Warum Spannungsableiter verwenden? Kernfunktionen und Vorteile

Funktion von Überspannungsschutzgeräten

Wenn ein durch Blitzschlag verursachtes Überpotential entlang von Freileitungen in eine Umspannstation oder andere Gebäude gelangt, kann es zu Durchschlägen führen oder sogar die Isolierung elektrischer Geräte perforieren. Daher wird, wenn ein Schutzgerät - bekannt als Überspannungsschutzgerät - parallel an der Stromzuführung des Geräts (siehe Abbildung 1) angeschlossen ist, dieses sofort aktiviert, wenn das Überpotential den voreingestellten Betriebswert erreicht.

Das Überspannungsschutzgerät entlädt die überschüssige Energie, begrenzt die Spannungsspitze und schützt die Isolierung des Geräts. Sobald die Spannung wieder normal ist, erholt sich das Überspannungsschutzgerät schnell in seinen ursprünglichen Zustand, wodurch sichergestellt wird, dass das System mit der normalen Stromversorgung fortgesetzt werden kann.

Die Schutzfunktion eines Überspannungsschutzgeräts basiert auf drei Voraussetzungen:

• Angemessene Abstimmung zwischen dem Volt-Sekunden-Verhalten des Schutzgeräts und dem der geschützten Isolierung.

• Die Restspannung des Schutzgeräts muss niedriger sein als die Impulswiderstandsfähigkeit der geschützten Isolierung.

• Die geschützte Isolierung muss innerhalb des Schutzabstands des Schutzgeräts liegen.

• Anforderungen an Überspannungsschutzgeräte:

• Es sollte unter normalen Betriebsbedingungen nicht entladen, aber bei Überspannungsvorkommnissen korrekt und zuverlässig entladen.

• Es muss über eine Selbstwiederherstellungs-Fähigkeit nach der Entladung verfügen (d.h. in den Hochimpedanz-Zustand zurückkehren und den Folgestrom löschen).

Wichtige Parameter von Überspannungsschutzgeräten:

• Dauerbetriebsspannung: Die zulässige langfristige Betriebsspannung. Sie sollte gleich oder größer als die maximale Phasen-Erdspannung des Systems sein.

• Nennspannung (kV): Die maximal zulässige kurze Netzfrequenz-Spannung (auch als Bogenlöschspannung bekannt). Das Schutzgerät kann unter dieser Spannung arbeiten und den Bogen löschen, kann aber nicht dauerhaft auf diesem Niveau betrieben werden. Es ist ein grundlegender Parameter für die Konstruktion, Eigenschaften und Struktur des Schutzgeräts.

• Netzfrequenz-Widerstandsekunden-Kennlinie: Zeigt die Fähigkeit eines Metalloxid-Schutzgeräts (z.B. ZnO), Überspannungen unter bestimmten Bedingungen zu widerstehen.

• Nennentladungsstrom (kA): Der Spitzenwert des Entladungsstroms, der zur Klassifizierung der Schutzgeräte verwendet wird. Für Systeme von 220 kV und darunter sollte er nicht 5 kA überschreiten.

• Restspannung: Die Spannung, die an den Enden des Schutzgeräts erscheint, wenn es einem Stoßstrom ausgesetzt ist. Sie kann auch als die maximale Spannung verstanden werden, die das Schutzgerät während eines Entladungsvorgangs aushalten kann.

Arten und Struktur von Überspannungsschutzgeräten

Gängige Arten von Überspannungsschutzgeräten sind Ventil-Typ, Rohr-Typ, Schutzlücken und Metalloxid-Schutzgeräte.

(1) Ventil-Typ Überspannungsschutzgeräte

Ventil-Typ Schutzgeräte teilen sich hauptsächlich in zwei Kategorien: konventioneller Ventil-Typ und magnetisch geblasener Ventil-Typ. Der konventionelle Typ umfasst die FS- und FZ-Serien; der magnetisch geblasene Typ umfasst die FCD- und FCZ-Serien.

