피크전압 차단기: 진화, 재료, 및 번개 보호 설명

서지 아레스터와 그 발전

서지 아레스터는 항상 보호하려는 전기 장비와 병렬로 연결됩니다. 시스템 전압에서 장비의 정상적인 작동에는 간섭하지 않습니다. 그러나 장비에 위험한 과전압이 발생하면 아레스터가 먼저 전도하여 과전압을 안전하게 지면으로 이끌어냅니다.

가장 초기이고 간단한 형태의 서지 아레스터는 두 개의 금속 막대가 간격을 두고 배치되어 전기 장비와 병렬로 연결되었습니다. 이 간격 사이의 전압이 특정 임계값을 초과하면 공기(간격)가 분해되어 장비를 보호합니다. 이러한 유형의 아레스터는 "배출 간극" 또는 "보호 간극"이라고 불립니다.

번개 현상은 비슷합니다: 천둥구름과 지구는 두 개의 도체(전극) 역할을 합니다. 이들 사이의 전압이 너무 높아지면 그 사이의 공기가 분해되어 번개가 발생합니다.

그러나 중요한 차이점이 있습니다. 보호 간극은 직접 전력선에 연결됩니다. 위험한 과전압이 간극을 분해시킬 때(즉, 막대 사이의 공기가 이온화될 때), 발전소나 변전소는 이 사건을 인식하지 못하거나 충분히 빠르게 대응하지 못합니다. 따라서 계속해서 전류를 현재 전도하는 간극으로 공급합니다. 간극이 지면으로 가는 경로를 제공하므로, 이 전류는 지속적으로 흐르며, 결과적으로 전력 시스템에서 단락 회로가 발생합니다. 따라서 보호 간극은 사용하기 쉽지만, 작동 시 간극 사이에 지속적인 아크가 발생하여 단락 상태가 됩니다.

작동 후 보호 간극 사이의 아크를 어떻게 빠르게 소멸시킬 수 있을까요? 이를 해결하기 위해 두 번째 세대 아레스터인 배출형(또는 튜브형) 아레스터가 개발되었습니다. 이 설계는 아크를 튜브 내부로 제한하고 이를 소멸시키는 방법을 사용합니다.

그럼에도 불구하고 배출형 아레스터는 여전히 단점을 가지고 있습니다: 아크 소멸 능력에 관계없이 여전히 전력 시스템의 전류를 직접 지면으로 이끌어내어 일시적인 대지 고장(단락)을 일으킵니다.

이상적인 해결책은 정상 전압에서는 전류를 차단하거나 최소한의 누설만 허용하여 단락을 피하면서, 위험한 과전압이 발생할 때 빠르게 큰 서지 전류(예: 번개)를 지면으로 이끄는 장치일 것입니다. 간단히 말해, 이러한 장치는 정확히 언제 열고 닫을지를 알 수 있는 "지능형 스위치"처럼 작동해야 합니다. 서지 아레스터에서 이러한 "지능형 스위치"는 처음에는 실리콘 카바이드(SiC)라는 재료를 사용하여 실현되었습니다. 이러한 재료로 만든 아레스터는 전기 밸브처럼 작동하므로 밸브형 아레스터라고 알려져 있습니다.

이 "밸브"는 수도꼭지나 파이프 밸브와 같은 기계적 밸브가 아니라 전기 부품임을 주목해야 합니다. 기계적 밸브는 마이크로초 단위로 발생하는 번개에 반응하기에는 너무 느립니다. 대신, 비선형 저항재로 만들어진 전기 "밸브"가 필요합니다. 실리콘 카바이드는 고전압 응용 분야에서 사용되는 첫 번째 비선형 저항재로 발견되었습니다.

기술은 계속 발전합니다. 나중에 서지 아레스터에 사용되는 두 번째 비선형 저항재인 산화 아연(ZnO)이 발견되었습니다. 이는 실리콘 카바이드와 유사한 기능을 수행하지만, 더 우수한 "밸브" 특성을 가지며, 전문적으로는 더 좋은 비선형성을 가집니다.

