Grejanje struja: Evolucija materijala i zaštita od munje objašnjena

Napredne zaštite od preopterećenja i njihova evolucija

Zaštita od preopterećenja je uvek povezana paralelno sa električnim opremom koju štiti. Ne utiče na normalnu operaciju opreme na naponskom nivou sistema. Međutim, kada se pojavi opasan preopterećeni napon na opremi, zaštita prvo prevodi, sigurno odvajajući preopterećeni napon u zemlju.

Najraniji i najjednostavniji oblik zaštite od preopterećenja sastojao se od dva metalna štapa razdvojenih rupom i povezanih paralelno preko električne opreme. Kada je napon preko ove rupe prekoracio određenu granicu, vazduh (rupa) bi se rasplinio, štitivši opremu. Ovaj tip zaštite poznat je kao "izbacivanje iz rupe" ili "zaštitna rupa".

Fenomen munje je sličan: oblaci i zemlja deluju kao dva vodilja (elektrode). Kada napon između njih postane preveliki, vazduh između njih se rasplinjava, rezultirajući udarcima munje.

Međutim, postoji ključna razlika. Zaštitne rupe su direktno povezane preko naponskih linija. Kada opasan preopterećeni napon dovede do rasplinjavanja rupe (tj. vazduha između štapova), elektrana ili transformatorna stanica neće biti svjesna ovog događaja – ili neće moći dovoljno brzo reagirati. Stoga će nastaviti da isporučuje struju sada provodljivoj rupi. Budući da rupa pruža put do zemlje, ova struja teče kontinualno, uzrokujući kratak spoj u sistemu snabdevanja. Dakle, iako su zaštitne rupe jednostavne za upotrebu, njihova operacija stvara trajnu luk između rupe, dovodeći do stanja kratkog spoja.

Kako bi se luka između zaštitne rupe mogla ubrzano ugasi nakon operacije? To je dovelo do razvoja drugog generacije zaštita – izbacivača (ili cevičnih) zaštita. Ovaj dizajn prvo ograničava luk unutar cevi, a zatim koristi metode za njegovo ugašenje.

Ipak, izbacivači još uvijek imaju nedostatak: bez obzira na svoju sposobnost ugašenja luke, oni i dalje odvajaju struju sistema snabdevanja direktno u zemlju, uzrokujući privremeni zemljani grešku (kratkog spoja).

Idealno rješenje bi bio uređaj koji blokira struju ili dopušta samo minimalnu curenje pod normalnim naponom, time izbegavajući kratke spojeve, ali brzo prevodi velike talase struje (poput munje) u zemlju kada se pojave opasni preopterećeni naponi. U jednostavnim riječima, takav uređaj bi radio kao "inteligentni prekidnik", znajući tačno kada treba otvoriti i zatvoriti. U zaštiti od preopterećenja, ovaj "inteligentni prekidnik" je inicijalno ostvaren korišćenjem materijala poznatog kao silicij karbid (SiC). Zaštite izrađene od ovog materijala poznate su kao ventilne zaštite, jer funkcionišu kao električni ventili.

Važno je napomenuti da je ovaj "ventil" električni komponent, a ne mehanički ventil poput kranca ili cevnog ventila. Mekanički ventili su daleko pre spori da bi odgovarali na munju, koja se desi u mikrosekundama. Umjesto toga, potreban je električni "ventil" napravljen od ne-linearne otpornice. Silicij karbid je bio prvi materijal ne-linearne otpornice otkriven za upotrebu u visokonaponskim aplikacijama.

Tehnologija se neprestano razvija. Kasnije je otkriven drugi materijal ne-linearne otpornice za zaštite od preopterećenja: cink oksid (ZnO). On vrši sličnu funkciju kao silicij karbid, ali pokazuje superiornu "ventilnu" karakteristiku – profesionalno opisano kao bolja ne-linearnost.

Šta je ne-linearnost? Figurativno, to znači da radi suprotno: mali kada bi trebao biti veliki, i veliki kada bi trebao biti mali – ne kao linearni komponenti, koji se skaliraju proporcionalno.

U zaštiti od preopterećenja, ne-linearnost se manifestuje ovako: kada je struja velika (npr. tokom udara munje), otpornost postaje veoma niska, a što je manja otpornost, to je bolja ne-linearnost. Kada je struja mala (nakon što je prošao udar munje i sistem se vrati na normalni operativni napon), otpornost postaje veoma visoka, a što je viša otpornost, to je bolja ne-linearnost.

Silicij karbid pokazuje ne-linearnost, ali nije idealan. Pod normalnim operativnim naponom, njegova otpornost nije dovoljno visoka, dopuštajući da prolazi malo curenja struje kroz zaštitu – kao ventil koji se ne zatvara čvrsto, rezultirajući kontinualnim "kapljanjem" struje.

Ovo ponašanje je intrinzitno materijalu, i pokušaji da se eliminira ovo curenje kroz poboljšanje materijala bili su uglavnom neuspešni. Stoga, kada se silicij karbid koristi u zaštiti, koriste se strukturna rješenja: zaštita je inicijalno izolovana od linije i povezana je tek tokom preopterećenja. Ovu zadataku obavlja serija vazdušnih rupe. Stoga skoro sve ventilne zaštite zahtevaju rupu. S druge strane, cink oksid ventil "zatvara čvrsto" pod normalnim operativnim naponom, tako da ne zahtevaju seriju rupe.

Kako je poboljšana tehnologija proizvodnje cinka oksida, ranije ograničenja u "zatvaranju" su premašena. Međutim, zbog povijesne dominacije dizajna sa rupama, neke cink oksid zaštite još uvijek uključuju rupe. Ipak, bezrupe cink oksid zaštite predstavljaju većinu.

