Tłumaczenie: Zawory przeciwprzepięciowe: Ewolucja Materiały i Ochrona przed Piorunami Wyjaśnione

Zapobiegacze przepięć i ich ewolucja

Zapobiegacz przepięć jest zawsze podłączany równolegle do chronionego sprzętu elektrycznego. Nie zakłóca normalnej pracy sprzętu przy napięciu systemowym. Jednak, gdy na sprzęcie pojawia się niebezpieczne przepięcie, zapobiegacz przewodzi pierwszy, bezpiecznie odprowadzając przepięcie do ziemi.

Najwcześniejsza i najprostsza forma zapobiegacza przepięć składała się z dwóch metalowych prętów oddzielonych szczeliną i podłączonych równolegle do sprzętu elektrycznego. Gdy napięcie między tymi prętami przekroczyło pewien próg, powietrze (szczelina) ulegało przebiciu, ochroniając sprzęt. Ten typ zapobiegacza znany jest jako "szczelina wypychająca" lub "szczelina ochronna".

Zjawisko pioruna jest podobne: chmury gradowe i ziemia działają jak dwa przewodniki (elektrody). Gdy napięcie między nimi staje się zbyt wysokie, powietrze między nimi ulega przebiciu, powodując uderzenie pioruna.

Jednak istnieje kluczowa różnica. Szczeliny ochronne są podłączone bezpośrednio do linii energetycznych. Gdy niebezpieczne przepięcie powoduje przebicie szczeliny (czyli jonizację powietrza między prętami), elektrownia lub podstacja nie jest świadoma tego zdarzenia - lub nie może odpowiednio szybko zareagować. W związku z tym kontynuuje dostarczanie prądu do teraz przewodzącej szczeliny. Ponieważ szczelina stanowi ścieżkę do ziemi, ten prąd płynie ciągle, powodując zwarcie w systemie energetycznym. Zatem, choć szczeliny ochronne są proste w użytkowaniu, ich działanie tworzy trwały łuk między szczeliną, prowadząc do warunku zwarcia.

Jak można było szybko zgasić łuk między szczeliną ochronną po jej działaniu? To doprowadziło do opracowania drugiej generacji zapobiegacza - zapobiegacza wypychającego (lub rurkowego). Ten projekt najpierw ograniczał łuk wewnątrz rurki, a następnie stosował metody jego gaszenia.

Pomimo to, zapobiegacze wypychające nadal mają wadę: niezależnie od ich zdolności do gaszenia łuku, nadal odprowadzają prąd systemu energetycznego bezpośrednio do ziemi, powodując chwilowe zwarcie ziemne (zwarcie).

Idealnym rozwiązaniem byłby urządzenie, które blokuje prąd lub pozwala tylko na minimalne przecieki przy normalnym napięciu, unikając zawałów, ale szybko przewodzi duże prądy przepięcia (jak pioruny) do ziemi, gdy wystąpią niebezpieczne przepięcia. Innymi słowy, takie urządzenie działałoby jak "inteligentny przełącznik", dokładnie wiedząc, kiedy otworzyć i zamknąć. W zapobiegaczach przepięć ten "inteligentny przełącznik" został początkowo zrealizowany za pomocą materiału zwanego krzemianem węgla (SiC). Zapobiegacze wykonane z tego materiału znane są jako zapobiegacze zaworowe, ponieważ działają jak zawory elektryczne.

Warto zauważyć, że ten "zawór" jest elementem elektrycznym, a nie mechanicznym zaworem, takim jak kran wodny lub zawór rurociągu. Zawory mechaniczne są zdecydowanie zbyt wolne, aby reagować na pioruny, które uderzają w mikrosekundy. Zamiast tego wymagany jest elektryczny "zawór" wykonany z nieliniowego opornika. Krzemian węgla był pierwszym materiałem nieliniowego opornika odkrytym do zastosowań wysokonapięciowych.

Technologia stale się rozwija. Później odkryto drugi materiał nieliniowego opornika dla zapobiegaczy przepięć: tlenek cynku (ZnO). Wykonuje on podobną funkcję do krzemianu węgla, ale ma lepsze charakterystyki "zaworu" - profesjonalnie opisane jako lepsza nieliniowość.

Co to jest nieliniowość? Figurowo, oznacza to robienie odwrotności: być mały, gdy powinien być duży, i duży, gdy powinien być mały - w przeciwieństwie do liniowych komponentów, które skalują proporcjonalnie.

