Pemutus Gelombang: Evolusi Bahan dan Perlindungan Petir Dijelaskan

Peralatan Perlindungan Petir dan Evolusinya

Peralatan perlindungan petir selalu terhubung secara paralel dengan peralatan elektrik yang dilindungi. Ia tidak mengganggu operasi normal peralatan pada tegangan sistem. Namun, ketika overvoltage berbahaya muncul pada peralatan, peralatan perlindungan petir akan menghantar lebih dulu, mengalihkan overvoltage tersebut dengan aman ke tanah.

Bentuk paling awal dan sederhana dari peralatan perlindungan petir terdiri dari dua batang logam yang dipisahkan oleh celah dan terhubung secara paralel di seberang peralatan elektrik. Ketika tegangan melintasi celah ini melebihi ambang tertentu, udara (celah) akan rusak, melindungi peralatan. Jenis peralatan perlindungan ini dikenal sebagai "celah pengusiran" atau "celah pelindung."

Fenomena petir serupa: awan guruh dan bumi bertindak sebagai dua konduktor (elektroda). Ketika tegangan antara keduanya menjadi terlalu tinggi, udara di antara mereka akan rusak, menghasilkan sambaran petir.

Namun, ada perbedaan penting. Celah pelindung terhubung langsung di seberang garis listrik. Setelah overvoltage berbahaya menyebabkan celah hancur (yaitu, udara di antara batang-batang tersebut terionisasi), pembangkit listrik atau substasi tidak mengetahui peristiwa ini - atau tidak dapat bereaksi cukup cepat. Akibatnya, ia terus mengalirkan arus ke celah yang kini menghantar. Karena celah memberikan jalur ke tanah, arus ini mengalir terus-menerus, menyebabkan kondisi hubungan singkat dalam sistem tenaga. Jadi, meskipun celah pelindung mudah digunakan, operasinya menciptakan busur berkelanjutan di seberang celah, mengarah ke kondisi hubungan singkat.

Bagaimana busur di seberang celah pelindung dapat dipadamkan dengan cepat setelah operasi? Hal ini mengarah pada pengembangan peralatan perlindungan petir generasi kedua - peralatan pengusiran (atau jenis tabung). Desain ini pertama-tama membatasi busur di dalam tabung dan kemudian menggunakan metode untuk memadamkannya.

Namun, peralatan pengusiran masih memiliki kelemahan: terlepas dari kemampuan pemadaman busurnya, mereka masih mengalihkan arus sistem tenaga langsung ke tanah, menyebabkan kesalahan sementara bumi (hubungan singkat).

Solusi ideal adalah perangkat yang menghalangi arus atau hanya membolehkan kebocoran minimal di bawah tegangan normal, sehingga menghindari hubungan singkat, tetapi dengan cepat menghantar arus lonjakan besar (seperti petir) ke tanah ketika overvoltage berbahaya terjadi. Dalam kata-kata sederhana, perangkat semacam itu akan bertindak seperti "saklar cerdas," tahu persis kapan harus membuka dan menutup. Dalam peralatan perlindungan petir, "saklar cerdas" ini pada awalnya direalisasikan menggunakan bahan yang disebut karbida silikon (SiC). Peralatan perlindungan petir yang dibuat dari bahan ini dikenal sebagai peralatan perlindungan petir jenis katup, karena fungsinya seperti katup listrik.

Perlu dicatat bahwa "katup" ini adalah komponen listrik, bukan katup mekanis seperti keran air atau katup pipa. Katup mekanis terlalu lambat untuk merespons petir, yang menyerang dalam mikrodetik. Sebaliknya, diperlukan "katup" listrik yang terbuat dari resistor non-linear. Karbida silikon adalah bahan resistor non-linear pertama yang ditemukan untuk digunakan dalam aplikasi tegangan tinggi.

Teknologi terus berkembang. Bahan resistor non-linear kedua kemudian ditemukan untuk peralatan perlindungan petir: oksida seng (ZnO). Fungsinya mirip dengan karbida silikon tetapi memiliki karakteristik "katup" yang lebih unggul - secara profesional dijelaskan sebagai memiliki non-linieritas yang lebih baik.

