Waarom Surge Arresters Gebruiken? Sleutelfuncties & Voordelen
Functie van overvoltagebeveiligingen
Wanneer blikseminduced overvoltage zich langs bovengrondse elektriciteitsleidingen verplaatst naar een substation of andere gebouwen, kan dit flashovers veroorzaken of zelfs de isolatie van elektrische apparatuur doorboren. Daarom, als een beschermingsapparaat - bekend als overvoltagebeveiliging - parallel aan de stroominvoer van de apparatuur (zoals weergegeven in figuur 1) is aangesloten, zal het onmiddellijk activeren wanneer de overvoltage het ingestelde werkniveau bereikt.
De beveiliging ontlucht de overtollige energie, waardoor de spanningsspieking wordt beperkt en de isolatie van de apparatuur beschermd. Zodra de spanning terugkeert naar normaal, herstelt de overvoltagebeveiliging snel naar zijn oorspronkelijke staat, waardoor het systeem normale stroomvoorziening kan blijven leveren.
De beschermende functie van een overvoltagebeveiliging is gebaseerd op drie voorwaarden:
Juiste coördinatie tussen de volt-secondekenmerken van de beveiliging en die van de beschermd isolatie.
De restspanning van de beveiliging moet lager zijn dan de impulsweerstand van de beschermd isolatie.
De beschermd isolatie moet binnen de beschermende afstand van de beveiliging vallen.
Eisen voor overvoltagebeveiligingen:
Het mag niet ontladen onder normale bedrijfsomstandigheden, maar moet correct en betrouwbaar ontladen tijdens overvoltagegebeurtenissen.
Het moet zelfherstellende capaciteit hebben na ontlading (d.w.z. terugkeren naar de hoogohmische toestand en de naspanningsstroom doven).
Belangrijke parameters van overvoltagebeveiligingen:
Continue bedrijfsspanning: De toegestane langdurige bedrijfsspanning. Deze moet gelijk zijn of groter dan de maximale fase-aarde-spanning van het systeem.
Nominale spanning (kV): De maximale toegestane korte-tijds netfrequentspanning (ook wel doofspanning genoemd). De beveiliging kan onder deze spanning werken en de boog doven, maar kan niet langdurig op dit niveau blijven werken. Het is een fundamentele parameter voor het ontwerp, de kenmerken en de structuur van de beveiliging.
Netfrequentie volthoudende seconde-kenmerk: Geeft de vermogen van een metaaloxide (bijvoorbeeld ZnO) beveiliging om overvoltage te weerstaan onder gespecificeerde omstandigheden.
Nominaal ontladingsstroom (kA): De piekwaarde van de ontladingsstroom die wordt gebruikt om de beveiligingsklassen in te delen. Voor systemen van 220 kV en lager mag deze niet meer dan 5 kA bedragen.
Restspanning: De spanning die verschijnt over de beveiligingsterminalen wanneer deze blootgesteld wordt aan een stroomschok. Dit kan ook worden begrepen als de maximale spanning die de beveiliging kan weerstaan tijdens een ontladingsgebeurtenis.
Soorten en structuur van overvoltagebeveiligingen
Gewone soorten overvoltagebeveiligingen omvatten kleppen, buistypen, beschermende schakelingen en metaloxide beveiligingen.
(1) Kleptype overvoltagebeveiligingen
Klepbeveiligingen zijn voornamelijk verdeeld in twee categorieën: conventioneel kleptype en magnetisch-blow kleptype. Het conventionele type omvat de FS en FZ reeksen; het magnetisch-blow type omvat de FCD en FCZ reeksen.
De symbolen in de modelaanduiding staan voor:
F – Kleptype beveiliging;
S – Voor distributiesystemen;
Z – Voor substations;
Y – Voor transportlijnen;
D – Voor draaimachines;
C – Met magnetisch-blow ontladingskloof.
Een kleptype beveiliging bestaat uit platte vonkkloven in serie met siliconcarbide (SiC) weerstandschijven (klepblokken), verzegeld in een porselein behuizing, met externe terminalbouten voor installatie. De siliconcarbide weerstand vertoont niet-lineaire kenmerken: hij heeft hoge weerstand onder normale spanning, die scherp daalt tijdens overvoltage.
Onder normale netfrequentspanning blijven de vonkkloven niet-geleidend. Wanneer een bliksemovervoltage optreedt, breken de vonkkloven neer. De weerstand van de SiC blokken daalt aanzienlijk, waardoor de hoge bliksemstroom veilig naar de aarde kan stromen. Na de stroomstoot bieden de SiC blokken hoge weerstand tegen de netfrequentievolgspanning, terwijl de vonkkloven deze stroom onderbreken, waardoor normale systeemoperatie wordt hersteld. Dit open-en-sluitgedrag lijkt op een "klep" - open voor bliksemstroom en gesloten voor netfrequentiestroom - vandaar de naam "kleptype" beveiliging.
(2) Beschermende schakelingen en uitschuif (buistype) beveiligingen
Beschermende schakelingen zijn de eenvoudigste vorm van bliksembescherming. Meestal gemaakt van gegalvaniseerd rondbaar staal, bestaan ze uit een hoofdkloof en een bijbehorende kloof. De hoofdkloof is in een hoekige configuratie gevormd en horizontaal gemonteerd om boogextinctie te vergemakkelijken. Een bijbehorende kloof is in serie verbonden onder de hoofdkloof om vals alarm te voorkomen dat wordt veroorzaakt door buitenstaande objecten die de kloof kortsluiten. Vanwege hun zwakke boogextinctiecapaciteit worden beschermende schakelingen meestal in combinatie met automatische hersluitapparaten gebruikt om de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening te verbeteren.
