ทำไมต้องใช้ตัวป้องกันฟ้าผ่า ฟังก์ชันหลักและประโยชน์

การทำงานของตัวป้องกันแรงดันเกิน

เมื่อแรงดันเกินที่เกิดจากฟ้าผ่าเดินทางตามสายส่งไฟฟ้าไปยังสถานีไฟฟ้าหรืออาคารอื่น ๆ อาจทำให้เกิดการลัดวงจรหรือเจาะฉนวนของอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ ดังนั้น หากมีอุปกรณ์ป้องกันซึ่งเรียกว่าตัวป้องกันแรงดันเกิน (surge arrester) ต่อขนานที่จุดเข้าของอุปกรณ์ (ดังแสดงในรูปที่ 1) จะทำงานทันทีเมื่อแรงดันเกินถึงระดับที่กำหนดไว้

ตัวป้องกันแรงดันเกินจะปล่อยพลังงานส่วนเกิน จำกัดแรงดันเกิน และปกป้องฉนวนของอุปกรณ์ หลังจากแรงดันกลับสู่ภาวะปกติ ตัวป้องกันแรงดันเกินจะฟื้นฟูสภาพเดิมอย่างรวดเร็ว ทำให้ระบบสามารถจ่ายไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง

ฟังก์ชันการป้องกันของตัวป้องกันแรงดันเกินขึ้นอยู่กับสามเงื่อนไข:

• ความเหมาะสมระหว่างคุณสมบัติวินาที-โวลต์ของตัวป้องกันและฉนวนที่ป้องกัน

• แรงดันคงที่ของตัวป้องกันต้องต่ำกว่าแรงดันทนทานกระแทกของฉนวนที่ป้องกัน

• ฉนวนที่ป้องกันต้องอยู่ภายในระยะการป้องกันของตัวป้องกัน

• ข้อกำหนดสำหรับตัวป้องกันแรงดันเกิน:

• ไม่ควรปล่อยประจุภายใต้ภาวะการใช้งานปกติ แต่ต้องปล่อยประจุได้อย่างถูกต้องและเชื่อถือได้ในเหตุการณ์แรงดันเกิน

• ต้องมีความสามารถในการฟื้นฟูตนเองหลังจากการปล่อยประจุ (กล่าวคือ กลับสู่ภาวะความต้านทานสูงและดับกระแสตาม)

พารามิเตอร์สำคัญของตัวป้องกันแรงดันเกิน:

• แรงดันปฏิบัติการต่อเนื่อง: แรงดันปฏิบัติการที่ยอมรับได้ในระยะยาว ควรมีค่าเท่ากับหรือมากกว่าแรงดันเฟส-กราวด์สูงสุดของระบบ

• แรงดันกำหนด (kV): แรงดันไฟฟ้ากำลังความถี่สูงสั้นๆ ที่ยอมรับได้สูงสุด (หรือเรียกว่าแรงดันดับอาร์ก) ตัวป้องกันสามารถทำงานและดับอาร์กภายใต้แรงดันนี้ แต่ไม่สามารถปฏิบัติการได้ในระยะยาวที่ระดับนี้ เป็นพารามิเตอร์พื้นฐานในการออกแบบ คุณสมบัติ และโครงสร้างของตัวป้องกัน

• คุณสมบัติทนทานแรงดันไฟฟ้ากำลังความถี่สูงวินาที: แสดงความสามารถของตัวป้องกันแบบออกไซด์โลหะ (เช่น ZnO) ในการทนทานแรงดันเกินภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด

• กระแสปล่อยมาตรฐาน (kA): ค่าสูงสุดของกระแสปล่อยที่ใช้ในการจำแนกขนาดของตัวป้องกัน สำหรับระบบ 220 kV หรือต่ำกว่านั้น ไม่ควรเกิน 5 kA

• แรงดันคงที่: แรงดันที่ปรากฏที่ปลายของตัวป้องกันเมื่อได้รับกระแสปล่อย สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นแรงดันสูงสุดที่ตัวป้องกันสามารถทนทานได้ในเหตุการณ์ปล่อยประจุ

ประเภทและโครงสร้างของตัวป้องกันแรงดันเกิน

ประเภทตัวป้องกันแรงดันเกินที่พบบ่อย ได้แก่ ชนิดวาล์ว ชนิดท่อ ช่องว่างป้องกัน และตัวป้องกันแรงดันเกินแบบออกไซด์โลหะ

(1) ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดวาล์ว

ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดวาล์วแบ่งออกเป็นสองประเภท คือ ชนิดวาล์วทั่วไปและชนิดวาล์วแม่เหล็ก ชนิดทั่วไปประกอบด้วยซีรีส์ FS และ FZ ชนิดวาล์วแม่เหล็กประกอบด้วยซีรีส์ FCD และ FCZ

สัญลักษณ์ในรหัสโมเดลหมายถึง:

• F – ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดวาล์ว;

• S – สำหรับระบบกระจาย;

