Villámtömlők: Fejlődés, anyagok és villámvédelem kifejtve

Villámlásvédelmi berendezések és fejlődésük

A villámlásvédelmi berendezés mindig párhuzamosan van csatlakoztatva az általa védett elektromos eszközzel. Normál rendszerfeszültség mellett nem zavarja az eszköz szokásos működését. Ha azonban veszélyes túlfeszültség jelentkezik az eszközön, a védelmi berendezés először vezet, biztonságosan levezetve a túlfeszültséget a földre.

A legkorábbi és legegyszerűbb villámlásvédelmi berendezés két fémrúdból állt, amelyeket egy rés alatt választott el, és párhuzamosan voltak csatlakoztatva az elektromos eszközhez. Ha a résen lévő feszültség meghaladta a bizonyos küszöböt, a levegő (a rés) történő összeomlásra került, így megvédve az eszközt. Ez a típusú védelmi berendezést "kitaszító rés" vagy "védelmi rés" néven ismerjük.

A villám jelensége hasonló: a döntőfelhők és a Föld kétféle vezető (elektrodák) szerepét játszanak. Ha a közöttük lévő feszültség túl magas lesz, a közöttük lévő levegő történő összeomlásra kerül, ami eredményez egy villámlást.

Azonban lényeges különbség van. A védelmi reszek közvetlenül csatlakoztatva vannak a hálózati vezetékekhez. Amikor veszélyes túlfeszültség okozza a rés összeomlását (azaz a rúdok közötti levegő ionizálódik), a termelőállomás vagy aláállomás nem észleli ezt az eseményt – vagy nem reagál elég gyorsan. Így továbbra is áramot ad a már vezető résnek. Mivel a rés útvonalat nyit a földre, az áram folyamatosan halad, mielőtt rövidzárlat jönné létre a hálózatban. Tehát bár a védelmi reszek egyszerűek a használatban, működésük hosszú ideig tartó ív alakul ki a résen, ami rövidzárlati állapotot eredményez.

Hogyan lehetne gyorsan megszüntetni a védelmi résen kialakult ívet? Ez vezetett a második generációs védelmi berendezés, a kitaszító (vagy csőalakú) védelmi berendezés fejlesztéséhez. Ez a tervezés először bezárja az ívet egy csőben, majd módszereket alkalmaz annak megszüntetésére.

Ugyanakkor a kitaszító védelmi berendezéseknek is van hátrányuk: bármilyen ívkioltó képességük legyen, még mindig közvetlenül vezetnek áramot a hálózatból a földre, ami pillanatnyilag földhibát (rövidzárlatot) okoz.

Ideális megoldás lenne olyan eszköz, amely normál feszültség mellett blokkolja az áramot, vagy csak minimális szivárgást enged, így elkerülve a rövidzárlatokat, de gyorsan vezeti a nagy villámlási áramokat (mint például a villám) a földre, ha veszélyes túlfeszültség jelenik meg. Egyszerűen fogalmazva ilyen eszköz intelligens kapcsolónak viselkedne, pontosan tudva, mikor nyissa és zárja meg. A villámlásvédelmi berendezésekben ez az "intelligens kapcsoló" kezdetben silíciumkarbid (SiC) anyaggal valósult meg. Ebből az anyagból készült védelmi berendezéseket vízszabály típusú védelmi berendezéseknek nevezzük, mert mint elektrikus vízszabályok működnek.

Fontos megjegyezni, hogy ez a "vízszabály" egy elektromos komponens, nem olyan mechanikai vízszabály, mint egy csap vagy csővízszabály. A mechanikus vízszabályok sokkal lassabbak a villámokra adott reakcióban, amelyek mikroszekundumban találnak célba. Ehelyett egy nemlineáris ellenállásból készült elektromos "vízszabály" szükséges. A silíciumkarbid volt az első nemlineáris ellenállásanyag, amelyet magasfeszültségi alkalmazásokhoz fedeztek fel.

A technológia folyamatosan fejlődik. Később felfedezték a cink-oxid (ZnO) anyagot, amit villámlásvédelmi berendezésekben használtak. Ugyanolyan funkciót lát el, mint a silíciumkarbid, de jobb "vízszabály" jellemzőkkel – professzionálisan fogalmazva jobb nemlinearitással.

