מגיני גאות: הסבר על האבולוציה חומרים והגנה מברקים

מגיני שטף ותולדותיהם

מגן שטף תמיד מחובר במקביל לציוד החשמלי שהוא מגן עליו. הוא אינו מפריע לפעילות הנורמלית של המתקנים בזרם המערכת. עם זאת, כאשר מופיע מתח גבוה מסוכן על המתקן, המגן מתנהג קודם, ומפנות את המתח הגבוה באופן בטוח לקרקע.

הצורה הקדומה והפשוטה ביותר של מגן שטף כללה שתי סוללות מתכתיות מופרדות באמצעות פער ומחוברות במקביל למתקנים חשמליים. כאשר המתח בין הסוללות עבר רמה מסוימת, האוויר (הפער) נשבר, ומשתלט על המתקנים. סוג זה של מגן ידוע כ"פער הדחה" או "פער הגנה".

הופעת ברק דומה מאוד: ענני רעמים והארץ פועלים כמנגנונים (אלקטродים). כאשר המתח ביניהם נעשה גבוה מדי, האוויר ביניהם נשבר, ובכך מתרחש ברק.

עם זאת, יש הבדל קריטי. פערי הגנה מחוברים ישירות לקווי חשמל. כאשר מתח גבוה מסוכן גורם לפער להתפרק (כלומר, האוויר בין הסוללות מתאיין), תחנת הכוח או תחנת המשאבה לא מודעות לתופעה זו - או לא יכולות להגיב במהירות דיה. לכן, הם ממשיכים לספק זרם לפער המתנהג כעת כמנקה. מכיוון שהפער מספק דרך לקרקע, הזרם זורם ללא הפסקה, מה שגורם לתקלה קצרה במערכת החשמל. לכן, בעוד שפערי הגנה פשוטים לשימוש, פעילותם יוצרת קשת מתמשכת על הפער, המובילה לתנאי תקלה קצרה.

איך ניתן לכבות במהירות את הקשת על פני הפער ההגנה לאחר פעולה? זה הוביל לפיתוח המגן השטף הדור השני - מגן הדחה (או מגן צינורי). העיצוב הזה תחילה מגביל את הקשת בתוכו ואז משתמש בשיטות לכיבוי שלה.

עם זאת, מגני הדחה עדיין יש להם חסרונות: ללא קשר ליכולת כיבוי הקשת שלהם, הם עדיין מפנות את זרם מערכת החשמל ישירות לקרקע, מה שגורם לתקלה קצרה זמנית (תקלה קצרה).

פתרון אידיאלי יהיה מכשיר שמונע זרם או מאפשר רק נזילות מינימלית במתח נורמלי, כך שמתנכר תקלות קצרות, אך מפנות זרמים גדולים של שטף (כמו ברק) לקרקע כאשר מתח גבוה מסוכן מופיע. במילים פשוטות, מכשיר כזה יפעל כמו "כפתור חכם", שיודע בדיוק מתי לפתוח ולהסגר. במגני שטף, "כפתור חכם" זה התממש לראשונה באמצעות חומר בשם קריסטל סיליקון (SiC). מגנים שנעשו מחומר זה ידועים כמגני שסתום, שכן הם פועלים כמו שסתומים חשמליים.

חשוב לציין כי "שסתום" זה הוא מרכיב חשמלי, ולא שסתום מכני כמו מנגנון מים או שסתום צינור. שסתומים מכניים הם איטיים מדי כדי להגיב לברק, שמכה תוך מיקרושניות. במקום זאת, נדרש "שסתום" חשמלי עשוי מחומר נגד לא-ליניארי. קריסטל סיליקון היה החומר הראשון של נגד לא-ליניארי שנמצא לשימוש בישומים של מתח גבוה.

טכנולוגיה מתפתחת בהתמדה. מאוחר יותר נמצא חומר שני של נגד לא-ליניארי למגני שטף: אוקסיד צינק (ZnO). הוא מבצע תפקיד דומה לקריסטל סיליקון, אך מציג תכונות "שסתום" טובות יותר - מקצועית מתואר כבעל לא-ליניאריות טובה יותר.

מה היא לא-ליניאריות? באופן מטפורי, זה אומר לעשות את ההיפך: להיות קטן כשהוא צריך להיות גדול, וגדול כשהוא צריך להיות קטן - בניגוד לרכיבים ליניאריים, שהם פרופורציונליים.

