Yüksek Gerilim Koruyucular: Evrimi Malzemeler ve Yıldırım Koruması Anlatılıyor

Değişken Akımların Önlenmesi ve Gelişimi

Bir değişken akım önleyici her zaman koruması gereken elektrik ekipmanıyla paralel olarak bağlanır. Sistem geriliminde normal işletim sırasında ekipmanın işleyişine müdahale etmez. Ancak, ekipmanda tehlikeli bir aşırı gerilim oluştuğunda, önleyici önce iletir ve aşırı gerilimi güvenli bir şekilde yere yönlendirir.

En erken ve en basit türdeki değişken akım önleyici, iki metal çubuk arasında bir boşluk bırakılarak ve elektrik ekipmanının üzerine paralel olarak bağlanarak oluşturulmuştur. Bu boşluğun üzerindeki gerilim belirli bir eşik değerini aş Phill, havanın (boşluğun) kırılmasına neden olur ve bu sayede ekipman korunur. Bu tür bir önleyici "sürtünme boşluğu" veya "koruma boşluğu" olarak bilinir.

Yıldırım olayı benzer bir fenomendir: gök bulutları ve yer iki iletken (elektrot) görev görür. Aralarındaki gerilim çok yüksek olduğunda, aralarındaki hava kırılır ve bu durum yıldırım oluşturur.

Ancak, burada önemli bir fark vardır. Koruma boşlukları doğrudan güç hatlarına bağlanır. Tehlikeli bir aşırı gerilim, boşluğun kırılmasına (yani çubuklar arasındaki hava ionize edilmesine) neden olduğunda, güç santrali veya dağıtım istasyonu bu olayı farketmez ya da yeterince hızlı tepki veremez. Sonuç olarak, iletken olan boşluğa sürekli olarak akım sağlar. Boşluğun zemine bir yol sağladığı için, bu akım sürekli olarak akar ve güç sisteminde kısa devre oluşturur. Böylece, koruma boşlukları kullanımı basit olsa da, işlemesi sonucunda boşlukta sürekli bir ark oluşur ve bu durum güç sisteminde kısa devreye neden olur.

Koruma boşluğunun operasyondan sonra hızlıca söndürülmesi nasıl mümkün olabilirdi? Bu soru, ikinci nesil önleyicinin geliştirilmesine yol açtı - sürtünme (veya tüp tipi) önleyici. Bu tasarım, ilk önce arkı bir tüp içinde sınırlar ve ardından onu söndürmek için yöntemler kullanır.

Ancak, sürtünme önleyicilerin hala bir dezavantajı vardır: ark söndürme yeteneklerine rağmen, hala güç sisteminden gelen akımı doğrudan yere yönlendirir, bu da geçici bir toprak hatası (kısa devre) oluşturur.

İdeal bir çözüm, normal gerilim altında akımı engelleyen veya sadece minimal sızıntıya izin veren, böylece kısa devreleri önleyen ancak tehlikeli aşırı gerilimler (örneğin yıldırım) olduğunda büyük dalga akımlarını hızlıca yere yönlendiren bir cihaz olacaktır. Basit bir ifadeyle, bu cihaz, tam olarak ne zaman açılacağını ve kapatacağını biliyor gibi davranan "akıllı bir anahtar" gibi çalışır. Değişken akım önleyicilerde, bu "akıllı anahtar" ilk olarak silis karbür (SiC) adlı bir malzeme ile gerçekleştirilmiştir. Bu malzemeden yapılan önleyicilere, elektrikli vaneler gibi çalışan "vanalı önleyiciler" denir.

Bu "vanenin" bir elektriksel bileşen olduğunu unutmamak önemlidir, musluk veya boru vanesi gibi mekanik bir vane değildir. Mekanik vaneler, mikrosaniyeler içinde vuran yıldırıma karşı çok yavaş tepki verir. Bunun yerine, doğrusal olmayan bir dirençten oluşan bir elektriksel "vane" gerekir. Silis karbür, yüksek voltaj uygulamalarında kullanılan ilk doğrusal olmayan direnç malzemesidir.

Teknoloji sürekli gelişir. Daha sonra, değişken akım önleyiciler için ikinci bir doğrusal olmayan direnç malzemesi keşfedildi: çinko oksit (ZnO). Bu, silis karbüre benzer bir işlev görür, ancak daha iyi "vane" özelliklerine sahiptir - profesyonel olarak ifade edilecek olursa, daha iyi doğrusal olmayanlık gösterir.