비선형성이란 무엇입니까? 비유적으로 말하면, 크어야 할 때 작고 작아야 할 때 큰 것을 의미하며, 선형 구성요소와 달리 비례적으로 확장되지 않습니다.

서지 아레스터에서 비선형성은 다음과 같이 나타납니다: 전류가 높을 때(예: 번개 서지 중) 저항이 매우 낮아지고, 저항이 낮을수록 비선형성이 좋습니다. 전류가 낮을 때(번개 서지가 지나가고 시스템이 정상 작동 전압으로 돌아왔을 때) 저항이 매우 높아지고, 저항이 높을수록 비선형성이 좋습니다.

실리콘 카바이드는 비선형성을 나타내지만, 이상적이지는 않습니다. 정상 작동 전압에서는 저항이 충분히 높지 않아 약간의 누설 전류가 아레스터를 통해 흐릅니다. 마치 밸브가 완전히 닫히지 않아 계속해서 작은 양의 전류가 흐르는 것과 같습니다.

이 행동은 재료의 본질적인 특성이며, 재료 개선을 통해 이 누설을 제거하려는 시도는 대부분 성공하지 못했습니다. 따라서 실리콘 카바이드를 아레스터에 사용할 때는 구조적 해결책이 사용됩니다: 아레서는 초기에 선로부터 격리되고 서지가 발생할 때만 연결됩니다. 이 작업은 직렬 공기 간극을 사용하여 수행됩니다. 따라서 밸브형 아레스터는 거의 항상 간극이 필요합니다. 반면에 산화 아연 밸브는 정상 작동 전압에서는 "완전히 닫힌다"는 특성을 가지므로, 직렬 간극이 필요하지 않습니다.

산화 아연 제조 기술이 발전함에 따라 초기의 "닫힘" 능력의 한계가 극복되었습니다. 그러나 간극 설계의 역사적 보급으로 인해 일부 산화 아연 아레스터는 여전히 간극을 포함하고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 간극 없는 산화 아연 아레스터가 대부분입니다.

산화 아연은 금속 산화물이므로, 이러한 아레스터는 금속 산화물 서지 아레스터(MOSA)라고도 합니다.

전력 시스템의 번개 보호

번개 보호 장치의 관점에서 보면, 세 가지 주요 유형이 있습니다: 번개봉(공기 종단기), 상공 대지선(보호선), 서지 아레스터. 첫 두 가지는 구조적으로 단순하며 기본적으로 막대와 선뿐입니다. 반면, 마지막 하나는 비선형 저항재로 작동하는 "지능형 스위치"에 의존하므로 더 복잡합니다.

보호 대상의 관점에서 보면, 번개 보호는 다음과 같이 분류할 수 있습니다: 상공 송전선 보호, 변전소 보호, 모터 보호.

상공 선은 넓은 지역에 걸쳐 노출되어 있으며, 육상 생태계에 영향을 최소화하기 위해 상당한 높이에 설치됩니다. "가장 높은 나무가 가장 많은 바람을 받는다"는 말처럼, 이들은 번개의 주요 표적이 됩니다. 통계에 따르면, 전력망의 대부분의 고장은 선에 대한 번개 타격 때문입니다. 따라서 상공 선은 보호해야 합니다. 그러나 그 길이 때문에 완벽한 보호는 현실적이지도 않고 경제적으로도 가능하지 않습니다. 따라서 선 보호는 상대적입니다: 일부 번개 타격은 선에 미치도록 허용되며, 이는 주로 상공 대지선을 사용하여 이루어집니다.

반면, 변전소는 훨씬 중요합니다. 변전소는 전력 시스템의 중심이며 집중된 장비와 인력을 보유하고 있습니다. 따라서 그들의 번개 보호 요구사항은 매우 높습니다.

