Preprečevalniki prekozov: razvoj materiali in zaščita pred hudournimi kladivi razložena

Preprečevalniki prenapetosti in njihova evolucija

Preprečevalnik prenapetosti je vedno povezan vzporedno z električnim opremo, ki jo zaščitjuje. Ne vpliva na normalno delovanje opreme pri sistemske napetosti. Ko pa se na opremi pojavijo nevarne prenapetosti, najprej prevede prenapetost varno v tla.

Najstarejša in najenostavnejša oblika preprečevalnika prenapetosti sestavlja dva kovinskih palice, ločena z vrzeli in povezana vzporedno čez električno opremo. Ko preseže napetost med temi palicami določeno mejo, se zrak (vrzel) razbije, s čimer zaščiti opremo. Ta vrsta preprečevalnika se imenuje "izgon vrzeli" ali "zaščitna vrzel".

Pojava bistra je podobna: oblaki in zemlja delujeta kot dva vodila (elektrodi). Ko postane napetost med njima previsoka, se zrak med njimi razbije, kar povzroči bistrski udar.

Vendar pa obstaja ključna razlika. Zaščitne vrzeli so neposredno povezane čez elektroenergetske vodnike. Ko nevarna prenapetost povzroči, da se vrzel razbije (tj. zrak med palicama ionizira), elektrarna ali pretvorilna stanica te dogodke ne zaznata - ali ne moreta dovolj hitro reagirati. Tako nadaljuje z oskrbovanjem toka preko zdaj prevodne vrzeli. Ker vrzel ponuja pot v tlo, ta tok teče nenehno, kar povzroči kratkopovezni pogoj v sistem skrbi. Torej, čeprav so zaščitne vrzeli enostavne za uporabo, njihovo delovanje ustvari trajno lokično lok preko vrzeli, kar vodi v kratkopovezen pogoj.

Kako bi se lahko lokični lok preko zaščitne vrzeli hitro ugasnil po delovanju? To je vodilo do razvoja druge generacije preprečevalnikov - izgon (ali cevasti) preprečevalniki. Ta dizajn najprej omeji lokični lok znotraj cevi in nato uporablja metode za njegovo ugašanje.

Vendar pa imajo izgon preprečevalniki še vedno slabost: ne glede na njihovo sposobnost ugašanja loka, še vedno odvajajo tok sistema skrbi neposredno v tlo, kar povzroči trenutno zemljni okvarni pogoj (kratkopovez).

Idealna rešitev bi bila naprava, ki blokira tok ali omogoča le minimalno iztekanje pri normalni napetosti, s tem izogibajo kratkopovezam, vendar hitro prevede velike prenapetostne tokove (kot bistrski udar) v tlo, ko se pojavijo nevarne prenapetosti. Z drugimi besedami, takšna naprava bi delovala kot "inteligentni preklop", ki točno ve, kdaj mora biti odprt in kdaj zaprt. V preprečevalnikih prenapetosti je ta "inteligentni preklop" na začetku bil realiziran z materialom, imenovanim silicijev karbid (SiC). Preprečevalniki, izdelani iz tega materiala, se imenujejo ventilski preprečevalniki, ker delujejo kot električni ventili.

Pomembno je opozoriti, da je ta "ventil" električni komponent, ne mehanski ventil, kot je kran ali cevni ventil. Mehanski ventili so prepočasi za odgovor na bistrske udarce, ki pridejo v mikrosekundah. Namesto tega je potreben električni "ventil" iz nelinearnega upornika. Silicijev karbid je bil prvi nelinearni upornik, ki je bil odkrit za uporabo v visokonapetostnih aplikacijah.

Tehnologija se neprestano razvija. Kasneje je bil odkrit še drug nelinearni upornik za preprečevalnike prenapetosti: cinkov(II)-oksid (ZnO). Deluje podobno kot silicijev karbid, vendar ima boljše "ventilske" lastnosti - strokovno opisane kot boljša nelinearnost.

