Dacă lucrați în jurul sistemelor electrice suficient de mult, începeți să dezvoltați un respect sănătos pentru fulgere. Nu genul de respect romantic pe care îl au oamenii când privesc o furtună răsturnând peste munți. Tipul practic, genul care vă face să verificați de două ori-conexiunile de împământare înainte de o lucrare și să întrebați inginerul de șantier dacă linia de distribuție trece deasupra sau subterană.
Paratrăsnetele sunt unul dintre acele dispozitive la care majoritatea oamenilor din afara industriei electrice nu s-au gândit niciodată, chiar dacă protejează în liniște aproape fiecare clădire, substație și turn de comunicații din lume. Acest articol detaliază ce sunt, cum funcționează, ce tipuri există și de ce alegerea descărcătoarelor contează mai mult decât își dau seama mulți cumpărători.
Paratrăsnet
Ce face de fapt un paratrăsnet
În esență, un paratrăsnet este un dispozitiv de limitare-tensiunii. Sta conectat între un conductor electric și pământ, fără a face absolut nimic în condiții normale de funcționare. În momentul în care sosește o supratensiune, fie de la o lovitură directă de fulger pe o linie de alimentare, fie de la un vârf de tensiune care are loc atunci când un transformator mare se oprește, descărcătorul se activează, creează o cale temporară cu rezistență scăzută-la masă și canalizează energia de supratensiune departe de tot ce se află în aval. Odată ce supratensiunea a trecut și tensiunea de linie scade înapoi la normal, descărcătorul revine la starea sa inactivă.
Această ultimă parte este demnă de remarcat. Spre deosebire de o siguranță, care se sacrifică pentru a proteja un circuit, un descărcător cu valori nominale adecvate este proiectat pentru a face față evenimentelor repetate de supratensiune fără a se arde. Se resetează automat și, în majoritatea cazurilor, echipamentul pe care îl protejează nici măcar nu înregistrează că s-a întâmplat ceva.
Comparația pe care o găsesc cea mai utilă este o scurgere într-o chiuvetă. Apa curge într-un ritm normal, iar scurgerea se menține fără niciun efort. Dar când cineva aruncă o găleată plină dintr-o dată, scurgerea se ocupă de creșterea bruscă și chiuveta nu se revarsă. Descărcătorul este scurgerea. Transformatorul, aparatul de comutare, electronicele sensibile din interiorul clădirii sunt chiuveta.
Unde numele devine confuz
Unul dintre primele lucruri în care se întâlnesc oamenii când încep să cerceteze acest subiect este o grămadă de terminologie care se suprapun. Paratrăsnet, paratrăsnet, paratrăsnet, deviator de supratensiune, izolator de trăsnet. Acești termeni sunt uneori folosiți interschimbabil și uneori înseamnă lucruri cu adevărat diferite, în funcție de cine vorbește și în ce context.
Iată un mod practic de a te gândi la distincții:
Un paratrăsnet (numit tehnic terminal de aer) este un dispozitiv extern montat în partea superioară a unei structuri. Sarcina sa este de a intercepta o lovitură directă și de a oferi curentului o cale controlată către sol printr-un conductor descendent. Protejează structura clădirii împotriva incendiilor sau a deteriorarii fizice. Nu face nimic pentru echipamentul electric din interior.
Un paratrăsnet în sensul tradițional se referă la dispozitivele instalate pe turnuri de transmisie și linii de distribuție exterioare. Acestea interceptează energia de supratensiune care călătorește de-a lungul liniei și o deviază înainte de a ajunge la o substație sau o clădire. În multe modele, descărcătorul nu face contact direct cu conductorul de linie. Sta în paralel și se activează numai atunci când tensiunea depășește un prag stabilit.
Un descărcător de supratensiune sau un protector de supratensiune este instalat în interiorul unei clădiri, de obicei la panoul electric principal. Se ocupă de tranzitorii de supratensiune care au trecut deja prin straturile de protecție exterioare.
