Hvis du arbejder længe nok omkring elektriske systemer, begynder du at udvikle en sund respekt for lyn. Ikke den romantiske form for respekt, folk har, når de ser en storm rulle ind over bjergene. Den praktiske slags, den slags, der får dig til at dobbelt-tjekke dine jordforbindelser før et job, og spørg ingeniøren, om distributionsledningen løber over eller under jorden.
Lynafledere er en af de enheder, som de fleste mennesker uden for den elektriske industri aldrig har tænkt over, selvom de stille og roligt beskytter næsten enhver bygning, transformerstation og kommunikationstårn i verden. Denne artikel beskriver, hvad de er, hvordan de fungerer, hvilke typer der findes, og hvorfor valget af afleder betyder mere, end mange købere er klar over.
Lynafledere
Hvad en lynafleder faktisk gør
I sin kerne er en lynafleder en spændingsbegrænsende-enhed. Den sidder forbundet mellem en elektrisk leder og jorden og gør absolut ingenting under normale driftsforhold. I det øjeblik en overspænding ankommer, uanset om det er fra et direkte lynnedslag på en strømledning eller fra spændingsspidsen, der sker, når en stor transformer slukker, aktiveres aflederen, skaber en midlertidig lav-modstandsvej til jorden og kanaliserer overspændingsenergien væk fra alt nedstrøms. Når overspændingen er passeret, og linjespændingen falder tilbage til normal, vender aflederen tilbage til sin inaktive tilstand.
Den sidste del er værd at bemærke. I modsætning til en sikring, der ofrer sig selv for at beskytte et kredsløb, er en korrekt klassificeret afleder designet til at håndtere gentagne overspændingshændelser uden at brænde ud. Den nulstilles automatisk, og i de fleste tilfælde registrerer det udstyr, den beskytter, aldrig, at der er sket noget.
Den sammenligning, jeg finder mest brugbar, er et afløb i en vask. Vand strømmer ind med normal hastighed, og afløbet følger med uden besvær. Men når nogen dumper en fuld spand i på én gang, håndterer afløbet den pludselige bølge, og vasken løber ikke over. Aflederen er afløbet. Transformatoren, koblingsudstyret, den følsomme elektronik inde i bygningen er vasken.
Hvor navnet bliver forvirrende
En af de første ting, folk støder på, når de begynder at undersøge dette emne, er en bunke overlappende terminologi. Lynafleder, overspændingsafleder, overspændingsbeskytter, overspændingsafleder, lynafleder. Disse udtryk bruges nogle gange i flæng, og nogle gange betyder de virkelig forskellige ting afhængigt af, hvem der taler og i hvilken sammenhæng.
Her er en praktisk måde at tænke over forskellene på:
En lynafleder (teknisk kaldet en luftterminal) er en ekstern enhed monteret i toppen af en struktur. Dens opgave er at opsnappe et direkte slag og give strømmen en kontrolleret vej til jorden gennem en nedleder. Det beskytter bygningens struktur mod at gå i brand eller blive fysisk beskadiget. Det gør intet for det elektriske udstyr indeni.
En lynafleder i traditionel forstand henviser til enheder installeret på transmissionstårne og udendørs distributionsledninger. Disse opsnapper overspændingsenergi, der rejser langs linjen og omdirigerer den, før den når en transformerstation eller bygning. I mange designs har aflederen ikke direkte kontakt med ledningslederen. Den sidder parallelt og aktiveres kun, når spændingen stiger forbi en fastsat tærskel.
En overspændingsafleder eller overspændingsbeskytter er installeret inde i en bygning, typisk ved det elektriske hovedpanel. Den håndterer de overspændingstransienter, der allerede er kommet igennem de udendørs beskyttelseslag.
Fuldstændig beskyttelse kræver alle tre. En lynafleder uden afleder på den indgående linje efterlader stadig det elektriske system udsat for overspændinger, der føres langs lederne. En afleder på linjen uden et panel-overspændingsbeskytter efterlader den sidste kilometer ubeskyttet. At springe lynaflederen helt over betyder, at et direkte nedslag på bygningen kan overvælde alt andet. Hvert lag håndterer en anden trussel, og de er beregnet til at arbejde sammen.
Sådan fungerer enheden indeni
De fleste moderne lynafledere er bygget op omkring metaloxidvaristorer, almindeligvis kaldet MOV'er. Det aktive materiale er zinkoxid, komprimeret til skiver og stablet inde i aflederhuset. Zinkoxid har en nyttig egenskab: dens elektriske modstand ændrer sig dramatisk afhængigt af den spænding, der påføres over den.
