Uspornici: Evolucija materijala i zaštita od munje objašnjena

Zaštitni uređaji od strujnih valova i njihova evolucija

Zaštitni uređaj od strujnih valova uvijek je spojen paralelno s električnim opremama koje štiti. Ne utječe na normalnu operaciju opreme na sustavnom naponu. Međutim, kada se na opremi pojavi opasan prekomjeran napon, zaštitni uređaj prvo provodi, bezbedno usmjeravajući prekomjeran napon u zemlju.

Najraniji i najjednostavniji oblik zaštitnog uređaja od strujnih valova sastojao se od dvije metalne šipke razdvojene rupom i spojene paralelno preko električne opreme. Kada bi napon preko te rupe prekoracio određenu granicu, zrak (rupa) bi se razradio, štitići opremu. Taj tip zaštitnika poznat je kao "izbacivanje iz rupa" ili "zaštitna rupa".

Fenomen munje je sličan: oblaci grmljavine i Zemlja djeluju kao dva vodljiva tijela (elektrodi). Kada postane previsok napon između njih, zrak između njih se razrađuje, rezultirajući udarcima munje.

Međutim, postoji ključna razlika. Zaštitne rupe su direktno spojene preko električnih linija. Kada prekomjeran napon uzrokuje da se rupa razradi (to jest, zrak između šipki ionizira), elektrana ili podstanica ne osećaju tu situaciju - ili ne mogu dovoljno brzo reagirati. Stoga nastavlja da isporučuje struju sada provodljivoj rupi. Budući da rupa pruža put do zemlje, ta struja teče kontinuirano, uzrokujući kratak spoj u električnom sustavu. Dakle, iako su zaštitne rupe jednostavne za upotrebu, njihov rad stvara trajnu luk između rupa, što dovodi do stanja kratkog spoja.

Kako bi se luka između zaštitne rupe mogla ubrzano ugasi nakon rada? To je dovelo do razvoja drugog generacije zaštitnika - zaštitnog uređaja s izbacivanjem (ili cevastog tipa). Ovaj dizajn prvo ograničava luku unutar cevi, a zatim koristi metode za njeno ugašenje.

Ipak, zaštitni uređaji s izbacivanjem imaju još jednu nedostatka: bez obzira na svoju sposobnost ugašanja luke, oni još uvijek odvajaju struju sustava direktno u zemlju, uzrokujući privremeni zemljani grešku (kratkog spoja).

Idealno rješenje bila bi oprema koja blokira struju ili dopušta samo minimalnu curenje pod normalnim naponom, time izbjegavajući kratke spojeve, ali brzo provodi velike struje strujnih valova (poput munje) u zemlju kada se pojave opasni prekomjerani naponi. U jednostavnim riječima, takva oprema bi ponašala poput "inteligentnog prekidača", koji točno zna kada treba otvoriti i zatvoriti. U zaštitnim uređajima od strujnih valova, ovaj "inteligentni prekidač" inicijalno je realiziran korištenjem materijala poznatog kao silicijev karbid (SiC). Zaštitnici izrađeni od ovog materijala poznati su kao ventilni zaštitnici, jer funkcionišu poput električnih ventila.

Važno je napomenuti da je ova "ventil" električni komponent, a ne mehanički ventil poput ventilatora ili čevnog ventila. Mehanički ventili su daleko pre spori da bi odgovarali na munju, koja pogodi u mikrosekundama. Umjesto toga, potreban je električni "ventil" izrađen od nelinearnog otpornika. Silicijev karbid bio je prvi nelinearni otpornik materijal otkriven za upotrebu u visokonaponskim aplikacijama.

Tehnologija se neprestano razvija. Kasnije je otkriven drugi nelinearni otpornik materijal za zaštitne uređaje od strujnih valova: oksid cinka (ZnO). On vrši sličnu funkciju kao silicijev karbid, ali pokazuje bolje "ventil" karakteristike - profesionalno opisano kao bolja nelinearnost.