במגני שטף, לא-ליניאריות מתבטאת כך: כאשר הזרם גבוה (לדוגמה, במהלך שטף ברק), ההתנגדות נמוכה מאוד, וככל שהתנגדות נמוכה יותר, כך לא-ליניאריות טובה יותר. כאשר הזרם נמוך (לאחר שעבר שטף ברק והמערכת חוזרת למתח הפעולה הנורמלי), ההתנגדות גבוהה מאוד, וככל שהתנגדות גבוהה יותר, כך לא-ליניאריות טובה יותר.

קריסטל סיליקון מפגין לא-ליניאריות, אבל הוא לא אידיאלי. במתח פעולה נורמלי, התנגדותו אינה גבוהה מספיק, מה שמאפשר זרם נזילות קטן לעבור דרך המגן - כמו שסתום שאינו מתאפס לחלוטין, מה שגורם לזרם מתמיד "נוזל" דרך המגן.

התנהגות זו היא חלק מהחומר, והנסיונות להיפטר מהנזילות באמצעות שיפור החומרים היו בעיקר כושלים. לכן, כאשר משתמשים בקריסטל סיליקון במגנים, משתמשים בפתרונות מבניים: המגן בהתחלה מבודד מהקו ומחובר רק במהלך השטף. המשימה הזו מתבצעת באמצעות פער אוויר טורי. לכן, מגני שסתום כמעט תמיד דורשים פער. לעומת זאת, שסתומי אוקסיד צינק "מתאפסים" במתח פעולה נורמלי, ולכן אינם דורשים פער טורי.

כתוצאה משיפורים בטכנולוגיית יצור אוקסיד צינק, מגבלות מוקדמות ביכולת "התאפסות" נפתרו. עם זאת, בשל הביצועים המסורתיים של עיצובים עם פערים, חלק ממגני אוקסיד צינק עדיין כוללים פערים. עם זאת, מגני אוקסיד צינק ללא פערים מהווים את הרוב הגדול.

מאחר ואוקסיד צינק הוא חמצן מתכתי, המגנים הללו ידועים גם כמגני שטף חמצן מתכתי (MOSA).

הגנה מפני ברקים במערכות חשמל

מהפרספקטיבה של מכשירי הגנה בפני ברקים, קיימים שלושה סוגים עיקריים: מוטות ברק (מגינים אוויריים), חוטי מגן מעל ראש (חוטי מגן), ומגני שטף. שני הראשונים פשוטים מבנית - בעיקר רק מוטות וחוטים - בעוד האחרון מורכב יותר בשל הסתמכותו על נוגדים לא-ליניאריים שפועלים כ"כפתורים חכמים".

מהפרספקטיבה של עצמים מוגנים, הגנה מפני ברקים יכולה להתחלק ל: הגנה על קווי מעבר מעל ראש, הגנה על תחנות, והגנה על מנועים.

קווים מעל ראש מכסים מרחקים עצומים, חשופים באזורים פתוחים. כדי להפחית את השפעתם על החיים והביומות היבשתיים, הם נבנים בגובה משמעותי. כפי שאומרים, "העץ הגבוה ביותר נושא את הרוח הכי הרבה", מה שמיישם אותם כמטרות ראשיות לברקים. סטטיסטיקות מראות כי רוב כשלונות רשת החשמל נגרמים על ידי מכות ברק בקוים. לכן, על קווי מעל ראש להיות מוגנים. עם זאת, בשל אורכם, הגנה מוחלטת היא בלתי מעשית ויקרה מאוד. לכן, הגנה על קו היא יחסית: מותר לברקים מסוימים לפגוע בקו ולגרום לגלגולים. הגנה זו מתבצעת בעיקר באמצעות חוטי מגן מעל ראש.

בניגוד, תחנות הרבה יותר קריטיות. הן משמשות כמרכזים של מערכת החשמל, ומכילות ציוד מרוכז וצוותים. לכן, דרישות ההגנה מפני ברקים שלהן מאוד גבוהות.

ברק יכול להגיע לתחנה דרך שני מסלולים עיקריים: מכות ישירות, שמופחתות על ידי מוטות ברק (או לפעמים חוטי מגן); ושטפים הנעים ממכות ברק בקווי מעבר, שמתמודדים בעיקר באמצעות מגני שטף.

הגנה מפני ברקים עבור מנועים (כולל גנרטורים, קונדנסרים סינכרוניים, משני תדרים ומנועים חשמליים) היא קריטית כמו הגנה על תחנות. גנרטורים הם "לב" של מערכת החשמל, ומנועים גדולים הם נהגים תעשייתיים חיוניים. נזק של ברק לרכיבים אלה גורם להפסדים משמעותיים. עם זאת, הגנה על מנועים היא מאתגרת יותר מאשר הגנה על תחנות. מנועים הם מכונות מסתובבות, כך שה yalıtım שלהם לא יכול להיות עבה מדי וצריך להיות מוצק (לא כמו yalıtım נוזלי המשמש בטרנספורמרים). yalıtım מוצק נוטה להזדקן, ודורש לא רק הגנה ראשית באמצעות מגני שטף אלא גם אמצעי הגנה נוספים עזריים.