W zapobiegaczach przepięć nieliniowość manifestuje się następująco: gdy prąd jest wysoki (np. podczas przepięcia piorunowego), opór staje się bardzo niski, a im niższy opór, tym lepsza nieliniowość. Gdy prąd jest niski (po przepięciu piorunowym, gdy system wraca do normalnego napięcia pracy), opór staje się bardzo wysoki, a im wyższy opór, tym lepsza nieliniowość.

Krzemian węgla wykazuje nieliniowość, ale nie jest idealny. Przy normalnym napięciu pracy jego opór nie jest wystarczająco wysoki, co pozwala na przepływ małego przecieku przez zapobiegacz - jak zawór, który nie zamyka się ciasno, powodując ciągły "kapilarny" przepływ prądu.

To zachowanie jest wrodzone w materiale, a próby eliminacji tego przecieku poprzez usprawnienia materiału były w większości nieskuteczne. W związku z tym, gdy używa się krzemianu węgla w zapobiegaczach, stosuje się rozwiązania konstrukcyjne: zapobiegacz jest początkowo izolowany od linii i podłączany tylko podczas przepięcia. Ta zadanie jest realizowane za pomocą szeregowej szczeliny powietrznej. Dlatego prawie zawsze zapobiegacze zaworowe wymagają szczeliny. Natomiast zawory z tlenku cynku "zamykają się ciasno" przy normalnym napięciu pracy, więc nie wymagają szeregowej szczeliny.

W miarę jak technologia produkcji tlenku cynku się poprawiała, wczesne ograniczenia w zdolności do "zamknięcia" zostały pokonane. Jednak ze względu na historyczną dominację projektów z szczelinami, niektóre zapobiegacze z tlenkiem cynku nadal zawierają szczeliny. Mimo to, zapobiegacze bez szczelin z tlenku cynku stanowią绝大多数内容已经被翻译成波兰语，但由于原文非常长，为了确保完整性和准确性，我将继续完成剩余部分的翻译。以下是剩余部分的翻译： ---

Pomimo to, bezszczelinowe zapobiegacze z tlenku cynku stanowią ogromną większość.

Ponieważ tlenek cynku to tlenek metali, te zapobiegacze są również znane jako Metalowe Tlenki Zapobiegacze Przepięć (MOSA).

Ochrona przed piorunami w systemach energetycznych

Z perspektywy urządzeń ochrony przed piorunami, istnieją trzy główne typy: igły piorunochronne (terminale powietrzne), przewody ziemne powietrzne (przewody osłonowe) i zapobiegacze przepięć. Pierwsze dwa są strukturalnie proste - właściwie są to tylko pręty i przewody - podczas gdy ostatni jest bardziej skomplikowany ze względu na oparcie na nieliniowych opornikach działających jako "inteligentne przełączniki".

Z perspektywy obiektów chronionych, ochronę przed piorunami można podzielić na: ochronę linii przesyłowych, ochronę podstacji i ochronę silników.

Linie przesyłowe rozciągają się na ogromne odległości, narażone w otwartych obszarach. Aby zminimalizować wpływ na życie lądowe i ekosystemy, są one montowane na znacznej wysokości. Jak mówi przysłowie, "Najwyższe drzewo łapie najwięcej wiatru", co czyni je głównym celem piorunów. Statystyki pokazują, że większość awarii sieci energetycznej jest spowodowana uderzeniami piorunów w linie. Dlatego linie przesyłowe muszą być chronione. Jednak ze względu na ich długość, absolutna ochrona jest niepraktyczna i zbyt kosztowna. Dlatego ochrona linii jest względna: niektóre uderzenia piorunów są dozwolone, aby uderzyć w linię i powodować przepięcia. Ta ochrona jest głównie realizowana za pomocą przewodów ziemnych powietrznych.

Natomiast podstacje są znacznie ważniejsze. Są one centrami systemu energetycznego, gromadząc skupione urządzenia i personel. W związku z tym ich wymagania dotyczące ochrony przed piorunami są ekstremalnie wysokie.

Piorun może dotrzeć do podstacji dwiema głównymi ścieżkami: bezpośrednim uderzeniem, które jest łagodzone przez igły piorunochronne (lub czasem przewody osłonowe); oraz przepięciami propagującymi się z uderzeń piorunów w liniach przesyłowych, które są głównie obsługiwane przez zapobiegacze przepięć.