• Z – สำหรับสถานีแปลง;

• Y – สำหรับสายส่ง;

• D – สำหรับเครื่องหมุน;

• C – พร้อมช่องว่างปล่อยประจุแบบแม่เหล็ก

ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดวาล์วประกอบด้วยช่องว่างประกายไฟแบนที่เชื่อมต่อกับแผ่นต้านทานคาร์ไบด์ซิลิคอน (SiC) (บล็อกวาล์ว) ซึ่งบรรจุอยู่ภายในเคสเซรามิก พร้อมสลักภายนอกสำหรับการติดตั้ง ต้านทานคาร์ไบด์ซิลิคอนมีคุณสมบัติไม่เชิงเส้น: มีความต้านทานสูงภายใต้แรงดันปกติ ซึ่งลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดแรงดันเกิน

ภายใต้แรงดันไฟฟ้ากำลังความถี่สูงปกติ ช่องว่างประกายไฟจะไม่เป็นตัวนำ เมื่อเกิดแรงดันเกินจากฟ้าผ่า ช่องว่างประกายไฟจะแตก ความต้านทานของแผ่น SiC จะลดลงอย่างมาก ทำให้กระแสฟ้าผ่าสูงไหลผ่านไปยังดินได้อย่างปลอดภัย หลังจากแรงดันเกิน แผ่น SiC จะมีความต้านทานสูงต่อกระแสไฟฟ้ากำลังความถี่สูงตามมา ในขณะที่ช่องว่างประกายไฟจะตัดกระแสไฟฟ้านี้ ทำให้ระบบกลับสู่ภาวะปกติ การทำงานแบบเปิด-ปิดนี้คล้ายกับ "วาล์ว" ซึ่งเปิดให้กระแสฟ้าผ่าผ่านและปิดให้กระแสไฟฟ้ากำลังความถี่สูงผ่าน จึงเรียกว่า "ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดวาล์ว"

(2) ช่องว่างป้องกันและตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดท่อ

ช่องว่างป้องกันเป็นรูปแบบการป้องกันฟ้าผ่าที่ง่ายที่สุด ทั่วไปแล้วทำจากเหล็กกลมชุบสังกะสี ประกอบด้วยช่องว่างหลักและช่องว่างรอง ช่องว่างหลักมีรูปร่างเป็นมุมและติดตั้งในแนวราบเพื่อช่วยดับอาร์ก ช่องว่างรองเชื่อมต่อเป็นอนุกรมด้านล่างของช่องว่างหลัก เพื่อป้องกันการทริกเกอร์ผิดพลาดจากการสั้นวงจรโดยวัตถุแปลกปลอม เนื่องจากความสามารถในการดับอาร์กที่อ่อนแอ ช่องว่างป้องกันมักใช้ร่วมกับอุปกรณ์ป้อนใหม่แบบอัตโนมัติเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของการจ่ายไฟ

ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดท่อประกอบด้วยช่องว่างประกายไฟภายในท่อที่ผลิตก๊าซ ซึ่งสร้างจากขั้วต่อแบบแท่งและแหวน รวมถึงช่องว่างภายในและภายนอก ท่อตัวป้องกันทำจากวัสดุเช่นเรซินฟีนอลเสริมใยที่ผลิตก๊าซปริมาณมากเมื่อถูกความร้อน เมื่อเกิดแรงดันเกินจากฟ้าผ่า ทั้งช่องว่างภายในและภายนอกจะแตก ทำให้กระแสฟ้าผ่าไหลผ่านไปยังดิน กระแสไฟฟ้ากำลังความถี่สูงตามมาจะสร้างอาร์กที่แรง ทำลายผนังท่อและผลิตก๊าซความดันสูงที่ถูกขับออกจากปลายเปิด ทำให้ดับอาร์กอย่างรวดเร็ว ช่องว่างภายนอกจะฟื้นฟูฉนวน แยกตัวป้องกันออกจากระบบ และทำให้การดำเนินงานกลับสู่ภาวะปกติ

เนื่องจากตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดท่อพึ่งพากระแสไฟฟ้ากำลังความถี่สูงในการผลิตก๊าซเพื่อดับอาร์ก กระแสไฟฟ้าสั้นวงจรที่มากเกินไปสามารถผลิตก๊าซมากจนเกินกำลังของท่อ ทำให้เกิดการแตกหรือระเบิด ดังนั้น ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดท่อมักใช้ในการติดตั้งกลางแจ้ง

(3) ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดไม่มีช่องว่าง (ออกไซด์โลหะ ออกไซด์สังกะสี)

