Если вы достаточно долго работаете с электрическими системами, вы начинаете развивать здоровое уважение к молнии. Это не то романтическое уважение, которое испытывают люди, когда наблюдают за грозой, надвигающейся на горы. Практичный вариант, который заставляет вас дважды-проверять соединения заземления перед работой и спрашивать инженера объекта, проходит ли распределительная линия над землей или под землей.
Молниеотводы — одно из тех устройств, о которых большинство людей за пределами электротехнической промышленности никогда не задумывались, хотя они незаметно защищают почти каждое здание, подстанцию и вышку связи в мире. В этой статье рассказывается, что это такое, как они работают, какие типы существуют и почему выбор разрядника имеет большее значение, чем думают многие покупатели.
Грозозащитные разрядники
Что на самом деле делает молниеотвод
По своей сути грозозащитный разрядник — это устройство,-ограничивающее напряжение. Он находится между электрическим проводником и землей и при нормальных условиях эксплуатации абсолютно ничего не делает. В момент возникновения перенапряжения, будь то прямой удар молнии в линию электропередачи или скачок напряжения, возникающий при отключении большого трансформатора, разрядник активируется, создает временный путь с низким-сопротивлением к земле и направляет энергию перенапряжения от всего, что находится ниже по течению. Как только скачок напряжения пройдет и линейное напряжение упадет до нормального значения, разрядник вернется в неактивное состояние.
Эту последнюю часть стоит отметить. В отличие от предохранителя, который жертвует собой ради защиты цепи, разрядник с правильным номиналом предназначен для выдерживания повторяющихся перенапряжений без перегорания. Он сбрасывается автоматически, и в большинстве случаев защищаемое им оборудование даже не регистрирует, что что-то произошло.
Наиболее полезным сравнением я считаю слив в раковине. Вода поступает с нормальной скоростью, а слив держится без каких-либо усилий. Но когда кто-то сразу выливает в воду полное ведро, слив выдерживает внезапный всплеск и раковина не переливается. Ограничитель – это дренаж. Трансформатор, распределительное устройство, чувствительная электроника внутри здания — это сток.
Где имя сбивает с толку
Одна из первых вещей, с которыми люди сталкиваются, когда начинают исследовать эту тему, — это куча дублирующейся терминологии. Грозозащитный разрядник, ограничитель перенапряжения, сетевой фильтр, дивертер, грозоизолятор. Эти термины иногда используются как взаимозаменяемые, а иногда они означают совершенно разные вещи в зависимости от того, кто говорит и в каком контексте.
Вот практический способ подумать о различиях:
Громоотвод (технически называемый молниеотводом) — это внешнее устройство, установленное наверху конструкции. Его задача — перехватить прямой удар и обеспечить контролируемый путь тока к земле через токоотвод. Он защищает конструкцию здания от возгорания или физического повреждения. Это не влияет на электрооборудование внутри.
Молниеотвод в традиционном понимании относится к устройствам, установленным на опорах электропередачи и наружных распределительных линиях. Они перехватывают импульсную энергию, распространяющуюся по линии, и отводят ее до того, как она достигнет подстанции или здания. Во многих конструкциях разрядник не имеет прямого контакта с линейным проводником. Он подключен параллельно и активируется только тогда, когда напряжение превышает установленный порог.
Ограничитель перенапряжения или устройство защиты от перенапряжения устанавливается внутри здания, обычно на главном электрическом щите. Он обрабатывает переходные процессы перенапряжения, которые уже прошли через слои внешней защиты.
Для полной защиты необходимы все три. Громоотвод без разрядника на входящей линии по-прежнему оставляет электрическую систему незащищенной от перенапряжений, переносящихся по проводникам. Разрядник на линии без устройства защиты от перенапряжения уровня панели- оставляет незащищенной последнюю милю. Полный отказ от громоотвода означает, что прямой удар по зданию может подавить все остальное. Каждый уровень справляется с разными угрозами, и они предназначены для совместной работы.
Как устройство работает внутри
Большинство современных грозозащитных разрядников построены на основе металлооксидных варисторов, обычно называемых MOV. Активный материал представляет собой оксид цинка, спрессованный в диски и уложенный внутри корпуса разрядника. Оксид цинка обладает полезным свойством: его электрическое сопротивление резко меняется в зависимости от приложенного к нему напряжения.
При нормальном сетевом напряжении оксид цинка обладает чрезвычайно высоким сопротивлением. Через него почти не протекает ток, и разрядник фактически невидим для цепи. Когда скачок напряжения поднимает напряжение выше уровня защиты разрядника, сопротивление оксида цинка падает на несколько порядков за микросекунды. Ток протекает через разрядник в землю, минуя защищаемое оборудование. Когда скачок напряжения прекращается и напряжение возвращается к нормальному значению, сопротивление снова возрастает, и разрядник снова затихает.