Što je nelinearnost? Figurativno, znači da radi suprotno: biti mali kada bi trebao biti veliki, i veliki kada bi trebao biti mali - na suprotno od linearnih komponenti, koji se skaliraju proporcionalno.

U zaštitnim uređajima od strujnih valova, nelinearnost se manifestira na sljedeći način: kada je struja visoka (na primjer, tijekom udara munje), otpor postaje vrlo nizak, a što je niži otpor, bolja je nelinearnost. Kada je struja niska (nakon što je prošao udar munje i sustav se vratio na normalni radni napon), otpor postaje vrlo visok, a što je viši otpor, bolja je nelinearnost.

Silicijev karbid pokazuje nelinearnost, ali nije idealan. Pod normalnim radnim naponom, njegov otpor nije dovoljno visok, dopuštajući malu curenju struje kroz zaštitnik - poput ventila koji se ne zatvara dovoljno čvrsto, što rezultira stalnim "kapljanjem" struje.

Ovo ponašanje je intrinsično materijalu, a pokušaji eliminacije ove curenje putem poboljšanja materijala uglavnom nisu uspjeli. Stoga, kada se silicijev karbid koristi u zaštitnicima, koriste se strukturna rješenja: zaštitnik se inicijalno izolira od linije i spoji se samo tijekom udara. Ovu zadatak obavlja serija zračnih rupa. Stoga skoro svaki ventilni zaštitnik zahtijeva rupu. U suprotnosti, oksid cinka ventili "zatvaraju se čvrsto" pod normalnim radnim naponom, pa ne zahtijevaju seriju rupa.

S obzirom na poboljšanje tehnologije proizvodnje oksida cinka, ranije ograničenja u sposobnosti "zatvaranja" su prebačena. Međutim, zbog povijesne prevalencije dizajna s rupama, neki oksid cinka zaštitnici još uvijek uključuju rupu. Ipak, bezrupni oksid cinka zaštitnici predstavljaju većinu.

Budući da je oksid cinka metalni oksid, ovi zaštitnici su također poznati kao Metalni oksidni zaštitnici od strujnih valova (MOSA).

Zaštita od munje u električnim sustavima

Sa aspekta uređaja za zaštitu od munje, postoje tri glavna tipa: vrhovi munje (zračni terminali), nadzemne zračne žice (štitne žice) i zaštitni uređaji od strujnih valova. Prva dva su strukturno jednostavna - u suštini samo šipke i žice - dok je posljednji složeniji zbog ovisnosti o nelinearnim otpornicima koji funkcioniraju kao "inteligentni prekidači".

Sa aspekta zaštićenih objekata, zaštita od munje može se kategorizirati na: zaštitu nadzemnih prijenosnih linija, zaštitu podstanci i zaštitu motora.

Nadzemne linije se protežu na velike udaljenosti, izložene su otvorenom prostoru. Da bi se smanjilo utjecaj na terestrički život i ekosustave, one su postavljene na značajne visine. Kao što se kaže, "najviša stabla hvata najviše vjetra," čine ih glavnim ciljevima za munju. Statistike pokazuju da većina propusta elektroenergetske mreže uzrokovana je udarcima munje na linije. Stoga moraju biti zaštićene nadzemne linije. Međutim, zbog njihove duljine, apsolutna zaštita je nemoguća i preko dosta skupa. Stoga, zaštita linija je relativna: dopušteno je da neki udari munje pogode liniju i uzrokuju bljeske. Ova zaštita se uglavnom ostvaruje korištenjem nadzemnih zračnih žica.

U suprotnosti, podstancice su daleko važnije. One služe kao čvorište električnog sustava, smještaju koncentriranu opremu i osoblje. Stoga, zahtjevi za zaštitom od munje su izuzetno visoki.

