Paraf fulmine: evoluzione materiali e protezione dai fulmini spiegati
Parafulmini e la loro evoluzione
Un parafulmine è sempre connesso in parallelo con l'equipaggiamento elettrico che protegge. Non interferisce con il normale funzionamento dell'equipaggiamento a tensione di sistema. Tuttavia, quando appare una sovratensione pericolosa sull'equipaggiamento, il parafulmine conduce per primo, deviando la sovratensione in sicurezza verso terra.
La forma più antica e semplice di parafulmine consisteva in due barre metalliche separate da un intervallo e connesse in parallelo all'equipaggiamento elettrico. Quando la tensione attraverso questo intervallo superava una certa soglia, l'aria (l'intervallo) si rompeva, proteggendo l'equipaggiamento. Questo tipo di parafulmine è noto come "gap di espulsione" o "gap protettivo".
Il fenomeno del fulmine è simile: le nubi temporalesche e la terra agiscono come due conduttori (elettrodi). Quando la tensione tra di loro diventa troppo alta, l'aria tra di loro si rompe, causando un colpo di fulmine.
Tuttavia, c'è una differenza cruciale. I gap protettivi sono connessi direttamente alle linee elettriche. Una volta che una sovratensione pericolosa causa la rottura del gap (cioè, l'aria tra le barre viene ionizzata), la centrale elettrica o la sottostazione non ne è a conoscenza - o non può reagire abbastanza velocemente. Di conseguenza, continua a fornire corrente al gap ora conduttore. Poiché il gap fornisce un percorso verso terra, questa corrente fluisce continuamente, causando un cortocircuito nel sistema elettrico. Quindi, sebbene i gap protettivi siano facili da usare, la loro operazione crea un arco sostenuto attraverso il gap, portando a una condizione di cortocircuito.
Come potrebbe essere spento rapidamente l'arco attraverso il gap protettivo dopo l'operazione? Questo ha portato allo sviluppo della seconda generazione di parafulmini - il parafulmine di espulsione (o a tubo). Questo design prima confina l'arco all'interno di un tubo e poi utilizza metodi per spegnerlo.
Tuttavia, i parafulmini di espulsione hanno ancora un difetto: indipendentemente dalla loro capacità di spegnere l'arco, continuano a deviare la corrente del sistema elettrico direttamente a terra, causando un guasto momentaneo a terra (cortocircuito).
Una soluzione ideale sarebbe un dispositivo che blocca la corrente o permette solo una perdita minima sotto tensione normale, evitando così i cortocircuiti, ma conduce rapidamente grandi correnti di impulso (come i fulmini) a terra quando si verificano sovratensioni pericolose. In termini semplici, tale dispositivo agirebbe come un "interruttore intelligente", sapendo esattamente quando aprire e chiudere. Nei parafulmini, questo "interruttore intelligente" è stato inizialmente realizzato utilizzando un materiale chiamato carburo di silicio (SiC). I parafulmini realizzati con questo materiale sono noti come parafulmini a valvola, poiché funzionano come valvole elettriche.
È importante notare che questa "valvola" è un componente elettrico, non una valvola meccanica come un rubinetto o una valvola di tubo. Le valvole meccaniche sono troppo lente per rispondere ai fulmini, che colpiscono in microsecondi. Invece, è necessario un "interruttore" elettrico composto da un resistore non lineare. Il carburo di silicio è stato il primo materiale resistivo non lineare scoperto per applicazioni ad alta tensione.
La tecnologia continua a evolversi. Successivamente, è stato scoperto un secondo materiale resistivo non lineare per i parafulmini: l'ossido di zinco (ZnO). Svolge una funzione simile al carburo di silicio, ma presenta caratteristiche di "valvola" superiori - professionalmente descritte come migliori non linearità.
Cos'è la non linearità? Figurativamente, significa fare l'opposto: essere piccolo quando dovrebbe essere grande, e grande quando dovrebbe essere piccolo - diversamente dai componenti lineari, che si scalano proporzionalmente.
Nei parafulmini, la non linearità si manifesta come segue: quando la corrente è alta (ad esempio, durante un impulso di fulmine), la resistenza diventa molto bassa, e più bassa è la resistenza, migliore è la non linearità. Quando la corrente è bassa (dopo che l'impulso di fulmine è passato e il sistema torna alla tensione di funzionamento normale), la resistenza diventa molto alta, e più alta è la resistenza, migliore è la non linearità.
Il carburo di silicio presenta una non linearità, ma non è ideale. A tensione di funzionamento normale, la sua resistenza non è sufficientemente alta, permettendo una piccola corrente di fuga attraverso il parafulmine - come una valvola che non si chiude ermeticamente, causando una corrente continua "gocciolante".
Questo comportamento è intrinseco al materiale, e gli sforzi per eliminare questa corrente di fuga attraverso miglioramenti del materiale sono stati in gran parte infruttuosi. Di conseguenza, quando si utilizza il carburo di silicio nei parafulmini, si impiegano soluzioni strutturali: il parafulmine è inizialmente isolato dalla linea e connesso solo durante un impulso. Questo compito viene svolto utilizzando un gap d'aria in serie. Pertanto, i parafulmini a valvola richiedono quasi sempre un gap. In contrasto, le valvole di ossido di zinco "si chiudono ermeticamente" a tensione di funzionamento normale, quindi non richiedono un gap in serie.
Con l'evolversi della tecnologia di produzione dell'ossido di zinco, le limitazioni iniziali nella capacità di "chiusura" sono state superate. Tuttavia, a causa della prevalenza storica dei disegni con gap, alcuni parafulmini di ossido di zinco incorporano ancora gap. Tuttavia, i parafulmini di ossido di zinco senza gap costituiscono la maggioranza.