Ved normal netspænding udviser zinkoxid ekstrem høj modstand. Der løber næsten ingen strøm gennem den, og aflederen er reelt set usynlig for kredsløbet. Når en overspænding skubber spændingen over aflederens beskyttelsesniveau, falder modstanden af zinkoxidet med flere størrelsesordener i mikrosekunder. Strømmen flyder gennem aflederen og ned i jorden og omgår det beskyttede udstyr. Når overspændingen slutter, og spændingen falder tilbage til normal, stiger modstanden op igen, og aflederen bliver stille igen.
Tidligere designs brugte gnistgab og siliciumcarbidskiver frem for zinkoxid, og du vil stadig finde disse i ældre installationer. Stanggabsaflederen er for eksempel kun to metalstænger placeret tæt sammen med en lille luftspalte imellem dem. Når spændingen bliver høj nok, ioniserer luften, og en gnist springer mellemrummet, hvilket giver en udledningsvej. Enkel og robust, men upræcis, og lysbuen slukker ikke rent, hvilket kan forårsage følgeproblemer i systemet.- Ventilafledere af -typen tilføjede siliciumcarbidblokke for at hjælpe med at begrænse følgestrømmen efter en stigning, hvilket forbedrede stanggabets design, mens de stadig ikke lever op til, hvad MOV-teknologien i sidste ende ville tilbyde.
Tabellen nedenfor giver en hurtig sammenligning af de vigtigste afledertyper, du sandsynligvis vil støde på:
| Type | Driftsprincip | Spændingsområde | Typisk brug |
|---|---|---|---|
| Rod Gap | Luftionisering over et fast mellemrum | Lav til medium | Grundlæggende transmissionsbeskyttelse, ældre systemer |
| Horngab | Lysbuen slukker, når mellemrummet udvides | Medium | Distribution i landdistrikter, ældre transformerstationer |
| Ventiltype (SiC) | Siliciumcarbidgrænser følger strømmen efter spaltebrande | Middel til høj | Ældre netbeskyttelse |
| Metaloxid (MOV) | ZnO-varistor, ingen gnistgab, selv-nulstilling | Lav til ekstra-høj | Moderne transformerstationer, distributionsledninger, paneltavler |
| Polymer lynafleder | MOV-kerne med silikonegummihus | Fordeling til højspænding | Udendørs linjer, kyst- og industrimiljøer |
| Stationsklasse | MOV med høj-kapacitet, maksimal energiabsorption | Meget høj til ultra-høj | Store understationer, generatorbeskyttelse |
Hvorfor boligmateriale ikke er en mindre detalje
I det meste af det tyvende århundrede blev lynaflederhuse lavet af porcelæn eller hærdet glas. Begge materialer gør arbejdet tilstrækkeligt i rene, stabile miljøer. Men tilstrækkelig er ikke det samme som ideelt, og felterfaring gennem årtier gjorde begrænsningerne tydelige.
Porcelæn er tungt. På et transmissionstårn, der løber gennem vanskeligt terræn, stiger vægten af porcelænsafledere. Endnu vigtigere er det, at porcelæn splintres voldsomt, når en enhed svigter under ekstreme overspændingsforhold. Et porcelænshus, der eksploderer på en strømførende transformerstationsstruktur, skaber en alvorlig fare for alle, der arbejder i nærheden og kan udløse sekundære fejl i udstyret omkring det.
Glas har lignende problemer. Begge materialer akkumulerer også forurening over tid, især i kystområder, hvor saltspray aflejres på overfladen, eller nær industriområder, hvor kemiske forurenende stoffer er almindelige. En snavset porcelæns- eller glasoverflade kan udvikle nok ledningsevne til at forårsage overslag i vådt vejr, hvilket modarbejder formålet med at have en afleder i første omgang.
Skiftet til polymerhuse, specielt silikonegummikompositter, løste de fleste af disse problemer på en praktisk måde. ENPolymer lynafledervejer typisk 80 til 90 procent mindre end en porcelænsenhed med samme spændingsmærke. Silikonegummioverfladen er naturligt hydrofob, hvilket betyder, at vand perler af i stedet for at sprede sig til en tynd ledende film. Denne hydrofobe egenskab genoprettes, selv efter at overfladen er blevet forurenet og renset, hvilket er en egenskab, som keramiske materialer simpelthen ikke har.
Når en polymerafleder svigter, fejler den på en kontrolleret måde. Huset revner eller udlufter i stedet for at eksplodere. Det har stor betydning med hensyn til personalesikkerhed og forebyggelse af kaskadeskader på nærliggende udstyr.
Intet af dette betyder, at porcelænsafledere er forældede. De fungerer stadig pålideligt i mange eksisterende installationer, og der er applikationer, hvor deres termiske egenskaber giver fordele. Men for nybyggeri, især på udendørs distributionsledninger i udfordrende miljøer, er den tekniske sag for polymerhuse svær at argumentere imod.
