Якщо ви досить довго працюєте навколо електричних систем, ви починаєте розвивати здорову повагу до блискавки. Не така романтична повага, яку люди відчувають, коли спостерігають, як над горами прокочується шторм. Практичний вид, такий, що змусить вас двічі-перевірити з’єднання заземлення перед роботою та запитати інженера на місці, чи проходить розподільна лінія над землею чи під землею.
Блискавкозрядники є одним із тих пристроїв, про які більшість людей поза електротехнічною промисловістю ніколи не думали, хоча вони тихо захищають майже кожну будівлю, підстанцію та комунікаційну вежу у світі. У цій статті пояснюється, що це таке, як вони працюють, які типи існують і чому вибір розрядника має більше значення, ніж усвідомлюють багато покупців.
Блискавкозрядники
Що насправді робить блискавкорозрядник
За своєю суттю грозовідвід є пристроєм-обмежування напруги. Він розташований між електричним провідником і землею, не роблячи абсолютно нічого за нормальних умов експлуатації. У момент виникнення стрибка напруги внаслідок прямого удару блискавки в лінію електропередачі чи стрибка напруги, що відбувається, коли великий трансформатор вимикається, розрядник активується, створює тимчасовий шлях із низьким -опором до землі та направляє енергію стрибка від усього, що знаходиться нижче за течією. Після того, як стрибок минув і мережева напруга впала до нормального, розрядник повертається в неактивний стан.
Останню частину варто відзначити. На відміну від запобіжника, який жертвує собою, щоб захистити ланцюг, розрядник належного номіналу розроблений для того, щоб витримувати повторювані стрибки напруги без перегорання. Він автоматично скидається, і в більшості випадків обладнання, яке воно захищає, ніколи навіть не реєструє, що щось сталося.
Найбільш корисним для мене є порівняння зливу в раковині. Вода надходить з нормальною швидкістю, і злив йде без жодних зусиль. Але коли хтось відразу вливає повне відро, зливний отвір справляється з раптовим стрибком води, і раковина не переповнюється. Розрядник зливний. Трансформатор, розподільний пристрій, чутлива електроніка всередині будівлі є раковиною.
Де ім’я стає незрозумілим
Одна з перших речей, з якими люди стикаються, коли починають досліджувати цю тему, — це купа термінології, що збігається. Блискавкозрядник, розрядник перенапруг, захист від перенапруг, відводник перенапруг, блискавкозахист. Ці терміни іноді використовуються як синоніми, а іноді вони означають справді різні речі залежно від того, хто говорить і в якому контексті.
Ось практичний спосіб подумати про відмінності:
Громовідвід (технічна назва — повітряний термінал) — це зовнішній пристрій, встановлений у верхній частині конструкції. Його завдання полягає в тому, щоб перехопити прямий удар і дати струму контрольований шлях до землі через струмовий провідник. Він захищає конструкцію будівлі від займання або фізичного пошкодження. Це не впливає на електричне обладнання всередині.
Блискавкозрядник у традиційному розумінні відноситься до пристроїв, встановлених на опорах електропередач і зовнішніх розподільних лініях. Вони перехоплюють сплеск енергії, що йде вздовж лінії, і відводять її до того, як вона досягне підстанції чи будівлі. У багатьох конструкціях розрядник не контактує безпосередньо з провідником лінії. Він працює паралельно і активується лише тоді, коли напруга перевищить встановлений поріг.
Обмежувач перенапруги або захист від перенапруги встановлюється всередині будівлі, як правило, на головній електричній панелі. Він справляється з перехідними процесами перенапруги, які вже пройшли крізь зовнішні захисні шари.
Повний захист вимагає всіх трьох. Громовідвід без розрядника на вхідній лінії залишає електричну систему під дією стрибків напруги, що переносяться по провідниках. Розрядник на лінії без панелі-захисника від перенапруг залишає останню милю незахищеною. Повне пропускання громовідводу означає, що прямий удар по будівлі може зруйнувати все інше. Кожен рівень обробляє різні загрози, і вони призначені для спільної роботи.
Як пристрій працює всередині
Більшість сучасних грозовідвідників побудовано на основі металооксидних варисторів, які зазвичай називають MOV. Активним матеріалом є оксид цинку, спресований у диски та укладений усередині корпусу розрядника. Оксид цинку має корисну властивість: його електричний опір різко змінюється залежно від прикладеної до нього напруги.