Mi a nemlinearitás? Figuratívan, azt jelenti, hogy ahol nagynek kellene lennie, ott kicsi, és ahol kicsinnek kellene lennie, ott nagy – ellentétben a lineáris komponensekkel, amelyek arányosan növekednek.

A villámlásvédelmi berendezésekben a nemlinearitás így jelentkezik: amikor a áramerősség nagy (pl. villámlás során), az ellenállás nagyon alacsony lesz, és minél alacsonyabb az ellenállás, annál jobb a nemlinearitás. Amikor a áramerősség alacsony (mikor a villámlás elmúlt, és a rendszer visszatér a normál működési feszültséghez), az ellenállás nagyon magas lesz, és minél magasabb az ellenállás, annál jobb a nemlinearitás.

A silíciumkarbid nemlinearitást mutat, de nem tökéletes. Normál működési feszültség mellett ellenállása nem eléggé magas, ami kis szivárgási áramot enged a védelmi berendezésen keresztül – mint egy vízszabály, ami nem teljesen lezárul, ami folyamatosan "cseppelő" áramot eredményez.

Ez a viselkedés a anyag természetébe tartozik, és a anyag javítása révén történő szivárgás megszüntetési kísérletek nagyjából sikertelenek voltak. Emiatt, amikor silíciumkarbidet használnak a védelmi berendezésekben, strukturális megoldásokat alkalmaznak: a védelmi berendezést kezdetben elvonják a vezetéktől, és csak villámlás során kapcsolják be. Ezt egy sorozatszerű levegőrést használva hajtják végre. Így a vízszabály típusú védelmi berendezések majdnem mindig igényelnek rést. Ellenben a cink-oxid vízszabályok "szorosan zárulnak" a normál működési feszültség mellett, így nem igényelnek sorozatszerű rést.

Ahogy a cink-oxid gyártástechnológiája fejlődött, korai korlátozásai a "bezáródásban" megoldódott. Azonban a réseken alapuló tervezések historikus elterjedtsége miatt, néhány cink-oxid védelmi berendezés még mindig réseket tartalmaz. Ugyanakkor a résszel nem rendelkező cink-oxid védelmi berendezések jelentős többséget képeznek.

Mivel a cink-oxid egy félmellék, ezért ezeket a védelmi berendezéseket Metal Oxide Surge Arresters (MOSA) néven is emlegetik.

Villámlásvédelem a villamos hálózatokban

A villámlásvédelmi eszközök szempontjából három fő típus létezik: villámlásvédők (légtéri végtagok), feletti földvezetők (védővezetékek) és villámlásvédelmi berendezések. Az első kettő szerkezetileg egyszerű – lényegében csak rúdok és vezetékek – míg az utolsó összetettebb, mivel nemlineáris ellenállásokra támaszkodik, amelyek "intelligens kapcsolóként" működnek.

A védendő objektumok szempontjából a villámlásvédelem három kategóriába osztható: feletti vezetékvédettség, aláállomány-védettség és motorvédettség.

A feletti vezetékek hatalmas távolságokon nyílik ki, nyílt területeken. A földi élet és ökoszisztémák minimalizálása érdekében magasra emelik őket. Ahogy mondják, "a legmagasabb fa kapja a legtöbb szél", tehát ők a villámok kedvelt célpontjai. A statisztikák szerint a hálózati hibák többese a feletti vezetékekre eső villámlásokból adódik. Tehát a feletti vezetékek védelme szükséges. Azonban a hosszuk miatt abszolút védelem gyakorlatilag elképzelhetetlen és túlságosan drága. Így a vezetékvédettség relatív: néhány villámhatás engedélyezett, ami időnként flashovereket okoz. Ez a védelem főleg feletti földvezetők segítségével valósul meg.

Ellenben az aláállományok sokkal fontosabbak. Ők a villamos rendszer központjai, koncentrált felszerelésekkel és személyzettel. Ezért villámlásvédelmi követelményeik rendkívül magasak.

