Ako dovoljno dugo radite oko električnih sustava, počinjete razvijati zdravo poštovanje prema munjama. Nije romantična vrsta poštovanja koju ljudi imaju kada gledaju oluju koja se kotrlja preko planina. Praktična vrsta, vrsta koja vas tjera da dvaput-provjerite svoje veze uzemljenja prije posla i pitate inženjera gradilišta ide li distribucijski vod iznad ili ispod zemlje.
Odvodnici munje jedan su od onih uređaja o kojima većina ljudi izvan elektroindustrije nikada nije razmišljala, iako tiho štite gotovo svaku zgradu, trafostanicu i komunikacijski toranj na svijetu. Ovaj članak razlaže što su, kako rade, koje vrste postoje i zašto je izbor odvodnika važniji nego što mnogi kupci shvaćaju.
Odvodnici munje
Što odvodnik munje zapravo radi
U svojoj jezgri, odvodnik munje je uređaj za-ograničavanje napona. Nalazi se spojen između električnog vodiča i uzemljenja, ne radeći apsolutno ništa u normalnim radnim uvjetima. U trenutku kada dođe do prenapona, bilo od izravnog udara groma u dalekovod ili od skoka napona koji se događa kada se veliki transformator isključi, odvodnik se aktivira, stvara privremenu stazu niskog-otpora do uzemljenja i kanalizira energiju prenapona dalje od svega nizvodno. Nakon što prenapon prođe i linijski napon padne na normalu, odvodnik se vraća u neaktivno stanje.
Taj posljednji dio je vrijedan pažnje. Za razliku od osigurača, koji se žrtvuje kako bi zaštitio strujni krug, odvodnik ispravnog ranga dizajniran je da podnese ponovljene prenaponske događaje bez pregaranja. Automatski se resetira, a u većini slučajeva oprema koju štiti nikad niti ne registrira da se nešto dogodilo.
Usporedba koju smatram najkorisnijom je odvod u sudoperu. Voda dotječe normalnom brzinom, a odvod nastavlja bez ikakvog napora. Ali kad netko odjednom ispusti punu kantu, odvod se nosi s iznenadnim valom i sudoper se ne prelijeva. Odvodnik je odvod. Transformator, razvodni uređaj, osjetljiva elektronika unutar zgrade su sudoper.
Gdje ime postaje zbunjujuće
Jedna od prvih stvari na koje ljudi naiđu kada počnu istraživati ovu temu je hrpa terminologije koja se preklapa. Odvodnik munje, odvodnik prenapona, zaštita od prenapona, razvodnik prenapona, izolator munje. Ovi se izrazi ponekad koriste naizmjenično, a ponekad znače stvarno različite stvari ovisno o tome tko govori iu kojem kontekstu.
Evo praktičnog načina razmišljanja o razlikama:
Gromobran (tehnički nazvan zračni terminal) je vanjski uređaj montiran na vrhu strukture. Njegov je posao presresti izravan udar i dati struji kontrolirani put do zemlje kroz spušteni vodič. Štiti konstrukciju zgrade od požara ili fizičkog oštećenja. Ne čini ništa za električnu opremu unutra.
Odvodnik munje u tradicionalnom smislu odnosi se na uređaje instalirane na prijenosnim tornjevima i vanjskim distribucijskim vodovima. Oni presreću udarnu energiju koja putuje duž linije i preusmjeravaju je prije nego što stigne do trafostanice ili zgrade. U mnogim izvedbama odvodnik ne dolazi u izravan kontakt s vodičem. Sjedi paralelno i aktivira se samo kada napon prijeđe postavljeni prag.
Odvodnik prenapona ili zaštita od prenapona instaliran je unutar zgrade, obično na glavnoj električnoj ploči. On se nosi s prijelaznim pojavama prenapona koji su već prošli kroz vanjske zaštitne slojeve.
Potpuna zaštita zahtijeva sve troje. Gromobran bez odvodnika na dolaznoj liniji i dalje ostavlja električni sustav izložen prenaponima nošenim duž vodiča. Odvodnik na liniji bez ploče-prenaponske zaštite ostavlja posljednju milju nezaštićenom. Potpuno preskakanje gromobrana znači da izravan udar na zgradu može nadvladati sve ostalo. Svaki sloj obrađuje različite prijetnje i oni su namijenjeni da rade zajedno.
Kako uređaj radi iznutra
Većina modernih odvodnika munje izgrađena je oko varistora metalnih oksida, koji se obično nazivaju MOV. Aktivni materijal je cinkov oksid, komprimiran u diskove i složen unutar kućišta odvodnika. Cinkov oksid ima korisno svojstvo: njegov se električni otpor dramatično mijenja ovisno o naponu koji se na njega primjenjuje.