В более ранних конструкциях вместо оксида цинка использовались искровые разрядники и диски из карбида кремния, и вы все еще найдете их в старых установках. Например, разрядник с зазором стержня представляет собой всего лишь два металлических стержня, расположенных близко друг к другу с небольшим воздушным зазором между ними. Когда напряжение становится достаточно высоким, воздух ионизируется, и искра проскакивает через зазор, обеспечивая путь разряда. Простой и надежный, но неточный, дуга не гаснет полностью, что может вызвать последующие-проблемы в системе. В разрядниках клапанного-типа были добавлены блоки из карбида кремния, чтобы помочь ограничить следящий ток после перенапряжения, улучшая конструкцию зазора стержня, но все же не достигая того, что в конечном итоге может предложить технология MOV.
В таблице ниже дано краткое сравнение основных типов разрядников, с которыми вы, скорее всего, столкнетесь:
| Тип | Принцип работы | Диапазон напряжения | Типичное использование |
|---|---|---|---|
| Род Гэп | Ионизация воздуха через фиксированный зазор | От низкого до среднего | Базовая защита трансмиссии, старые системы |
| Хорн Гэп | Дуга гаснет по мере увеличения зазора | Середина | Распределение в сельской местности, устаревшие подстанции |
| Тип клапана (SiC) | Пределы содержания карбида кремния зависят от тока после возгорания зазора | От среднего до высокого | Устаревшая защита сети |
| Оксид металла (MOV) | Варистор ZnO, без искрового промежутка, с автоматическим-возвратом | От низкого до сверх-высокого | Современные подстанции, распределительные линии, щиты |
| Полимерный молниеотвод | Сердечник MOV с корпусом из силиконовой резины | Распределение высокого напряжения | Наружные линии, прибрежные и промышленные помещения |
| Класс станции | MOV высокой-емкости, максимальное поглощение энергии | От очень высокого до сверх-высокого | Большие подстанции, защита генераторов |
Почему материал корпуса не является второстепенной деталью
На протяжении большей части двадцатого века корпуса молниеотводов изготавливались из фарфора или закаленного стекла. Оба материала адекватно справляются со своей задачей в чистых и стабильных условиях. Однако адекватный – это не то же самое, что идеальный, и опыт десятилетий ясно показал ограничения.
Фарфор тяжелый. На опоре электропередачи, проходящей по труднопроходимой местности, увеличивается вес фарфоровых разрядников. Что еще более важно, фарфор сильно разбивается, когда устройство выходит из строя в экстремальных условиях перенапряжения. Фарфоровый корпус, который взрывается на конструкции подстанции под напряжением, создает серьезную опасность для всех, кто работает поблизости, и может вызвать вторичные неисправности в оборудовании вокруг него.
У стекла схожие проблемы. Оба материала также со временем накапливают загрязнения, особенно в прибрежных регионах, где на поверхности откладываются соленые брызги, или вблизи промышленных объектов, где часто встречаются химические загрязнители. Грязная фарфоровая или стеклянная поверхность может развить достаточную проводимость, чтобы вызвать пробой во влажную погоду, что в первую очередь лишает смысла использование разрядника.
Переход на полимерные корпуса, в частности на композиты из силиконовой резины, практически решил большинство этих проблем. АПолимерный молниеотводобычно весит на 80–90 процентов меньше, чем фарфоровый блок того же номинала напряжения. Поверхность силиконовой резины по своей природе гидрофобна, то есть вода скапливается, а не растекается в тонкую проводящую пленку. Это гидрофобное свойство восстанавливается даже после загрязнения и очистки поверхности, а это свойство, которого просто нет у керамических материалов.
Когда полимерный разрядник выходит из строя, он выходит из строя контролируемым образом. Корпус трескается или выходит из строя, а не взрывается. Это имеет большое значение с точки зрения безопасности персонала и предотвращения каскадного повреждения близлежащего оборудования.
Все это не означает, что фарфоровые разрядники устарели. Они по-прежнему надежно служат во многих существующих установках, а в некоторых случаях их тепловые свойства дают преимущества. Но в случае нового строительства, особенно на наружных распределительных линиях в сложных условиях, с техническим обоснованием использования полимерных корпусов трудно спорить.
Полимерный молниеотвод ПОБЕДА
Установка и заземление
Разрядник, который не заземлен должным образом, на самом деле ничего не защищает. Устройство может сколько угодно отводить импульсный ток в заземляющую клемму, но если заземлитель имеет высокое сопротивление или проводник, соединяющий разрядник с землей, слишком длинный, энергия импульса не рассеется достаточно быстро, и на защищаемом оборудовании все равно появится повреждающее напряжение.
