Прекинувачи на надвoltage: Еволуција, материјали и заштита од молнии објаснета

Защитници од претоварување и нивната еволуција

Защитникот од претоварување секогаш е поврзан паралелно со електричната опрема која штити. Не се меша во нормалната работа на опремата при системска напон. Меѓутоа, кога опасен прекупиток на напон се појави на опремата, защитникот прво проводи, отводејќи го прекупитокот безбедно во земјата.

Најраната и наједоставна форма на защитник од претоварување се состоела од две метални ѕидинки разделени со размак и поврзани паралелно надвор од електричната опрема. Кога напонот над овој размак преминаше одредена граница, воздухот (размакот) би се расипал, заштитувајќи го така опремата. Овој вид на защитник е познат како "избацивање на размак" или "защитен размак."

Феноменот на грмеж е сличен: облаци со гром и земјата делуваат како два проводника (електроди). Кога напонот помеѓу нив станува премногу висок, воздухот помеѓу нив се расипува, резултирајќи со удар на грмеж.

Меѓутоа, постои една важна разлика. Заштитните размаци се поврзани директно над електричните линии. Еднаш опасен прекупиток на напон предизвика да се расипа размакот (т.е. воздухот помеѓу ѕидинките се ионизира), електроцентралата или подстанцијата не се знае за тоа – или не може да реагира доволно брзо. Затоа продолжува да доставува строј на сега проводлив размак. Бидејќи размакот пружа пат до земјата, овој строј тековно тече, создавајќи кратко коло во електричниот систем. Така, додека заштитните размаци се едноставни за користење, нивната работа создава продолжувана дуга над размакот, што води до услов на кратко коло.

Како може да се угаси брзо дугата над заштитниот размак по работата? Ова доведе до развојот на второ поколение на защитник – избацивање (или цевест) защитник. Овој дизајн прво ограничува дугата во цев и потоа користи методи за нејзино угасување.

Ипак, избацивањето на защитници все уште има недостаток: независно од нивната способност за угасување на дуга, тие все уште одводат строј од електричниот систем директно до земјата, создавајќи моментален земјски дефект (кратко коло).

Идеално решение би бил уред кој блокира строј или дозволува само минимална протечка под нормален напон, според тоа избегнувајќи кратко коло, но брзо проводи големи стројни токови (како грмеж) до земјата кога се појавуваат опасни прекупитоци на напон. Во едноставни термини, таков уред би делувал како „умна клучка“, знаејќи точно кога да се отвори и затвори. Во защитниците од претоварување, оваа „умна клучка“ првично беше реализирана со материјал наречен силацид на силициум (SiC). Защитниците направени од оваа материја се познати како вентилни защитници, бидејќи функционираат како електрични вентили.

Важно е да се забележи дека овој „вентил“ е електрична компонента, а не механична клучка како чеврке или цевеста клучка. Механичните клучки се премногу бавни за да одговорат на грмеж, кој ударува во микросекунди. Наместо тоа, потребна е електрична „клучка“ направена од нелинеарен резистор. Силацидот на силициум беше првиот материјал на нелинеарен резистор открит за употреба во високи напони.

Технологијата се развива непрекинато. Потоа беше откриен втор материјал на нелинеарен резистор за защитници од претоварување: оксид на цинк (ZnO). Тој извршува слична функција како силацидот на силициум, но покажува подобри карактеристики на „вентил“ – професионално опишано како подобар нелинеаритет.

Што е нелинеаритет? Фигуративно, значи правење на обратно: бидејќи мал кога треба да биде голем, и голем кога треба да биде мал – различно од линеарните компоненти, кои се скалираат пропорционално.

Во защитниците од претоварување, нелинеаритетот се изразува така: кога токот е висок (нпр. во време на удар на грмеж), резистансата станува многу ниска, и колку што е подолну ниска, подолну е добар нелинеаритет. Кога токот е нисок (по минуване на ударот на грмеж и враќање на системот на нормален рабоч напон), резистансата станува многу висока, и колку што е подолну висока, подолну е добар нелинеаритет.

Силацидот на силициум покажува нелинеаритет, но не е идеален. Под нормален рабоч напон, неговата резистанса не е доволно висока, дозволувајќи мал протечки ток да текува низ защитникот – како клучка која не се затворува задоволно стегнато, резултирајќи со непрекинато „капење“ на ток.

Оваа постапка е инхерентна на материјалот, и напорите за елиминација на овој протечки ток преку подобрување на материјалот биле веќе превелико неуспешни. Затоа, кога се користи силацид на силициум во защитници, се применуваат структурни решенија: прво, защитникот е изолиран од линијата и се поврзува само во време на прекупиток. Оваа задача се извршува со серијска воздушна клучка. Затоа, вентилните защитници скоро секогаш бараат размак. На спротивно, вентилите од оксид на цинк „се затворуваат стегнато“ под нормален рабоч напон, така што не бараат серијска клучка.

Кога технологијата на производство на оксид на цинк се подобри, раните ограничувања во способноста за „затворување“ беа преодолени. Меѓутоа, поради историската присуственост на дизајни со размак, некои вентилни защитници од оксид на цинк все уште го вклучуваат размак. Ипак, вентилни защитници без размак составуваат огромна мнозина.