Poiché l'ossido di zinco è un ossido metallico, questi parafulmini sono anche noti come Parafulmini a Ossidi Metallici (MOSA).
Protezione contro i fulmini nei sistemi elettrici
Dal punto di vista dei dispositivi di protezione contro i fulmini, esistono tre tipi principali: paratonnerri (terminali aerea), fili di terra aerei (fili schermo) e parafulmini. I primi due sono strutturalmente semplici - sostanzialmente solo barre e fili - mentre l'ultimo è più complesso a causa della sua dipendenza da resistori non lineari che agiscono come "interruttori intelligenti".
Dal punto di vista degli oggetti protetti, la protezione contro i fulmini può essere categorizzata in: protezione delle linee aeree, protezione delle sottostazioni e protezione dei motori.
Le linee aeree coprono vaste distanze, esposte in aree aperte. Per minimizzare l'impatto sulla vita terrestre e sugli ecosistemi, sono erette ad altezze significative. Come si dice, "l'albero più alto prende più vento", rendendoli bersagli principali per i fulmini. Le statistiche mostrano che la maggior parte dei guasti della rete elettrica è causata da colpi di fulmine sulle linee. Pertanto, le linee aeree devono essere protette. Tuttavia, a causa della loro lunghezza, la protezione assoluta è impraticabile e proibitivamente costosa. Quindi, la protezione delle linee è relativa: alcuni colpi di fulmine sono permessi di colpire la linea e causare flashover. Questa protezione è principalmente ottenuta utilizzando fili di terra aerei.
In contrasto, le sottostazioni sono molto più critiche. Servono come hub del sistema elettrico, ospitando equipaggiamento concentrato e personale. Di conseguenza, i requisiti di protezione contro i fulmini sono estremamente elevati.
I fulmini possono raggiungere una sottostazione attraverso due percorsi principali: colpi diretti, mitigati da paratonnerri (o talvolta fili schermo); e impulsi propaganti da colpi di fulmine sulle linee di trasmissione, che sono gestiti principalmente dai parafulmini.
La protezione contro i fulmini per i motori (inclusi generatori, condensatori sincroni, cambiatori di frequenza e motori elettrici) è altrettanto critica quanto la protezione delle sottostazioni. I generatori sono il "cuore" del sistema elettrico, e i grandi motori sono motori industriali vitali. I danni causati dai fulmini a questi componenti risultano in perdite significative. Tuttavia, la protezione dei motori è più difficile della protezione delle sottostazioni. I motori sono macchine rotanti, quindi la loro isolazione non può essere eccessivamente spessa e deve essere solida (diversamente dall'isolamento liquido utilizzato nei trasformatori). L'isolamento solido è suscettibile all'invecchiamento, richiedendo non solo protezione primaria con parafulmini, ma anche misure di protezione ausiliarie aggiuntive.
Parafulmini a ossido di zinco con alloggiamento composito
Un parafulmine è un dispositivo elettrico con due elettrodi - uno tipicamente collegato a terra e l'altro collegato ad alta tensione - separati da un materiale isolante, noto professionalmente come isolatore.
Poiché la maggior parte dell'equipaggiamento dei sistemi elettrici è esposta all'atmosfera, le superfici isolate sono in contatto diretto con l'ambiente. Questa porzione di isolamento è chiamata isolamento esterno o isolamento all'aperto.
L'isolamento all'aperto è costantemente esposto a sole, pioggia, vento, neve, nebbia e rugiada. Pertanto, i materiali di isolamento all'aperto qualificati devono non solo possedere eccellenti proprietà elettriche e meccaniche, ma anche dimostrare una resistenza superiore alle condizioni atmosferiche e una durata di servizio di 40-50 anni. Attualmente, la porcellana è il materiale di isolamento all'aperto più ampiamente utilizzato in ingegneria, con il vetro temperato utilizzato anche nelle applicazioni lineari.
La porcellana e il vetro sono materiali inorganici. Oltre alle loro eccellenti prestazioni elettriche e meccaniche, il loro vantaggio principale è la stabilità ambientale - eccezionale resistenza alle condizioni climatiche - consentendo loro di dominare l'isolamento esterno dei sistemi elettrici per quasi un secolo.
Tuttavia, condividono un debole comune: le loro superfici sono idrofile. Questo consente ai strati di inquinamento sulla superficie dell'isolatore di assorbire umidità. Quando l'inquinamento si combina con l'umidità, permette il flusso di corrente, potenzialmente causando un flashover sulla superficie dell'isolatore a tensione di funzionamento normale. Questo è comunemente noto come flashover da inquinamento, più specificamente, scarica superficiale su un isolatore inquinato e bagnato.
Negli ultimi decenni, la gomma siliconica è stata ampiamente adottata in tutto il mondo per sostituire i materiali tradizionali per gli isolatori. La gomma siliconica è un materiale organico che presenta una forte idrofobia, aumentando significativamente la tensione di flashover da inquinamento dell'isolamento esterno.
Gli isolatori realizzati con materiali organici sono spesso chiamati isolatori polimerici (poiché i materiali organici sono polimeri), isolatori non ceramici, isolatori compositi (poiché l'isolamento esterno è sintetico) o persino isolatori di plastica all'estero.
In Cina, erano precedentemente noti come isolatori compositi o isolatori di gomma siliconica. Ora sono uniformemente chiamati isolatori compositi organici (poiché i materiali organici sono compositi, e questi isolatori sono tipicamente realizzati da un composto di gomma siliconica e un perno di vetro-fibra di vetro resina epoxidica), comunemente abbreviati come isolatori compositi.
Pertanto, un parafulmine a ossido di zinco con alloggiamento composito utilizza un materiale organico - specificamente la gomma siliconica - come isolamento esterno per un parafulmine a ossido di zinco.