Die Symbole in der Modellbezeichnung bedeuten:

• F – Ventil-Typ Schutzgerät;

• S – Für Verteilersysteme;

• Z – Für Umspannwerke;

• Y – Für Übertragungsleitungen;

• D – Für Rotiermaschinen;

• C – Mit magnetisch geblasener Entladungslücke.

Ein Ventil-Typ Schutzgerät besteht aus flachen Funkenlücken, die in Reihe mit Siliciumcarbid (SiC)-Widerstandsdiskusse (Ventilblöcke) geschaltet sind, die in einer Porzellanhülle versiegelt sind, mit äußeren Anschlussbolzen zum Einbau. Der Siliciumcarbid-Widerstand zeigt nichtlineare Eigenschaften: Er hat einen hohen Widerstand unter Normalspannung, der bei Überspannung stark abfällt.

Unter normaler Netzfrequenz-Spannung bleiben die Funkenlücken nicht leitend. Wenn ein Blitzüberpotential auftritt, brechen die Funkenlücken zusammen. Der Widerstand der SiC-Blöcke fällt erheblich, sodass der hohe Blitzstrom sicher zur Erde geleitet werden kann. Nach dem Stoss stellt der SiC-Block einen hohen Widerstand für den folgenden Netzfrequenz-Strom dar, während die Funkenlücken diesen Strom unterbrechen, was die normale Systemoperation wiederherstellt. Dieses Eins-Aus-Verhalten ähnelt einem "Ventil" - offen für Blitzströme und geschlossen für Netzfrequenzströme - daher der Name "Ventil-Typ" Schutzgerät.

(2) Schutzlücken und Ausstoß (Rohr-Typ) Schutzgeräte

Schutzlücken sind die einfachste Form des Blitzschutzes. Sie bestehen in der Regel aus verzinktem Rundstahl und bestehen aus einer Hauptlücke und einer Hilfslücke. Die Hauptlücke ist in einer winkelförmigen Konfiguration angeordnet und waagerecht montiert, um das Bogenlöschen zu erleichtern. Eine Hilfslücke ist in Serie unter der Hauptlücke verbunden, um Fehlauslöser durch Fremdkörper, die die Lücke kurzschließen, zu verhindern. Aufgrund ihrer schwachen Bogenlöscheinheit werden Schutzlücken in der Regel in Verbindung mit automatischen Wiederschließvorrichtungen verwendet, um die Versorgungssicherheit zu verbessern.

Das Ausstoß (Rohr-Typ) Schutzgerät besteht aus einer in einem gasbildenden Rohr untergebrachten Funkenlücke, die durch Stab- und Ringelektroden gebildet wird. Es enthält sowohl innere als auch äußere Lücken. Das Schutzgeräte-Rohr besteht aus Materialien wie glasfaserverstärktem Phenolharz, die bei Erwärmung große Mengen Gas produzieren. Wenn ein Blitzüberpotential auftritt, brechen beide innere und äußere Lücken zusammen und leiten den Blitzstrom zur Erde. Der anschließende Netzfrequenzstrom erzeugt einen starken Bogen, der die Rohrwand verbrennt und hohen Druck-Gas durch das offene Ende austreibt, was den Bogen schnell löscht. Die äußere Lücke stellt dann ihre Isolation wieder her, isoliert das Schutzgerät vom System und ermöglicht die Wiederaufnahme des normalen Betriebs.

Da Ausstoß-Schutzgeräte auf Netzfrequenzströme angewiesen sind, um Gas zur Bogenlösung zu erzeugen, können übermäßige Kurzschlussströme zu viel Gas erzeugen, das die mechanische Festigkeit des Rohrs übersteigt und zu Rissen oder Explosionen führt. Daher werden Ausstoß-Schutzgeräte in der Regel in Außeneinrichtungen verwendet.

