อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน: การพัฒนา วัสดุ และการป้องกันฟ้าผ่าอธิบาย

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินและวิวัฒนาการของมัน

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินจะเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการปกป้องแบบขนานเสมอ มันไม่ทำให้การทำงานปกติของอุปกรณ์ภายใต้แรงดันระบบถูกขัดขวาง อย่างไรก็ตาม เมื่อมีแรงดันเกินอันตรายปรากฏบนอุปกรณ์ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินจะนำทางแรงดันเกินนั้นลงดินอย่างปลอดภัยเป็นลำดับแรก

รูปแบบเริ่มต้นและง่ายที่สุดของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินประกอบด้วยแท่งโลหะสองแท่งที่แยกออกจากกันโดยช่องว่างและเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบขนาน เมื่อแรงดันระหว่างช่องว่างนี้เกินค่าหนึ่งๆ อากาศ (ช่องว่าง) จะแตก และปกป้องอุปกรณ์ ชนิดของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินนี้เรียกว่า "ช่องว่างการปล่อย" หรือ "ช่องว่างป้องกัน"

ปรากฏการณ์ของสายฟ้าคล้ายคลึงกัน: เมฆฝนและพื้นโลกทำหน้าที่เป็นคอนดักเตอร์ (อิเล็กโทรด) สองตัว เมื่อแรงดันระหว่างพวกมันสูงเกินไป อากาศระหว่างพวกมันจะแตก ส่งผลให้เกิดสายฟ้า

แต่มีความแตกต่างสำคัญ ช่องว่างป้องกันเชื่อมต่อตรงกับสายไฟ เมื่อแรงดันเกินอันตรายทำให้ช่องว่างแตก (กล่าวคือ อากาศระหว่างแท่งโลหะถูกไอออนไนซ์) โรงไฟฟ้าหรือสถานีไฟฟ้าไม่ทราบเหตุการณ์นี้ หรือไม่สามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นจึงยังคงจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับช่องว่างที่กำลังนำกระแส เนื่องจากช่องว่างให้เส้นทางลงดิน กระแสไฟฟ้านี้ไหลอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดวงจรป้อนกลับในระบบไฟฟ้า ดังนั้น แม้ว่าช่องว่างป้องกันจะใช้งานง่าย แต่การทำงานของมันสร้างอาร์คไฟฟ้าที่ยืนยาวข้ามช่องว่าง ทำให้เกิดสภาพวงจรป้อนกลับ

แล้วอาร์คไฟฟ้าข้ามช่องว่างป้องกันจะสามารถดับได้อย่างรวดเร็วหลังจากการทำงานได้อย่างไร? นี่นำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินรุ่นที่สอง คือ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินแบบปล่อย (หรือแบบท่อ) การออกแบบนี้กักอาร์คไฟฟ้าไว้ภายในท่อ จากนั้นใช้วิธีการดับอาร์คไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินแบบปล่อยยังมีข้อเสีย: ไม่ว่าความสามารถในการดับอาร์คไฟฟ้าจะเป็นอย่างไร พวกมันยังคงเบี่ยงเบนกระแสไฟฟ้าจากระบบไฟฟ้าลงดิน ทำให้เกิดความผิดพลาดทางดินชั่วขณะ (วงจรป้อนกลับ)

วิธีการแก้ไขที่เหมาะสมคืออุปกรณ์ที่ป้องกันกระแส หรืออนุญาตให้มีการรั่วไหลเพียงเล็กน้อยภายใต้แรงดันปกติ จึงหลีกเลี่ยงวงจรป้อนกลับ แต่สามารถนำกระแสไฟฟ้าแรงดันเกินขนาดใหญ่ (เช่น สายฟ้า) ลงดินอย่างรวดเร็วเมื่อมีแรงดันเกินอันตรายเกิดขึ้น ในคำอื่น ๆ คือ อุปกรณ์นี้จะทำหน้าที่เหมือนสวิตช์อัจฉริยะ ที่รู้ว่าควรเปิดและปิดเมื่อใด ในอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน สวิตช์อัจฉริยะนี้ได้รับการสร้างขึ้นโดยใช้วัสดุที่เรียกว่าคาร์ไบด์ซิลิคอน (SiC) สำหรับอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินที่ทำจากวัสดุนี้เรียกว่าอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินแบบวาล์ว เนื่องจากมันทำงานเหมือนวาล์วไฟฟ้า

จำเป็นต้องทราบว่า "วาล์ว" นี้เป็นองค์ประกอบไฟฟ้า ไม่ใช่วาล์วเชิงกล เช่น ฝารับประทานน้ำหรือวาล์วท่อ วาล์วเชิงกลช้าเกินไปที่จะตอบสนองต่อสายฟ้า ซึ่งเกิดขึ้นในไมโครวินาที แทนที่จะใช้วาล์วไฟฟ้าที่ทำจากตัวต้านทานไม่เชิงเส้น คาร์ไบด์ซิลิคอนเป็นวัสดุตัวต้านทานไม่เชิงเส้นแรกที่ค้นพบสำหรับใช้ในแอปพลิเคชันแรงดันสูง