Doğrusal olmayan ne demektir? Metaforik olarak, tersini yapmak anlamına gelir: büyük olması gerektiğinde küçük, küçük olması gerektiğinde büyük olmak - doğrusal bileşenlerin orantılı olarak ölçeklendiği gibi değil.

Değişken akım önleyicilerde, doğrusal olmayanlık şu şekilde ortaya çıkar: akım yüksek olduğunda (örneğin, bir yıldırım dalgası sırasında), direnç çok düşük olur ve direnç ne kadar düşük olursa, doğrusal olmayanlık o kadar iyidir. Akım düşük olduğunda (yıldırım dalgası geçtikten sonra ve sistem normal işletim gerilimine dönünce), direnç çok yüksek olur ve direnç ne kadar yüksek olursa, doğrusal olmayanlık o kadar iyidir.

Silis karbür doğrusal olmayanlık gösterir, ancak mükemmel değildir. Normal işletim geriliminde, direnci yeterince yüksek olmadığından, önleyiciye küçük bir sızıntı akımı akar - sıkışmayan bir vane gibi, sürekli bir "sızıntı" akımı sağlar.

Bu davranış, malzemenin doğal bir özelliği olup, malzeme iyileştirmeleri aracılığıyla bu sızıntıyı ortadan kaldırmak genellikle başarısız olmuştur. Bu nedenle, silis karbürlü önleyicilerde yapısal çözümler kullanılır: önleyici ilk önce hatlardan yalıtılmış ve sadece bir dalgada bağlanır. Bu görev, serili bir hava boşluğu aracılığıyla gerçekleştirilir. Bu nedenle, vanalı önleyiciler neredeyse her zaman bir boşluğa ihtiyaç duyar. Çinko oksit vaneleri ise, normal işletim geriliminde sıkıca kapanır, bu yüzden serili bir boşluğa ihtiyaç duymaz.

Çinko oksit üretim teknolojisinin gelişmesiyle, erken dönemdeki "kapama" yeteneklerindeki sınırlamalar aşılmıştır. Ancak, serili tasarımların tarihsel yaygınlığı nedeniyle, bazı çinko oksit önleyiciler hala boşluklar içerir. Bununla birlikte, boşluksuz çinko oksit önleyiciler çoğunluğu oluşturur.

Çinko oksitin bir metalyoksit olduğu için, bu önleyicilere ayrıca Metalyoksit Değişken Akım Önleyicisi (MOSA) denir.

Güç Sistemlerinde Yıldırım Koruması

Yıldırım koruma cihazlarının perspektifinden üç ana tür vardır: yıldırım çubukları (hava terminalleri), hava yolu toprak kabloları (kalkan kablosu) ve değişken akım önleyicileri. İlk ikisi yapısal olarak basittir - temelde sadece çubuklar ve kablolar - ancak sonuncusu, "akıllı anahtarlara" benzeyen doğrusal olmayan dirençlere dayandığından daha karmaşıktır.

Korunan nesnelerin perspektifinden, yıldırım koruması şunlar şeklinde kategorize edilebilir: hava yolu hat koruması, dağıtım istasyonu koruması ve motor koruması.

Hava yolu hatları geniş alanları kapsar ve açık alanlarda bulunurlar. Toprak yaşamını ve ekosistemi etkilememek için, oldukça yüksek konumlara yerleştirilirler. "En uzun ağacın en çok rüzgar alması" gibi bir deyimle, yıldırımın hedefi olma ihtimalleri yüksektir. İstatistikler, güç ağı arızalarının çoğu hattaki yıldırım darbelerinden kaynaklandığını göstermektedir. Bu nedenle, hava yolu hatları korunmalıdır. Ancak, uzunlukları nedeniyle mutlak koruma pratik değildir ve maliyeti yüksek olur. Bu nedenle, hat koruması görecelidir: bazı yıldırım darbelerinin hatı vurmasına ve yanmaya izin verilir. Bu koruma, genellikle hava yolu toprak kabloları aracılığıyla gerçekleştirilir.

Karşılaştırıldığında, dağıtım istasyonları çok daha kritiktir. Güç sisteminin merkezi rolüne sahip olan bu istasyonlar, yoğunlaşmış ekipman ve personelle doludur. Bu nedenle, yıldırım koruma gereksinimleri son derece yüksektir.

Yıldırım, bir dağıtım istasyonuna iki ana yoldan ulaşabilir: doğrudan darbeler, yıldırım çubukları (veya bazen kalkan kablosu) ile azaltılır; ve hava yolu hatlarındaki yıldırım darbelerinden kaynaklanan dalgalanmalar, genellikle değişken akım önleyiciler tarafından ele alınır.