Бидејќи оксидот на цинк е метален оксид, овие защитници се познати и како Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).

Заштита од грмеж во електрични системи

Од гледна точка на уредите за заштита од грмеж, постојат три главни типови: громобранци (воздушни терминали), надземни земјски жици (штитни жици) и защитници од претоварување. Првите два се структурно едноставни – основно само ѕидинки и жици – додека последниот е комплексен поради зависноста од нелинеарни резистори кои делуваат како „умни клучки“.

Од гледна точка на заштитени објекти, заштитата од грмеж може да се категоризира како: заштита на надземни преносни линии, заштита на подстанции и заштита на мотори.

Надземните линии се простират на големи растојанија, изложени на отворени области. За да се минимизира влијанието на терестричкиот живот и екосистемите, тие се издигаат на значителни висини. Како што вели пословицата, „највисокото дрво фати најмногу ветар“, што ги прави главни мишени за грмеж. Статистиките покажуваат дека повеќето грешки во електричната мрежа се причинети од удари на грмеж на линии. Затоа, надземните линии мораат да бидат заштитени. Меѓутоа, поради нивната должина, апсолутната заштита е невообразлива и премногу скапа. Затоа, заштитата на линиите е релативна: некои удари на грмеж се дозволуваат да попаднат на линијата и да предизвикаат проскок. Оваа заштита се постигнува главно со користење на надземни земјски жици.

На спротивно, подстанциите се далече поважни. Тие служат како јазли во електричниот систем, со концентрирана опрема и персонал. Затоа, нивните барања за заштита од грмеж се екстремно високи.

Грмежот може да стигне до подстанцијата преку две главни патеки: директни удари, кои се намалуваат со громобранци (или понекогаш со штитни жици); и прекупитоци кои се шират од удари на грмеж на преносни линии, кои се главно обработуваат со защитници од претоварување.

Заштитата од грмеж на мотори (вклучувајќи генератори, синхронни кондензатори, променувачи на фреквенција и електрични мотори) е исто така критична како и заштитата на подстанциите. Генераторите се „срцето“ на електричниот систем, а големите мотори се важни индустриски возители. Штетата од грмеж на овие компоненти резултира со значителни загуби. Меѓутоа, заштитата на моторите е повеќе предизвик од заштитата на подстанциите. Моторите се ротациони машини, така што нивната изолација не може да биде премногу дебела и мора да биде тврда (спротивно на течната изолација користена во трансформаторите). Тврдата изолација е склона на стареење, што бара не само основна заштита со защитници од претоварување, туку и дополнителни помошни заштитни мерки.

Композитни-облечените защитници од оксид на цинк

Защитникот од претоварување е електричен уред со две електроди – еден обично е земја, а друг е поврзан на висок напон – разделени со изолаторски материјал, познат професионално како изолатор.

Бидејќи повеќето опрема во електричниот систем е изложена на атмосферата, површините на изолаторите се директно во контакт со околината. Овој дел на изолацијата се нарекува екстерна изолација или изолација на отворено.

Екстерната изолација е непрекинато изложена на сонце, кисело, ветар, снег, магла и рос. Затоа, квалифицираните материјали за екстерна изолација мораат да имаат не само одлични електрични и механички карактеристики, туку и исключителна оддржливост на временските услови и временско тројство од 40-50 години. Тренутно, фарфорот е најшироко користен материјал за екстерна изолација во инженерството, со хардирани стакло користено и во линијски применби.

Фарфорот и стаклото се неоргански материјали. Поради нивните одлични електрични и механички перформанси, нивниот клучен предност е еколошка стабилност – исключителна отпорност на климатските услови – што им овозможува да доминираат во екстерната изолација на електричниот систем околу еден век.

Меѓутоа, тие споделуваат заеднички недостаток: нивните површини се хидрофилни. Ова им овозможува слоеви на замагленост на површината на изолаторот да ги абсорбираат влага. Кога замаглеността се комбинира со влага, овозможува тек на строј, што потенцијално може да предизвика проскок на површината на изолаторот под нормален рабоч напон. Ова е познато како проскок од замагленост, по специфично, проскок на површината на замаглен и намачкан изолатор.

Во последните децении, силиконскиот каучук е широко прифатен по светот како замена на традиционалните материјали за изолатори. Силиконскиот каучук е органска материја со силна хидрофобност, значително зголемувајќи напонот на проскок од замагленост на екстерната изолација.

Изолаторите направени од органска материја често се нарекуваат полимерни изолатори (бидејќи органските материјали се полимери), некерамични изолатори, композитни изолатори (бидејќи екстерната изолација е синтетичка) или чак пластични изолатори надвор од Кина.

Во Кина, тие претходно се нарекуваа композитни изолатори или силиконски каучукови изолатори. Сега се унифицирано нарекуваат органско-композитни изолатори (бидејќи органските материјали се композити, а овие изолатори обично се направени од композит на силиконски каучук и епоксидна смола-стаклено влакно), најчесто сократени како композитни изолатори.

Затоа, композитни-облечените защитници од оксид на цинк користат органска материја – конкретно силиконски каучук – како екстерна изолација за защитник од оксид на цинк.