Funkce přepěťových ochranných zařízení
Když bleskově způsobené přepětí putuje po povrchových elektrických vedeních do transformační stanice nebo jiných budov, může způsobit prohození nebo dokonce proražení izolace elektrického zařízení. Proto, pokud je ochranné zařízení - známé jako přepěťové ochranné zařízení - zapojeno paralelně na vstupu elektrické energie zařízení (jak je znázorněno na obrázku 1), okamžitě se aktivuje, když přepětí dosáhne nastavené úrovně.
Přepěťové ochranné zařízení uvolní přebytečnou energii, omezí přepěťový nárůst a chrání izolaci zařízení. Jakmile se napětí vrátí do normálu, přepěťové ochranné zařízení rychle obnoví svůj původní stav, což zajišťuje, že systém může pokračovat v normálním dodávání energie.
Ochranná funkce přepěťového ochranného zařízení je založena na třech předpokladech:
Správné koordinace mezi volt-sekundovou charakteristikou ochranného zařízení a izolací, kterou chrání.
Zbývající napětí ochranného zařízení musí být nižší než pulzní odolnost izolace, kterou chrání.
Chráněná izolace musí být uvnitř ochranné vzdálenosti ochranného zařízení.
Požadavky na přepěťová ochranná zařízení:
Nemělo by se uvolňovat během normálního provozu, ale musí správně a spolehlivě uvolňovat během přepěťových událostí.
Musí mít schopnost samoobnovy po uvolnění (tj. návrat do vysokoodporového stavu a uhasení následného proudu).
Klíčové parametry přepěťových ochranných zařízení:
Stálé pracovní napětí: Dovolené dlouhodobé pracovní napětí. Mělo by být rovno nebo vyšší než maximální fázové napětí systému k zemi.
Nominální napětí (kV): Maximální dovolené krátkodobé síťové napětí (také známé jako uhašovací napětí). Ochranné zařízení může fungovat a uhasit oblouk pod tímto napětím, ale nemůže dlouhodobě fungovat na této úrovni. Je to základní parametr pro návrh, charakteristiku a strukturu ochranného zařízení.
Charakteristika odolnosti proti síťovému napětí: Ukazuje schopnost kovových oxidů (např. ZnO) ochranného zařízení odolat přepětím za daných podmínek.
Nominální uvolňovací proud (kA): Vrcholová hodnota uvolňovacího proudu použitá k klasifikaci ochranných zařízení. Pro systémy 220 kV a nižší by neměla přesáhnout 5 kA.
Zbývající napětí: Napětí, které se objeví mezi terminály ochranného zařízení, když je expozováno k přetokovému proudu. Může být také chápáno jako maximální napětí, které ochranné zařízení může snést během uvolňovací události.
Typy a struktura přepěťových ochranných zařízení
Běžné typy přepěťových ochranných zařízení zahrnují ventilové, trubkové, ochranné mezery a kovové oxidové ochranné zařízení.
(1) Ventilová přepěťová ochranná zařízení
Ventilová ochranná zařízení jsou hlavně rozdělena do dvou kategorií: konvenční ventilová a magnetická ventilová. Konvenční typ zahrnuje série FS a FZ; magnetický typ zahrnuje série FCD a FCZ.
Symboly v označení modelu znamenají:
F – Ventilové ochranné zařízení;
S – Pro distribuční systémy;
Z – Pro transformační stanice;
Y – Pro přenosové linky;
D – Pro rotující stroje;
C – S magnetickou ventilovou mezí.
Ventilové ochranné zařízení se skládá ze sériově zapojených plochých jiskrových mezer s diskami rezistorů z křemíkového uhlíku (SiC) (ventilové bloky), uzavřenými uvnitř porcelánového obalu, s vnějšími montážními šrouby. Rezistor z křemíkového uhlíku má nelineární charakteristiku: má vysoký odpor při normálním napětí, který se při přepětí dramaticky snižuje.
Při normálním síťovém napětí zůstávají jiskrové mezery nevedoucí. Když dojde k bleskovému přepětí, jiskrové mezery propadnou. Odpor disku z křemíkového uhlíku dramaticky klesne, což umožňuje bezpečný tok vysokého bleskového proudu k zemi. Po přepěťové události disky z křemíkového uhlíku nabídnou vysoký odpor síťovému následnému proudu, zatímco jiskrové mezery tento proud přeruší, což obnoví normální provoz systému. Toto chování, které připomíná "ventil" - otevřený pro bleskový proud a zavřený pro síťový proud - dává jméno "ventilovému" ochrannému zařízení.
(2) Ochranné mezery a trubková ochranná zařízení
Ochranné mezery jsou nejprostší formou ochrany proti bleskům. Typicky jsou vyrobeny z galvanizovaného kulatého ocelového drátu a skládají se z hlavní mezery a pomocné mezery. Hlavní mezera má hranatý tvar a je namontována horizontálně, aby usnadnila uhasení oblouku. Pomocná mezera je zapojena sériově pod hlavní mezerou, aby zabránila neúmyslnému spuštění způsobenému cizími předměty, které mohou krátit mezeru. Vzhledem k jejich slabé schopnosti uhasit oblouk jsou ochranné mezery obvykle používány ve spojení s automatickými zařízeními pro opětovné zapnutí, aby se zlepšila spolehlivost dodávky energie.