เทคโนโลยีพัฒนาอย่างต่อเนื่อง วัสดุตัวต้านทานไม่เชิงเส้นที่สองถูกค้นพบสำหรับอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน คือออกไซด์ซิงค์ (ZnO) มันทำหน้าที่คล้ายกับคาร์ไบด์ซิลิคอน แต่มีคุณสมบัติ "วาล์ว" ที่ดีกว่า ซึ่งได้รับการบรรยายว่ามีความไม่เชิงเส้นที่ดีกว่า

ความไม่เชิงเส้นคืออะไร อย่างง่าย หมายความว่าทำตรงกันข้าม: เป็นขนาดเล็กเมื่อควรจะใหญ่ และเป็นขนาดใหญ่เมื่อควรจะเล็ก ต่างจากองค์ประกอบเชิงเส้น ซึ่งมีการปรับขนาดตามสัดส่วน

ในอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน ความไม่เชิงเส้นแสดงออกดังนี้: เมื่อกระแสสูง (เช่น ระหว่างแรงดันเกินจากสายฟ้า) ความต้านทานจะกลายเป็นต่ำมาก และยิ่งความต้านทานต่ำ ความไม่เชิงเส้นก็ยิ่งดี เมื่อกระแสต่ำ (หลังจากแรงดันเกินจากสายฟ้าผ่านไปแล้วและระบบกลับมาทำงานที่แรงดันปกติ) ความต้านทานจะกลายเป็นสูงมาก และยิ่งความต้านทานสูง ความไม่เชิงเส้นก็ยิ่งดี

คาร์ไบด์ซิลิคอนมีความไม่เชิงเส้น แต่มันไม่สมบูรณ์ ภายใต้แรงดันปกติ ความต้านทานของมันไม่เพียงพอ ทำให้มีกระแสรั่วไหลผ่านอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินเล็กน้อย คล้ายกับวาล์วที่ไม่ปิดแน่น ทำให้มีกระแสไหลอย่างต่อเนื่อง

พฤติกรรมนี้เป็นธรรมชาติของวัสดุ และพยายามปรับปรุงวัสดุเพื่อลดกระแสรั่วไหลนี้โดยไม่สำเร็จ ดังนั้น เมื่อใช้คาร์ไบด์ซิลิคอนในอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน ใช้วิธีการโครงสร้าง: แยกอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินออกจากสายไฟในตอนแรก และเชื่อมต่อเฉพาะเมื่อมีแรงดันเกิน งานนี้ทำโดยใช้ช่องว่างอากาศแบบอนุกรม ดังนั้น อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินแบบวาล์วเกือบทุกตัวต้องใช้ช่องว่าง ตรงกันข้าม วาล์วออกไซด์ซิงค์ "ปิดแน่น" ภายใต้แรงดันปกติ ดังนั้น ไม่จำเป็นต้องใช้ช่องว่าง

เนื่องจากเทคโนโลยีการผลิตออกไซด์ซิงค์ได้พัฒนาขึ้น ข้อจำกัดในการ "ปิด" ได้ถูกเอาชนะ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการออกแบบที่ใช้ช่องว่างเป็นที่นิยมมาอย่างยาวนาน บางอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินออกไซด์ซิงค์ยังคงใช้ช่องว่าง อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินออกไซด์ซิงค์แบบไม่มีช่องว่างเป็นส่วนใหญ่

เนื่องจากออกไซด์ซิงค์เป็นออกไซด์ของโลหะ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินเหล่านี้ยังเรียกว่า Metal Oxide Surge Arresters (MOSA)

การป้องกันสายฟ้าในระบบไฟฟ้า

จากมุมมองของอุปกรณ์ป้องกันสายฟ้า มีสามประเภทหลัก: แท่งสายฟ้า (air terminals) สายดินเหนือศีรษะ (shield wires) และอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน สองประเภทแรกมีโครงสร้างง่าย คือแท่งและสาย ส่วนอันหลังซับซ้อนกว่าเนื่องจากอาศัยตัวต้านทานไม่เชิงเส้นทำหน้าที่เป็น "สวิตช์อัจฉริยะ"

จากมุมมองของวัตถุที่ต้องการปกป้อง การป้องกันสายฟ้าสามารถแบ่งออกเป็น: การป้องกันสายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะ การป้องกันสถานีไฟฟ้า และการป้องกันมอเตอร์

สายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะทอดยาวหลายระยะทาง อยู่ในพื้นที่โล่ง เพื่อลดผลกระทบต่อชีวิตและระบบนิเวศบนพื้นโลก พวกมันถูกติดตั้งที่ระดับสูง ตามที่กล่าวว่า "ต้นไม้สูงที่สุดรับลมมากที่สุด" ทำให้เป็นเป้าหมายสำคัญของสายฟ้า สถิติแสดงว่าความล้มเหลวของระบบไฟฟ้าส่วนใหญ่เกิดจากสายฟ้ากระทบสาย ดังนั้น สายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะต้องได้รับการป้องกัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยาวของสาย ความป้องกันอย่างสมบูรณ์เป็นไปไม่ได้และมีค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้น การป้องกันสายส่งไฟฟ้าเป็นสัมพัทธ์: อนุญาตให้สายฟ้าบางส่วนกระทบสายและทำให้เกิดการแฟลชโอเวอร์ การป้องกันนี้ทำได้โดยใช้สายดินเหนือศีรษะ

ในทางตรงกันข้าม สถานีไฟฟ้ามีความสำคัญมาก พวกมันเป็นศูนย์กลางของระบบไฟฟ้า ที่มีอุปกรณ์และบุคลากรรวมตัวอยู่ ดังนั้น ความต้องการในการป้องกันสายฟ้าของสถานีไฟฟ้าสูงมาก

สายฟ้าสามารถเข้าถึงสถานีไฟฟ้าผ่านสองทางหลัก: การกระทบโดยตรง ลดลงโดยแท่งสายฟ้า (หรือบางครั้งใช้สายดินเหนือศีรษะ) และแรงดันเกินที่แพร่กระจายจากสายฟ้ากระทบสายส่งไฟฟ้า ซึ่งควบคุมโดยอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน

การป้องกันสายฟ้าสำหรับมอเตอร์ (รวมถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้า, คอนเดนเซอร์ซิงโครนัส, ตัวเปลี่ยนความถี่, และมอเตอร์ไฟฟ้า) มีความสำคัญเท่ากับการป้องกันสถานีไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็น "หัวใจ" ของระบบไฟฟ้า และมอเตอร์ขนาดใหญ่เป็นเครื่องขับเคลื่อนอุตสาหกรรมที่สำคัญ ความเสียหายจากสายฟ้าต่อองค์ประกอบเหล่านี้ทำให้เกิดความสูญเสียอย่างมาก อย่างไรก็ตาม การป้องกันมอเตอร์ยากกว่าการป้องกันสถานีไฟฟ้า มอเตอร์เป็นเครื่องจักรหมุน ดังนั้นฉนวนของมันไม่สามารถหนาได้เกินไปและต้องเป็นของแข็ง (ไม่เหมือนฉนวนเหลวที่ใช้ในหม้อแปลง) ฉนวนของแข็งมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพ ดังนั้นนอกจากการป้องกันหลักด้วยอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน ยังต้องใช้มาตรการป้องกันเสริมเพิ่มเติม

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินออกไซด์ซิงค์ที่มีที่ครอบคอมโพสิต

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีอิเล็กโทรดสองตัว ตัวหนึ่งมักจะต่อลงดินและอีกตัวต่อแรงดันสูง แยกโดยวัสดุฉนวน ซึ่งเรียกว่าวัสดุฉนวนในทางวิชาการ

เนื่องจากอุปกรณ์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ในระบบไฟฟ้าถูกสัมผัสกับบรรยากาศ ผิวฉนวนสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมโดยตรง ส่วนนี้ของฉนวนเรียกว่าฉนวนภายนอกหรือฉนวนกลางแจ้ง

ฉนวนกลางแจ้งถูกสัมผัสกับแสงแดด ฝน ลม หิมะ หมอก และ露点。因此，合格的户外绝缘材料不仅需要具备优良的电气和机械性能，还必须具有出色的耐候性和长达40-50年的使用寿命。目前，在工程中最广泛使用的户外绝缘材料是瓷，线路应用中也使用钢化玻璃。 瓷和玻璃都是无机材料。除了其优良的电气和机械性能外，它们的主要优势在于环境稳定性——极强的气候条件抵抗力——使它们在电力系统外部绝缘领域占据主导地位近一个世纪。 然而，它们有一个共同的弱点：表面亲水性。这使得绝缘子表面的污染层可以吸收水分。当污染与水分结合时，它能够导电，可能在正常工作电压下导致绝缘子表面发生闪络。这通常被称为污闪，更具体地说，是沿受污染和湿润的绝缘子表面的放电。 在最近几十年里，硅橡胶在全球范围内被广泛采用以替代传统材料作为绝缘子。硅橡胶是一种有机材料，表现出强烈的疏水性，显著提高了外部绝缘的污闪电压。 由有机材料制成的绝缘子通常被称为聚合物绝缘子（因为有机材料是聚合物），非陶瓷绝缘子，复合绝缘子（因为外部绝缘是合成的），甚至在国外有时称为塑料绝缘子。 在中国，它们以前被称为复合绝缘子或硅橡胶绝缘子。现在统一称为有机复合绝缘子（因为有机材料是复合材料，这些绝缘子通常由硅橡胶和环氧树脂玻璃纤维棒复合而成），简称复合绝缘子。 因此，复合外壳氧化锌避雷器使用有机材料——特别是硅橡胶——作为氧化锌避雷器的外部绝缘。