Protecția completă necesită toate trei. Un paratrăsnet fără descărcător pe linia de intrare lasă în continuare sistemul electric expus la supratensiuni transportate de-a lungul conductorilor. Un descărcător pe linie fără un protector la supratensiune la nivel de panou-lasa ultimul kilometru neprotejat. Sari peste paratrăsnet înseamnă că o lovitură directă asupra clădirii poate copleși orice altceva. Fiecare strat face față unei amenințări diferite și sunt menite să lucreze împreună.
Cum funcționează dispozitivul în interior
Majoritatea paratrăsnetelor moderne sunt construite în jurul varistoarelor cu oxid de metal, numite în mod obișnuit MOV-uri. Materialul activ este oxidul de zinc, comprimat în discuri și stivuit în interiorul carcasei descărcătorului. Oxidul de zinc are o proprietate utilă: rezistența sa electrică se modifică dramatic în funcție de tensiunea aplicată pe el.
La tensiune normală de linie, oxidul de zinc prezintă o rezistență extrem de mare. Aproape niciun curent nu trece prin el, iar descărcătorul este efectiv invizibil pentru circuit. Când o supratensiune împinge tensiunea peste nivelul de protecție al descărcătorului, rezistența oxidului de zinc scade cu câteva ordine de mărime în microsecunde. Curentul inundă prin descărcător și în pământ, ocolind echipamentul protejat. Când supratensiunea se termină și tensiunea revine la normal, rezistența crește din nou, iar descărcătorul se liniștește din nou.
Modelele anterioare foloseau eclatoare și discuri cu carbură de siliciu, mai degrabă decât oxid de zinc, și le veți găsi în continuare în instalațiile mai vechi. Dispozitivul de despărțire a tijei, de exemplu, este doar două tije metalice poziționate strâns, cu un spațiu mic de aer între ele. Când tensiunea devine suficient de mare, aerul se ionizează și o scânteie sare între goluri, oferind o cale de descărcare. Simplu și robust, dar imprecis, iar arcul nu se stinge curat, ceea ce poate cauza probleme de urmărire-în sistem. Descărcătoarele de tip supapă-au adăugat blocuri din carbură de siliciu pentru a ajuta la limitarea curentului de urmărire după o supratensiune, îmbunătățind designul spațiului tijei, în același timp fiind sub ceea ce ar oferi tehnologia MOV în cele din urmă.
Tabelul de mai jos oferă o comparație rapidă a principalelor tipuri de descărcători pe care probabil le veți întâlni:
| Tip | Principiul de funcționare | Gama de tensiune | Utilizare tipică |
|---|---|---|---|
| Rod Gap | Ionizarea aerului printr-un spațiu fix | Scăzut spre mediu | Protecție de bază a transmisiei, sisteme mai vechi |
| Horn Gap | Arcul se stinge pe măsură ce golul se lărgește | Mediu | Distribuție rurală, substații vechi |
| Tip supapă (SiC) | Limitele de carbură de siliciu urmează curentul după incendiile în gol | Medie spre mare | Protecția rețelei moștenite |
| Oxid de metal (MOV) | Varistor ZnO, fără eclator, auto{0}}resetare | De la scăzut la foarte{0}}mai mare | Substații moderne, linii de distribuție, panouri |
| Paratrăsnet polimeric | Miez MOV cu carcasă din cauciuc siliconic | Distribuție la înaltă tensiune | Linii de exterior, medii de coastă și industriale |
| Clasa de stație | MOV de-capacitate mare, absorbție maximă de energie | Foarte mare până la ultra-mare | Substații mari, protecție generator |
De ce materialul carcasei nu este un detaliu minor
În cea mai mare parte a secolului al XX-lea, carcasele paratrăsnetului au fost realizate din porțelan sau sticlă călită. Ambele materiale fac treaba în mod adecvat în medii curate și stabile. Dar adecvat nu este același lucru cu ideal, iar experiența pe teren de-a lungul deceniilor a făcut clar limitările.
