Kuinka purkaussuojat suojaa sähköteknistä laitteistoa?

Purkaussuojan toimintaperiaate: jännitteellä aktivoitu piikinsuojaus

Kynnystasoon perustuva aktivointi: eristää normaalijännitteellä, johtaa piikin aikana

Purkauspuolisuojat toimivat tavallaan älykkäinä kytkiminä, joilla on kaksi päätoimintatilaa. Kun kaikki toimii normaalisti tai alle 100 % nimellisarvostaan, sisäosat koostuvat pääasiassa niistä metallioksidivaristorilevyistä, joita kutsutaan MOV-levyiksi. Nämä komponentit osoittavat erinomaista resistanssia, joka voi olla yli miljoona ohmia, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että ne toimivat hyvinä eristeinä ja estävät minkään virran kulkemisen maahan. Tämä auttaa pitämään tehohäviöt pieninä ja estää häiriöitä, kun tilanne on vakaa. Jos kuitenkin sähköjännitteessä tapahtuu äkkinäinen piikki esimerkiksi salamaniskun tai kytkentätoimintojen seurauksena ja jännite ylittää huolellisesti asetetun aktivoitumispisteen – joka on yleensä noin 20–40 % normaalijännitettä korkeampi – purkauspuolisuojan toiminta käynnistyy lähes välittömästi, miljardisosissa sekunnissa. Tässä vaiheessa se muodostaa erinomaisen alhaisen resistanssin polun maadoitukseen, joka voi olla jopa alle yhden ohmin, ja ohjaa valtavia ylijännitevirtoja, jotka voivat ylittää 100 000 ampeeria, pois suojeltavasta laitteistosta. Kun jännitepiikki on ohitse ja tilanne palautuu normaalitoimintaan, purkauspuolisuojan toiminta nollautuu automaattisesti takaisin korkearesistanssitilaan. Tämä itsenäinen nollaustaito pitää suojan valmiina koko ajan ilman, että arkinen jännitemuutos vaikuttaisi siihen, ja mikä tärkeintä, se aktivoituu paljon ennen kuin liitetty laitteisto saattaisi vaurioitua saavuttamalla eristyskykynsä maksimiarvon.

Metallioksidivaristori (MOV) -tekniikka ja epälineaariset jännite-virta-ominaisuudet

Nykyiset ylijännitesuojauslaitteet perustuvat voimakkaasti metallioksidivaristori- (MOV-) teknologiaan, joka perustuu sinteröityihin sinkkioksidikiekkoihin (ZnO), joissa on sekoitettuna vismuttia ja erilaisia muita metalliyhdisteitä. Näiden materiaalien erityisominaisuus on kyky luoda tuon ratkaisevan epälineaarisen suhteen jännitteen ja virran välille, joka tarvitaan tehokkaaseen ylijännitesuojaukseen. Normaalissa käytössä vuotovirta pysyy hyvin alhaisena, usein alle 1 milliampeerin, koska materiaali toimii lähes äärettömän suuren vastuksen tavoin. Kun kuitenkin tapahtuu jännitepiikki, elektronit alkavat liikkua pienien ZnO-jyvästen välisten rakojen läpi, mikä aiheuttaa vastuksen dramaattisen laskun. Tämä mahdollistaa suurten virtojen kulkeutumisen läpi samalla kun jännitetaso pidetään tiukasti hallinnassa. Näiden materiaalien suorituskykykäyrä on huomattavasti jyrkempi verrattuna vanhempiin vaihtoehtoihin, kuten piikarbidi- tai välyksetön suojauslaitteisiin, ja tyypillinen eksponenttiarvo vaihtelee 30–50 välillä. Tämä ominaisuus mahdollistaa MOV-perusteisten suojauslaitteiden tarjoaman erinomaisen suojan sähköisten ylijännitteiden varalta nykyaikaisissa sähköverkoissa.

• Vasteajat alle 25 ns
• Jännitteen rajoitussuhteet 2:1–3:1
• Energian absorptiokyky yli 20 kJ kiekkoa kohden

Niiden itseparantava mikrorakenne kestää toistuvia ylijännitesuojauksia ilman pysyvää heikkenemistä, mikä varmistaa pitkäaikaisen koordinoinnin laitteiden peruseristystason (BIL) arvojen kanssa.

