Överbelastningsbegränsare: Förklaring av utveckling material och skydd mot blixtnedslag

Överhastningsbegränsare och deras utveckling

En överhastningsbegränsare är alltid ansluten parallellt med det elektriska utrustning den skyddar. Den stör inte utrustningens normala drift vid systemspänning. När dock ett farligt överspänning uppstår på utrustningen ledar begränsaren först, vilket leder till att överspänningen säkert avleds till marken.

Den tidigaste och enklaste formen av överhastningsbegränsare bestod av två metallstångar separerade av en lucka och anslutna parallellt över elektrisk utrustning. När spänningen över denna lucka överskred ett visst tröskelvärde skulle luften (luckan) brytas ner, vilket skyddade utrustningen. Denna typ av begränsare kallas en "expulsion gap" eller "skyddsgap".

Fenomenet blixtnedslag är liknande: åskmoln och jorden fungerar som två ledare (elektroder). När spänningen mellan dem blir för hög bryts luften mellan dem ned, vilket resulterar i ett blixtnedslag.

Det finns dock en viktig skillnad. Skyddsgap är direkt anslutna över strömföringslinjer. När ett farligt överspänning orsakar att luckan bryts ned (dvs luften mellan stångarna ioniseras) är kraftverket eller understationen omedveten om detta händelse - eller kan inte reagera snabbt nog. Därför fortsätter det att leverera ström till det nuvarande ledande gapet. Eftersom luckan ger en väg till marken flödar denna ström kontinuerligt, vilket orsakar en kortslutning i energisystemet. Så medan skyddsgap är enkla att använda, skapar deras funktion en konstant båge över gapet, vilket leder till en kortslutningsförhållande.

Hur kunde bågen över skyddsgap släckas snabbt efter operation? Detta ledde till utvecklingen av den andra generationens begränsare - expulsion (eller rörformad) begränsare. Denna design inskränker först bågen inuti ett rör och använder sedan metoder för att släcka den.

Ändå har expulsion-begränsare fortfarande en nackdel: oavsett deras färdighet att släcka bågar ledar de fortfarande ström från energisystemet direkt till marken, vilket orsakar en tillfällig jordfel (kortslutning).

En idealisk lösning skulle vara en enhet som blockerar ström eller endast tillåter minimal läckage vid normal spänning, därigenom undviker kortslutningar, men snabbt ledar stora överhastningsströmmar (som blixtnedslag) till marken när farliga överspänning inträffar. Med andra ord skulle en sådan enhet agera som en "intelligent växel", som vet exakt när den ska öppnas och stängas. I överhastningsbegränsare realiserades denna "intelligenta växel" ursprungligen med hjälp av en material som kallas siliciumkarbid (SiC). Begränsare gjorda av detta material kallas ventiltypsbegränsare, eftersom de fungerar som elektriska ventiler.

Det är viktigt att notera att denna "ventil" är en elektrisk komponent, inte en mekanisk ventil som en kran eller rörventil. Mekaniska ventiler är för långsamma för att reagera på blixtnedslag, som inträffar inom mikrosekunder. Istället krävs en elektrisk "ventil" gjord av en icke-linjär resistor. Siliciumkarbid var det första icke-linjära resistormaterial som upptäcktes för användning i högspänningsapplikationer.

Tekniken utvecklas kontinuerligt. Ett andra icke-linjärt resistormaterial upptäcktes senare för överhastningsbegränsare: zinkoxid (ZnO). Det utför en liknande funktion som siliciumkarbid men visar bättre "ventilegenskaper" - professionellt beskrivet som bättre icke-linjäritet.

Vad är icke-linjäritet? Figurativt betyder det att göra det motsatta: vara liten när den borde vara stor, och stor när den borde vara liten - inte som linjära komponenter, som skalas proportionellt.

I överhastningsbegränsare visar icke-linjäritet sig på följande sätt: när strömmen är hög (t.ex. under ett blixtnedslag) blir resistansen mycket låg, och ju lägre resistansen desto bättre icke-linjäritet. När strömmen är låg (efter att blixtnedslaget passerat och systemet återgått till normal driftsspänning) blir resistansen mycket hög, och ju högre resistansen desto bättre icke-linjäritet.

Siliciumkarbid visar icke-linjäritet, men det är inte idealiskt. Vid normal driftsspänning är dess resistans inte tillräckligt hög, vilket tillåter en liten läckageström att passera genom begränsaren - som en ventil som inte stängs hårt, vilket resulterar i en konstant "drift" av ström.

Detta beteende är inbyggt i materialet, och försök att eliminera denna läckage genom materialförbättringar har till största delen misslyckats. Därför, när siliciumkarbid används i begränsare, används strukturella lösningar: begränsaren isoleras ursprungligen från linjen och kopplas bara in under ett överhastning. Denna uppgift utförs med en serie luftgap. Därför kräver ventiltypsbegränsare nästan alltid en lucka. I motsats till detta stänger zinkoxidventiler hårt under normal driftsspänning, så de behöver ingen seriegap.

Efter att tillverkningsmetoden för zinkoxid har förbättrats har tidiga begränsningar i "stängningsförmåga" övervunnits. Men på grund av historisk prevalens av gapped-designer inkluderar vissa zinkoxidbegränsare fortfarande gap. Trots detta utgör gaplösa zinkoxidbegränsare den stora majoriteten.