Porțelanul este greu. Pe un turn de transmisie care trece printr-un teren dificil, greutatea descărcătoarelor din porțelan se adună. Mai important, porțelanul se sparge violent atunci când un dispozitiv se defectează în condiții extreme de supratensiune. O carcasă din porțelan care explodează pe o structură de substație sub tensiune creează un pericol grav pentru oricine lucrează în apropiere și poate declanșa defecțiuni secundare în echipamentul din jurul acesteia.
Sticla are probleme similare. Ambele materiale acumulează, de asemenea, poluare de-a lungul timpului, în special în regiunile de coastă unde la suprafață se depun depuneri de pulverizare de sare sau în apropierea site-urilor industriale unde contaminanții chimici sunt obișnuiți. O suprafață murdară din porțelan sau sticlă poate dezvolta suficientă conductivitate pentru a provoca flashover pe vreme umedă, ceea ce încalcă scopul de a avea un opritor în primul rând.
Trecerea la carcase polimerice, în special compozite din cauciuc siliconic, a abordat majoritatea acestor probleme într-un mod practic. OParatrăsnet polimericde obicei cântărește cu 80 până la 90 la sută mai puțin decât o unitate de porțelan cu aceeași tensiune nominală. Suprafața cauciucului siliconic este în mod natural hidrofobă, ceea ce înseamnă că apa se desprind mai degrabă decât să se răspândească într-o peliculă conductivă subțire. Această proprietate hidrofobă își revine chiar și după ce suprafața a fost contaminată și curățată, ceea ce este o caracteristică pe care pur și simplu nu o au materialele ceramice.
Când un opritor de polimer eșuează, acesta eșuează într-un mod controlat. Carcasa se crapă sau se deschide mai degrabă decât să explodeze. Acest lucru contează semnificativ în ceea ce privește siguranța personalului și prevenirea deteriorării în cascadă a echipamentelor din apropiere.
Nimic din toate acestea nu înseamnă că opritoarele din porțelan sunt învechite. Ele încă mai servesc fiabil în multe instalații existente și există aplicații în care proprietățile lor termice oferă avantaje. Dar pentru construcțiile noi, în special pe liniile de distribuție exterioare în medii provocatoare, cazul ingineresc pentru carcasele din polimer este dificil de contestat.
Paratrăsnet din polimer VICTORY
Instalare și împământare
Un descărcător care nu este împământat corespunzător nu protejează cu adevărat nimic. Dispozitivul poate redirecționa curentul de supratensiune în terminalul de masă tot ce dorește, dar dacă electrodul de masă are rezistență mare sau conductorul care conectează descărcătorul la pământ este prea lung, energia de supratensiune nu se va disipa suficient de repede și tensiunea dăunătoare va apărea în continuare pe echipamentul protejat.
Conductorul de împământare trebuie să fie cât mai scurt și direct posibil. Fiecare metru suplimentar de conductor adaugă inductanță, care se traduce prin tensiune suplimentară în condiții de supratensiune. Electrodul de împământare în sine, fie că este o tijă antrenată, o placă îngropată sau un electrod-încapsulat în beton în fundația clădirii, trebuie să atingă o rezistență suficient de scăzută pentru a îndeplini cerințele de protecție ale sistemului. În majoritatea aplicațiilor de distribuție, aceasta înseamnă o rezistență la pământ de 10 ohmi sau mai puțin, iar în instalațiile electronice sensibile ținta este adesea sub 1 ohm.
În substații, descărcătoarele sunt instalate la fiecare bornă a transformatorului și la fiecare linie de intrare și de ieșire. Această poziționare asigură că supratensiunile care călătoresc de-a lungul oricărei linii sunt interceptate înainte de a putea ajunge la înfășurările transformatorului, care sunt printre cele mai scumpe și mai puțin înlocuibile componente dintr-o substație. În clădirile rezidențiale și comerciale ușoare, un întreg-descărcător de clădire la panoul de intrare de serviciu este abordarea standard, uneori completată de dispozitive de punct-de-utilizare la echipamente sensibile, cum ar fi servere sau instrumente medicale.
