Overvoltagebeskyttere: Evolusjon Materialer og forkningssikring forklart

Overvoltagebeskyttere og deres utvikling

En overvoltagebeskytter er alltid koblet parallelt med elektrisk utstyr det beskytter. Den forstyrrer ikke utstyrets normale drift ved systemspenning. Når det imidlertid oppstår farlig overvoltage på utstyret, leder beskytteren først, og leder overvoltage trygt ned i jord.

Den tidligste og enkleste form for overvoltagebeskytter bestod av to metallstaver separert av en spalte og koblet parallelt over elektrisk utstyr. Når spenningsnivået over denne spalten oversteg et visst terskelverdi, ville luften (spalten) bryte ned, og beskytte utstyret. Denne typen beskytter kalles "sparkgab" eller "beskyttelsesspalte".

Fenomenet lyn er liknende: tordenmolner og jorden fungerer som to ledere (elektroder). Når spenningen mellom dem blir for høy, bryter luften mellom dem ned, og resulterer i et lynnedslag.

Det er imidlertid en viktig forskjell. Beskyttelsesspalter er koblet direkte over kraftledninger. Når en farlig overvoltage fører til at spalten bryter ned (altså luften mellom stavene ioniseres), er kraftverket eller delstasjonen ukjent med dette hendelsen - eller kan ikke reagere raskt nok. Dermed fortsetter den å strømme strøm til den nå ledeende spalten. Siden spalten gir en vei til jord, vil denne strømmen flyte kontinuerlig, og forårsake en kortslutning i kraftsystemet. Så mens beskyttelsesspalter er enkle å bruke, skaper deres operasjon en vedvarende bue over spalten, som fører til en kortslutningssituasjon.

Hvordan kunne bua over beskyttelsesspalten slukkes raskt etter operasjon? Dette førte til utviklingen av den andre generasjonen av beskyttere - sparkgabbekken (eller rørtype) beskytter. Denne designen konfriner først bua innenfor en rør, og bruker deretter metoder for å slukke den.

Imidlertid har sparkgabbekker fortsatt en svakhet: uansett deres evne til å slukke buer, de ledet fremdeles kraftsystemstrøm direkte til jord, og forårsaket en øyeblikkelig jordskade (kortslutning).

Et ideelt løsning ville være et enhet som blokkerer strøm eller kun tillater minimal lekkasje under normal spenning, og unngår kortslutninger, men hurtig leder store overvoltagestrømmer (som lyn) til jord når farlige overvoltager oppstår. Med andre ord, slik en enhet ville fungere som en "intelligent skru", som vet nøyaktig når den skal åpnes og lukkes. I overvoltagebeskyttere ble denne "intelligente skrue" først realisert ved hjelp av et materiale kalt silisiumkarbid (SiC). Beskyttere laget av dette materialet kjentes som ventiltype beskyttere, da de fungerer som elektriske ventil.

Det er viktig å merke seg at denne "ventilen" er en elektrisk komponent, ikke en mekanisk ventill som en vannhane eller rørventil. Mekaniske ventil er langt for sakte til å reagere på lyn, som treffer i mikrosekunder. I stedet kreves en elektrisk "ventil" laget av en ikkelineær motstand. Silisiumkarbid var det første ikkelineære motstandsstoffet oppdaget for bruk i høyspenningapplikasjoner.

Teknologi utvikler seg kontinuerlig. Et annet ikkelineært motstandsstoff ble senere oppdaget for overvoltagebeskyttere: sinkoksid (ZnO). Det utfører en lignende funksjon som silisiumkarbid, men viser bedre "ventil"-egenskaper - profesjonelt beskrevet som bedre ikkelinearitet.

Hva er ikkelinearitet? Figurativt betyr det å gjøre motsatt: å være liten når den burde være stor, og stor når den burde være liten - ulike lineære komponenter, som skaleres proporsjonalt.

I overvoltagebeskyttere viser ikkelinearitet seg som følger: når strømmen er høy (f.eks. under et lynnedslag), blir motstanden veldig lav, og jo lavere motstanden, jo bedre er ikkelineariteten. Når strømmen er lav (etter at lynnedslaget har passert og systemet returnerer til normal driftsspennning), blir motstanden veldig høy, og jo høyere motstanden, jo bedre er ikkelineariteten.

Silisiumkarbid viser ikkelinearitet, men det er ikke ideal. Under normal driftsspennning, er dens motstand ikke tilstrekkelig høy, noe som tillater en liten lekkasje-strøm å flyte gjennom beskytteren - som en ventil som ikke lukker godt, og resulterer i en kontinuerlig "drip" av strøm.

Dette oppførselen er innebygd i materialet, og forsøk på å eliminere denne lekkasjen gjennom materialeforbedringer har vært sterkt utilfredsstillende. Derfor, når silisiumkarbid brukes i beskyttere, brukes strukturelle løsninger: beskytteren isoleres først fra linjen, og kobles bare til under en overvoltage. Denne oppgaven fullføres ved hjelp av en serie-luftspalte. Derfor krever ventiltype beskyttere nesten alltid en spalte. I motsetning til sinkoksid-ventiler "lukker godt" under normal driftsspennning, så de trenger ikke en serie-spalte.

Som sinkoksid produksjonsteknologi har forbedret, er tidlig begrensninger i "lukkingsevne" overvunnet. Imidlertid, på grunn av historisk forekomst av spaltet design, inkluderer noen sinkoksid-beskyttere fortsatt spalter. Likevel, spaltefrie sinkoksid-beskyttere utgjør overveiende flertallet.

