Устройства защиты от перенапряжений: эволюция материалов и объяснение защиты от молний

Устройства защиты от перенапряжений и их эволюция

Устройство защиты от перенапряжений всегда подключается параллельно к электрическому оборудованию, которое оно защищает. Оно не мешает нормальному функционированию оборудования при рабочем напряжении системы. Однако, когда на оборудовании появляется опасное перенапряжение, устройство защиты срабатывает первым, безопасно отводя перенапряжение в землю.

Самая ранняя и простейшая форма устройства защиты от перенапряжений состояла из двух металлических стержней, разделенных промежутком, и подключенных параллельно к электрическому оборудованию. Когда напряжение между этими стержнями превышало определенный порог, воздух (промежуток) разрушался, защищая оборудование. Такой тип устройства защиты известен как "вышибной промежуток" или "защитный промежуток."

Феномен молнии аналогичен: облака-грозовые и земля действуют как два проводника (электроды). Когда напряжение между ними становится слишком высоким, воздух между ними разрушается, вызывая удар молнии.

Однако существует важное различие. Защитные промежутки подключены непосредственно к линиям электропередачи. Когда опасное перенапряжение вызывает разрушение промежутка (то есть воздух между стержнями ионизируется), электростанция или подстанция не осознают этого события — или не могут быстро на него отреагировать. В результате она продолжает подавать ток на теперь проводящий промежуток. Поскольку промежуток обеспечивает путь к земле, этот ток постоянно течет, вызывая короткое замыкание в энергосистеме. Таким образом, хотя защитные промежутки просты в использовании, их работа создает устойчивую дугу через промежуток, что приводит к короткому замыканию.

Как можно быстро погасить дугу через защитный промежуток после его срабатывания? Это привело к развитию второго поколения устройств защиты — вышибных (или трубчатых) устройств. Этот дизайн сначала ограничивает дугу внутри трубы, а затем применяет методы для ее погашения.

Тем не менее, вышибные устройства все еще имеют недостаток: независимо от их способности гасить дугу, они все равно направляют ток энергосистемы прямо в землю, вызывая кратковременное заземление (короткое замыкание).

Идеальным решением было бы устройство, которое блокирует ток или позволяет только минимальную утечку при нормальном напряжении, тем самым предотвращая короткие замыкания, но быстро проводит большие импульсные токи (например, молнии) в землю при опасных перенапряжениях. Проще говоря, такое устройство действует как "умный выключатель", точно зная, когда открывать и закрываться. В устройствах защиты от перенапряжений такой "умный выключатель" был первоначально реализован с помощью материала, называемого карбидом кремния (SiC). Устройства, изготовленные из этого материала, известны как клапанные устройства защиты, так как они функционируют как электрические клапаны.

Важно отметить, что этот "клапан" является электрическим компонентом, а не механическим клапаном, таким как кран или трубопроводный клапан. Механические клапаны слишком медленны, чтобы реагировать на молнию, которая происходит в микросекунды. Вместо этого требуется электрический "клапан" из нелинейного резистора. Карбид кремния был первым материалом нелинейного резистора, обнаруженным для использования в высоковольтных применениях.

Технология постоянно развивается. Позже был обнаружен второй материал нелинейного резистора для устройств защиты от перенапряжений: оксид цинка (ZnO). Он выполняет аналогичную функцию, как и карбид кремния, но обладает лучшими "клапанными" характеристиками — профессионально это описывается как лучшая нелинейность.

Что такое нелинейность? Образно говоря, это значит делать противоположное: быть маленьким, когда нужно быть большим, и большим, когда нужно быть маленьким — в отличие от линейных компонентов, которые масштабируются пропорционально.

В устройствах защиты от перенапряжений нелинейность проявляется следующим образом: когда ток высокий (например, во время импульса молнии), сопротивление становится очень низким, и чем ниже сопротивление, тем лучше нелинейность. Когда ток низкий (после того, как импульс молнии прошел и система вернулась к нормальному рабочему напряжению), сопротивление становится очень высоким, и чем выше сопротивление, тем лучше нелинейность.

Карбид кремния обладает нелинейностью, но он не идеален. При нормальном рабочем напряжении его сопротивление недостаточно высоко, позволяя небольшому току утечки проходить через устройство защиты — как клапан, который не полностью закрывается, что приводит к постоянному "капанию" тока.

Это поведение является внутренним свойством материала, и попытки устранить эту утечку путем улучшения материала были в основном безуспешными. Поэтому, когда используется карбид кремния в устройствах защиты, применяются конструктивные решения: устройство защиты изначально изолируется от линии и подключается только во время импульса. Эта задача выполняется с помощью последовательного воздушного промежутка. Поэтому клапанные устройства почти всегда требуют промежутка. В отличие от этого, оксид цинка "плотно закрывается" при нормальном рабочем напряжении, поэтому ему не требуется последовательный промежуток.

По мере улучшения технологии производства оксида цинка, ранние ограничения в "закрытии" были преодолены. Однако, из-за исторической распространенности конструкций с промежутками, некоторые устройства защиты из оксида цинка все еще включают промежутки. Тем не менее, беспромежуточные устройства защиты из оксида цинка составляют большинство.