De uitschuif (buistype) beveiliging bestaat uit een vonkkloof die in een gasproducerende buis is ondergebracht, gevormd door staaf- en ringelektroden. Het omvat zowel interne als externe kloven. De beveiligingsbuis is gemaakt van materialen zoals vezelversterkte fenolharde hars die grote hoeveelheden gas produceren wanneer ze worden verhit. Wanneer een bliksemovervoltage optreedt, breken zowel de interne als externe kloven neer, waardoor de bliksemstroom naar de aarde wordt geleid. De volgende netfrequentie-stroom creëert een sterke boog, die de buismuur verbrandt en hoge drukgas produceert dat door de open einde wordt uitgestoten, waardoor de boog snel wordt gedoofd. De externe kloof herstelt vervolgens zijn isolatie, waardoor de beveiliging van het systeem wordt geïsoleerd en normale operatie kan worden hervat.
Omdat uitschuifbeveiligingen afhankelijk zijn van netfrequentie-stroom om gas te genereren voor boogextinctie, kunnen te hoge kortsluitspanningen te veel gas produceren, wat de mechanische sterkte van de buis overstijgt en leidt tot barsting of explosie. Daarom worden uitschuifbeveiligingen meestal in buiteninstallaties gebruikt.
(3) Gaploze metaloxide (zinkoxide) overvoltagebeveiligingen
Ook bekend als varistor beveiligingen, zijn dit moderne types die in de jaren '70 werden geïntroduceerd. In vergelijking met traditionele siliconcarbide kleptype beveiligingen hebben gaploze metaloxide beveiligingen geen vonkkloven en gebruiken zinkoxide (ZnO) in plaats van siliconcarbide. Ze zijn opgebouwd uit gestapelde ZnO varistor schijven met uitstekende niet-lineaire spanning-stroomkenmerken: onder normale netfrequentspanning vertonen ze zeer hoge weerstand, waardoor lekstroom effectief wordt onderdrukt; onder bliksemovervoltage daalt hun weerstand scherp, waardoor efficiënte ontlading van de stroomstoot mogelijk is.
Metaloxide beveiligingen bieden superieure beschermingskenmerken, hoge ontladingscapaciteit, lage restspanning, compacte grootte en eenvoudige installatie. Ze worden nu wijdverspreid gebruikt voor de bescherming van zowel hoge- als laagspannings elektrische apparatuur.
(4) Gepunte metaloxide (zinkoxide) overvoltagebeveiligingen
Deze bestaan uit ZnO weerstandschijven in serie verbonden met een vonkkloof in een composiet behuizing. De kloof-eenheid bevat meestal twee schijfvormige elektroden die in een keramische ring zijn ingesloten. Ze zijn geschikt voor niet-effectief geaarde neutrale systemen. Tijdens eenfasig-aarde fouten of boog gronding kunnen ernstige tijdelijke overvoltage van lange duur optreden, die gaploze ZnO beveiligingen misschien niet kunnen weerstaan. Gepunte ZnO beveiligingen overwinnen deze beperking: bij matige overvoltage zoals eenfasig gronding of lage-niveau boog gronding blijft de serie-kloof inactief, waardoor de beveiliging van het systeem wordt geïsoleerd.
Wanneer de overvoltage een drempel overschrijdt, vonkt de kloof over, en de uitstekende niet-lineaire kenmerken van de ZnO blokken beperken de restspanning over de beveiliging. De resulterende volgstroom is zeer klein en gemakkelijk te onderbreken, waardoor betrouwbare isolatiebescherming wordt geboden voor transformatoren en andere apparatuur.
Testitems en normen voor overvoltagebeveiligingen
(1) Meetwaarde van isolatieweerstand
Gebruik een megohmmeter van 2500 V of hoger. Voor beveiligingen van 35 kV en hoger moet de isolatieweerstand minstens 2500 MΩ bedragen; voor die onder 35 kV, minstens 1000 MΩ.
(2) Meetwaarde van gelijkspanning bij 1 mA en lekstroom bij 75% hiervan
Pas een gelijkspanning toe op de beveiliging. Terwijl de spanning stijgt, stijgt de lekstroom geleidelijk. Noteer de spanning waarde wanneer de stroom 1 mA bereikt. Verminder vervolgens de spanning tot 75% van deze waarde en noteer de lekstroom, die niet meer dan 50 μA mag bedragen.
(3) Wisselstroomlekstroom onder bedrijfsspanning
Meet de totale stroom, weerstandscomponentstroom of vermogensverlies onder bedrijfsspanning. De gemeten waarden mogen geen significant verandering tonen ten opzichte van de initiële waarden. Als de weerstandscomponentstroom verdubbelt, moet de beveiliging worden afgeschakeld voor inspectie.
Als de weerstandscomponentstroom toeneemt tot 150% van de initiële waarde, moet de monitoringcyclus gepast worden verkort.
Deze tests kunnen defecten detecteren zoals vochtinname of veroudering van beveiligingsklepblokken, oppervlaktebarsten en isolatieverdeterioratie.
