Dlaczego używać zabezpieczeń przeciwdziałających przepięciom? Kluczowe funkcje i korzyści

Funkcja ograniczników przepięć

Gdy przepięcie spowodowane przez piorun przenika się wzdłuż powietrznych linii elektrycznych do stacji transformatorowej lub innych budynków, może powodować przepalone izolacje lub nawet przebicie izolacji sprzętu elektrycznego. Dlatego, jeśli urządzenie ochronne – znane jako ogranicznik przepięć – jest podłączone równolegle do wejścia zasilającego urządzenia (jak pokazano na Rysunku 1), natychmiast aktywuje się, gdy przepięcie osiągnie zaprogramowany poziom pracy.

Ogranicznik przepięć odprowadza nadmiar energii, ograniczając przepięcie i chroniąc izolację sprzętu. Gdy napięcie wraca do normy, ogranicznik przepięć szybko odzyskuje swój pierwotny stan, zapewniając, że system może kontynuować normalne dostarczanie energii.

Funkcja ochronna ogranicznika przepięć opiera się na trzech warunkach wstępnych:

• Prawidłowa koordynacja charakterystyki sekundowo-napięciowej ogranicznika i izolacji chronionej.

• Napięcie residuaryczne ogranicznika musi być niższe niż wytrzymałość impulsowa izolacji chronionej.

• Izolacja chroniona musi znajdować się w odległości ochronnej ogranicznika.

• Wymagania dla ograniczników przepięć:

• Nie powinien uwalniać się pod normalnymi warunkami pracy, ale musi prawidłowo i niezawodnie uwalniać się podczas zdarzeń przepięciowych.

• Musiałby mieć zdolność do samo-zregenerowania po uwolnieniu (tj. powrót do stanu wysokiego oporu i zgaśnięcie prądu śledzącego).

Kluczowe parametry ograniczników przepięć:

• Ciągłe napięcie pracy: dopuszczalne długotrwałe napięcie pracy. Powinno być równe lub większe niż maksymalne napięcie fazowo-ziemne systemu.

• Napięcie znamionowe (kV): maksymalne dopuszczalne krótkotrwałe napięcie sieciowe częstotliwości przemiennego prądu (znane również jako napięcie gaszenia łuku). Ogranicznik może działać i gasić łuk przy tym napięciu, ale nie może utrzymywać długotrwałej pracy na tym poziomie. Jest to podstawowy parametr dla projektowania, charakterystyk i konstrukcji ogranicznika.

• Charakterystyka wytrzymałości sekundowo-napięciowej częstotliwości sieciowej: wskazuje zdolność ogranicznika metalo-tlenkowego (np. ZnO) do wytrzymywania przepięć pod określonymi warunkami.

• Nominalny prąd uwalniania (kA): szczytowa wartość prądu uwalniania używana do klasyfikacji ograniczników. Dla systemów 220 kV i poniżej, nie powinien przekraczać 5 kA.

• Napięcie residuaryczne: napięcie pojawiające się między zaciskami ogranicznika pod wpływem prądu przepięciowego. Można to również rozumieć jako maksymalne napięcie, jakie ogranicznik może wytrzymać podczas zdarzenia uwalniania.

Typy i konstrukcja ograniczników przepięć

Wspólne typy ograniczników przepięć obejmują ograniczniki zaworowe, rurkowe, zabezpieczenia przestankowe oraz ograniczniki metalo-tlenkowe.

(1) Ograniczniki zaworowe

Ograniczniki zaworowe są głównie podzielone na dwie kategorie: standardowe zaworowe i magnetyczne z dmuchaniem. Standardowe typy obejmują serię FS i FZ; typy z dmuchaniem magnetycznym obejmują serię FCD i FCZ.

Symbole w oznaczeniach modeli oznaczają:

• F – ogranicznik zaworowy;

• S – dla systemów dystrybucyjnych;

• Z – dla stacji transformatorowych;

• Y – dla linii przesyłowych;

• D – dla maszyn obrotowych;

• C – z lukiem z dmuchaniem magnetycznym.

Ogranicznik zaworowy składa się z płaskich luków iskrzących szeregowo połączonych z dyskami rezystorów węglanu krzemu (SiC) (bloki zaworowe), zamkniętych w ceramicznej obudowie, z zewnętrznymi bolcami montażowymi. Rezystor węglanu krzemu ma nieliniowe cechy: ma wysoką oporność pod normalnym napięciem, która gwałtownie spada podczas przepięcia.

Pod normalnym napięciem sieciowym luki iskrzące pozostają nieprzewodzące. Gdy wystąpi przepięcie piorunowe, luki iskrzące przepuszczają. Opór bloków SiC znacznie spada, umożliwiając bezpieczny przepływ dużego prądu piorunowego do ziemi. Po przepięciu, bloki SiC prezentują wysoką oporność dla prądu sieciowego, podczas gdy luki iskrzące przerywają ten prąd, przywracając normalną pracę systemu. To zachowanie on-off przypomina "zawór" – otwarty dla prądu piorunowego i zamknięty dla prądu sieciowego – stąd nazwa "ogranicznik zaworowy".

(2) Zabezpieczenia przestankowe i ograniczniki rurkowe (wybuchowe)

Zabezpieczenia przestankowe to najprostsza forma ochrony przed piorunami. Zwykle wykonane z ocynkowanej okrągłej stali, składają się z głównego luku i pomocniczego luku. Główny luk ma kształt kąta i jest montowany poziomo, aby ułatwić gaszenie łuku. Luk pomocniczy jest połączony szeregowo pod głównym lukem, aby zapobiec fałszywemu włączaniu spowodowanemu przez obiekty obce skrócające luk. Ze względu na słabe zdolności gaszenia łuku, zabezpieczenia przestankowe są zwykle stosowane w połączeniu z urządzeniami automatycznego ponownego zamykania, aby poprawić niezawodność dostawy energii.