Pri normalnom mrežnom naponu, cinkov oksid predstavlja izuzetno visoku otpornost. Kroz njega ne teče gotovo nikakva struja, a odvodnik je zapravo nevidljiv za krug. Kada val gurne napon iznad razine zaštite odvodnika, otpor cinkovog oksida opada za nekoliko redova veličine u mikrosekundama. Struja teče kroz odvodnik i u zemlju, zaobilazeći zaštićenu opremu. Kada prenapon prestane i napon se vrati na normalu, otpor ponovno raste i odvodnik se ponovno utiša.
Raniji dizajni koristili su iskrišta i diskove od silicij-karbida umjesto cinkovog oksida, a još uvijek ćete ih naći u starijim instalacijama. Odvodnik zazora šipke, na primjer, samo su dvije metalne šipke smještene blizu jedna uz drugu s malim zračnim rasporom između njih. Kada napon postane dovoljno visok, zrak se ionizira i iskra preskače prazninu, stvarajući put pražnjenja. Jednostavan i robustan, ali neprecizan, a luk se ne gasi čisto, što može uzrokovati-probleme u sustavu. Ventilski-odvodnici dodali su blokove od silicij-karbida kako bi pomogli u ograničavanju prateće struje nakon prenapona, poboljšavajući dizajn razmaka šipke, a još uvijek nedostižući ono što bi MOV tehnologija mogla ponuditi.
Donja tablica daje brzu usporedbu glavnih tipova odvodnika s kojima ćete se vjerojatno susresti:
| Tip | Princip rada | Raspon napona | Tipična uporaba |
|---|---|---|---|
| Rod Gap | Ionizacija zraka preko fiksnog razmaka | Niska do srednja | Osnovna zaštita prijenosa, stariji sustavi |
| Horn Gap | Luk se gasi kako se razmak širi | srednje | Ruralna distribucija, stare trafostanice |
| Vrsta ventila (SiC) | Ograničenja silicijevog karbida slijede struju nakon paljenja razmaka | Srednje do visoko | Zaštita naslijeđene mreže |
| Metalni oksid (MOV) | ZnO varistor, bez iskrišta, samo{0}}ponovno postavljanje | Od niske do iznimno-visoke | Moderne trafostanice, razvodni vodovi, panel ploče |
| Polimerni odvodnik munje | MOV jezgra s kućištem od silikonske gume | Razvod na visoki napon | Vanjske linije, obalna i industrijska okruženja |
| Stanica Klasa | MOV velikog-kapaciteta, maksimalna apsorpcija energije | Vrlo visok do ultra-visok | Velike trafostanice, zaštita generatora |
Zašto materijal kućišta nije bitan detalj
Veći dio dvadesetog stoljeća kućišta odvodnika munje izrađivana su od porculana ili kaljenog stakla. Oba materijala dobro obavljaju posao u čistim, stabilnim okruženjima. Ali adekvatno nije isto što i idealno, a iskustvo na terenu tijekom desetljeća jasno je pokazalo ograničenja.
Porcelain is heavy. On a transmission tower running through difficult terrain, the weight of porcelain arresters adds up. More importantly, porcelain shatters violently when a device fails under extreme surge conditions. A porcelain housing that explodes on a live substation structure creates a serious hazard for anyone working nearby and can trigger secondary faults in the equipment around it.
Staklo ima slične probleme. Oba materijala također akumuliraju onečišćenje tijekom vremena, posebno u obalnim regijama gdje se slani sprej taloži na površini ili u blizini industrijskih mjesta gdje su kemijski kontaminanti uobičajeni. Prljava porculanska ili staklena površina može razviti dovoljnu vodljivost da izazove bljesak tijekom vlažnog vremena, što poražava svrhu postojanja odvodnika.
Prelazak na kućišta od polimera, posebno kompozita od silikonske gume, riješio je većinu ovih problema na praktičan način. APolimerni odvodnik munjeobično teži 80 do 90 posto manje od porculanske jedinice istog nazivnog napona. Površina od silikonske gume je prirodno hidrofobna, što znači da se vodene kuglice odvajaju umjesto da se šire u tanki vodljivi film. Ovo hidrofobno svojstvo se obnavlja čak i nakon što je površina kontaminirana i očišćena, što je karakteristika koju keramički materijali jednostavno nemaju.
Kad polimerni odvodnik otkaže, otkaže na kontrolirani način. Kućište puca ili otvara ventile umjesto da eksplodira. To je značajno u smislu sigurnosti osoblja i sprječavanja kaskadnog oštećenja obližnje opreme.
Ništa od ovoga ne znači da su porculanski odvodnici zastarjeli. Još uvijek pouzdano služe u mnogim postojećim instalacijama, a postoje i primjene u kojima njihova toplinska svojstva nude prednosti. Ali za nove konstrukcije, posebno na vanjskim distribucijskim vodovima u izazovnim okruženjima, teško je raspravljati protiv inženjerskih razloga za kućišta od polimera.