Поскольку оксид цинка является металлическим оксидом, эти устройства также известны как металлооксидные устройства защиты от перенапряжений (MOSA).

Защита от молний в энергосистемах

С точки зрения устройств защиты от молний, существуют три основных типа: молниеотводы (воздушные терминалы), надземные заземляющие провода (экраны) и устройства защиты от перенапряжений. Первые два структурно просты — это, по сути, просто стержни и провода, — в то время как последние более сложны из-за их зависимости от нелинейных резисторов, действующих как "умные выключатели."

С точки зрения защищаемых объектов, защита от молний может быть разделена на: защиту воздушных линий передач, защиту подстанций и защиту двигателей.

Воздушные линии простираются на огромные расстояния, находясь в открытых местностях. Чтобы минимизировать воздействие на наземную жизнь и экосистемы, они устанавливаются на значительной высоте. Как говорится, "самое высокое дерево ловит больше всего ветра," делая их основными мишенями для молний. Статистика показывает, что большинство отказов энергосетей вызвано ударами молний по линиям. Поэтому воздушные линии должны быть защищены. Однако, из-за их длины, абсолютная защита непрактична и экономически невыгодна. Таким образом, защита линий относительна: некоторые удары молний допускаются, чтобы вызвать пробои. Эта защита в основном достигается с помощью надземных заземляющих проводов.

В отличие от этого, подстанции гораздо важнее. Они являются узловыми точками энергосистемы, где сосредоточено оборудование и персонал. Поэтому требования к защите от молний для них крайне высоки.

Молния может достичь подстанции двумя основными путями: прямые удары, которые смягчаются молниеотводами (или иногда экранами); и импульсы, распространяющиеся от ударов молний по линиям передач, которые в основном обрабатываются устройствами защиты от перенапряжений.

Защита двигателей (включая генераторы, синхронные конденсаторы, частотные преобразователи и электродвигатели) так же важна, как и защита подстанций. Генераторы являются "сердцем" энергосистемы, а крупные двигатели — важными промышленными драйверами. Повреждение этих компонентов молнией приводит к значительным потерям. Однако защита двигателей более сложна, чем защита подстанций. Двигатели — это вращающиеся машины, поэтому их изоляция не может быть чрезмерно толстой и должна быть твердой (в отличие от жидкостной изоляции, используемой в трансформаторах). Твердая изоляция подвержена старению, что требует не только основной защиты с помощью устройств защиты от перенапряжений, но и дополнительных вспомогательных мер защиты.

Устройства защиты от перенапряжений с композитным корпусом из оксида цинка

Устройство защиты от перенапряжений — это электрическое устройство с двумя электродами — один обычно заземлен, а другой подключен к высокому напряжению, — разделенными диэлектрическим материалом, известным профессионально как изолятор.

Поскольку большинство оборудования энергосистемы находится на открытом воздухе, поверхности изоляции находятся в прямом контакте с окружающей средой. Эта часть изоляции называется внешней изоляцией или наружной изоляцией.

Наружная изоляция постоянно подвергается воздействию солнечного света, дождя, ветра, снега, тумана и росы. Поэтому квалифицированные материалы для наружной изоляции должны обладать не только отличными электрическими и механическими свойствами, но и превосходной устойчивостью к погодным условиям и сроком службы 40–50 лет. В настоящее время фарфор является наиболее широко используемым материалом для наружной изоляции в инженерии, а закаленное стекло также используется в линейных применениях.

Фарфор и стекло — это неорганические материалы. Кроме их отличных электрических и механических характеристик, их ключевое преимущество — стабильность в окружающей среде, что обеспечивает им доминирование в наружной изоляции энергосистем почти на протяжении века.

Однако у них есть общая слабость: их поверхности гидрофильны. Это позволяет загрязненным слоям на поверхности изолятора впитывать влагу. Когда загрязнение сочетается с влагой, это позволяет току течь, потенциально вызывая пробой поверхности изолятора при нормальном рабочем напряжении. Это известно как загрязнение и пробой, более конкретно, поверхностный разряд по загрязненному и увлажненному изолятору.

В последние десятилетия силиконовая резина широко используется во всем мире для замены традиционных материалов для изоляторов. Силиконовая резина — это органический материал, обладающий сильной гидрофобностью, что значительно увеличивает напряжение пробоя наружной изоляции при загрязнении.

Изоляторы, изготовленные из органических материалов, часто называются полимерными изоляторами (так как органические материалы являются полимерами), некерамическими изоляторами, композитными изоляторами (поскольку наружная изоляция является синтетической) или даже пластиковыми изоляторами за рубежом.

В Китае их ранее называли композитными изоляторами или силиконовыми резиновыми изоляторами. Теперь они единообразно называются органическими композитными изоляторами (поскольку органические материалы являются композитами, и эти изоляторы обычно изготавливаются из композита силиконовой резины и эпоксидно-стеклопластикового стержня), обычно сокращенно называемыми композитными изоляторами.

Таким образом, устройство защиты от перенапряжений с композитным корпусом из оксида цинка использует органический материал — в частности, силиконовую резину — в качестве наружной изоляции для устройства защиты от перенапряжений из оксида цинка.