Ochrona przed piorunami silników (w tym generatorów, kondensatorów synchronicznych, zmieniaczy częstotliwości i silników elektrycznych) jest równie krytyczna jak ochrona podstacji. Generatory to "serce" systemu energetycznego, a duże silniki są kluczowymi napędami przemysłowymi. Uszkodzenie tych elementów przez pioruny powoduje znaczne straty. Jednak ochrona silników jest bardziej wyzwaniem niż ochrona podstacji. Silniki to maszyny rotacyjne, więc ich izolacja nie może być zbyt gruba i musi być stała (w przeciwieństwie do płynnej izolacji używanej w transformatorach). Stała izolacja jest podatna na starzenie, co wymaga nie tylko podstawowej ochrony za pomocą zapobiegaczy przepięć, ale także dodatkowych środków ochrony pomocniczych.

Zapobiegacze przepięć z tlenku cynku w obudowie złożonej

Zapobiegacz przepięć to urządzenie elektryczne z dwoma elektrodami - jedną zwykle zziemioną, a drugą podłączoną do wysokiego napięcia - oddzielonymi materiałem izolującym, znane zawodowo jako izolator.

Ponieważ większość sprzętu systemu energetycznego jest narażona na atmosferę, powierzchnie izolujące są w bezpośrednim kontakcie z środowiskiem. Ta część izolacji nazywana jest izolacją zewnętrzną lub izolacją zewnętrznią.

Izolacja zewnętrzna jest stale narażona na słońce, deszcz, wiatr, śnieg, mgłę i rosa. Dlatego kwalifikowane materiały izolacji zewnętrznej muszą nie tylko posiadać doskonałe właściwości elektryczne i mechaniczne, ale także demonstrować wybitną odporność na warunki pogodowe i żywotność 40-50 lat. Obecnie porcelana jest najbardziej szeroko stosowanym materiałem izolacji zewnętrznego w inżynierii, a szkło hartowane jest również używane w aplikacjach liniowych.

Porcelana i szkło to materiały nieorganiczne. Oprócz doskonałych właściwości elektrycznych i mechanicznych, ich kluczową zaletą jest stabilność środowiskowa - wybitna odporność na warunki klimatyczne - co pozwoliło im dominować w izolacji zewnętrznej systemu energetycznego przez prawie wiek.

Jednak mają wspólną słabość: ich powierzchnie są hydrofilne. Pozwala to na wchłanianie wilgoci przez warstwy zanieczyszczeń na powierzchni izolatora. Gdy zanieczyszczenia łączą się z wilgocią, umożliwiają przepływ prądu, potencjalnie powodując przepięcie na powierzchni izolatora przy normalnym napięciu pracy. To jest powszechnie znane jako przepięcie zanieczyszczeniowe, bardziej precyzyjnie, przepięcie powierzchniowe wzdłuż zanieczyszczonych i nawilżonych izolatorów.

W ciągu ostatnich dekad, kauczuk silicone jest szeroko stosowany na całym świecie do zastąpienia tradycyjnych materiałów do izolatorów. Kauczuk silicone to materiał organiczny, wykazujący silną hydrofobię, znacznie zwiększającą napięcie przepięcia zanieczyszczeniowego izolacji zewnętrznej.

Izolatory wykonane z materiałów organicznych często nazywane są izolatorami polimerowymi (ponieważ materiały organiczne to polimery), izolatorami nieceramicznymi, izolatorami złożonymi (ponieważ izolacja zewnętrzna jest syntetyczna) lub nawet izolatorami plastikowymi za granicą.

W Chinach były wcześniej nazywane izolatorami złożonymi lub izolatorami z kauczuku silicone. Teraz są jednolito nazywane izolatorami organicznymi złożonymi (ponieważ materiały organiczne są złożone, a te izolatory są zazwyczaj wykonane z złożenia kauczuku silicone i pręta z epoksydowej żywicy i włókna szklanego), często skrócone do izolatorów złożonych.

Dlatego zapobiegacz przepięć z tlenkiem cynku w obudowie złożonej używa materiału organicznego - konkretnie kauczuku silicone - jako izolacji zewnętrznej dla zapobiegacza przepięć z tlenkiem cynku.