VICTORY Polimerni odvodnik munje
Montaža i uzemljenje
Odvodnik koji nije pravilno uzemljen zapravo ništa ne štiti. Uređaj može preusmjeriti udarnu struju u terminal uzemljenja koliko god želi, ali ako elektroda za uzemljenje ima veliki otpor ili je vodič koji povezuje odvodnik s uzemljenjem predugačak, energija udara neće se raspršiti dovoljno brzo i štetni napon će se i dalje pojaviti na zaštićenoj opremi.
Vodič za uzemljenje treba biti što kraći i izravniji. Svaki dodatni metar vodiča dodaje induktivitet, što se prevodi u dodatni napon u uvjetima prenapona. Sama elektroda za uzemljenje, bilo da se radi o pogonskoj šipki, ukopanoj ploči ili betonskoj-elektrodi u temeljima zgrade, treba postići dovoljno nizak otpor da zadovolji zahtjeve zaštite sustava. U većini distribucijskih aplikacija to znači otpor uzemljenja od 10 ohma ili manje, au osjetljivim elektroničkim instalacijama cilj je često ispod 1 ohma.
U trafostanicama se odvodnici ugrađuju na svaki terminal transformatora i na svaki dolazni i odlazni vod. Ovo pozicioniranje osigurava presretanje prenapona koji putuju duž bilo koje linije prije nego što dođu do namota transformatora, koji su među najskupljim i najmanje zamjenjivim komponentama u trafostanici. U stambenim i lakim poslovnim zgradama standardni je pristup-odvodnik cijele zgrade na ulaznoj ploči servisa, ponekad dopunjen uređajima-{4}}točke upotrebe na osjetljivoj opremi poput poslužitelja ili medicinskih instrumenata.
Odabir pravog odvodnika
Odabir odvodnika s police samo na temelju nazivnog napona uobičajena je pogreška. Nekoliko parametara mora odgovarati aplikaciji.
Kontinuirani radni napon (COV) mora biti najmanje jednak maksimalnom kontinuiranom naponu koji će odvodnik vidjeti tijekom normalnog rada sustava, uključujući bilo koji porast napona koji se dogodi tijekom stanja kvara. Premalo dimenzioniranje COV dovodi do toplinskog odlaska, gdje se odvodnik zagrijava pod normalnim naponom i na kraju otkaže.
Energetska ocjena određuje koliko energije prenapona odvodnik može apsorbirati bez oštećenja. Uređaj koji je izložen čestim ili visoko{1}}energetskim udarima, kao što je odvodnik na izloženom dalekovodu na vrhu brda, treba višu energetsku klasu od one koja štiti unutarnju ploču u okruženju niske-izloženosti.
Razina zaštite, izražena kao rezidualni napon pri nazivnoj struji pražnjenja, određuje koliki će napon zaštićena oprema stvarno imati tijekom prenapona. Niži preostali napon znači bolju zaštitu za osjetljivu opremu, ali obično znači i višu cijenu. Razinu zaštite treba uskladiti s ocjenom otpornosti na impulse bilo čega što je nizvodno.
Linija proizvoda Polymer Lightning Arrester ispunjava mnoge od ovih zahtjeva odabira u širokom rasponu napona, a za vanjske distribucijske primjene kombinacija MOV tehnologije i kućišta od silikonske gume pokriva većinu onoga što moderni mrežni operateri traže u smislu izvedbe, težine i dugoročne-pouzdanosti u teškim okruženjima.
Napomena o standardima
Odvodnici namijenjeni za komunalne i industrijske primjene testirani su prema IEC 60099 ili IEEE C62, ovisno o tržištu. Ovi standardi pokrivaju sve, od radnih testova koji simuliraju ponovljene udare munje do testova onečišćenja koji izlažu kućište slanoj magli i industrijskim kontaminantima tijekom duljih razdoblja. Kupnja odvodnika koji imaju certifikat prema ovim standardima nije izborna u većini profesionalnih aplikacija. To je jedini način da imate povjerenja da će se uređaj stvarno ponašati kao što se tvrdi kada dođe pravi val.
Kupnja necertificiranih odvodnika radi uštede novca na shemi zaštite trafostanice je lažna ekonomija. Trošak pokvarenog transformatora ili rasklopnog sklopa višestruko će premašiti trošak odvodnika.
Završna misao
Zaštita od munje jedno je od onih područja gdje se inženjerstvo dobro razumije, a alati za pravilno obavljanje posla postoje i široko su dostupni. Većina kvarova u zaštiti od munje ne dolazi zbog neadekvatnosti tehnologije, već zbog rezanja kutova tijekom projektiranja ili instalacije, pogrešnih proizvoda koji su specificirani za okoliš ili zanemarivanja sustava uzemljenja jer je nevidljiv i neglamurozan.
Odvodnik munje instaliran ispravno, na pravom mjestu, s pravim vrijednostima i spojen na čvrsto uzemljenje, štitit će električnu infrastrukturu desetljećima bez ikakvog održavanja. To je razuman povrat na skromnu investiciju, što je vjerojatno razlog zašto je uređaj standardni dio projektiranja elektroenergetskog sustava od ranih dana distribucije električne energije.