Munja može doći do podstancice preko dva glavna puta: direktni udari, mitigirani vrhovima munje (ili ponekad štitnim žicama); i strujni valovi koji se šire od udara munje na prijenosnim linijama, koji se uglavnom rješavaju zaštitnim uređajima od strujnih valova.

Zaštita motora (uključujući generatori, sinkroni kondenzatori, promjenjivci frekvencije i električne motori) je jednako važna kao i zaštita podstanci. Generatori su "srcem" električnog sustava, a veliki motori su vitalni industrijski pokretači. Šteta od munje na ovim komponentama rezultira značajnim gubitcima. Međutim, zaštita motora je teža od zaštite podstanci. Motori su rotirajuće mašine, pa njihova izolacija ne može biti previše deblja i mora biti čvrsta (na suprotno od tekuće izolacije koja se koristi u transformatorima). Čvrsta izolacija je podložna starenju, što zahtijeva ne samo primarnu zaštitu s zaštitnim uređajima od strujnih valova, već i dodatne pomoćne zaštitne mjere.

Zaštitni uređaji od oksida cinka s kompozitnom omotačem

Zaštitni uređaj od strujnih valova je električni uređaj s dvije elektrode - jedna tipično zemljišta i druga spojena na visok napon - razdvojene izolacionim materijalom, profesionalno poznatim kao izolator.

Budući da je većina opreme električnog sustava izložena atmosferi, izolacione površine su u direktnom kontaktu s okruženjem. Ova dijelova izolacije naziva se vanjska izolacija ili izolacija za vanjski prostor.

Izolacija za vanjski prostor je stalno izložena sunčevom svjetlosti, kiši, vjetru, snijegu, magli i rosini. Stoga, kvalificirani materijali za izolaciju za vanjski prostor moraju imati ne samo odlične električne i mehaničke osobine, već i izvrsnu otpornost na vremenske uvjete i životnu dobu od 40-50 godina. Trenutno, porcelan je najšire upotrijebljeni materijal za izolaciju za vanjski prostor u inženjerstvu, dok se temperirano staklo koristi u linijama.

Porcelan i staklo su anorganski materijali. Pored odličnih električnih i mehaničkih performansi, njihov ključni prednost je stabilnost u okolišu - izvrsna otpornost na klimatske uvjete - što im omogućuje da dominiraju u vanjskoj izolaciji električnih sustava gotovo stotinu godina.

Međutim, imaju zajedničku slabost: njihove površine su hidrofilne. To omogućuje da se sloj onesnaženja na površini izolatora apsorbira vlage. Kada se onesnaženje kombinira s vlagom, omogućuje protok struje, potencijalno uzrokujući bljesak preko površine izolatora pod normalnim radnim naponom. To je poznato kao onesnaženi bljesak, specifičnije, površinski razlaganje duž onesnaženog i vlažnog izolatora.

U posljednjih desetljeća, silikonska guma je široko prihvaćena diljem svijeta kao zamjena tradicionalnim materijalima za izolatore. Silikonska guma je organski materijal sa snažnom hidrofobnošću, značajno povećavajući napon onesnaženog bljeska vanjske izolacije.

Izolatori izrađeni od organskih materijala često se nazivaju polimeri izolatori (jer su organski materijali polimeri), nekeramički izolatori, kompozitni izolatori (jer je vanjska izolacija sintetička) ili čak plastični izolatori u inozemstvu.

U Kini, ranije su se nazivali kompozitni izolatori ili silikonski gume izolatori. Sada su uniformno nazvani organski kompozitni izolatori (jer su organski materijali kompoziti, a ti izolatori obično su izrađeni od kompozita silikonske gume i epoksidne-resinsko-staklenih vlaknenih štapova), često skraćeni kao kompozitni izolatori.

Stoga, kompozitni-housed oksid cinka zaštitni uređaj koristi organski materijal - specifično silikonsku gumu - kao vanjsku izolaciju za oksid cinka zaštitni uređaj.