Заземляющий проводник должен быть как можно более коротким и прямым. Каждый дополнительный метр проводника добавляет индуктивность, что приводит к дополнительному напряжению в условиях скачков напряжения. Сам заземляющий электрод, будь то приводной стержень, заглубленная пластина или электрод,-заключенный в бетонный фундамент здания, должен иметь достаточно низкое сопротивление, чтобы соответствовать требованиям защиты системы. В большинстве распределительных устройств это означает, что сопротивление заземления составляет 10 Ом или меньше, а в чувствительных электронных установках целевое сопротивление часто ниже 1 Ом.
На подстанциях разрядники устанавливаются на каждом выводе трансформатора, а также на каждой входящей и отходящей линии. Такое расположение гарантирует, что скачки напряжения, распространяющиеся по любой линии, будут перехвачены до того, как они достигнут обмоток трансформатора, которые являются одними из самых дорогих и наименее заменяемых компонентов подстанции. В жилых и легких коммерческих зданиях стандартным подходом является общий-разрядник на панели служебного входа, иногда дополняемый устройствами--пользования на чувствительном оборудовании, таком как серверы или медицинские инструменты.
Выбор правильного разрядника
Выбор разрядника с полки только по номинальному напряжению является распространенной ошибкой. Несколько параметров должны соответствовать приложению.
Постоянное рабочее напряжение (COV) должно быть как минимум равно максимальному продолжительному напряжению, которое разрядник будет воспринимать во время нормальной работы системы, включая любое повышение напряжения, возникающее в условиях неисправности. Занижение номинала COV приводит к тепловому разгону, когда разрядник нагревается при нормальном напряжении и в конечном итоге выходит из строя.
Энергетический рейтинг определяет, сколько импульсной энергии разрядник может поглотить без повреждения. Устройству, подвергающемуся частым или-ударам высокой энергии, например разряднику на открытой линии электропередачи на вершине холма, требуется более высокий класс энергопотребления, чем устройству, защищающему внутреннюю панель в среде с низким-воздействием.
Уровень защиты, выраженный как остаточное напряжение при номинальном токе разряда, определяет, какое напряжение фактически будет испытывать защищаемое оборудование во время скачка напряжения. Более низкое остаточное напряжение означает лучшую защиту чувствительного оборудования, но также обычно означает более высокую цену. Уровень защиты должен быть сопоставлен с номинальной стойкостью к импульсам всего, что находится ниже по цепи.
Линейка продуктов Polymer грозозащитных разрядников удовлетворяет многим из этих требований к выбору в широком диапазоне напряжений, а для наружного распределения электроэнергии сочетание MOV-технологии и корпуса из силиконовой резины обеспечивает большую часть того, что современные операторы сетей ищут с точки зрения производительности, веса и долгосрочной-надежности в сложных условиях.
Примечание о стандартах
Разрядники, предназначенные для коммунального и промышленного применения, проверяются на соответствие IEC 60099 или IEEE C62, в зависимости от рынка. Эти стандарты охватывают все: от эксплуатационных испытаний, имитирующих повторяющиеся удары молнии, до испытаний на загрязнение, при которых корпус подвергается воздействию соляного тумана и промышленных загрязнений в течение длительных периодов времени. Приобретение разрядников, сертифицированных по этим стандартам, не является обязательным в большинстве профессиональных применений. Это единственный способ быть уверенным, что устройство действительно будет вести себя так, как заявлено, когда произойдет настоящий всплеск напряжения.
Покупка несертифицированных разрядников ради экономии на схеме защиты подстанции – это ложная экономия. Стоимость вышедшего из строя трансформатора или распределительного устройства во много раз превысит стоимость разрядников.
Заключительная мысль
Молниезащита — одна из тех областей, в которых техника хорошо изучена, а инструменты для правильного выполнения работы существуют и широко доступны. Большинство сбоев в системе молниезащиты происходит не из-за неадекватности технологии, а из-за того, что во время проектирования или монтажа были срезаны углы, из-за того, что продукты были выбраны неправильно для окружающей среды или из-за пренебрежения системой заземления, потому что она невидима и непривлекательна.
Молниеотвод, установленный правильно, в правильном месте, с правильными номиналами и подключенный к прочному заземлению, будет защищать электрическую инфраструктуру на протяжении десятилетий практически без технического обслуживания. Это разумная отдача от скромных инвестиций, и, вероятно, именно поэтому это устройство было стандартной частью конструкции энергосистемы с первых дней распространения электроэнергии.