Ogranicznik rurkowy (wybuchowy) składa się z luku iskrzącego umieszczonego wewnątrz rury generującej gaz, utworzonej przez elektrody w kształcie pręta i pierścienia. Zawiera zarówno luki wewnętrzne, jak i zewnętrzne. Rura ogranicznika jest wykonana z materiałów, takich jak wzmacniane włóknem fenolowe żywice, które produkują duże ilości gazu pod wpływem nagrzewania. Gdy wystąpi przepięcie piorunowe, luki wewnętrzne i zewnętrzne przepuszczają, odprowadzając prąd piorunowy do ziemi. Następny prąd sieciowy tworzy silny łuk, który spala ściankę rury i generuje wysokociśnieniowy gaz, który jest wypompowywany przez otwarty koniec, szybko gasząc łuk. Luk zewnętrzny przywraca następnie izolację, izolując ogranicznik od systemu i umożliwiając wznowienie normalnej pracy.

Ponieważ ograniczniki wybuchowe polegają na prądzie sieciowym do generowania gazu do gaszenia łuku, zbyt duże prądy zwarciowe mogą produkować zbyt dużo gazu, przekraczając wytrzymałość mechaniczną rury, co prowadzi do pęknięcia lub eksplozji. Dlatego ograniczniki wybuchowe są zwykle stosowane w instalacjach na zewnątrz.

(3) Ograniczniki metalo-tlenkowe (bez luków) (tlenek cynku)

Także znane jako ograniczniki varistorskie, to nowoczesny typ wprowadzony w latach 70. W porównaniu z tradycyjnymi ogranicznikami zaworowymi z węglanem krzemu, ograniczniki metalo-tlenkowe bez luków nie mają luków iskrzących i używają tlenku cynku (ZnO) zamiast węglanu krzemu. Są konstruowane z ułożonych jeden na drugim dysków varistorów ZnO o doskonałych nieliniowych charakterystykach napięcie-prąd: pod normalnym napięciem sieciowym mają bardzo wysoką oporność, efektywnie tłumiąc prąd przeciekowy; podczas przepięcia piorunowego ich opór gwałtownie spada, umożliwiając efektywne odprowadzenie prądu przepięciowego.

Ograniczniki metalo-tlenkowe oferują lepsze cechy ochronne, wysoką zdolność uwalniania, niskie napięcie residuaryczne, kompaktowy rozmiar i łatwą instalację. Są teraz szeroko stosowane do ochrony sprzętu elektrycznego zarówno niskiego, jak i wysokiego napięcia.

(4) Ograniczniki metalo-tlenkowe (z lukami) (tlenek cynku)

Składają się z dysków rezystorów ZnO połączonych szeregowo z lukem iskrzącym w kompozytowej obudowie. Jednostka luku zazwyczaj zawiera dwa elektrody w kształcie dysków zamknięte w ceramicznym pierścieniu. Są one odpowiednie dla systemów z neutralą nieefektywnie zazemioną. Podczas jednofazowych zwarć z ziemią lub zwarcia łukowego mogą wystąpić silne chwilowe przepięcia o długiej długości, których ograniczniki bez luków ZnO mogą nie wytrzymać. Ograniczniki z lukami ZnO pokonują to ograniczenie: podczas umiarkowanych przepięć, takich jak jednofazowe zwarce z ziemią lub niskopoziomowe zwarcia łukowe, szeregowy luk pozostaje nieaktywny, izolując ogranicznik od systemu.

Gdy przepięcie przekroczy próg, luk iskrzy, a doskonałe nieliniowe cechy bloków ZnO ograniczają napięcie residuaryczne na ograniczniku. Wynikający z tego prąd śledzący jest bardzo mały i łatwo go przerwać, zapewniając niezawodną ochronę izolacji dla transformatorów i innego sprzętu.

Testy i normy dla ograniczników przepięć

(1) Pomiar oporności izolacyjnej

Użyj megomometru o napięciu 2500 V lub wyższym. Dla ograniczników o napięciu znamionowym 35 kV i wyższym, oporność izolacyjna powinna wynosić co najmniej 2500 MΩ; dla tych poniżej 35 kV, co najmniej 1000 MΩ.

(2) Pomiar stałego napięcia przy 1 mA i prądu przeciekowego przy 75% tego napięcia

Zastosuj stałe napięcie do ogranicznika. Gdy napięcie rośnie, prąd przeciekowy stopniowo rośnie. Zapisz wartość napięcia, gdy prąd osiągnie 1 mA. Następnie zmniejsz napięcie do 75% tej wartości i zapisz prąd przeciekowy, który nie powinien przekraczać 50 μA.

(3) Prąd przeciekowy przemienny pod napięciem pracy

Pomierz całkowity prąd, prąd oporny lub straty mocy pod napięciem pracy. Pomierzone wartości nie powinny znacząco różnić się od początkowych. Jeśli prąd oporny podwójnie się zwiększy, ogranicznik musi zostać odłączony od zasilania.
Jeśli prąd oporny zwiększy się do 150% wartości początkowej, cykl monitorowania powinien być odpowiednio skrócony.

Te testy mogą wykryć wady, takie jak nawilżenie lub starzenie się bloków zaworowych ogranicznika, pęknięcia powierzchniowe i degradacja izolacji.