).

Lightning Protection in Power Systems

Mula sa perspektibo ng mga device ng lightning protection, may tatlong pangunahing uri: lightning rods (air terminals), overhead ground wires (shield wires), at surge arresters. Ang unang dalawa ay struktural na simple - esensyal na lang mga rods at wires - habang ang huli ay mas komplikado dahil sa kanyang dependensiya sa mga non-linear resistors na gumagana bilang "intelligent switches."

Mula sa perspektibo ng mga protektahan, ang lightning protection ay maaaring ikategorya bilang: overhead transmission line protection, substation protection, at motor protection.

Ang overhead lines ay tumatawid sa malalayong distansya, nakalantad sa bukas na lugar. Upang minimisin ang epekto sa terrestrial life at ecosystems, ito ay itinayo sa malaking taas. Tulad ng sabi, "Ang pinakamataas na puno ang kumuha ng pinakamaraming hangin," kaya sila ang pangunahing target ng kidlat. Ang estadistika ay nagpapakita na ang karamihan sa mga pagkakasira ng power grid ay dulot ng lightning strikes sa mga linya. Kaya, kailangan ng proteksyon ang overhead lines. Ngunit, dahil sa kanilang haba, hindi praktikal at napakamahal ang absolute protection. Kaya, ang proteksyon ng linya ay relative: pinapayagan ang ilang lightning strikes na tumama sa linya at magdulot ng flashovers. Ang proteksyon na ito ay pangunahing natatapos gamit ang overhead ground wires.

Sa kabaligtaran, ang mga substation ay mas critical. Sila ay naglilingkod bilang mga hub ng power system, naglalaman ng nakonsentrado na kagamitan at personnel. Bilang resulta, ang kanilang mga requirement sa lightning protection ay napakataas.

Ang kidlat ay maaaring marating ang substation sa dalawang pangunahing paraan: direct strikes, na pinapabuti ng lightning rods (o sometimes shield wires); at surges na nagmumula sa lightning strikes sa transmission lines, na pangunahing pinaghahandaan ng surge arresters.

Ang lightning protection para sa motors (kabilang ang generators, synchronous condensers, frequency changers, at electric motors) ay kaparehas ng criticality ng substation protection. Ang mga generator ay ang "puso" ng power system, at ang mga malaking motors ay mahalagang industriyal na driver. Ang pagkasira ng mga komponente na ito dahil sa kidlat ay nagdudulot ng malaking pagkawala. Ngunit, mas mahirap ang motor protection kaysa sa substation protection. Ang mga motor ay mga rotating machines, kaya ang kanilang insulation ay hindi masyadong mataba at kailangang solid (hindi tulad ng liquid insulation na ginagamit sa transformers). Ang solid insulation ay prone sa aging, kaya kailangan ng hindi lamang primary protection sa surge arresters kundi pati na rin additional auxiliary protective measures.

Composite-Housed Zinc Oxide Surge Arresters

Ang surge arrester ay isang electrical device na may dalawang electrodes - isa karaniwang grounded at ang isa ay konektado sa mataas na tensyon - na nahahati ng isang insulating material, na kilala propesyonal na bilang insulator.

Dahil ang karamihan sa mga kagamitan ng power system ay nakalantad sa atmosphere, ang mga insulating surfaces ay nasa direkta na pakikipag-ugnayan sa environment. Ang bahagi ng insulation na ito ay tinatawag na external insulation o outdoor insulation.

Ang outdoor insulation ay laging nakalantad sa sikat ng araw, ulan, hangin, yelo, fog, at ros. Kaya, ang mga qualified na outdoor insulation materials ay kailangang hindi lamang magkaroon ng excellent electrical at mechanical properties, kundi pati na rin superior weather resistance at service life ng 40-50 taon. Kasalukuyan, ang porcelain ang pinaka-widely used na outdoor insulation material sa engineering, at ang tempered glass din ay ginagamit sa line applications.

Ang porcelain at glass ay inorganic materials. Bukod sa kanilang excellent electrical at mechanical performance, ang kanilang pangunahing advantage ay ang environmental stability - exceptional resistance sa climatic conditions - na nagbibigay-daan sa kanila upang manalo sa power system external insulation sa halos isang siglo.

Gayunpaman, mayroon silang common weakness: ang kanilang mga surface ay hydrophilic. Ito ay nagpapahintulot sa pollution layers sa surface ng insulator na mag-absorb ng moisture. Kapag ang pollution ay nagsanib sa moisture, ito ay nagpapayag ng current flow, potensyal na nagdudulot ng flashover sa surface ng insulator sa normal na operating voltage. Ito ay karaniwang kilala bilang pollution flashover, mas specific, surface discharge along a polluted at wetted insulator.

Sa nakaraang dekada, ang silicone rubber ay malawak na tinanggap sa buong mundo upang palitan ang traditional na materyales para sa insulators. Ang silicone rubber ay isang organic material na nagpapakita ng strong hydrophobicity, significantly increasing the pollution flashover voltage ng external insulation.

Ang mga insulators na gawa sa organic materials ay karaniwang tinatawag bilang polymer insulators (bilang ang organic materials ay polymers), non-ceramic insulators, composite insulators (dahil ang external insulation ay synthetic), o kahit plastic insulators abroad.

Sa China, dating tinatawag silang composite insulators o silicone rubber insulators. Ngayon, uniform na tinatawag silang organic composite insulators (bilang ang organic materials ay composites, at ang mga insulator na ito ay karaniwang gawa sa composite ng silicone rubber at epoxy-resin-glass-fiber rod), commonly abbreviated as composite insulators.

Kaya, ang composite-housed zinc oxide surge arrester ay gumagamit ng isang organic material - specifically silicone rubber - bilang external insulation para sa zinc oxide surge arrester.