Pošto je cink oksid metalni oksid, ove zaštite su poznate i kao Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).

Zaštita od munje u sistemima snabdevanja

S obzirom na uređaje za zaštitu od munje, postoje tri glavna tipa: grijpe (terminali u zraku), nadzemne zemljišne žice (štitne žice) i zaštite od preopterećenja. Prva dva su strukturno jednostavna – u osnovi samo štapi i žice – dok je posljednji složeniji zbog ovisnosti o ne-linearnim otpornicama koje funkcioniraju kao "inteligentni prekidnici".

S obzirom na zaštićene objekte, zaštita od munje može se kategorizirati u: zaštitu nadzemnih prijenosnih linija, zaštitu transformatorskih stanica i zaštitu motora.

Nadzemne linije se prostire na velike udaljenosti, izložene otvorenom prostoru. Da bi se smanjio uticaj na terestrički život i ekosisteme, one su izgrađene na značajnoj visini. Kao što se kaže, "najviša stabla hvataju najviše vetra", čineći ih primarnim ciljevima za munju. Statistike pokazuju da većina propala sistema snabdevanja uzrokovana je udarcima munje na linije. Stoga moraju biti zaštićene nadzemne linije. Međutim, zbog njihove dužine, apsolutna zaštita je nemoguća i proizvodno skupa. Stoga, zaštita linija je relativna: dozvoljavaju se neki udari munje da pogode liniju i uzrokuju preliv. Ova zaštita se uglavnom ostvaruje korišćenjem nadzemnih zemljišnih žica.

S druge strane, transformatorske stanice su mnogo kritičnije. One služe kao čvorište sistema snabdevanja, sadrže koncentriranu opremu i osoblje. Stoga su njihovi zahtevi za zaštitom od munje izuzetno visoki.

Munja može doći do transformatorske stanice preko dva glavna puta: direktnih udara, mitigiranih grijpama (ili ponekad štitnim žicama); i talasa koji se šire od udara munje na prijenosnim linijama, koji se uglavnom obrađuju zaštitama od preopterećenja.

Zaštita motora (uključujući generatori, sinkroni kondenzatori, promenjive frekvencije i električne motori) je jednako kritična kao i zaštita transformatorskih stanica. Generatori su "srce" sistema snabdevanja, a veliki motori su ključni industrijski pogoni. Šteta od munje na ovim komponentama rezultira značajnim gubitcima. Međutim, zaštita motora je složenija nego zaštita transformatorskih stanica. Motori su rotirajuća mašina, pa njihova izolacija ne može biti previsoka i mora biti čvrsta (ne kao tečna izolacija koja se koristi u transformatorima). Čvrsta izolacija je podložna staranju, stoga je potrebno ne samo primarna zaštita zaštitama od preopterećenja, već i dodatna pomoćna zaštita.

Kompozitne kućišne cink oksid zaštite od preopterećenja

Zaštita od preopterećenja je električni uređaj sa dva elektroda – jedan obično zemljan, a drugi povezan na visok napon – razdvojeni izolacionim materijalom, profesionalno poznatim kao izolator.

Budući da je većina opreme sistema snabdevanja izložena atmosferi, izolacione površine su direktno u kontaktu sa okruženjem. Ovaj deo izolacije naziva se vanjska izolacija ili izolacija na otvorenom.

Izolacija na otvorenom je stalno izložena sunčevom svjetlosti, kiši, vetru, snijegu, magli i rosi. Stoga, kvalifikovani materijali za izolaciju na otvorenom moraju posedovati ne samo odlične električne i mehaničke osobine, već i superiorne vremenske sopstvenosti i životnu vijek od 40-50 godina. Trenutno, porcelan je najšire koriscen materijal za izolaciju na otvorenom u inženjerstvu, dok se temperirano staklo koristi u linijama.

Porcelan i staklo su anorganski materijali. Pored odličnih električnih i mehaničkih performansi, njihov ključni prednost je okruženjska stabilnost – izuzetna otpornost na klimatske uslove – omogućavajući im da dominiraju vanjskoj izolaciji sistema snabdevanja gotovo sto godina.

Međutim, imaju zajedničku slabost: njihove površine su hidrofilne. To dozvoljava da se slojevi zagađenja na površini izolatora apsorbiraju vlagu. Kada se zagađenje kombinuje s vlagom, omogućava protok struje, potencijalno uzrokujući preliv preko površine izolatora pod normalnim operativnim naponom. Ovo je poznato kao zagađenje preliv, specifičnije, preliv duž zagađene i namrljene površine izolatora.

U poslednjih desetak godina, silikonska guma je široko prihvaćena širom sveta kao zamena tradicionalnim materijalima za izolatore. Silikonska guma je organski materijal koji pokazuje jaku hidrofobnost, značajno povećavajući napon preliva izolacije na otvorenom.

Izolatori napravljeni od organskih materijala često se nazivaju polimeri izolatori (jer su organski materijali polimeri), ne-keramički izolatori, kompozitni izolatori (jer je vanjska izolacija sintetička) ili čak plastika izolatori u inozemstvu.

U Kini, ranije su se nazivali kompozitni izolatori ili silikonska guma izolatori. Sada su uniformno nazvani organski kompozitni izolatori (jer su organski materijali kompoziti, a ovi izolatori obično su napravljeni od kompozita silikonske gume i epoksne smole-staklenih vlakana), često skraćeno kao kompozitni izolatori.

Stoga, kompozitno kućište cink oksid zaštite od preopterećenja koristi organski materijal – specifično silikonsku gumu – kao vanjsku izolaciju za cink oksid zaštitu od preopterećenja.