VICTORY Polymer Lynafleder
Installation og jording
En afleder, der ikke er ordentligt jordet, beskytter ikke rigtig noget. Enheden kan aflede overspændingsstrømmen ind i jordterminalen, alt hvad den vil, men hvis jordelektroden har høj modstand, eller lederen, der forbinder aflederen til jorden, er for lang, vil overspændingsenergien ikke spredes hurtigt nok, og skadelig spænding vil stadig forekomme over det beskyttede udstyr.
Jordlederen skal være så kort og direkte som muligt. Hver ekstra meter leder tilføjer induktans, hvilket oversættes til ekstra spænding under overspændingsforhold. Selve jordelektroden, hvad enten det er en drevet stang, en nedgravet plade eller en beton-indkapslet elektrode i bygningsfundamentet, skal opnå en modstand, der er lav nok til at opfylde systemets beskyttelseskrav. I de fleste distributionsapplikationer betyder det en jordmodstand på 10 ohm eller mindre, og i følsomme elektroniske installationer er målet ofte under 1 ohm.
I transformerstationer er der installeret afledere ved hver transformerterminal og ved hver indgående og udgående ledning. Denne positionering sikrer, at overspændinger, der bevæger sig langs en hvilken som helst linje, opfanges, før de kan nå transformatorviklingerne, som er blandt de dyreste og mindst udskiftelige komponenter i en transformerstation. I boliger og lette kommercielle bygninger er en hel-bygningsafleder ved serviceindgangspanelet standardtilgangen, nogle gange suppleret med-brugsanordninger på følsomt udstyr som servere eller medicinske instrumenter.
Valg af højre arrester
At vælge en afleder fra en hylde baseret på spænding alene er en almindelig fejl. Flere parametre skal matche applikationen.
Den kontinuerlige driftsspænding (COV) skal mindst være lig med den maksimale kontinuerlige spænding, som aflederen vil se under normal systemdrift, inklusive enhver spændingsstigning, der opstår under fejltilstande. Underdimensionering af COV fører til termisk løb, hvor aflederen varmes op under normal spænding og til sidst svigter.
Energiklassificeringen bestemmer, hvor meget overspændingsenergi aflederen kan absorbere uden at blive beskadiget. En enhed, der udsættes for hyppige eller høje-energiangreb, såsom en afleder på en udsat transmissionsledning på en bakketop, har brug for en højere energiklasse end en enhed, der beskytter et indendørs panel i et miljø med lav-eksponering.
Beskyttelsesniveauet, udtrykt som restspændingen ved en nominel udladningsstrøm, bestemmer, hvor meget spænding det beskyttede udstyr rent faktisk vil se under en overspænding. En lavere restspænding betyder bedre beskyttelse af følsomt udstyr, men betyder også typisk en højere pris. Beskyttelsesniveauet skal matches mod impulsmodstandsværdien for det, der er nedstrøms.
Polymer Lightning Arrester-produktlinjen imødekommer mange af disse valgkrav på tværs af et bredt spændingsområde, og til udendørs distributionsapplikationer dækker kombinationen af MOV-teknologi og silikonegummihus det meste af det, moderne netoperatører leder efter med hensyn til ydeevne, vægt og langsigtet-pålidelighed i vanskelige miljøer.
En note om standarder
Arrestanter beregnet til brugs- og industriapplikationer testes i forhold til IEC 60099 eller IEEE C62, afhængigt af markedet. Disse standarder dækker alt fra driftstests, der simulerer gentagne lynnedslag, til forureningstest, der udsætter huset for salttåge og industrielle forurenende stoffer over længere perioder. Indkøb af afledere, der bærer certificering til disse standarder, er ikke valgfrit i de fleste professionelle applikationer. Det er den eneste måde at have tillid til, at enheden faktisk vil opføre sig som påstået, når en reel stigning kommer.
At købe ucertificerede afledere for at spare penge på en transformerstationsbeskyttelsesordning er en falsk økonomi. Omkostningerne ved en defekt transformer eller koblingsudstyr vil dværge omkostningerne ved aflederne mange gange.
Afsluttende tanke
Lynbeskyttelse er et af de områder, hvor ingeniørarbejdet er godt forstået, og værktøjerne til at udføre arbejdet ordentligt findes og er bredt tilgængelige. De fleste fejl i lynbeskyttelsen skyldes ikke, at teknologien er utilstrækkelig, men at hjørner bliver skåret over under design eller installation, at forkerte produkter er specificeret til miljøet, eller at jordforbindelsessystemet er forsømt, fordi det er usynligt og uglamorøst.
En lynafleder installeret korrekt, på den rigtige placering, med de rigtige klassificeringer og forbundet til en fast jord, vil beskytte den elektriske infrastruktur i årtier uden praktisk talt vedligeholdelse. Det er et rimeligt afkast på en beskeden investering, hvilket sandsynligvis er grunden til, at enheden har været en standard del af strømsystemdesignet siden de tidlige dage af elektrisk distribution.