เรียกอีกอย่างว่าตัวป้องกันแรงดันเกินแบบวาไรสเตอร์ ซึ่งเป็นประเภทที่ทันสมัยที่ถูกแนะนำในปี 1970 ถ้าเทียบกับตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดวาล์วที่ใช้คาร์ไบด์ซิลิคอน ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดไม่มีช่องว่างไม่มีช่องว่างประกายไฟและใช้ออกไซด์สังกะสี (ZnO) แทนคาร์ไบด์ซิลิคอน สร้างขึ้นจากแผ่นวาไรสเตอร์ ZnO ที่มีคุณสมบัติไม่เชิงเส้นแรงดัน-กระแสที่ยอดเยี่ยม: ภายใต้แรงดันไฟฟ้ากำลังความถี่สูงปกติ มีความต้านทานสูง ลดการรั่วไหลของกระแส; ภายใต้แรงดันเกินจากฟ้าผ่า ความต้านทานลดลงอย่างรวดเร็ว ทำให้ปล่อยกระแสเกินได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดไม่มีช่องว่างมีคุณสมบัติการป้องกันที่เหนือกว่า กำลังปล่อยสูง แรงดันคงที่ต่ำ ขนาดเล็ก และติดตั้งได้ง่าย ตอนนี้ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการป้องกันอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งแรงดันสูงและแรงดันต่ำ

(4) ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดมีช่องว่าง (ออกไซด์โลหะ ออกไซด์สังกะสี)

ประกอบด้วยแผ่นต้านทาน ZnO ที่เชื่อมต่อเป็นอนุกรมกับช่องว่างประกายไฟภายในเคสคอมโพสิต หน่วยช่องว่างมักประกอบด้วยขั้วต่อรูปทรงแผ่นสองชิ้นที่บรรจุอยู่ในแหวนเซรามิก เหมาะสมสำหรับระบบที่มีจุดกลางไม่ได้ต่อกราวด์อย่างมีประสิทธิภาพ ระหว่างเหตุการณ์สั้นวงจรเฟสเดียวหรือการต่อกราวด์ด้วยอาร์ก แรงดันเกินชั่วคราวที่รุนแรงและยาวนานอาจเกิดขึ้น ซึ่งตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดไม่มีช่องว่าง ZnO อาจไม่สามารถทนทานได้ ตัวป้องกันแรงดันเกินชนิดมีช่องว่าง ZnO สามารถเอาชนะข้อจำกัดนี้: ภายใต้แรงดันเกินที่ปานกลาง เช่น สั้นวงจรเฟสเดียวหรือการต่อกราวด์ด้วยอาร์กที่ต่ำ ช่องว่างอนุกรมจะไม่ทำงาน แยกตัวป้องกันออกจากระบบ

เมื่อแรงดันเกินเกินขีดจำกัด ช่องว่างประกายไฟจะเกิดขึ้น คุณสมบัติไม่เชิงเส้นที่ยอดเยี่ยมของแผ่น ZnO จะจำกัดแรงดันคงที่ที่ตัวป้องกัน กระแสตามที่เกิดขึ้นจะมีขนาดเล็กมากและสามารถตัดได้ง่าย มอบการป้องกันฉนวนที่เชื่อถือได้สำหรับหม้อแปลงและอุปกรณ์อื่น ๆ

รายการทดสอบและมาตรฐานสำหรับตัวป้องกันแรงดันเกิน

(1) การวัดความต้านทานฉนวน

ใช้มิเตอร์โอห์ม 2500 V หรือสูงกว่า สำหรับตัวป้องกันแรงดันเกินที่มีแรงดันกำหนด 35 kV หรือสูงกว่า ความต้านทานฉนวนควรไม่ต่ำกว่า 2500 MΩ สำหรับตัวป้องกันแรงดันเกินที่มีแรงดันกำหนดต่ำกว่า 35 kV ความต้านทานฉนวนควรไม่ต่ำกว่า 1000 MΩ

(2) การวัดแรงดันตรงที่ 1 mA และกระแสรั่วไหลที่ 75% ของแรงดันนี้

ใช้แรงดันตรงกับตัวป้องกันแรงดันเกิน ขณะที่แรงดันเพิ่มขึ้น กระแสรั่วไหลจะเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป บันทึกค่าแรงดันเมื่อกระแสถึง 1 mA แล้วลดแรงดันลงเหลือ 75% ของค่านี้และบันทึกกระแสรั่วไหล ซึ่งไม่ควรเกิน 50 μA

(3) กระแสรั่วไหลแรงดันตรงภายใต้แรงดันปฏิบัติการ

วัดกระแสรวม กระแสต้านทาน หรือการสูญเสียพลังงานภายใต้แรงดันปฏิบัติการ ค่าที่วัดได้ควรไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับค่าเริ่มต้น ถ้ากระแสต้านทานเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ต้องทำการตรวจสอบตัวป้องกันแรงดันเกิน
ถ้ากระแสต้านทานเพิ่มขึ้นเป็น 150% ของค่าเริ่มต้น ควรลดรอบการตรวจสอบลงอย่างเหมาะสม

การทดสอบเหล่านี้สามารถตรวจจับข้อบกพร่อง เช่น การรั่วไหลของความชื้น ความเสื่อมของบล็อกวาล์ว รอยแตกบนผิว และการเสื่อมสภาพฉนวน