번개는 변전소로 두 가지 주요 경로를 통해 도달할 수 있습니다: 번개봉(때로는 보호선)을 통해 완화되는 직격, 그리고 송전선에 대한 번개 타격으로부터 전파되는 서지로, 이는 주로 서지 아레스터에 의해 처리됩니다.

모터(발전기, 동기 컨덴서, 주파수 변환기, 전동기 등 포함)의 번개 보호는 변전소 보호만큼 중요합니다. 발전기는 전력 시스템의 "심장"이며, 큰 모터는 중요한 산업적 동력원입니다. 이러한 구성 요소의 번개 손상은 큰 손실을 초래합니다. 그러나 모터 보호는 변전소 보호보다 더 어렵습니다. 모터는 회전 기계이므로 절연체가 너무 두껍지 않아야 하며, 고체(변압기에서 사용되는 액체 절연체와 달리)여야 합니다. 고체 절연체는 노화되기 쉬워, 서지 아레스터로의 주 보호뿐만 아니라 추가적인 보조 보호 조치가 필요합니다.

복합 주택 산화 아연 서지 아레스터

서지 아레스터는 두 개의 전극을 가진 전기 장치입니다. 하나는 일반적으로 접지되고 다른 하나는 고전압에 연결되며, 이들은 절연재로 분리되어 전문적으로 절연체라고 합니다.

대부분의 전력 시스템 장비는 대기와 접촉하므로, 절연 표면은 환경과 직접 접촉합니다. 이 부분의 절연은 외부 절연 또는 실외 절연이라고 합니다.

실외 절연은 항상 햇빛, 비, 바람, 눈, 안개, 이슬에 노출됩니다. 따라서 적격한 실외 절연 재료는 뛰어난 전기 및 기계적 특성뿐만 아니라 우수한 날씨 저항성과 40-50년의 수명을 가져야 합니다. 현재, 도자기는 공학에서 가장 널리 사용되는 실외 절연 재료이며, 강화 유리는 선 적용에서도 사용됩니다.

도자기와 유리는 무기 물질입니다. 뛰어난 전기 및 기계적 성능 외에도, 그들의 주요 장점은 환경적 안정성 즉, 기후 조건에 대한 뛰어난 저항성으로, 거의 1세기에 걸쳐 전력 시스템의 외부 절연을 주도해 왔습니다.

그러나 그들은 공통의 약점을 가지고 있습니다: 표면이 친수성입니다. 이로 인해 절연체 표면의 오염층이 습기를 흡수합니다. 오염과 습기가 결합하면, 정상 작동 전압에서도 절연체 표면을 통해 전류가 흐르게 되어, 플래시오버가 발생할 수 있습니다. 이는 일반적으로 오염 플래시오버, 더 구체적으로는 오염되고 습윤된 절연체를 따라 표면 방전이라고 알려져 있습니다.

최근 몇십 년 동안 실리콘 고무는 전 세계적으로 전통적인 재료를 대체하여 절연체에 널리 사용되었습니다. 실리콘 고무는 유기 물질로서 강한 소수성을 가지고 있어, 외부 절연의 오염 플래시오버 전압을 크게 증가시킵니다.

유기 물질로 만든 절연체는 종종 폴리머 절연체(유기 물질은 폴리머이므로), 비세라믹 절연체, 복합 절연체(외부 절연은 합성재료이므로), 또는 해외에서는 플라스틱 절연체라고도 부릅니다.

중국에서는 예전에는 복합 절연체 또는 실리콘 고무 절연체라고 불렸으며, 이제는 유기 복합 절연체(유기 물질은 복합재료이며, 이러한 절연체는 일반적으로 실리콘 고무와 에폭시-유리 섬유 막대의 복합체로 만들어짐)라고 통칭되며, 일반적으로 복합 절연체라고 줄여 부릅니다.

따라서, 복합 주택 산화 아연 서지 아레스터는 유기 물질, 특히 실리콘 고무를 산화 아연 서지 아레스터의 외부 절연으로 사용합니다.