Ylijännitteiden ohjaus ja maadoituspolun hallinta

Alhaisen impedanssin muodostaminen maahan transienttivirtojen kulkupolkuksi

Hyvä ylijännitesuojaus riippuu todella siitä, että luodaan vahva ja alhainen impedanssiyhteys välimuuntimen ja maan välille. Ihanteellisessa tapauksessa maadoituksen resistanssin tulisi pysyä alle 1 ohmin jokaista laskevaa johtoa kohden. Kun salama iskee tai ylijännite-ilmiöitä tapahtuu, tämä asennus pitää jännitepiikit hallinnassa vähentämällä jännitteen V = I × Z -yhtälöä purkautumistapahtumien aikana. Ilman asianmukaista maadoitusta laitteet voivat altistua vaarallisille jännite-eroille, jotka vahingoittavat komponentteja ajan myötä. Kaikki metalliosat on myös kytkettävä toisiinsa: muuntajakoteloja, suuria piirinkatkaisinlaatikoita, eristimiä ja jopa rakenteellista terästä on yhdistettävä yhteen alhaista impedanssia omaavaan maaverkkoon. Järjestelmät, joissa ei ole tällaista koordinoitua maadoitusta, epäonnistuvat noin 20 % useammin ylijännitteiden vuoksi. Miksi? Hallitsemattomat jännitegradientit aiheuttavat kaaria ja rasittavat eristysmateriaaleja. Muista: kun transienttivirrat iskevät, ne kulkevat aina sen reitin kautta, joka tarjoaa pienimmän vastuksen, ei välttämättä lyhimmmän reitin. Maadoitus ei siis ole vain hyvä lisäominaisuus – se on ehdottoman välttämätön kaiken välimuuntimijärjestelmän oikeaan toimintaan.

Energian dissipaatio ilman lämpöä ylikuormitusta tai järjestelmän ylikuormitusta

Metallioksidivaristoriin (MOV) perustuvat ylijännitesuojauslaitteet toimivat sitomalla ja poistamalla ylijännite-energian ohjatun johtavuuden avulla, joka voidaan tarvittaessa kääntää takaisin, eikä niissä enää tarvita vanhentuneita uhrihaaroja tai kaasun vapauttamismekanismeja. Näiden laitteiden tehokkuuden taustalla ovat niiden epälineaariset resistanssiominaisuudet, jotka mahdollistavat nopean vaihtelun eristäjästä johtimeksi ja päinvastoin. Tämä auttaa pitämään jäännösjännitteet alhaisina, vaikka kyseessä olisikin tuhansia ampeereja mittaava valtava virtahuippu. Myös lämpötilänsuunnittelu on integroitu suoraan näiden suojauslaitteiden rakenteeseen: kun ne absorboivat energiaa, lämpö jakautuu tasaisesti yhdistelmälevyn rakenteen ja ulkokoteloitteen kautta eikä kerty kuhunkin tiettyyn kohtaan, mikä estää kuumien kohdien muodostumisen tai pahimmassa tapauksessa lämpötilan karkaamisen hallinnasta. EPRI:n kenttätiedot osoittavat, että oikein mitoitetut ja asennetut laitteet vähentävät laitteiston vikoja noin kaksi kolmasosaa käytännön sovelluksissa. Tämän luotettavuuden syy on se, että nämä suojauslaitteet pysyvät useimmiten turvallisella käyttölämpötilalla ja suojaavat tärkeitä alapuolisia komponentteja, kuten muuntajia ja kytkinlaitteistoja, lisäämättä ylimääräistä kuormitusta itse sähköverkkoon.

Jäännösjännite ja eristyskoordinaatio luotettavaa suojaa varten

Sovitetaan varaussuojaimen jäännösjännite laitteiden BIL-arvoihin

Jäännösjännite, joka on periaatteessa suurin jännite, jonka mitaamme kyseisten suojauslaitteiden napojen välillä ylikuormitustilanteessa, erottautuu todennäköisesti tärkeimmäksi tekijäksi eristysjärjestelmien koordinoinnissa. Laitteiden asianmukaiseen suojaamiseen tämän arvon on pysyttävä selvästi alle niin kutsutun peruseristystason (BIL) arvon kyseisille liitetyille laitteille. EPRI:n tutkimusten mukaan kun jäännösjännite ylittää noin 85 % kyseisestä BIL-kynnyksestä, vaaratilanteet alkavat syntyä nopeasti. Tutkimustiedot osoittavat itse asiassa noin 72 %:n nousun dielektristen vikojen määrässä pelkästään muuntajien käämityksissä. Nykyaikaisten metallioksidivaristorien (MOV) suojauslaitteiden avulla voidaan rajoittaa ylikuormituksia hyvin tarkasti parempien kiekkojen pinnoittelutekniikoiden ja parantuneiden jakotekniikoiden ansiosta. Nämä edistysaskeleet auttavat säilyttämään jäännösjännitteen vakiona myös erinomaisen korkeiden virtojen yhteydessä. Tämän saavuttaminen edellyttää useiden perusasioiden huomiointia koordinaatioprosessissa.

