Overstroombeveiligingen: Evolutie Materiaal en Bliksembescherming Uitleg

Overstroombeveiligingen en hun evolutie

Een overstroombeveiliging is altijd parallel verbonden met de elektrische apparatuur die het beschermt. Het verstoort de normale werking van de apparatuur bij systeemspanning niet. Echter, wanneer er een gevaarlijke overspanning op de apparatuur optreedt, leidt de beveiliging eerst, waardoor de overspanning veilig naar de aarde wordt afgevoerd.

De vroegste en eenvoudigste vorm van overstroombeveiliging bestond uit twee metalen staven die door een kloof gescheiden waren en parallel aan elektrische apparatuur waren aangesloten. Wanneer de spanning over deze kloof een bepaalde drempel overschreed, zou de lucht (de kloof) breken, waardoor de apparatuur beschermd werd. Dit type beveiliging staat bekend als een "expulsiekloof" of "beschermende kloof."

Het verschijnsel bliksem is vergelijkbaar: donderwolken en de aarde fungeren als twee geleiders (elektroden). Wanneer de spanning tussen hen te hoog wordt, breekt de lucht tussen hen, wat resulteert in een bliksemslag.

Er is echter een cruciaal verschil. Beschermende kloven zijn direct over hoogspanningslijnen aangesloten. Zodra een gevaarlijke overspanning de kloof doet breken (d.w.z. de lucht tussen de staven ioniseert), is de centrale of substation zich hiervan niet bewust - of kan hier niet snel genoeg op reageren. Daarom blijft het stroom leveren aan de nu geleidende kloof. Aangezien de kloof een pad naar de aarde biedt, stroomt deze stroom continu, wat leidt tot een kortsluiting in het energienetwerk. Dus hoewel beschermende kloven eenvoudig te gebruiken zijn, veroorzaken ze tijdens hun werking een continue boog over de kloof, wat leidt tot een kortsluiting.

Hoe kon de boog over de beschermende kloof snel worden gedoofd na werking? Dit leidde tot de ontwikkeling van de tweede generatie beveiliging - de expulsie- (of buistype-) beveiliging. Dit ontwerp confineert eerst de boog binnen een buis en maakt dan gebruik van methoden om deze te doven.

Niettemin hebben expulsiebeveiligingen nog steeds een tekortkoming: ongeacht hun vermogen om de boog te doven, leiden ze nog steeds stroom van het energienetwerk direct naar de aarde, wat een tijdelijke aardfout (kortsluiting) veroorzaakt.

Een ideaal oplossing zou een apparaat zijn dat stroom blokkeert of slechts minimale lekkage toelaat onder normale spanning, waardoor kortsluitingen worden voorkomen, maar snel grote overstromingsstroom (zoals bliksem) naar de aarde leidt wanneer gevaarlijke overspanningen optreden. Met andere woorden, zo'n apparaat zou functioneren als een "intelligente schakelaar", die precies weet wanneer hij moet openen en sluiten. In overstroombeveiligingen werd deze "intelligente schakelaar" oorspronkelijk gerealiseerd met behulp van een materiaal genaamd siliconcarbide (SiC). Beveiligingen gemaakt van dit materiaal staan bekend als klep-type beveiligingen, omdat ze functioneren als elektrische kleppen.

Het is belangrijk op te merken dat deze "klep" een elektrisch component is, geen mechanische klep zoals een kraan of buisklep. Mechanische kleppen zijn veel te traag om op bliksem te reageren, die in microseconden toeslaat. In plaats daarvan is een elektrische "klep" nodig gemaakt van een niet-lineaire weerstand. Siliconcarbide was het eerste niet-lineaire weerstandsmateriaal dat voor hoge spanningen werd ontdekt.

Technologie evolueert continu. Later werd een tweede niet-lineair weerstandsmateriaal ontdekt voor overstroombeveiligingen: zinkoxide (ZnO). Het vervult een vergelijkbare functie als siliconcarbide, maar heeft superieure "klep" eigenschappen - professioneel omschreven als betere niet-lineariteit.