При нормальній напрузі мережі оксид цинку має надзвичайно високий опір. Через нього майже не протікає струм, і розрядник фактично невидимий для схеми. Коли сплеск підвищує напругу вище рівня захисту розрядника, опір оксиду цинку падає на кілька порядків за мікросекунди. Струм тече через розрядник і в землю, минаючи захищене обладнання. Коли сплеск закінчується і напруга повертається до нормального рівня, опір знову зростає, і розрядник знову замовкає.
У попередніх конструкціях використовувалися іскрові проміжки та диски з карбіду кремнію, а не оксид цинку, і ви все ще знайдете їх у старих установках. Наприклад, розрядник зазору стрижня — це лише два металеві стрижні, розташовані близько один до одного з невеликим повітряним зазором між ними. Коли напруга стає достатньо високою, повітря іонізується, і іскра проскакує через проміжок, забезпечуючи шлях розряду. Простий і міцний, але неточний, і дуга не гасне чітко, що може спричинити наступні-проблеми в системі. Розрядники клапанного-типу додали блоки з карбіду кремнію, щоб допомогти обмежити повторний струм після сплеску, покращивши конструкцію зазору між стрижнями, але все ще не досягаючи того, що зрештою запропонує технологія MOV.
У наведеній нижче таблиці наведено швидке порівняння основних типів розрядників, з якими ви можете зіткнутися:
| Тип | Принцип дії | Діапазон напруги | Типове використання |
|---|---|---|---|
| Розрив штанги | Іонізація повітря через фіксований зазор | Від низького до середнього | Базовий захист трансмісії, старі системи |
| Горн Гап | Дуга гасне, коли розрив збільшується | Середній | Сільська розподільча, застарілі підстанції |
| Тип клапана (SiC) | Обмеження карбіду кремнію відповідають струму після спалаху розриву | Від середнього до високого | Захист старої мережі |
| Оксид металу (MOV) | Варістор ZnO, без іскрового проміжку, само-відновлення | Від низького до над-високого | Сучасні підстанції, розподільні лінії, щитові |
| Полімерний грозовідвід | Сердечник MOV з корпусом із силіконової гуми | Розподіл високої напруги | Зовнішні лінії, прибережні та промислові середовища |
| Клас станції | Висока-ємність MOV, максимальне поглинання енергії | Від дуже високого до над-високого | Великі підстанції, захист генератора |
Чому матеріал корпусу не є другорядною деталлю
Більшу частину двадцятого століття корпуси грозовідвідників виготовлялися з порцеляни або загартованого скла. Обидва матеріали добре справляються зі своєю роботою в чистому стабільному середовищі. Але адекватний — це не те саме, що ідеальний, і польовий досвід протягом десятиліть чітко показав обмеження.
Порцеляна важка. На вежі електропередачі, що проходить по складній місцевості, вага порцелянових розрядників збільшується. Що ще важливіше, порцеляна сильно розбивається, коли пристрій виходить з ладу в умовах екстремальних перенапруг. Порцеляновий корпус, який вибухає на конструкції підстанції під напругою, створює серйозну небезпеку для тих, хто працює поблизу, і може викликати вторинні несправності в обладнанні навколо нього.
Скло має подібні проблеми. Обидва матеріали також накопичують забруднення з часом, особливо в прибережних регіонах, де соляні бризки осідають на поверхні, або поблизу промислових об’єктів, де поширені хімічні забруднення. Брудна порцелянова або скляна поверхня може розвинути достатню провідність, щоб викликати спалах під час вологої погоди, що взагалі перешкоджає наявності розрядника.
Перехід до полімерних корпусів, зокрема композитів із силіконової гуми, вирішив більшість цих проблем практичним способом. АПолімерний грозовідвідзазвичай важить на 80-90 відсотків менше, ніж порцеляновий блок тієї самої напруги. Поверхня силіконової гуми є природно гідрофобною, тобто вода зливається, а не розтікається в тонку провідну плівку. Ця гідрофобна властивість відновлюється навіть після того, як поверхня була забруднена та очищена, що є характеристикою, якої керамічні матеріали просто не мають.
Коли полімерний розрядник виходить з ладу, він виходить з ладу контрольованим чином. Корпус тріскається або відкривається, а не вибухає. Це має велике значення з точки зору безпеки персоналу та запобігання каскадному пошкодженню обладнання поблизу.
Це не означає, що порцелянові розрядники застаріли. Вони все ще надійно служать у багатьох існуючих установках, і є застосування, де їхні термічні властивості пропонують переваги. Але для нового будівництва, особливо на зовнішніх розподільних лініях у складних умовах, важко сперечатися з технічним аргументом для полімерних корпусів.
