Cầu Chống Sét: Sự Tiến Hóa Các Vật Liệu và Bảo Vệ Chống Sét Được Giải Thích

Các thiết bị chống sét và sự phát triển của chúng

Một thiết bị chống sét luôn được kết nối song song với thiết bị điện mà nó bảo vệ. Nó không can thiệp vào hoạt động bình thường của thiết bị ở điện áp hệ thống. Tuy nhiên, khi xuất hiện một điện áp quá mức nguy hiểm trên thiết bị, thiết bị chống sét sẽ dẫn trước, chuyển hướng điện áp quá mức an toàn xuống đất.

Dạng sớm nhất và đơn giản nhất của thiết bị chống sét bao gồm hai thanh kim loại cách nhau bởi một khoảng trống và được kết nối song song qua thiết bị điện. Khi điện áp giữa khoảng trống này vượt quá một ngưỡng nhất định, không khí (khoảng trống) sẽ bị phá vỡ, bảo vệ thiết bị. Loại thiết bị chống sét này được gọi là "khoảng trống xả" hoặc "khoảng trống bảo vệ."

Hiện tượng sét tương tự: mây giông và trái đất đóng vai trò như hai điện cực. Khi điện áp giữa chúng trở nên quá cao, không khí giữa chúng sẽ bị phá vỡ, gây ra tia sét.

Tuy nhiên, có một sự khác biệt quan trọng. Các khoảng trống bảo vệ được kết nối trực tiếp qua các đường dây điện. Một khi điện áp quá mức nguy hiểm làm cho khoảng trống bị phá vỡ (tức là không khí giữa các thanh kim loại bị ion hóa), nhà máy điện hoặc trạm biến áp không nhận biết được sự kiện này - hoặc không thể phản ứng kịp thời. Do đó, nó tiếp tục cung cấp dòng điện cho khoảng trống đang dẫn. Vì khoảng trống cung cấp một đường dẫn đến đất, dòng điện này chảy liên tục, gây ra tình trạng ngắn mạch trong hệ thống điện. Do đó, mặc dù các khoảng trống bảo vệ dễ sử dụng, hoạt động của chúng tạo ra một hồ quang kéo dài qua khoảng trống, dẫn đến tình trạng ngắn mạch.

Làm thế nào để dập tắt hồ quang qua khoảng trống bảo vệ nhanh chóng sau khi hoạt động? Điều này đã dẫn đến sự phát triển của thiết bị chống sét thế hệ thứ hai - thiết bị chống sét xả (hoặc loại ống). Thiết kế này đầu tiên giới hạn hồ quang trong một ống và sau đó sử dụng các phương pháp để dập tắt nó.

Tuy nhiên, thiết bị chống sét xả vẫn có một nhược điểm: bất kể khả năng dập tắt hồ quang của nó, chúng vẫn chuyển hướng dòng điện của hệ thống điện trực tiếp xuống đất, gây ra một lỗi đất tạm thời (ngắn mạch).

Giải pháp lý tưởng sẽ là một thiết bị chặn dòng điện hoặc chỉ cho phép rò rỉ tối thiểu dưới điện áp bình thường, do đó tránh ngắn mạch, nhưng nhanh chóng dẫn dòng điện lớn (như sét) xuống đất khi điện áp quá mức nguy hiểm xảy ra. Nói cách khác, thiết bị như vậy sẽ hoạt động như một "công tắc thông minh," biết chính xác khi nào mở và đóng. Trong thiết bị chống sét, "công tắc thông minh" này ban đầu được thực hiện bằng một vật liệu gọi là cacbua silic (SiC). Các thiết bị chống sét làm từ vật liệu này được gọi là thiết bị chống sét van, vì chúng hoạt động như van điện.

Cần lưu ý rằng "van" này là một thành phần điện, không phải là van cơ học như vòi nước hoặc van ống. Van cơ học quá chậm để phản ứng với sét, vốn đánh trong microgiây. Thay vào đó, cần một "van" điện làm từ một điện trở phi tuyến. Cacbua silic là vật liệu điện trở phi tuyến đầu tiên được phát hiện để sử dụng trong các ứng dụng điện áp cao.

Công nghệ liên tục phát triển. Một vật liệu điện trở phi tuyến thứ hai sau đó được phát hiện cho thiết bị chống sét: oxit kẽm (ZnO). Nó thực hiện chức năng tương tự như cacbua silic nhưng có đặc tính "van" tốt hơn - chuyên môn mô tả là có độ phi tuyến tốt hơn.