Apa itu non-linieritas? Secara figuratif, artinya melakukan hal yang berlawanan: menjadi kecil ketika seharusnya besar, dan besar ketika seharusnya kecil - tidak seperti komponen linier, yang berskala proporsional.

Dalam peralatan perlindungan petir, non-linieritas ditunjukkan sebagai berikut: ketika arus tinggi (misalnya, selama lonjakan petir), resistansi menjadi sangat rendah, dan semakin rendah resistansinya, semakin baik non-linieritasnya. Ketika arus rendah (setelah lonjakan petir telah lewat dan sistem kembali ke tegangan operasi normal), resistansi menjadi sangat tinggi, dan semakin tinggi resistansinya, semakin baik non-linieritasnya.

Karbida silikon menunjukkan non-linieritas, tetapi tidak ideal. Di bawah tegangan operasi normal, resistansinya tidak cukup tinggi, memungkinkan aliran arus kebocoran kecil melalui peralatan perlindungan petir - seperti katup yang tidak menutup rapat, menghasilkan aliran "titisan" terus-menerus.

Perilaku ini inheren pada bahan, dan upaya untuk menghilangkan kebocoran ini melalui peningkatan bahan telah gagal. Oleh karena itu, ketika menggunakan karbida silikon dalam peralatan perlindungan petir, solusi struktural digunakan: peralatan perlindungan petir awalnya dipisahkan dari garis dan hanya dihubungkan selama lonjakan. Tugas ini diselesaikan menggunakan celah udara seri. Oleh karena itu, peralatan perlindungan petir jenis katup hampir selalu memerlukan celah. Sebaliknya, katup oksida seng "menutup rapat" di bawah tegangan operasi normal, jadi mereka tidak memerlukan celah seri.

Seiring teknologi pembuatan oksida seng meningkat, batasan awal dalam kemampuan "penutupan" telah diatasi. Namun, karena prevalensi desain bergap secara historis, beberapa peralatan perlindungan petir oksida seng masih menggabungkan celah. Namun, peralatan perlindungan petir oksida seng tanpa celah merupakan mayoritas.

Karena oksida seng adalah oksida logam, peralatan perlindungan petir ini juga dikenal sebagai Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).

Perlindungan Petir dalam Sistem Tenaga

Dari perspektif perangkat perlindungan petir, ada tiga jenis utama: tiang petir (terminal udara), kabel pengaman (shield wire), dan peralatan perlindungan petir. Dua yang pertama strukturnya sederhana - esensialnya hanya tiang dan kabel - sementara yang terakhir lebih kompleks karena bergantung pada resistor non-linear yang bertindak sebagai "saklar cerdas."

Dari perspektif objek yang dilindungi, perlindungan petir dapat dikategorikan menjadi: perlindungan garis transmisi udara, perlindungan substasi, dan perlindungan motor.

Garis udara menjangkau jarak yang luas, terpapar di area terbuka. Untuk meminimalkan dampak pada kehidupan dan ekosistem darat, mereka didirikan pada ketinggian yang signifikan. Seperti pepatah, "Pohon tertinggi menangkap angin paling banyak," membuat mereka menjadi target utama petir. Statistik menunjukkan bahwa sebagian besar kegagalan jaringan listrik disebabkan oleh sambaran petir pada garis. Oleh karena itu, garis udara harus dilindungi. Namun, karena panjangnya, perlindungan mutlak tidak praktis dan mahal. Jadi, perlindungan garis relatif: beberapa sambaran petir diizinkan untuk mengenai garis dan menyebabkan flashover. Perlindungan ini terutama dicapai dengan menggunakan kabel pengaman.

Sebaliknya, substasi jauh lebih kritis. Mereka berfungsi sebagai pusat sistem tenaga, menyimpan peralatan dan personel yang terkonsentrasi. Oleh karena itu, persyaratan perlindungan petir mereka sangat tinggi.