Selectarea opritorului potrivit
Alegerea unui descărcător de pe raft numai pe baza tensiunii nominale este o greșeală comună. Mai mulți parametri trebuie să se potrivească cu aplicația.
Tensiunea de funcționare continuă (COV) trebuie să fie cel puțin egală cu tensiunea continuă maximă pe care o va vedea descărcătorul în timpul funcționării normale a sistemului, inclusiv orice creștere a tensiunii care apare în condiții de defecțiune. Subdimensionarea COV duce la evadarea termică, unde descărcătorul se încălzește la tensiune normală și în cele din urmă se defectează.
Evaluarea energetică determină câtă energie de supratensiune poate absorbi descărcătorul fără a fi deteriorat. Un dispozitiv care se confruntă cu lovituri frecvente sau cu energie ridicată-, cum ar fi un descărcător de pe o linie de transmisie expusă pe un deal, are nevoie de o clasă energetică mai mare decât cea care protejează un panou interior într-un mediu cu expunere redusă-.
Nivelul de protecție, exprimat ca tensiune reziduală la un curent nominal de descărcare, determină cât de multă tensiune va vedea echipamentul protejat în timpul unei supratensiuni. O tensiune reziduală mai mică înseamnă o protecție mai bună pentru echipamentele sensibile, dar înseamnă, de obicei, și un preț mai mare. Nivelul de protecție trebuie să fie corelat cu ratingul de rezistență la impuls al oricărui lucru care se află în aval.
Linia de produse Polymer Parafulgere abordează multe dintre aceste cerințe de selecție într-o gamă largă de tensiuni, iar pentru aplicațiile de distribuție în aer liber, combinația dintre tehnologia MOV și carcasă din cauciuc siliconic acoperă majoritatea ceea ce caută operatorii moderni de rețea în ceea ce privește performanța, greutatea și fiabilitatea-pe termen lung în medii dificile.
O notă despre standarde
Descărcătoarele destinate aplicațiilor utilitare și industriale sunt testate conform IEC 60099 sau IEEE C62, în funcție de piață. Aceste standarde acoperă totul, de la teste de funcționare care simulează lovituri repetate de fulgere până la teste de poluare care expun carcasa la ceață sărată și la contaminanți industriali pe perioade îndelungate. Achiziționarea descărcătoarelor care poartă certificare la aceste standarde nu este opțională în majoritatea aplicațiilor profesionale. Este singura modalitate de a avea încredere că dispozitivul se va comporta de fapt așa cum este susținut atunci când sosește un val real.
Cumpărarea descarcatoarelor necertificate pentru a economisi bani pe o schemă de protecție a unei stații este o economie falsă. Costul unui transformator defect sau al unui ansamblu de comutație va micșora costul descărcătoarelor de multe ori.
Gândul de închidere
Protecția împotriva trăsnetului este unul dintre acele domenii în care ingineria este bine înțeleasă și instrumentele pentru a face treaba în mod corespunzător există și sunt disponibile pe scară largă. Cele mai multe defecțiuni în protecția împotriva trăsnetului provin nu din cauza faptului că tehnologia este inadecvată, ci din colțurile tăiate în timpul proiectării sau instalării, fiind specificate produse greșite pentru mediul înconjurător sau sistemul de împământare fiind neglijat deoarece este invizibil și lipsit de farmec.
Un paratrăsnet instalat corect, în locația potrivită, cu valori nominale potrivite și conectat la o masă solidă, va proteja infrastructura electrică timp de decenii fără întreținere. Aceasta este o rentabilitate rezonabilă a unei investiții modeste, motiv pentru care dispozitivul a fost o parte standard a designului sistemului de alimentare încă de la începuturile distribuției electrice.