Wat is niet-lineariteit? Figuurlijk gezegd betekent het het tegenovergestelde doen: klein zijn wanneer het groot zou moeten zijn, en groot wanneer het klein zou moeten zijn - in tegenstelling tot lineaire componenten, die proportioneel schalen.

In overstroombeveiligingen manifesteert niet-lineariteit zich als volgt: wanneer de stroom hoog is (bijvoorbeeld tijdens een bliksemslag), wordt de weerstand zeer laag, en hoe lager de weerstand, hoe beter de niet-lineariteit. Wanneer de stroom laag is (nadat de bliksemslag is gepasseerd en het systeem terugkeert naar de normale werkingsspanning), wordt de weerstand zeer hoog, en hoe hoger de weerstand, hoe beter de niet-lineariteit.

Siliconcarbide vertoont niet-lineariteit, maar is niet ideaal. Onder normale werkingsspanning is de weerstand niet voldoende hoog, waardoor een kleine lekkagestroom door de beveiliging stroomt - alsof een klep niet strak genoeg sluit, wat resulteert in een continue "druppeling" van stroom.

Dit gedrag is inherent aan het materiaal, en pogingen om deze lekkage door materiaalverbeteringen te elimineren zijn grotendeels mislukt. Daarom worden bij het gebruik van siliconcarbide in beveiligingen structurele oplossingen toegepast: de beveiliging wordt aanvankelijk van de lijn geïsoleerd en alleen tijdens een overstroming aangesloten. Deze taak wordt uitgevoerd met behulp van een serie luchtgat. Daarom vereisen klep-type beveiligingen bijna altijd een kloof. In tegenstelling daarmee sluiten zinkoxide kleppen "strak" onder normale werkingsspanning, dus ze hebben geen serie kloof nodig.

Aangezien de productietechnologie voor zinkoxide is verbeterd, zijn de vroege beperkingen in "sluit" capaciteit overwonnen. Echter, vanwege de historische prevalente gapped ontwerpen, bevatten sommige zinkoxide beveiligingen nog steeds kloven. Niettemin vormen gapless zinkoxide beveiligingen de overgrote meerderheid.

Aangezien zinkoxide een metaaloxide is, staan deze beveiligingen ook bekend als Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).

Bliksembescherming in energienetwerken

Vanuit het perspectief van bliksembeschermingsapparaten bestaan er drie hoofdtypes: bliksemafleiders (luchtleidingen), bovengrondse aardingdraden (schilddraden) en overstroombeveiligingen. De eerste twee zijn structureel eenvoudig - eigenlijk gewoon staven en draden - terwijl de laatste complexer is vanwege zijn afhankelijkheid van niet-lineaire weerstanden die dienen als "intelligente schakelaars."

Vanuit het perspectief van beschermd objecten, kan bliksembescherming worden ingedeeld in: bovengrondse transmissielijnbescherming, substationbescherming en motorenbescherming.

Bovengrondse lijnen spannen grote afstanden, blootgesteld in open gebieden. Om de impact op terrestrisch leven en ecosystemen te minimaliseren, worden ze op aanzienlijke hoogtes geplaatst. Zoals het spreekwoord luidt, "de hoogste boom vangt de meeste wind", waardoor ze prima doelwitten voor bliksem zijn. Statistieken tonen aan dat de meeste energienetwerkuitval veroorzaakt wordt door blikseminslagen op lijnen. Daarom moeten bovengrondse lijnen beschermd worden. Echter, vanwege hun lengte is absolute bescherming onpraktisch en onbetaalbaar. Daarom is lijnbescherming relatief: sommige blikseminslagen mogen de lijn raken en flashovers veroorzaken. Deze bescherming wordt voornamelijk bereikt met behulp van bovengrondse aardingdraden.

Daarentegen zijn substations veel kritieker. Ze dienen als knooppunten van het energienetwerk, met geconcentreerde apparatuur en personeel. Daarom zijn hun bliksembeschermingsvereisten extreem hoog.