Kaj je nelinearnost? Figurativno pomeni ravno nasprotno: biti majhen, ko bi moral biti velik, in velik, ko bi moral biti majhen - različno od linearnih komponentov, ki se merilno skalirajo.

V preprečevalnikih prenapetosti se nelinearnost manifestira tako, da, ko je tok visok (npr. med bistrskim udarcem), upornost postane zelo nizka, in čim nižja upornost, boljša je nelinearnost. Ko je tok nizek (po prestopu bistrskega udarca in vrnitvi sistema na normalno delovno napetost), upornost postane zelo visoka, in čim višja upornost, boljša je nelinearnost.

Silicijev karbid kaže nelinearnost, vendar ni idealen. Pri normalni delovni napetosti njegova upornost ni dovolj visoka, kar omogoča malenkostni iztekalni tok skozi preprečevalnik - kot ventil, ki se ne zapre dovolj tesno, kar povzroči stalno "kapljanje" toka.

Ta vedenje je lastnost materiala, in poskusi izkoreninjenja tega iztekanja z izboljšavami materiala so bili v večini primerov neuspešni. Zato, ko se uporablja silicijev karbid v preprečevalnikih, se uporabljajo strukturne rešitve: preprečevalnik je na začetku odrezan od vodnike in se poveže le med prenapetostjo. To nalogo opravi serija zračnih vrzeli. Zato skoraj vsi ventilski preprečevalniki zahtevajo vrzel. Na drugi strani cinkov(II)-oksid ventili "tesno zapirajo" pri normalni delovni napetosti, zato ne zahtevajo serije vrzeli.

S izboljšanjem tehnologije proizvodnje cinkov(II)-oksid so bile prejšnje omejitve "zapiranja" premagane. Vendar zaradi zgodovinskega prisotnosti dizajnov z vrzeli še vedno nekateri cinkov(II)-oksid preprečevalniki vključujejo vrzeli. Kljub temu predstavljajo brezvrzelni cinkov(II)-oksid preprečevalniki veliko večino.

Ker je cinkov(II)-oksid metalni oksid, se ti preprečevalniki tudi imenujejo Metalni Oksidni Preprečevalniki Prenapetosti (MOSA).

Zaščita pred bistrskimi udarci v sistemih skrbi

Iz perspektive naprav za zaščito pred bistrskimi udarci obstajajo tri glavne vrste: bistrski stopnice (zračni terminali), nadzemne zemljske vodnike (ščitne vodnike) in preprečevalniki prenapetosti. Prve dve so strukturno enostavni - bistveno samo palice in vodniki - medtem ko je zadnji bolj kompleksen zaradi odvisnosti od nelinearnih upornikov, ki delujejo kot "inteligentni preklopi".

Iz perspektive zaščitenih objektov se zaščita pred bistrskimi udarci lahko razdeli na: zaščito nadzemnih prenosnih vodnikov, zaščito pretvorilnih stanic in zaščito motorjev.

Nadzemni vodniki segajo na velike razdalje, odprti v prostem območju. Da bi se zmanjšalo vpliv na življenje na zemlji in ekosisteme, so postavljeni na velikih višinah. Kot pravi stara pravica, "najvišja drevesa pritegne največ vetra", kar jih naredi glavne cilje za bistrske udarce. Statistika kaže, da večina odpadov elektroenergetske mreže povzroči bistrski udarci na vodnicah. Zato morajo biti nadzemni vodniki zaščiteni. Vendar zaradi njihove dolžine popolna zaščita ni praktična in predragocena. Torej je zaščita vodnikov relativna: nekateri bistrski udarci so dovoljeni, da pridejo na vodnik in povzročijo bljeske. Ta zaščita je predvsem dosežena z nadzemnimi zemljskimi vodniki.

Na drugi strani so pretvorilne stanice mnogo pomembnejše. Dejstvujo kot središča sistema skrbi, z koncentrirano opremo in osebji. Torej so njihove zahteve za zaščito pred bistrskimi udarci zelo visoke.

