Захисні пристрої від перенапруг: еволюція матеріалів та захист від блискавок пояснено

Захисні прилади від перенапруги та їх еволюція

Захисний прилад від перенапруги завжди підключений паралельно до електричного обладнання, яке він захищає. Він не заважає нормальній роботі обладнання при системному напрузі. Однак, коли на обладнанню з'являється небезпечна перенапруга, прилад проводить перший, безпечно відводячи перенапругу в землю.

Найпростіша форма захисного приладу від перенапруги складалася з двох металевих прутів, розділених шпарою і підключених паралельно до електричного обладнання. Коли напруга між цією шпарою перевищувала певний поріг, повітря (шпара) розпадалося, захищаючи обладнання. Такий тип приладу називається "вибуховою шпарою" або "захисною шпарою".

Феномен блискавки подібний: хмари-громовики і земля діють як два провідники (електроди). Коли напруга між ними стає занадто великою, повітря між ними розпадається, що призводить до удару блискавки.

Однак, є важлива відмінність. Захисні шпари підключені безпосередньо до електромереж. Коли небезпечна перенапруга спричиняє розпад шпари (тобто, повітря між прутами йонізується), електростанція чи підстанція не знає про це подія - або не може швидко на неї реагувати. Тому, вона продовжує постачати струм через тепер провідну шпару. Оскільки шпара надає шлях до землі, цей струм потрапляє неприпинно, що призводить до короткого замикання в електромережі. Таким чином, хоча захисні ш pari являются простыми в использовании, их работа создает устойчивую дугу через зазор, что приводит к короткому замыканию. Як можна бистро загасити дугу через захисну шпару після її активізації? Це призвело до розробки другого покоління захисних приладів - виштовхувальних (або трубчастих) захисників. Цей дизайн спочатку обмежує дугу всередині труби, а потім використовує методи для її загасення. Проте, виштовхувальні захисники все ще мають недолік: незалежно від їх здатності загасити дугу, вони все ж таки відводять струм електромережі безпосередньо в землю, що призводить до тимчасового земельного замикання (короткого замикання). Але ідеальним рішенням було б пристрій, який заблокував би струм або дозволяв би лише мінімальний течійний струм при нормальному напрузі, таким чином уникнувши коротких замикань, але швидко проводив би великі сургові струми (наприклад, блискавки) в землю при небезпечних перенапругах. Простими словами, такий пристрій би діяв як "розумний перемикач", точно знаячи, коли відкриватися і закриватися. У захисниках від перенапруги цей "розумний перемикач" спочатку реалізовувався за допомогою матеріалу, відомого як карбід кремнію (SiC). Захисники, виготовлені з цього матеріалу, відомі як клапанні захисники, оскільки вони функціонують як електричні клапани. Важливо зазначити, що цей "клапан" є електричним компонентом, а не механічним клапаном, як кран або трубний клапан. Механічні клапани занадто повільні, щоб відповідати на блискавки, які ударяють за мікросекунди. Замість цього, потрібен електричний "клапан" з невеликою опором. Карбід кремнію був першим матеріалом невеликої опори, виявленим для використання в високонапігних додатках. Технологія постійно розвивається. Пізніше було виявлено другий матеріал невеликої опори для захисників від перенапруги: оксид цинку (ZnO). Він виконує подібну функцію, як і карбід кремнію, але має кращі характеристики "клапана" - професійно описані як краща невелика опор. Що таке невелика опор? Фігурально, це означає робити протилежне: бути маленьким, коли має бути великим, і великим, коли має бути маленьким - на відміну від лінійних компонентів, які масштабуються пропорційно. У захисниках від перенапруги невелика опор проявляється так: коли струм високий (наприклад, під час удару блискавки), опір стає дуже низьким, і чим нижчий опір, тим краща невелика опор. Коли струм низький (після того, як удар блискавки минув і система повертається до нормального робочого напруги), опір стає дуже високим, і чим вищий опір, тим краща невелика опор. Карбід кремнію демонструє невелику опор, але він не ідеальний. При нормальному робочому напрузі його опір недостатньо високий, що дозволяє пройти невеликому течійному струму через захисник - як клапан, який не затуляється достатньо, що призводить до постійного "текучого" струму. Це поведінка внутрішньо притаманна матеріалу, і спроби усунути цей течійний струм через покращення матеріалу були в основному невдалі. Тому, коли використовується карбід кремнію в захисниках, застосовуються конструктивні рішення: захисник спочатку ізольовано від лінії і підключено лише під час сургу. Цю задачу виконують за допомогою серійного повітряного зазору. Тому клапанні захисники майже завжди потребують зазор. Натомість, оксид цинку клапани "затуляються" при нормальному робочому напрузі, тому вони не потребують серійного зазору. З покращенням технології виробництва оксиду цинку, ранні обмеження в "затуленні" були подолані. Проте, через історичну поширеність проектів з зазорами, деякі захисники з оксидом цинку все ще включають зазори. Натомість, беззазорні захисники з оксидом цинку становлять значну більшість. Оскільки оксид цинку є металевим оксидом, ці