מגני שטף אוקסיד צינק עם מגורים מורכבים

מגן שטף הוא מכשיר חשמלי עם שני אלקטרודות - אחת בדרך כלל מחוברת לקרקע והשנייה מחוברת למתח גבוה - מופרדות על ידי חומר yalıtım, שנקרא מקצועית yalıtım.

מאחר ורוב ציוד מערכת החשמל חשוף לאטמוספירה, משטחי הי alıtım הם במגע ישיר עם הסביבה. החלק הזה של yalıtım נקרא yalıtım חיצוני או yalıtım חיצוני.

yalıtım חיצוני חשוף כל הזמן לשמש, גשם, רוח, שלג, ערפל וטאל. לכן, חומרים uygun לי alıtım חיצוני צריכים לא רק להיות בעלי תכונות חשמליות ומכניות מצוינות, אלא גם להתאים לסביבה בצורה טובה ולו תוחלת חיים של 40-50 שנים. כיום, פורצלן הוא החומר uygun לי alıtım חיצוני הנפוץ ביותר בהנדסה, עם זכוכית מחומצת גם בשימוש בקוים.

פורצלן וזכוכית הם חומרים אי-אורגניים. בנוסף לתכונות החשמליות והמכניות המצוינות שלהם, היתרון העיקרי שלהם הוא יציבות סביבתית - עמידות יוצאת דופן לתנאי מזג אוויר - המאפשר להם להשתלט על yalıtım חיצוני של מערכת החשמל כמעט מאה שנה.

עם זאת, יש להם חולשה משותפת: משטחם הידרופילי. זה מאפשר לשכבות זיהום על משטח הי alıtım לספוג לחות. כאשר הזיהום מתמזג עם לחות, הוא מאפשר זרימה של זרם, שיכול לגרום לגלגול על פני משטח הי alıtım במתח פעולה נורמלי. זה ידוע כגלגול זיהום, יותר ספציפית, תקלה לאורך משטח זיהום ונוזלי.

בשנים האחרונות, גומי סיליקון נפוץ מאוד ברחבי העולם כתחליף לחומרים מסורתיים לי alıtım. גומי סיליקון הוא חומר אורגני המציג הידרופוביות חזקה, המגדילה משמעותית את מתח הגלגול של yalıtım חיצוני.

yalıtימונים שנעשו מחומרים אורגניים נקראים לעתים קרובות yalıtımונים פולימריים (מכיוון שחומרים אורגניים הם פולימרים), yalıtımונים לא קרמיקה, yalıtımונים מורכבים (מאחר וה yalıtım החיצוני הוא סינתטי), או אפילו yalıtımונים פלסטיקיים בחו"ל.

בסין, הם היו ידועים בעבר כ yalıtımונים מורכבים או yalıtımונים סיליקון. כיום הם נקראים באופן אחיד yalıtımונים אורגניים מורכבים (מכיוון שחומרים אורגניים הם מורכבים, וה yalıtımונים הללו בדרך כלל מיוצרים ממורכב של גומי סיליקון ומקטע זכוכית אפוקסי-樹脂玻璃纤维棒）。因此，复合外壳氧化锌避雷器使用有机材料——具体来说是硅橡胶——作为氧化锌避雷器的外部绝缘。 看起来在翻译过程中最后一段出现了错误，我将重新翻译最后一段：

在中国，它们以前被称为复合绝缘子或硅橡胶绝缘子。现在统一称为有机复合绝缘子（因为有机材料是复合材料，这些绝缘子通常由硅橡胶和环氧树脂玻璃纤维棒复合而成），通常简称为复合绝缘子。

因此，复合外壳氧化锌避雷器使用有机材料——具体来说是硅橡胶——作为氧化锌避雷器的外部绝缘。

בסין, הם היו ידועים בעבר כ yalıtımונים מורכבים או yalıtımונים סיליקון. כיום הם נקראים באופן אחיד yalıtımונים אורגניים מורכבים (מכיוון שחומרים אורגניים הם מורכבים, וה yalıtımונים הללו בדרך כלל מיוצרים ממורכב של גומי סיליקון ומקטע זכוכית אפוקסי-חומר גלASFiber). לכן, מגן שטף אוקסיד צינק עם מגורים מורכבים משתמש בחומר אורגני - ספציפית גומי סיליקון - כ yalıtım חיצוני למגן שטף אוקסיד צינק.