Siden sinkoksid er en metalloksid, disse beskyttere er også kjent som Metall Oksid Overvoltagebeskyttere (MOSA).

Lynbeskyttelse i kraftsystemer

Fra perspektivet av lynbeskyttelsesenheter, finnes det tre hovedtyper: lynrod (luftterminaler), overhengende jordtråd (skjermetråde), og overvoltagebeskyttere. De to første er strukturelt enkle - vesentlig bare staver og tråder - mens den siste er mer kompleks på grunn av sin avhengighet av ikkelineære motstander som fungerer som "intelligente skruer".

Fra perspektivet av beskyttede objekter, kan lynbeskyttelse inndelas i: overhengende transmissionslinje beskyttelse, delstasjonsbeskyttelse, og motorbeskyttelse.

Overhengende linjer strekker seg over store avstander, eksponert i åpne områder. For å minimere innvirkning på terrestrisk liv og økosystemer, er de reist i betydelig høyde. Som det heter, "den høyeste treet fanger mest vind", gjør dem primære mål for lyn. Statistikk viser at de fleste kraftnettfeil er forårsaket av lynnedslag på linjer. Derfor må overhengende linjer beskyttes. Imidlertid, på grunn av deres lengde, er absolutt beskyttelse umulig og forbudelig dyrt. Så linjebeskyttelse er relativ: noen lynnedslag tillates å treffe linjen og forårsake flashover. Denne beskyttelsen oppnås hovedsakelig ved hjelp av overhengende jordtråd.

I motsetning til dette er delstasjoner mye mer kritiske. De fungerer som knutepunkter i kraftsystemet, med koncentrert utstyr og personell. Dermed er deres krav til lynbeskyttelse ekstremt høye.

Lyn kan nå en delstasjon via to hovedveier: direkte treff, redusert av lynrod (eller noen ganger skjermetråde); og overvoltage som propagerer fra lynnedslag på transmissionslinjer, som hovedsakelig håndteres av overvoltagebeskyttere.

Lynbeskyttelse for motorer (inkludert generatorer, synkron kondensatorer, frekvensendrere, og elektriske motorer) er like kritisk som delstasjonsbeskyttelse. Generatorer er "hjertet" av kraftsystemet, og store motorer er viktige industrielle drivkrefter. Lynskader på disse komponentene resulterer i betydelige tap. Imidlertid er motorbeskyttelse mer utfordrende enn delstasjonsbeskyttelse. Motorer er roterende maskiner, så deres isolering kan ikke være for tykk, og må være solid (ulike flytende isolering som brukes i transformatorer). Solid isolering er utsatt for aldring, noe som krever ikke bare primær beskyttelse med overvoltagebeskyttere, men også ytterligere hjelpebeskyttelsesforanstaltninger.

Kompositt-hylte sinkoksid overvoltagebeskyttere

En overvoltagebeskytter er et elektrisk enhet med to elektroder - en vanligvis jordet, og en annen koblet til høy spenning - separatert av et isolerende materiale, profesjonelt kjent som en isolator.

Siden det meste av kraftsystemutstyret er utsatt for atmosfæren, er isolerende overflater i direkte kontakt med miljøet. Dette del av isolasjonen kalles eksternt isolasjon eller utendørs isolasjon.

Utendørs isolasjon er konstant utsatt for sollys, regn, vind, snø, tåke og dugg. Derfor må kvalifiserte utendørs isolasjonsmaterialer ikke bare ha fremragende elektriske og mekaniske egenskaper, men også vise fremragende værbarhet og en levetid på 40-50 år. For tiden er porselein det mest brukte utendørs isolasjonsmaterialet i ingeniørvirksomheten, med hardet glas også brukt i linjeapplikasjoner.

Porselein og glass er anorganiske materialer. Utover deres fremragende elektriske og mekaniske ytelse, deres nøkkelfordel er miljøstabilitet - utmerket motstandsdyktighet mot klimatiske forhold - som har gjort det mulig for dem å dominere kraftsystemets eksterne isolasjon i nesten et århundre.

Men de deler en felles svakhet: deres overflater er hydrofil. Dette lar forureningslag på isolatoroverflaten absorbere fukt. Når forurensning kombineres med fukt, gjør det det mulig for strøm å flyte, og potensielt forårsake en flashover over isolatoroverflaten under normal driftsspennning. Dette er kjent som forurensningsflashover, mer spesifikt, overflateutslipp langs en forurenset og våt isolator.

I de siste tiårene har silikonkautsjuk blitt vidt anvendt verden over for å erstatte tradisjonelle materialer for isolatorer. Silikonkautsjuk er et organisinsk materiale som viser sterkt hydrofobisk, noe som betydelig øker forurensningsflashoverspenningen av eksterne isolasjon.

Isolatorer laget av organiske materialer kalles ofte polymeisolatorer (da organiske materialer er polymerer), ikke-keramiske isolatorer, kompositisolatorer (siden den eksterne isolasjon er syntetisk), eller endog plastisolatorer utenlands.

I Kina, ble de tidligere kjent som kompositisolatorer eller silikonkautsjukisolatorer. De kalles nå uniformt organiske kompositisolatorer (da organiske materialer er kompositter, og disse isolatorer typisk er laget av en komposit av silikonkautsjuk og epoksy-resin-glasfiberstang), vanligvis forkortet som kompositisolatorer.

Derfor, en kompositt-hylte sinkoksid overvoltagebeskytter bruker et organisert materiale - spesielt silikonkautsjuk - som eksterne isolasjon for en sinkoksid overvoltagebeskytter.