Eftersom zinkoxid är en metalloxid kallas dessa begränsare också Metalloxid Överhastningsbegränsare (MOSA).

Blixtskydd i energisystem

Från blixtskyddsenheters perspektiv finns tre huvudtyper: blixtkonduktörer (luftterminaler), överhastningsledare (skyddsdrar) och överhastningsbegränsare. De två första är strukturellt enkla - egentligen bara stänger och drar - medan den sista är mer komplex på grund av sin beroende av icke-linjära resistorer som agerar som "intelligenta växlar".

Från skyddade objekts perspektiv kan blixtskydd kategoriseras som: skydd av överbystråck, understationskydd och motorbeskydd.

Överbystråck sträcker sig över stora avstånd, utsatta i öppna områden. För att minimera påverkan på liv och ekosystem på land byggs de vid betydande höjd. Som säges, "det högsta trädet får mest vind", vilket gör dem till främsta mål för blixtnedslag. Statistik visar att de flesta elnätsfel orsakas av blixtnedslag på linjer. Därför måste överbystråck skyddas. På grund av deras längd är absolut skydd praktiskt omöjligt och otroligt dyrt. Därför är linjeskydd relativt: vissa blixtnedslag tillåts träffa linjen och orsaka flashövergångar. Detta skydd uppnås huvudsakligen med hjälp av överhastningsledare.

I motsats till detta är understationer mycket viktigare. De fungerar som noder i energisystemet, med koncentrerad utrustning och personal. Därför är deras blixtskyddsbehov extremt höga.

Blixt kan nå en understation via två huvudvägar: direkta träffar, minimerade av blixtkonduktörer (eller ibland skyddsdrar); och överslag från blixtnedslag på strömföringslinjer, som huvudsakligen hanteras av överhastningsbegränsare.

Blixtskydd för motorer (inklusive generatorer, synkondensatorer, frekvensomvandlare och elektriska motorer) är lika viktigt som understationskydd. Generatorer är "hjärtat" av energisystemet, och stora motorer är viktiga industriella drivkrafter. Blixtskador på dessa komponenter resulterar i stora förluster. Men motorskydd är mer utmanande än understationskydd. Motorer är roterande maskiner, så deras isolering kan inte vara för tjock och måste vara fast (inte lika med flytande isolering som används i transformer). Fast isolering är benägen för åldring, vilket kräver inte bara primärt skydd med överhastningsbegränsare utan också ytterligare auxiliära skyddsåtgärder.

Komposit-höljda zinkoxid överhastningsbegränsare

En överhastningsbegränsare är en elektrisk enhet med två elektroder - en vanligtvis jordad och den andra ansluten till högspänning - separerade av ett isolerande material, känd professionellt som en isolator.

Eftersom de flesta energisystemkomponenter är utsatta för atmosfären är isolerande ytor i direkt kontakt med miljön. Denna del av isoleringen kallas extern isolering eller utomhusisolering.

Utomhusisolering är konstant utsatt för sol, regn, vind, snö, dimma och dagg. Därför måste kvalificerade utomhusisoleringmaterial inte bara ha utmärkta elektriska och mekaniska egenskaper, utan också visa utmärkt väderbeständighet och en livslängd på 40-50 år. Porcellan är för närvarande det mest använda utomhusisoleringmaterial i ingenjörsväsendet, med hårdglaset även används i linjeapplikationer.

Porcellan och glas är organiska material. Förutom deras utmärkta elektriska och mekaniska prestanda, är deras nyckelfördel miljöstabilitet - exceptionell resistens mot klimatiska förhållanden - vilket gör att de har dominerat energisystemets externa isolering i nästan ett sekel.

Men de delar en gemensam svaghet: deras ytor är hydrofila. Detta tillåter föroreningslag på isolatorns yta att absorbera fukt. När föroreningar kombineras med fukt möjliggör det strömförsel, vilket potentiellt kan orsaka en flashövergång över isolatorns yta vid normal driftsspänning. Detta kallas ofta föroreningsflashövergång, mer specifikt, ytförsel längs en förorenad och blött isolator.

Under de senaste decennierna har silikonkautschuk bred användning världen över för att ersätta traditionella material för isolatorer. Silikonkautschuk är ett organiskt material med stark hydrofobi, vilket signifikant ökar föroreningsflashövergångsspänningen för extern isolering.

Isolatorer gjorda av organiska material kallas ofta polymerisolatorer (eftersom organiska material är polymerer), icke-keramiska isolatorer, kompositisolatorer (eftersom extern isolering är syntetisk) eller till och med plastisolatorer utomlands.

I Kina kallades de tidigare för kompositisolatorer eller silikonkautschukisolatorer. Nu kallas de enhetligt organiska kompositisolatorer (eftersom organiska material är komposit, och dessa isolatorer görs vanligtvis av en komposit av silikonkautschuk och en epoxidresin-glasfiberstang), vanligtvis förkortat till kompositisolatorer.

Därför använder en komposit-höljd zinkoxid överhastningsbegränsare ett organiskt material - specifikt silikonkautschuk - som extern isolering för en zinkoxid överhastningsbegränsare.