Motorların (jeneratörler, senkron kondansatörler, frekans değiştiriciler ve elektrik motorları dahil) yıldırım koruması, dağıtım istasyonu koruması kadar kritiktir. Jeneratörler, güç sisteminin "kalbi"dir ve büyük motorlar endüstriyel sürücülerdir. Bu bileşenlere yıldırım zararı, önemli kayıplara neden olur. Ancak, motor koruması, dağıtım istasyonu korumasından daha zordur. Motorlar, dönen makinelerdir, bu nedenle yalıtım katmanları aşırı kalın olamaz ve katı olmalıdır (dönüşüm kablolarında kullanılan sıvı yalıtım gibi değil). Katı yalıtım, yaşlanmaya eğilimlidir, bu nedenle sadece değişken akım önleyicilerle birincil koruma sağlamak yeterli değildir, aynı zamanda ek yardımcı koruma önlemleri de gereklidir.

Kompozit Kaplı Çinko Oksit Değişken Akım Önleyiciler

Bir değişken akım önleyici, genellikle biri toprağa bağlı ve diğeri yüksek gerilime bağlı olan iki elektroda içeren bir elektrik cihazıdır - bu elektrodlar, profesyonel olarak bir yalıtıcı olarak bilinen bir malzeme ile ayrılır.

Çoğu güç sistem ekipmanı atmosfere maruz kaldığından, yalıtım yüzeyleri doğrudan çevreye maruz kalır. Bu yalıtım kısmı, dış yalıtım veya açık hava yalıtımı olarak adlandırılır.

Açık hava yalıtımı, sürekli güneş, yağmur, rüzgar, kar, sis ve nem gibi çevresel faktörlere maruz kalır. Bu nedenle, uygun açık hava yalıtım malzemeleri, sadece mükemmel elektriksel ve mekanik özelliklere sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda üstün hava direncine ve 40-50 yıllık bir ömre de sahip olmalıdır. Şu anda, inşaatta en yaygın kullanılan açık hava yalıtım malzemesi porselen, hat uygulamalarında ise sabitlenmiş cam da kullanılmaktadır.

Porselen ve cam, inorganik malzemelerdir. Harika elektriksel ve mekanik performanslarından yanı sıra, ana avantajları çevre stabilitesidir - iklim koşullarına karşı muhteşem direnç - bu, güç sistemlerinde dış yalıtımı yaklaşık bir yüzyıl boyunca domine etmelerine olanak tanır.

Ancak, her ikisi de bir ortak zayıflığı paylaşır: yüzeyleri hidrofiliktir. Bu, yalıtım yüzeyindeki kirletme tabakasının nem emmesine neden olur. Kirletmenin nemle birleşmesi, normal işletim geriliminde yalıtım yüzeyindeki flashover'a neden olabilir. Bu, yaygın olarak kirletme flashover olarak bilinir, daha spesifik olarak, kirletilmiş ve ıslak bir yalıtıcı yüzey boyunca yüzey salınımı olarak adlandırılır.

Son birkaç on yıl boyunca, silikon kauçuk dünya çapında geleneksel malzemelerin yerine insülatörler için yaygın olarak benimsenmiştir. Silikon kauçuk, organik bir malzemedir ve güçlü hidrofobik özelliklere sahiptir, bu da dış yalıtımın kirletme flashover gerilimini önemli ölçüde artırır.

Organik malzemelerden yapılan insülatörler, genellikle polimer insülatörler (organik malzemeler polimerler olduğundan), non-keramik insülatörler, kompozit insülatörler (dış yalıtım sentetik olduğundan) veya hatta yabancı ülkelerde plastik insülatörler olarak adlandırılır.

Çin'de, bunlar önce kompozit insülatörler veya silikon kauçuk insülatörler olarak bilinirlerdi. Şimdi genellikle organik kompozit insülatörler (organik malzemeler kompozit olduğundan ve bu insülatörler genellikle silikon kauçuk ve epoksi-resin-cam lif çubuğu kompozitinden yapılmıştır) olarak adlandırılırlar, yaygın olarak kompozit insülatörler olarak kısaltılır.

Bu nedenle, kompozit kaplı çinko oksit değişken akım önleyici, çinko oksit değişken akım önleyicisi için dış yalıtım olarak organik bir malzeme - özellikle silikon kauçuk - kullanır.