Độ phi tuyến là gì? Hình ảnh, nó có nghĩa là làm ngược lại: nhỏ khi nên lớn, và lớn khi nên nhỏ - khác với các thành phần tuyến tính, vốn tỷ lệ thuận.

Trong thiết bị chống sét, độ phi tuyến biểu hiện như sau: khi dòng điện lớn (ví dụ, trong lúc sét đánh), điện trở trở nên rất thấp, và càng thấp thì độ phi tuyến càng tốt. Khi dòng điện nhỏ (sau khi sét đã qua và hệ thống trở về điện áp hoạt động bình thường), điện trở trở nên rất cao, và càng cao thì độ phi tuyến càng tốt.

Cacbua silic có độ phi tuyến, nhưng không hoàn hảo. Dưới điện áp hoạt động bình thường, điện trở của nó không đủ cao, cho phép dòng rò rỉ nhỏ chảy qua thiết bị chống sét - giống như một van không đóng chặt, dẫn đến dòng rò rỉ liên tục.

Hành vi này là bản chất của vật liệu, và nỗ lực loại bỏ dòng rò rỉ thông qua cải tiến vật liệu hầu như không thành công. Do đó, khi sử dụng cacbua silic trong thiết bị chống sét, giải pháp cấu trúc được sử dụng: thiết bị chống sét ban đầu được cách ly khỏi đường dây và chỉ được kết nối trong lúc sét đánh. Nhiệm vụ này được thực hiện bằng một khoảng trống không khí theo chuỗi. Do đó, thiết bị chống sét van hầu như luôn yêu cầu một khoảng trống. Ngược lại, van oxit kẽm "đóng chặt" dưới điện áp hoạt động bình thường, nên không yêu cầu một khoảng trống theo chuỗi.

Khi công nghệ sản xuất oxit kẽm được cải thiện, những hạn chế ban đầu về khả năng "đóng" đã được khắc phục. Tuy nhiên, do sự phổ biến lịch sử của thiết kế có khoảng trống, một số thiết bị chống sét oxit kẽm vẫn tích hợp khoảng trống. Tuy nhiên, thiết bị chống sét oxit kẽm không có khoảng trống chiếm đa số.

Vì oxit kẽm là một oxit kim loại, các thiết bị chống sét này cũng được gọi là Thiết bị chống sét Oxit Kim loại (MOSA).

Bảo vệ sét trong hệ thống điện

Từ góc độ của các thiết bị bảo vệ sét, có ba loại chính: kim thu sét (đầu thu không khí), dây tiếp địa trên không (dây chắn), và thiết bị chống sét. Hai loại đầu tiên có cấu trúc đơn giản - chủ yếu chỉ là các thanh và dây - trong khi loại sau phức tạp hơn do phụ thuộc vào điện trở phi tuyến hoạt động như "công tắc thông minh."

Từ góc độ của đối tượng được bảo vệ, bảo vệ sét có thể được phân loại thành: bảo vệ đường dây truyền tải trên không, bảo vệ trạm biến áp, và bảo vệ động cơ.

Đường dây truyền tải trên không trải dài qua các khu vực rộng lớn, phơi bày ở vùng mở. Để giảm thiểu tác động lên cuộc sống và hệ sinh thái trên đất liền, chúng được dựng lên ở độ cao đáng kể. Như câu nói, "Cây cao hứng gió nhiều nhất," khiến chúng trở thành mục tiêu chính của sét. Thống kê cho thấy phần lớn sự cố lưới điện là do sét đánh vào đường dây. Do đó, đường dây trên không phải được bảo vệ. Tuy nhiên, do chiều dài của chúng, bảo vệ tuyệt đối là không thực tế và tốn kém. Do đó, bảo vệ đường dây là tương đối: một số tia sét được cho phép đánh vào đường dây và gây ra hiện tượng phóng điện. Bảo vệ này chủ yếu được thực hiện bằng dây tiếp địa trên không.

Ngược lại, trạm biến áp quan trọng hơn nhiều. Chúng đóng vai trò như trung tâm của hệ thống điện, chứa các thiết bị tập trung và nhân viên. Do đó, yêu cầu bảo vệ sét của chúng cực kỳ cao.