Полімерний грозовідвід VICTORY
Монтаж і заземлення
Розрядник, який не заземлений належним чином, насправді нічого не захищає. Пристрій може як завгодно відводити імпульсний струм на клему заземлення, але якщо заземлюючий електрод має високий опір або провідник, що з’єднує розрядник із землею, занадто довгий, імпульсна енергія не розсіюється досить швидко, і на захищеному обладнанні все одно з’являтиметься шкідлива напруга.
Заземлювач повинен бути максимально коротким і прямим. Кожен додатковий метр провідника додає індуктивність, яка перетворюється на додаткову напругу в умовах стрибків напруги. Сам заземлюючий електрод, незалежно від того, чи є це стрижень із приводом, заглиблена плита чи електрод із бетонною-корпусом у фундаменті будівлі, має мати досить низький опір, щоб відповідати вимогам захисту системи. У більшості застосувань розподілу це означає опір заземлення 10 Ом або менше, а в чутливих електронних установках цільове значення часто нижче 1 Ом.
На підстанціях розрядники встановлюються на кожному затискачі трансформатора і на кожній вхідній і вихідній лінії. Таке розташування гарантує, що перенапруги, що проходять по будь-якій лінії, перехоплюються до того, як вони досягнуть обмоток трансформатора, які є одними з найдорожчих і найменш замінних компонентів на підстанції. У житлових і невеликих комерційних будівлях стандартним підходом є розрядник-будівлі на панелі службового входу, який іноді доповнюється пристроями-{4}}використання для чутливого обладнання, наприклад серверів або медичних інструментів.
Вибір правильного розрядника
Вибір розрядника з полиці лише на основі номінальної напруги є поширеною помилкою. Кілька параметрів повинні відповідати програмі.
Безперервна робоча напруга (COV) має бути принаймні рівною максимальній безперервній напрузі, яку буде спостерігати розрядник під час нормальної роботи системи, включно з будь-яким підвищенням напруги, яке виникає під час несправності. Заниження розміру COV призводить до теплового розбігу, де розрядник нагрівається під нормальною напругою і врешті-решт виходить з ладу.
Енергетичний рейтинг визначає, скільки енергії перенапруг може поглинути розрядник без пошкодження. Пристрій, який стикається з частими або високими-енергетичними ударами, як-от розрядник на відкритій лінії електропередачі на вершині пагорба, потребує вищого класу енергії, ніж той, який захищає внутрішню панель у середовищі з низьким{2}}опроміненням.
Рівень захисту, виражений як залишкова напруга при номінальному струмі розряду, визначає, яку напругу захищене обладнання фактично отримуватиме під час стрибка напруги. Нижча залишкова напруга означає кращий захист чутливого обладнання, але також зазвичай означає вищу ціну. Рівень захисту має бути зіставлений із рейтингом витримки імпульсу будь-якого обладнання, розташованого нижче.
Лінійка продуктів Polymer Lightning Arrester відповідає багатьом із цих вимог до вибору в широкому діапазоні напруг, а для застосувань зовнішнього розподілу поєднання технології MOV і корпусу з силіконової гуми покриває більшість того, що шукають сучасні оператори електромереж щодо продуктивності, ваги та тривалої -надійності в складних умовах.
Примітка щодо стандартів
Розрядники, призначені для комунальних і промислових застосувань, тестуються на відповідність IEC 60099 або IEEE C62, залежно від ринку. Ці стандарти охоплюють усе: від робочих випробувань, які імітують повторювані удари блискавки, до випробувань на забруднення, які піддають корпус соляному туману та промисловим забрудненням протягом тривалого часу. Придбання розрядників, сертифікованих за цими стандартами, не є обов’язковим у більшості професійних застосувань. Це єдиний спосіб мати впевненість у тому, що пристрій справді поводитиметься так, як заявлено, коли прийде справжній сплеск.
Купівля несертифікованих розрядників для економії коштів на схемі захисту підстанції – це помилкова економія. Вартість несправного трансформатора або вузла розподільного пристрою багаторазово перевищить вартість розрядників.
Заключна думка
Блискавкозахист є однією з тих галузей, де інженерія добре зрозуміла, а інструменти для належного виконання роботи існують і широко доступні. Більшість несправностей у захисті від блискавки виникає не через невідповідність технології, а через обрізання кутів під час проектування чи монтажу, неправильні продукти, призначені для навколишнього середовища, або недбалість системи заземлення, оскільки вона невидима та неприваблива.
Правильно встановлений блискавкозахист, у правильному місці, з потрібними параметрами та підключений до міцного заземлення, захищатиме електричну інфраструктуру протягом десятиліть без технічного обслуговування. Це розумна віддача від скромних інвестицій, тому, ймовірно, пристрій був стандартною частиною проектування системи живлення з перших днів розподілу електроенергії.