Petir dapat mencapai substasi melalui dua jalur utama: sambaran langsung, yang dikurangi oleh tiang petir (atau kadang-kadang kabel pengaman); dan gelombang lonjakan yang berasal dari sambaran petir pada garis transmisi, yang sebagian besar ditangani oleh peralatan perlindungan petir.

Perlindungan petir untuk motor (termasuk generator, kondensor sinkron, pengubah frekuensi, dan motor listrik) sama pentingnya dengan perlindungan substasi. Generator adalah "jantung" sistem tenaga, dan motor besar adalah penggerak industri yang vital. Kerusakan akibat petir pada komponen-komponen ini mengakibatkan kerugian yang signifikan. Namun, perlindungan motor lebih menantang daripada perlindungan substasi. Motor adalah mesin berputar, jadi isolasinya tidak bisa terlalu tebal dan harus padat (tidak seperti isolasi cair yang digunakan pada transformator). Isolasi padat rentan terhadap penuaan, sehingga tidak hanya perlindungan primer dengan peralatan perlindungan petir, tetapi juga langkah-langkah perlindungan tambahan yang diperlukan.

Peralatan Perlindungan Petir Oksida Seng dengan Perumahan Komposit

Peralatan perlindungan petir adalah perangkat listrik dengan dua elektroda - satu biasanya di-grounded dan yang lainnya terhubung ke tegangan tinggi - dipisahkan oleh bahan isolasi, yang dikenal secara profesional sebagai isolator.

Karena sebagian besar peralatan sistem tenaga terpapar atmosfer, permukaan isolasi berada dalam kontak langsung dengan lingkungan. Bagian isolasi ini disebut isolasi eksternal atau isolasi luar ruangan.

Isolasi luar ruangan terpapar sinar matahari, hujan, angin, salju, kabut, dan embun. Oleh karena itu, bahan isolasi luar ruangan yang memenuhi syarat harus tidak hanya memiliki sifat listrik dan mekanik yang unggul, tetapi juga menunjukkan ketahanan cuaca yang superior dan umur layanan 40-50 tahun. Saat ini, porselen adalah bahan isolasi luar ruangan yang paling banyak digunakan dalam teknik, dengan kaca tempered juga digunakan dalam aplikasi garis.

Porselen dan kaca adalah bahan anorganik. Selain sifat listrik dan mekanik yang unggul, keuntungan utamanya adalah stabilitas lingkungan - ketahanan luar biasa terhadap kondisi iklim - memungkinkan mereka mendominasi isolasi eksternal sistem tenaga selama hampir satu abad.

Namun, mereka memiliki kelemahan umum: permukaannya hidrofilik. Ini memungkinkan lapisan polusi di permukaan isolator menyerap kelembaban. Ketika polusi bergabung dengan kelembaban, ini memungkinkan aliran arus, potensial menyebabkan flashover di permukaan isolator di bawah tegangan operasi normal. Ini dikenal sebagai flashover polusi, lebih spesifik, peluruhan permukaan di sepanjang isolator yang tercemar dan basah.

Dalam beberapa dekade terakhir, karet silikon telah diterima secara luas di seluruh dunia untuk menggantikan bahan tradisional untuk isolator. Karet silikon adalah bahan organik yang menunjukkan hidrofobisitas kuat, secara signifikan meningkatkan tegangan flashover polusi isolasi eksternal.

Isolator yang terbuat dari bahan organik sering disebut isolator polimer (karena bahan organik adalah polimer), isolator non-keramik, isolator komposit (karena isolasi eksternal adalah sintetis), atau bahkan isolator plastik di luar negeri.

Di Cina, mereka sebelumnya dikenal sebagai isolator komposit atau isolator karet silikon. Sekarang mereka secara seragam disebut isolator komposit organik (karena bahan organik adalah komposit, dan isolator ini biasanya terbuat dari komposit karet silikon dan batang fiberglass resin epoksi), umumnya disingkat sebagai isolator komposit.

Oleh karena itu, peralatan perlindungan petir oksida seng dengan perumahan komposit menggunakan bahan organik - khususnya karet silikon - sebagai isolasi eksternal untuk peralatan perlindungan petir oksida seng.