Sét có thể đến trạm biến áp qua hai đường chính: đánh trực tiếp, được giảm nhẹ bởi kim thu sét (hoặc đôi khi là dây chắn); và sóng xung kích lan truyền từ sét đánh vào đường dây truyền tải, chủ yếu được xử lý bởi thiết bị chống sét.

Bảo vệ sét cho động cơ (bao gồm cả máy phát, máy đồng bộ, máy đổi tần, và động cơ điện) cũng quan trọng như bảo vệ trạm biến áp. Máy phát là "trái tim" của hệ thống điện, và động cơ lớn là động lực công nghiệp quan trọng. Sát thương do sét gây ra cho các thành phần này dẫn đến tổn thất lớn. Tuy nhiên, bảo vệ động cơ khó khăn hơn bảo vệ trạm biến áp. Động cơ là máy xoay, vì vậy cách điện của chúng không thể quá dày và phải chắc chắn (khác với cách điện lỏng được sử dụng trong máy biến áp). Cách điện chắc chắn dễ bị lão hóa, đòi hỏi không chỉ bảo vệ chính bằng thiết bị chống sét mà còn các biện pháp bảo vệ phụ trợ bổ sung.

Thiết bị chống sét oxit kẽm vỏ composite

Thiết bị chống sét là thiết bị điện có hai điện cực - một thường được nối đất và một được kết nối với điện áp cao - được phân cách bởi vật liệu cách điện, được gọi chuyên môn là cách điện.

Do hầu hết thiết bị hệ thống điện đều tiếp xúc với không khí, bề mặt cách điện tiếp xúc trực tiếp với môi trường. Phần cách điện này được gọi là cách điện bên ngoài hoặc cách điện ngoài trời.

Cách điện ngoài trời liên tục tiếp xúc với ánh nắng, mưa, gió, tuyết, sương mù và sương. Do đó, vật liệu cách điện ngoài trời đủ điều kiện phải không chỉ có đặc tính điện và cơ học xuất sắc, mà còn phải có khả năng chịu đựng thời tiết và tuổi thọ 40-50 năm. Hiện tại, sứ là vật liệu cách điện ngoài trời được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật, với kính cường lực cũng được sử dụng trong các ứng dụng đường dây.

Sứ và kính là vật liệu vô cơ. Ngoài đặc tính điện và cơ học xuất sắc, lợi thế chính của chúng là ổn định môi trường - khả năng chịu đựng thời tiết xuất sắc - cho phép chúng thống trị cách điện bên ngoài hệ thống điện gần một thế kỷ.

Tuy nhiên, chúng có một nhược điểm chung: bề mặt của chúng hút nước. Điều này cho phép lớp ô nhiễm trên bề mặt cách điện hấp thụ độ ẩm. Khi ô nhiễm kết hợp với độ ẩm, nó cho phép dòng điện chảy, có thể gây ra hiện tượng phóng điện bề mặt trên cách điện dưới điện áp hoạt động bình thường. Đây thường được gọi là hiện tượng phóng điện do ô nhiễm, cụ thể hơn, là phóng điện bề mặt trên cách điện bị ô nhiễm và ướt.

Trong vài thập kỷ gần đây, cao su silicone đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để thay thế vật liệu truyền thống cho cách điện. Cao su silicone là vật liệu hữu cơ có tính chống nước mạnh, tăng đáng kể điện áp phóng điện do ô nhiễm của cách điện bên ngoài.

Cách điện làm từ vật liệu hữu cơ thường được gọi là cách điện polymer (vì vật liệu hữu cơ là polymer), cách điện không gốm, cách điện composite (vì cách điện bên ngoài là tổng hợp), hoặc thậm chí là cách điện nhựa ở nước ngoài.

Ở Trung Quốc, chúng trước đây được gọi là cách điện composite hoặc cách điện cao su silicone. Bây giờ chúng được gọi chung là cách điện hữu cơ composite (vì vật liệu hữu cơ là composite, và cách điện này thường được làm từ hỗn hợp cao su silicone và thanh thủy tinh epoxy), thường được viết tắt là cách điện composite.

Do đó, thiết bị chống sét oxit kẽm vỏ composite sử dụng vật liệu hữu cơ - cụ thể là cao su silicone - làm cách điện bên ngoài cho thiết bị chống sét oxit kẽm.