Bliksem kan een substation via twee hoofdpaden bereiken: directe inslagen, verzacht door bliksemafleiders (of soms schilddraden); en golven die zich voortplanten van blikseminslagen op transmissielijnen, die voornamelijk worden afgehandeld door overstroombeveiligingen.

Bliksembescherming voor motoren (inclusief generatoren, synchrone condensators, frequentieveranderaars en elektromotoren) is even kritiek als substationbescherming. Generatoren zijn het "hart" van het energienetwerk, en grote motoren zijn vitale industriële drijvers. Bliksemschade aan deze componenten leidt tot aanzienlijke verliezen. Echter, motorenbescherming is moeilijker dan substationbescherming. Motoren zijn draaimachines, dus hun isolatie kan niet te dik zijn en moet massief zijn (anders dan de vloeibare isolatie die in transformatoren wordt gebruikt). Massieve isolatie is vatbaar voor veroudering, wat niet alleen primaire bescherming met overstroombeveiligingen vereist, maar ook extra auxiliäre beschermingsmaatregelen.

Composietgehuisde zinkoxide overstroombeveiligingen

Een overstroombeveiliging is een elektrisch apparaat met twee elektroden - één meestal aangesloten op aarde en de ander op hoge spanning - gescheiden door een isolerend materiaal, professioneel bekend als een isolator.

Aangezien de meeste energienetwerkapparatuur blootgesteld is aan de atmosfeer, zijn de isolerende oppervlakken in direct contact met de omgeving. Dit deel van de isolatie wordt externe isolatie of buitenisolatie genoemd.

Buitenisolatie is voortdurend blootgesteld aan zonlicht, regen, wind, sneeuw, mist en dauw. Kwalificeerde buitenisolatiematerialen moeten daarom niet alleen uitstekende elektrische en mechanische eigenschappen bezitten, maar ook superieure weerbestendigheid en een levensduur van 40-50 jaar demonstreren. Tegenwoordig is porselein het meest gebruikte buitenisolatiemateriaal in de ingenieurswetenschap, met gehard glas dat ook in lijntoepassingen wordt gebruikt.

Porselein en glas zijn anorganische materialen. Naast hun uitstekende elektrische en mechanische prestaties, is hun belangrijkste voordeel hun milieustabiliteit - uitzonderlijke weerstand tegen klimaatcondities - waardoor ze bijna een eeuw lang de externe isolatie van energienetwerken hebben gedomineerd.

Echter, ze delen een gemeenschappelijke zwakte: hun oppervlakken zijn hydrofiel. Dit laat toe dat vervuiling op het oppervlak van de isolator vocht absorbeert. Wanneer vervuiling en vocht samenkomen, kan stroom doorstromen, wat potentiële flashovers over het oppervlak van de isolator onder normale werkingsspanning kan veroorzaken. Dit staat bekend als verontreinigingsflashover, specifieker, oppervlakteontlading langs een vervuild en nat isolatoroppervlak.

In de afgelopen decennia is siliconerubber wereldwijd wijdverspreid aangenomen om traditionele materialen voor isolatoren te vervangen. Siliconerubber is een organisch materiaal met sterke hydrofoob-eigenschappen, wat de verontreinigingsflashoverspanning van externe isolatie aanzienlijk verhoogt.

Isolatoren gemaakt van organische materialen worden vaak polymeren isolatoren (aangezien organische materialen polymeren zijn), niet-keramische isolatoren, composietisolatoren (aangezien de externe isolatie synthetisch is), of zelfs plastic isolatoren genoemd in het buitenland.

In China werden ze vroeger composietisolatoren of siliconerubberisolatoren genoemd. Ze worden nu uniform aangeduid als organische composietisolatoren (aangezien organische materialen composites zijn, en deze isolatoren meestal gemaakt zijn van een composite van siliconerubber en een epoxy-resine-glasvezelstaaf), meestal afgekort als composietisolatoren.

Daarom gebruikt een composietgehuisde zinkoxide overstroombeveiliging een organisch materiaal - specifiek siliconerubber - als externe isolatie voor een zinkoxide overstroombeveiliging.