Trubkové ochranné zařízení se skládá z jiskrové mezery umístěné uvnitř trubky, která generuje plyn, tvořené tyčovými a kruhovými elektrodami. Zahrnuje jak vnitřní, tak vnější mezery. Trubka ochranného zařízení je vyrobena z materiálů, jako je textilově posilovaný fenolový lepidlo, které při ohřátí produkuje velké množství plynu. Když dojde k bleskovému přepětí, obě vnitřní a vnější mezery propadnou, směrují bleskový proud k zemi. Následný síťový proud vytvoří silný oblouk, který spálí stěnu trubky a vygeneruje vysokotlaký plyn, který je vypuzen ven, rychle uhasí oblouk. Vnější mezera pak obnoví svou izolaci, izoluje ochranné zařízení od systému a umožňuje obnovení normálního provozu.
Protože trubková ochranná zařízení spoléhají na síťový proud k generování plynu pro uhasení oblouku, příliš velké krátkozávěry mohou vyprodukovat příliš mnoho plynu, což překročí mechanickou pevnost trubky a způsobí její prasknutí nebo explozi. Proto jsou trubková ochranná zařízení obvykle používána v exteriéru.
(3) Přepěťová ochranná zařízení bez mezer z kovových oxidů (oxidu cinku)
Také známá jako varistorová ochranná zařízení, jsou moderním typem zavedeným v 70. letech. V porovnání s tradičními ventilovými ochrannými zařízeními z křemíkového uhlíku, přepěťová ochranná zařízení bez mezer nemají žádné jiskrové mezery a místo křemíkového uhlíku používají oxid cinku (ZnO). Jsou vyrobeny ze složených disků varistorů z oxidu cinku s vynikající nelineární charakteristikou napětí-proudu: při normálním síťovém napětí mají velmi vysoký odpor, efektivně potlačují unikající proud; při bleskovém přepětí jejich odpor dramaticky klesne, což umožňuje efektivní uvolnění přetokového proudu.
Ochranná zařízení z kovových oxidů nabízejí vynikající ochranné vlastnosti, vysokou kapacitu uvolnění, nízké zbývající napětí, kompaktní rozměry a snadnou instalaci. Jsou nyní široce používány k ochraně jak vysoké, tak nízké napětí elektrického zařízení.
(4) Přepěťová ochranná zařízení s mezerou z kovových oxidů (oxidu cinku)
Tyto zařízení se skládají z disků rezistorů z oxidu cinku zapojených sériově s jiskrovou mezerou uvnitř kompozitního obalu. Jednotka mezery obvykle obsahuje dva diskovité elektrody uzavřené v keramickém kruhu. Jsou vhodné pro systémy s neefektivně zazeměnou neutrálem. Během jednofázových přehození na zem nebo v případě výrazného přepětí způsobeného obloukovým zazeměním mohou nastat delší trvající přechodová přepětí, která přepěťová ochranná zařízení bez mezer možná nezvládne. Přepěťová ochranná zařízení s mezerou z kovových oxidů překonávají tuto omezení: při mírných přepětích, jako je jednofázové přehození na zem nebo nízké úrovni obloukového zazemění, zůstává sériová mezera neaktivní, izoluje ochranné zařízení od systému.
Když přepětí překročí určitou hranici, mezera propadne, a vynikající nelineární charakteristiky disků z oxidu cinku omezí zbývající napětí na ochranném zařízení. Výsledný následný proud je velmi malý a snadno přerušitelný, což poskytuje spolehlivou izolační ochranu pro transformátory a jiné zařízení.
Testovací položky a standardy pro přepěťová ochranná zařízení
(1) Měření odporu izolace
Použijte megohmmetr 2500 V nebo vyšší. Pro ochranná zařízení s nominálním napětím 35 kV a vyšším by měl být odpor izolace nejméně 2500 MΩ; pro ty s nominálním napětím nižším než 35 kV nejméně 1000 MΩ.
(2) Měření stejnosměrného napětí při 1 mA a unikajícího proudu při 75 % tohoto napětí
Použijte stejnosměrné napětí na ochranné zařízení. Jak napětí roste, unikající proud postupně stoupá. Zaznamenejte hodnotu napětí, když proud dosáhne 1 mA. Pak snižte napětí na 75 % této hodnoty a zaznamenejte unikající proud, který by neměl přesáhnout 50 μA.
(3) Unikající proud při pracovním napětí
Naměřte celkový proud, odporový proud nebo ztrátu energie při pracovním napětí. Naměřené hodnoty by neměly ukazovat významnou změnu v porovnání s počátečními hodnotami. Pokud odporový proud zdvojnásobí, ochranné zařízení musí být odpojeno a prozkoumáno. Pokud odporový proud naroste na 150 % počáteční hodnoty, doba sledování by měla být přiměřeně zkrácena.
Tyto testy mohou detekovat vadu, jako je proniknutí vlhkosti nebo stárnutí ventilových bloků ochranného zařízení, povrchové trhliny a degradaci izolace.