A villám két fő úton juthat el az aláállományba: közvetlen hatás, amit villámlásvédők (vagy néha védővezetékek) enyhít; és villámlásból eredő impulzusok, amelyek főleg villámlásvédelmi berendezésekkel kezelhetők.

A motorok (köztük generátorok, szinkron kondenzátorok, frekvenciaátalakítók és elektromos motorok) villámlásvédelme olyan fontos, mint az aláállomány-védettség. A generátorok a villamos rendszer "szíve", a nagy motorok pedig fontos ipari gerincesek. A villámok általi sérülésük jelentős veszteségeket okoz. Azonban a motorvédettség kihívóbb, mint az aláállomány-védettség. A motorok forgó gépek, így izolációjuk nem lehet túl vastag, és szilárdnak (nem folyékony, mint a transzformátoroknál). A szilárd izoláció gyorsan öregedik, így nem csak elsődleges védelemmel (villámlásvédelmi berendezésekkel), hanem további segédeszközökkel is szükség van.

Kompozit-burkolatú cink-oxid védelmi berendezések

A villámlásvédelmi berendezés egy elektromos eszköz, amely két elektrodával (az egyik tipikusan földre kapcsolódik, a másik pedig magas feszültségűre) van, amelyeket egy izoláló anyag választ el, amit szakszerűen izolátornek nevezünk.

Mivel a villamos rendszer felszereltségeinek nagy része kifejezetten légkörrel érintkezik, az izoláló felületek közvetlenül a környezettel kapcsolatban állnak. Ez az izoláció részét hívják külső izolációnak vagy kívüli izolációnak.

A kívüli izoláció folyamatosan napfény, eső, szél, havazás, köd és harmat hatására van. Ezért a megfelelő kívüli izolációs anyagoknak nem csak kiváló elektromos és mechanikai tulajdonságokkal kell rendelkezniük, de kiváló időjárási ellenállással és 40-50 év élettartammal is. Jelenleg a porcelán a legelterjedtebb kívüli izolációs anyag a mérnöki alkalmazásokban, a hálózati alkalmazásokban pedig a keményített üveg is használatos.

A porcelán és az üveg inorganikus anyagok. Mellesleg kiváló elektromos és mechanikai teljesítményük mellett a kulcsfontosságú előnyük az, hogy környezeti stabilitásuk – kiváló ellenállásuk a klímahatásokkal szemben – lehetővé teszi, hogy szinte egy évszázaddal domináljanak a villamos rendszerek külső izolációjában.

Azonban közös gyengeségük, hogy felületeik hidrofilisek. Ez lehetővé teszi, hogy a szennyezett réteg a izolátor felületén nedvességet szívjon fel. Amikor a szennyezés és a nedvesség kombinálódik, áramot enged áthaladni, ami normál működési feszültség mellett felszínvillámlást okozhat. Ezt gyakran szennyezéses felszínvillámlásnak nevezik, vagy specifikusan, szennyezett és nedves izolátor felszínén zajló felszínvillámlásnak.

Az elmúlt évtizedekben a silikon gumit világszerte széles körben alkalmazták a hagyományos anyagok helyettesítésére izolátorokban. A silikon gumi organikus anyag, amely erős hidrofobikusságot mutat, jelentősen növelve a külső izoláció szennyezéses felszínvillámlási feszültségét.

Az organikus anyagból készített izolátorok gyakran polimereknek, nem-ceramikai izolátoroknak, kompozit izolátoroknak (mivel a külső izoláció szintetikus), vagy akár műanyag izolátoroknak is nevezik.

Kínában korábban kompozit izolátoroknak vagy silikon gumi izolátoroknak hívták őket. Ma egységesen organikus kompozit izolátoroknak nevezik őket (mivel az organikus anyagok kompozitok, és ezek az izolátorok tipikusan silikon gummiból és epox-műanyag-üvegzsinóról készülnek), röviden kompozit izolátorok.

Tehát a kompozit-burkolatú cink-oxid védelmi berendezés organikus anyagot – konkrétan silikon gumit – használ a cink-oxid védelmi berendezés külső izolációjának készítésére.