Surge Arresters: Ebolusyon Mga Materyales at Proteksyon sa Kidlat Ipinahayag

Mga Surge Arresters at ang Kanilang Ebolusyon

Ang surge arrester ay laging nakakonekta sa paraan ng parallel sa electrical equipment na ito nagbabantay. Ito hindi nakakaapekto sa normal na operasyon ng equipment sa system voltage. Gayunpaman, kapag may nangyaring dangerous overvoltage sa equipment, ang arrester ang unang kumokondukt, iniiwas ang overvoltage nang ligtas patungo sa lupa.

Ang pinakaunang at pinakasimpleng anyo ng surge arrester ay binubuo ng dalawang metal rods na hiwalayin ng isang gap at konektado sa paraan ng parallel sa electrical equipment. Kapag ang voltage sa pagitan ng mga ito ay lumampas sa isang tiyak na threshold, ang hangin (ang gap) ay bubuwisit, nagbibigay ng proteksyon sa equipment. Ang uri ng arrester na ito ay kilala bilang "expulsion gap" o "protective gap."

Ang phenomenon ng lightning ay katulad: ang thunderclouds at ang lupa ay gumagamit bilang dalawang conductors (electrodes). Kapag ang voltage sa pagitan nila ay naging masyadong mataas, ang hangin sa pagitan nila ay bubuwisit, nagresulta sa lightning strike.

Gayunpaman, may mahalagang pagkakaiba. Ang mga protective gaps ay direktang konektado sa power lines. Kapag ang dangerous overvoltage ay nagdulot ng bubuwisit ng gap (i.e., ang hangin sa pagitan ng mga rods ay ionized), ang power plant o substation ay hindi alam tungkol sa pangyayaring ito—o hindi makapag-reaksyon nang mabilis. Bilang resulta, ito patuloy na nagbibigay ng current sa ngayon-conducting gap. Dahil ang gap ay nagbibigay ng daan patungo sa lupa, ang current na ito ay patuloy na umuusbong, nagdudulot ng short circuit sa power system. Kaya, habang simple ang gamit ng mga protective gaps, ang kanilang operasyon ay nagdudulot ng patuloy na arc sa pagitan ng gap, nagresulta sa isang short-circuit condition.

Paano mapapatay nang mabilis ang arc sa protective gap pagkatapos ng operasyon? Ito ang nag-udyok sa pagbuo ng ikalawang henerasyon ng arrester—the expulsion (o tube-type) arrester. Ang disenyo na ito unang naglilimita ng arc sa loob ng isang tube at pagkatapos ay gumagamit ng mga pamamaraan upang patayin ito.

Gayunpaman, ang expulsion arresters pa rin ay may kakulangan: anuman ang kanilang kakayahang patayin ang arc, sila pa rin nagdidirekta ng power system current patungo sa lupa, nagdudulot ng momentary earth fault (short circuit).

Isang ideal na solusyon ay isang device na nagbabaril ng current o nagpapahintulot lamang ng minimal na leakage sa normal na voltage, kaya nag-iwas ng short circuits, ngunit mabilis na nagkokondukt ng malaking surge currents (tulad ng lightning) patungo sa lupa kapag nangyari ang dangerous overvoltages. Sa mas simple na termino, ganito ang device na ito, magiging tulad ng isang "intelligent switch," na alam nang tama kailan buksan at isara. Sa surge arresters, ang "intelligent switch" na ito ay unang nailapat gamit ang materyal na tinatawag na silicon carbide (SiC). Ang mga arresters na gawa sa materyal na ito ay kilala bilang valve-type arresters, dahil sila ay gumagana tulad ng mga electrical valves.

Mahalaga na tandaan na ang "valve" na ito ay isang electrical component, hindi isang mechanical valve tulad ng isang faucet o pipe valve. Ang mga mechanical valves ay masyadong mabagal upang sumagot sa lightning, na sumasalak sa microseconds. Sa halip, kinakailangan ng isang electrical "valve" na gawa sa non-linear resistor. Ang silicon carbide ang unang non-linear resistor material na natuklasan para sa high-voltage applications.