захисники також відомі як Металеві Оксидні Захисники від Перенапруги (MOSA). Захист від блискавок у електромережах З точки зору пристроїв захисту від блискавок, існує три основних типи: громоотводи (повітряні термінали), надголовні заземлюючі дроти (екранувальні дроти) та захисники від перенапруги. Перші два структурно прості - по суті, просто прутья та дроти - тоді як останній є більш складним через залежність від невеликих опор, які діють як "розумні перемикачі". З точки зору захищених об'єктів, захист від блискавок може бути категоризований як: захист надголовних ліній передачі, захист підстанцій та захист двигунів. Надголовні лінії розташовані на великих відстанях, відкриті в просторі. Щоб мінімізувати вплив на наземне життя та екосистеми, вони встановлюються на значній висоті. Як кажуть, "найвища деревина найбільше відчуває вітер", що робить їх головними цілями для блискавок. Статистика показує, що більшість аварій електромереж викликані ударом блискавок по лініях. Тому, надголовні лінії повинні бути захищені. Проте, через їх довжину, абсолютний захист неможливий і занадто дорогий. Тому, захист ліній є відносним: деякі ударі блискавок дозволяються бути по лінії, що призводить до пробою. Цей захист в основному досягається за допомогою надголовних заземлюючих дротів. Натомість, підстанції набагато важливіші. Вони служать центральними вузлами електромереж, містять концентроване обладнання та персонал. Тому, вимоги до захисту від блискавок є дуже високими. Блискавки можуть досягнути підстанції через два основні шляхи: прямої удару, який зменшується за допомогою громоотводів (або іноді екранувальних дротів); та сургів, що поширюються від ударів блискавок по лініях передачі, які в основному обробляються захисниками від перенапруги. Захист двигунів (включаючи генератори, синхронні конденсатори, змінювачі частоти та електродвигуни) є так само важливим, як і захист підстанцій. Генератори є "серцем" електромереж, а великі двигуни є важливими промисловими драйверами. Пошкодження цих компонентів від блискавок призводить до значних втрат. Проте, захист двигунів є більш складним, ніж захист підстанцій. Двигуни є обертальними машинами, тому їх ізоляція не може бути занадто густою і повинна бути твердою (на відміну від рідкої ізоляції, використовуваної в трансформаторах). Тверда ізоляція піддається старінню, що вимагає не тільки первинного захисту захисниками від перенапруги, але й додаткових допоміжних захисних заходів. Композитні захисники від перенапруги з оксидом цинку Захисник від перенапруги є електричним пристроєм з двома електродами - один зазвичай заземлений, а інший підключений до високого напруги - розділеними матеріалом-ізолятором, відомим професійно як ізолятор. Оскільки більшість обладнання електромереж відкрита атмосфері, поверхні ізоляції прямо контактує з оточенням. Ця частина ізоляції називається зовнішньою ізоляцією або відкритою ізоляцією. Зовнішня ізоляція постійно відкрита сонцю, дощам, вітру, снігу, туману та росі. Тому, кваліфіковані матеріали зовнішньої ізоляції повинні не тільки мати відмінні електричні та механічні властивості, але й відмінну стійкість до погодних умов і тривалість служби 40-50 років. Наразі, фарфор є найширше використовуваним матеріалом зовнішньої ізоляції в інженерії, з темперованого скла, яке також використовується в лінійних додатках. Фарфор і скло є неорганічними матеріалами. Крім їх відмінних електричних та механічних характеристик, їх ключова перевага полягає в стабільністі до оточення - відмінна стійкість до климатичних умов, що дозволяє їм домінувати в зовнішній ізоляції електромереж протягом майже століття. Проте, вони мають спільну слабкість: їх поверхні гідрофільні. Це дозволяє забрудненням на поверхні ізолятора поглинати вологу. Коли забруднення поєднується з вологістю, це дозволяє струму пройти, потенційно призводячи до пробою поверхні ізолятора при нормальному робочому напрузі. Це загалом відоме як забруднення пробою, а конкретніше, поверхневий розряд вздовж забрудненої та вологої ізоляції. За останні десятиліття, силиконовий каучук широко прийнятий по всьому світу для заміни традиційних матеріалів для ізоляторів. Силиконовий каучук є органічним матеріалом, що демонструє сильну гідрофобність, значно збільшуючи напругу пробою від забруднення зовнішньої ізоляції. Ізолятори, виготовлені з органічних матеріалів, часто називаються полімерними ізоляторами (оскільки органічні матеріали є полімерами), некерамічними ізоляторами, композитними ізоляторами (оскільки зовнішня ізоляція є синтетичною) або навіть пластиковими ізоляторами за кордоном. В Китаї, вони раніше називались композитними ізоляторами або силиконовими резиновими ізоляторами. Зараз вони однорідно називаються органічними композитними ізоляторами (оскільки органічні матеріали є композитами, і ці ізолятори зазвичай виготовлені з композиту силиконовий каучук та епоксидний склопластиковий прут), зазвичай скорочено як композитні ізолятори. Таким чином, композитний захисник від перенапруги з оксидом цинку використовує органічний матеріал - конкретно, силиконовий каучук - як зовнішню ізоляцію для захисника від перенапруги з оксидом цинку.