Bistrski udarci lahko dosegnejo pretvorilno stanicu po dveh glavnih potih: neposredni udarci, zmanjšani z bistrskimi stopnicami (ali včasih ščitnimi vodniki); in prenapetosti, ki se širijo iz bistrskih udarcov na prenosnih vodnikih, ki so predvsem obravnavani s preprečevalniki prenapetosti.

Zaščita motorjev (vključno z generatorji, sinhronnimi kondenzatorji, menjalniki frekvence in električnimi motorji) je tako kritična kot zaščita pretvorilnih stanic. Generatorji so "srce" sistema skrbi, veliki motorji pa so ključni industrijski gonilci. Poškodba teh komponent bistrskimi udarci povzroči velike izgube. Vendar je zaščita motorjev težja kot zaščita pretvorilnih stanic. Motorji so vrteča stroji, zato njihova izolacija ne more biti preveč debela in mora biti trda (glede na tekočo izolacijo, uporabljeno v transformatorjih). Trda izolacija je poddana staranju, zato je potrebna ne le primarna zaščita s preprečevalniki prenapetosti, ampak tudi dodatne pomožne zaščitne ukrepi.

Kompozitne kuhe cinkov(II)-oksidnih preprečevalnikov prenapetosti

Preprečevalnik prenapetosti je električna naprava z dvema elektrodama - eden običajno zemljen in drug povezan z visoko napetostjo - ločen z izolacijskim materialom, strokovno imenovan izolator.

Ker je večina opreme sistema skrbi izpostavljena atmosferi, so izolacijske površine neposredno v stiku z okoljem. Ta del izolacije se imenuje zunanja izolacija ali izolacija na odprtem.

Zunanja izolacija je stalno izpostavljena soncu, dežju, vetru, snegu, megli in rosi. Zato morajo kvalificirani materiali za zunanjo izolacijo ne le imeti odlične električne in mehanske lastnosti, ampak tudi izjemno odpornost na vremenske razmere in življenjsko dobo 40-50 let. Trenutno je porcelan najpogosteje uporabljeni material za zunanjo izolacijo v inženiringu, z utrditvijo stekla tudi v linijnih aplikacijah.

Porcelan in steklo so anorganski materiali. Poleg njihovih odličnih električnih in mehanskih lastnosti je njihova ključna prednost okoljska stabilnost - izjemna odpornost na vremenske razmere - kar jim omogoča, da dominirajo v zunanjih izolacijah sistema skrbi že skoraj stoletje.

Vendar pa imata skupno šibkost: njihove površine so hidrofilne. To omogoča onesnaženim slojem na površini izolatorja, da absorbirajo vlago. Ko se onesnaženje kombinira z vlago, omogoča pretek toka, kar lahko povzroči bljesk preko površine izolatorja pri normalni delovni napetosti. To je znano kot onesnaženi bljesk, bolje definirano kot površinsko pretek preko onesnaženega in navlaženega izolatorja.

V zadnjih desetletjih je silikonska guma široko sprejeta po vsem svetu za zamenjavo tradicionalnih materialov za izolatorje. Silikonska guma je organski material, ki kaže močno hidrofobičnost, kar znatno poveča onesnaženi bljesk napetosti zunanje izolacije.

Izolatorji, izdelani iz organskih materialov, se pogosto imenujejo polimeri izolatorji (ker so organski materiali polimeri), ne keramični izolatorji, kompozitni izolatorji (ker je zunanja izolacija sintetična) ali celo plastmi izolatorji v tujini.

V Kitajski so bili prej znani kot kompozitni izolatorji ali silikonska guma izolatorji. Sedaj so enotno imenovani organski kompozitni izolatorji (ker so organski materiali kompoziti in ti izolatorji so običajno izdelani iz kompozita silikonske gume in epoksna steklovlakena palica), skupaj označeni kot kompozitni izolatorji.

Zato kompozitne kuhe cinkov(II)-oksidnih preprečevalnikov prenapetosti uporabljajo organski material - specifično silikonsko gumo - kot zunanjo izolacijo za cinkov(II)-oksidne preprečevalnike prenapetosti.