Ang teknolohiya ay patuloy na umuunlad. Isang pangalawang non-linear resistor material ang natuklasan para sa surge arresters: zinc oxide (ZnO). Ito ay gumagampan ng katulad na tungkulin sa silicon carbide ngunit may mas mahusay na "valve" characteristics—profesyonally described bilang may mas mahusay na non-linearity.

Ano ang non-linearity? Figuratively, ibig sabihin nito ang gawin ng kabaligtaran: maliit kapag dapat malaki, at malaki kapag dapat maliit—hindi tulad ng linear components, na proporsyonado ang scaling.

Sa surge arresters, ang non-linearity ay ipinapakita sa ganito: kapag ang current ay mataas (halimbawa, sa panahon ng lightning surge), ang resistance ay naging napakababa, at ang mas mababa ang resistance, ang mas mahusay ang non-linearity. Kapag ang current ay maliit (pagkatapos ng lightning surge at bumalik ang sistema sa normal operating voltage), ang resistance ay naging napakataas, at ang mas mataas ang resistance, ang mas mahusay ang non-linearity.

Ang silicon carbide ay nagpapakita ng non-linearity, ngunit hindi ito ideal. Sa normal operating voltage, ang resistance nito ay hindi sapat na mataas, nagpapahintulot ng isang maliit na leakage current na umuusbong sa arrester—tulad ng isang valve na hindi sapat na sarado, nagresulta sa patuloy na "trickle" ng current.

Ang behavior na ito ay inherent sa materyal, at ang mga pagsisikap na iwasan ang leakage sa pamamagitan ng pag-improve ng materyal ay hindi masyadong matagumpay. Bilang resulta, kapag ginagamit ang silicon carbide sa arresters, ginagamit ang structural solutions: ang arrester ay unang iniisolate mula sa line at lang konektado sa panahon ng surge. Ang task na ito ay ginagampanan gamit ang series air gap. Kaya, ang valve-type arresters halos palaging nangangailangan ng isang gap. Sa kabilang banda, ang zinc oxide valves "masarado nang mabuti" sa normal operating voltage, kaya wala silang nangangailangan ng isang series gap.

Dahil sa pag-unlad ng teknolohiya ng zinc oxide, ang mga dating limitasyon sa "closing" capability ay nalampasan. Gayunpaman, dahil sa historical prevalence ng gapped designs, ang ilang zinc oxide arresters pa rin ay may gaps. Ngunit, ang majority ng gapless zinc oxide arresters ang naging dominant.

Dahil ang zinc oxide ay isang metal oxide, ang mga arresters na ito ay kilala rin bilang Metal Oxide Surge Arresters (MOSA).

Proteksyon Laban sa Lightning sa Power Systems

Mula sa perspektibo ng lightning protection devices, ang tatlong pangunahing uri ay: lightning rods (air terminals), overhead ground wires (shield wires), at surge arresters. Ang unang dalawa ay struktural na simple—essentially just rods and wires—samantalang ang huli ay mas komplikado dahil sa kanyang dependensiya sa non-linear resistors na gumagamit bilang "intelligent switches."

Mula sa perspektibo ng protected objects, ang lightning protection ay maaaring icategory sa: overhead transmission line protection, substation protection, at motor protection.

Ang overhead lines ay umaabot sa malalayong distansya, exposed sa open areas. Upang iminimize ang impact sa terrestrial life at ecosystems, sila ay itinayo sa significant heights. Tulad ng sinasabi, "Ang pinakamataas na puno ay kumukuha ng pinakamaraming hangin," kaya sila ang primary targets ng lightning. Ang statistics ay nagpapakita na ang majority ng power grid failures ay dulot ng lightning strikes sa lines. Kaya, ang overhead lines ay kailangang protektahan. Ngunit, dahil sa kanilang length, ang absolute protection ay impractical at prohibitively expensive. Kaya, ang line protection ay relative: ilang lightning strikes ay pinapayagan na tumama sa line at magdulot ng flashovers. Ang proteksyon na ito ay pangunahing naaabot gamit ang overhead ground wires.