• Varmistetaan, että enimmäisjäännösjännite (nimellisella purkuvirralla) on 85 % laitteiston BIL-arvosta
• Otetaan huomioon induktiivinen jännitteen nousu maadoitustekijöissä, erityisesti korkean dI/dt:n aiheuttamissa ylijännitesuuruksissa
• Tarkistetaan turvamarginaalit uudelleen järjestelmän päivitysten tai vikavirtatasojen muutosten jälkeen

Tämä järjestelmällinen lähestymistapa estää katastrofaaliset eristysvikat ja välttää sähköasemien katkokset, joiden korjaus-, pysähtyneisyyden ja sivullisten vahinkojen kustannukset voivat ylittää 500 000 dollaria.

Käytännön sovellus: Muuntajien, pääkytkinten ja sähköasemien suojaaminen

Purkausvaraimet toimivat tärkeiden sähköverkkojen ensisijaisena suojana, ohjaamalla haitallisesta ylijännitesuuruudesta aiheutuva energia pois herkistä osista ennen vaurion syntymistä. Kun käsitellään muuntajia, erityisesti öljyllä täytettyjä muuntajia, asentajat sijoittavat purkausvaraimet suoraan korkeajännitepulttien viereen suojatakseen käämityksen eristystä. Ilman asianmukaista suojaa äkilliset sähköiset ylijännitesuuruudet voivat johtaa näissä laitteissa katastrofaalisiin vioihin juuri niiden terävien jännitepiikkien vuoksi. Pääkytkimet aiheuttavat toisen haasteen, sillä ne tuottavat kytkentäylijännitesuuruuden katkaistaessaan virtaa. Purkausvaraimet auttavat rajoittamalla näitä jännitehuippuja, jotka muuten voivat kuluttaa kosketuksia nopeammin tai häiritä kaarien sammuttamista. Koko sähköasemassa insinöörit sijoittavat purkausvaraimet useisiin kohtiin, mukaan lukien syöttölinjojen sisääntulot, väyläliitokset ja tärkeän laitteiston läheisyyteen, muodostaakseen useita suojarakenteita. Tämä menetelmä estää ylijännitesuuruuden leviämisen yhdistettyjen laitteiden välillä, ja IEEE:n tutkimusten mukaan se vähentää muuntajavikoja noin 40 %:lla alueilla, joita uhkaa voimakas salama-isku. Myös perusperiaate ohjaa asennuspäätöksiä: purkausvarain on sijoitettava suojattavaan laitteeseen mahdollisimman lähelle verrattuna muihin paikkoihin, joihin ylijännitesuuruus saattaa päästä, jotta sähkövirta kulkee luonnollisesti helpoimmalla reitillä purkausvaraimen kautta eikä vahingoita eristysmateriaaleja.

Usein kysytyt kysymykset (UKK) pilveniskunestimistä

Mikä on pilveniskunestin?

Pilveniskunestin on laite, jota käytetään sähköverkoissa laitteiden suojaamiseen korkean jännitteen ylijännitteiltä, jotka johtuvat salamasta tai kytkentätapahtumista. Se tekee tämän tarjoamalla matalaresistanssin maadoituspolun, joka ohjaa ylimääräisen sähkövirran turvallisesti pois herkistä komponenteista.

Kuinka pilveniskunestimet toimivat?

Pilveniskunestimet toimivat pysymällä korkearesistanssisessa tilassa normaalien jännitetilojen aikana, jolloin ne toimivat eristiminä. Kun ylijännitteet ylittävät ennalta määritellyn kynnystason, estin siirtyy nopeasti matalaresistanssiseen tilaan ja ohjaa korkeajännitteisen virran tehokkaasti maahan, mikä suojaa järjestelmää.

Mikä on metallioksidivaristorin (MOV) rooli pilveniskunestimissä?

Metalliotson varistorit eli MOV:t (Metal Oxide Varistors) ovat ratkaisevan tärkeitä salamanpoistimissa niiden epälineaaristen jännite-virta-ominaisuuksien ansiosta. Normaalissa toimintatilanteessa ne osoittavat korkeaa resistanssia ja vähäistä vuotovirtaa. Ylikuormitustilanteissa niiden resistanssi laskee merkittävästi, mikä mahdollistaa suurten virtojen kulkemisen ja suojaa laitteita liiallisilta jännitetasoilta.

Miksi maadoitus on tärkeää salamanpoistimille?

Maadoitus on ratkaisevan tärkeää, jotta salamanpoistin pystyy johtamaan ylikuormitusvirrat turvallisesti maahan. Alhaisen impedanssin maadoituspolut minimoivat laitteiston vaurioitumisen riskin estämällä jännitepiikit ja vähentämällä vaarallisesti suuria potentiaalieroja komponenttien välillä.