(3) Lückenlose Metalloxid (Zinkoxid) Überspannungsschutzgeräte

Auch als Varistor-Schutzgeräte bekannt, sind dies eine moderne Art, die in den 1970er Jahren eingeführt wurde. Im Vergleich zu traditionellen Siliciumcarbid-Ventil-Typ-Schutzgeräten haben lückenlose Metalloxid-Schutzgeräte keine Funkenlücken und verwenden Zinkoxid (ZnO) anstelle von Siliciumcarbid. Sie bestehen aus gestapelten ZnO-Varistordiskussen mit ausgezeichneten nichtlinearen Spannungs-Strom-Eigenschaften: unter normaler Netzfrequenz-Spannung zeigen sie sehr hohen Widerstand, was den Leckstrom effektiv unterdrückt; bei Blitzüberspannung fällt ihr Widerstand stark, was eine effiziente Entladung des Stoßstroms ermöglicht.

Metalloxid-Schutzgeräte bieten bessere Schutzcharakteristiken, hohe Entladungskapazität, niedrige Restspannung, kompakte Größe und einfache Montage. Sie werden jetzt weit verbreitet zur Schutz von sowohl Hoch- als auch Niederspannungs-Elektrikgeräten eingesetzt.

(4) Gelöchte Metalloxid (Zinkoxid) Überspannungsschutzgeräte

Diese bestehen aus ZnO-Widerstandsdiskussen, die in Reihe mit einer Funkenlücke in einem Verbundgehäuse verbunden sind. Die Lückeneinheit enthält in der Regel zwei scheibenförmige Elektroden, die in einem Keramikring eingeschlossen sind. Sie sind für Systeme ohne effektive Erdung geeignet. Bei Einphasen-Erdschaltungen oder Bogen-Erdungen können lange andauernde transiente Überspannungen auftreten, die lückenlose ZnO-Schutzgeräte möglicherweise nicht aushalten. Gelöchte ZnO-Schutzgeräte überwinden diese Einschränkung: Bei moderaten Überspannungen wie Einphasen-Erdschaltung oder geringgradiger Bogen-Erdung bleibt die Serienschaltung inaktiv und isoliert das Schutzgerät vom System.

Wenn die Überspannung einen Schwellwert überschreitet, springt die Lücke über, und die ausgezeichneten nichtlinearen Eigenschaften der ZnO-Blöcke begrenzen die Restspannung am Schutzgerät. Der resultierende Folgestrom ist sehr klein und leicht zu unterbrechen, was einen zuverlässigen Isolierungsschutz für Transformatoren und andere Geräte bietet.

Prüfarten und Normen für Überspannungsschutzgeräte

(1) Messung der Isolationswiderstände

Verwenden Sie einen Megommet von 2500 V oder höher. Für Schutzgeräte mit einer Nennspannung von 35 kV und darüber sollte der Isolationswiderstand mindestens 2500 MΩ betragen; für diejenigen unter 35 kV mindestens 1000 MΩ.

(2) Messung der Gleichspannung bei 1 mA und des Leckstroms bei 75% dieser Spannung

Wenden Sie eine Gleichspannung auf das Schutzgerät an. Mit zunehmender Spannung steigt der Leckstrom allmählich. Notieren Sie den Spannungswert, wenn der Strom 1 mA erreicht. Reduzieren Sie dann die Spannung auf 75% dieses Wertes und notieren Sie den Leckstrom, der 50 μA nicht überschreiten sollte.

(3) Wechselstrom-Leckstrom unter Betriebsspannung

Messung des Gesamtstroms, des Widerstandsstroms oder des Verlustes unter Betriebsspannung. Die gemessenen Werte sollten im Vergleich zu den Anfangswerten keine signifikante Änderung zeigen. Wenn der Widerstandsstrom verdoppelt wird, muss das Schutzgerät de-energisiert werden, um eine Inspektion durchzuführen. Wenn der Widerstandsstrom auf 150% des Anfangswerts ansteigt, sollte der Überwachungszyklus entsprechend verkürzt werden.

Diese Prüfungen können Mängel wie Feuchtigkeitseintritt oder Alterung der Ventilblöcke, Oberflächenrisse und Isolierungsverschlechterung erkennen.