Sa kabilang banda, ang substations ay mas critical. Sila ay naglilingkod bilang hubs ng power system, naglalaman ng concentrated equipment at personnel. Kaya, ang kanilang lightning protection requirements ay napakataas.

Ang lightning ay maabot ang isang substation sa dalawang pangunahing landas: direct strikes, na pinapaliit ng lightning rods (o sometimes shield wires); at surges na propagating mula sa lightning strikes sa transmission lines, na pangunahing inaaddress ng surge arresters.

Ang lightning protection para sa motors (kasama ang generators, synchronous condensers, frequency changers, at electric motors) ay kasama ang criticality ng substation protection. Ang generators ay ang "puso" ng power system, at ang malalaking motors ay vital industrial drivers. Ang lightning damage sa mga component na ito ay nagreresulta sa significant losses. Ngunit, ang motor protection ay mas challenging kaysa sa substation protection. Ang motors ay rotating machines, kaya ang kanilang insulation ay hindi maaaring sobrang thick at kailangang solid (hindi tulad ng liquid insulation na ginagamit sa transformers). Ang solid insulation ay prone sa aging, kaya't hindi lang primary protection sa surge arresters, kundi additional auxiliary protective measures din ang kailangan.

Composite-Housed Zinc Oxide Surge Arresters

Ang surge arrester ay isang electrical device na may dalawang electrodes—one typically grounded at ang isa connected sa high voltage—hiwalayin ng isang insulating material, kilala profesional na bilang insulator.

Dahil ang majority ng power system equipment ay exposed sa atmosphere, ang insulating surfaces ay direktang nakakontak sa environment. Ang bahagi ng insulation na ito ay tinatawag na external insulation o outdoor insulation.

Ang outdoor insulation ay constant na exposed sa sunlight, ulan, hangin, niyebe, fog, at dew. Kaya, ang qualified outdoor insulation materials ay kailangang hindi lamang may excellent electrical at mechanical properties, kundi may superior weather resistance at service life ng 40–50 years. Sa kasalukuyan, ang porcelain ang pinakamalaganap na ginagamit na outdoor insulation material sa engineering, at ang tempered glass ay ginagamit din sa line applications.

Ang porcelain at glass ay inorganic materials. Bukod sa kanilang excellent electrical at mechanical performance, ang kanilang pangunahing advantage ay environmental stability—exceptional resistance sa climatic conditions—na nagpapahintulot sa kanila na dominar ang power system external insulation sa halos isang siglo.

Gayunpaman, sila ay may common weakness: ang kanilang surfaces ay hydrophilic. Ito ay nagpapahintulot sa pollution layers sa surface ng insulator na umabsorb ng moisture. Kapag ang pollution ay nagsanib sa moisture, ito ay nagpapahintulot ng pag-uusbong ng current, potentially causing a flashover across the insulator surface sa normal operating voltage. Ito ay commonly known bilang pollution flashover, more specifically, surface discharge along a polluted and wetted insulator.

Sa nakaraang dekada, ang silicone rubber ay malawak na inadopt sa buong mundo upang palitan ang traditional materials para sa insulators. Ang silicone rubber ay isang organic material na nagpapakita ng strong hydrophobicity, significantly increasing the pollution flashover voltage ng external insulation.

Ang insulators na gawa sa organic materials ay kadalasang tinatawag bilang polymer insulators (bilang ang organic materials ay polymers), non-ceramic insulators, composite insulators (dahil ang external insulation ay synthetic), o kahit plastic insulators abroad.

Sa China, sila ay dating tinatawag bilang composite insulators o silicone rubber insulators. Ngayon, sila ay uniformly tinatawag bilang organic composite insulators (bilang ang organic materials ay composites, at ang mga insulators na ito ay karaniwang gawa sa composite ng silicone rubber at epoxy-resin-glass-fiber rod), commonly abbreviated bilang composite insulators.

Kaya, ang composite-housed zinc oxide surge arrester ay gumagamit ng isang organic material—specifically silicone rubber—bilang external insulation para sa zinc oxide surge arrester.