Als je lang genoeg met elektrische systemen werkt, begin je een gezond respect voor bliksem te ontwikkelen. Niet het romantische soort respect dat mensen hebben als ze een storm over de bergen zien aankomen. Het praktische soort, het soort dat ervoor zorgt dat u dubbel-uw aardingsverbindingen controleert voordat u aan een klus begint en aan de werfingenieur vraagt of de distributielijn boven- of ondergronds loopt.
Bliksemafleiders zijn een van die apparaten waar de meeste mensen buiten de elektriciteitsindustrie nog nooit aan hebben gedacht, ook al beschermen ze stilletjes bijna elk gebouw, onderstation en communicatietoren ter wereld. In dit artikel wordt uiteengezet wat ze zijn, hoe ze werken, welke typen er bestaan en waarom de keuze van de afleider belangrijker is dan veel kopers beseffen.
Bliksemafleiders
Wat een bliksemafleider eigenlijk doet
In wezen is een bliksemafleider een spanningsbegrenzend apparaat-. Het zit aangesloten tussen een elektrische geleider en de aarde en doet onder normale bedrijfsomstandigheden absoluut niets. Op het moment dat zich een piek voordoet, hetzij door een directe blikseminslag op een hoogspanningslijn, hetzij door een spanningspiek die optreedt wanneer een grote transformator wordt uitgeschakeld, wordt de afleider geactiveerd, creëert een tijdelijk pad met lage- weerstand naar aarde en kanaliseert de piekenergie weg van alles stroomafwaarts. Zodra de piek voorbij is en de lijnspanning weer normaal is, keert de afleider terug naar de inactieve toestand.
Dat laatste deel is het vermelden waard. In tegenstelling tot een zekering, die zichzelf opoffert om een circuit te beschermen, is een correct beoordeelde afleider ontworpen om herhaalde piekgebeurtenissen op te vangen zonder door te branden. Het wordt automatisch gereset en in de meeste gevallen registreert de apparatuur die het beschermt zelfs niet eens dat er iets is gebeurd.
De vergelijking die ik het nuttigst vind, is een afvoer in een gootsteen. Het water stroomt met een normale snelheid naar binnen en de afvoer houdt het moeiteloos vol. Maar als iemand er in één keer een volle emmer in gooit, kan de afvoer de plotselinge golf opvangen en loopt de gootsteen niet over. De afleider is de afvoer. De transformator, de schakelapparatuur en de gevoelige elektronica in het gebouw vormen de gootsteen.
Waar de naam verwarrend wordt
Een van de eerste dingen waar mensen tegenaan lopen als ze dit onderwerp gaan onderzoeken, is een stapel overlappende terminologie. Bliksemafleider, overspanningsafleider, overspanningsbeveiliging, overspanningsafleider, bliksemisolator. Deze termen worden soms door elkaar gebruikt, en soms betekenen ze echt verschillende dingen, afhankelijk van wie er aan het woord is en in welke context.
Hier is een praktische manier om na te denken over de verschillen:
Een bliksemafleider (technisch een luchtterminal genoemd) is een extern apparaat dat bovenaan een constructie is gemonteerd. Zijn taak is om een directe aanval te onderscheppen en de stroom via een neerwaartse geleider een gecontroleerd pad naar de grond te geven. Het beschermt de structuur van het gebouw tegen brand of fysieke schade. Het doet niets voor de elektrische apparatuur binnenin.
Een bliksemafleider in traditionele zin verwijst naar apparaten die zijn geïnstalleerd op zendmasten en buitendistributielijnen. Deze onderscheppen piekenergie die langs de lijn reist en leiden deze om voordat deze een onderstation of gebouw bereikt. Bij veel ontwerpen maakt de afleider geen direct contact met de lijngeleider. Het zit parallel en wordt alleen geactiveerd als de spanning een ingestelde drempel overschrijdt.
Een overspanningsafleider of overspanningsbeveiliging wordt in een gebouw geïnstalleerd, meestal op het elektrische hoofdpaneel. Het verwerkt de overspanningstransiënten die al door de beschermingslagen buitenshuis zijn gekomen.
Volledige bescherming vereist alle drie. Een bliksemafleider zonder afleider op de inkomende lijn laat het elektrische systeem nog steeds bloot aan spanningspieken die langs de geleiders worden gevoerd. Een afleider op de lijn zonder overspanningsbeveiliging op paneel-niveau laat de laatste kilometer onbeschermd. Het volledig overslaan van de bliksemafleider betekent dat een directe aanval op het gebouw al het andere kan overweldigen. Elke laag behandelt een andere dreiging en het is de bedoeling dat ze samenwerken.
Hoe het apparaat van binnen werkt
De meeste moderne bliksemafleiders zijn gebouwd rond metaaloxidevaristoren, gewoonlijk MOV's genoemd. Het actieve materiaal is zinkoxide, samengeperst tot schijven en gestapeld in de behuizing van de afleider. Zinkoxide heeft een nuttige eigenschap: de elektrische weerstand verandert dramatisch, afhankelijk van de spanning die erover wordt aangelegd.
Bij normale lijnspanning heeft zinkoxide een extreem hoge weerstand. Er stroomt bijna geen stroom doorheen en de afleider is feitelijk onzichtbaar voor het circuit. Wanneer een stroomstoot de spanning boven het beschermingsniveau van de afleider duwt, daalt de weerstand van het zinkoxide met enkele ordes van grootte in microseconden. De stroom stroomt door de afleider de grond in, waarbij de beschermde apparatuur wordt omzeild. Wanneer de piek eindigt en de spanning weer normaal wordt, stijgt de weerstand weer en wordt de afleider weer stil.
Bij eerdere ontwerpen werd gebruik gemaakt van vonkbruggen en schijven van siliciumcarbide in plaats van zinkoxide, en deze vind je nog steeds in oudere installaties. De staafafleider bestaat bijvoorbeeld uit twee metalen staven die dicht bij elkaar zijn geplaatst met een kleine luchtspleet ertussen. Wanneer de spanning hoog genoeg wordt, ioniseert de lucht en springt er een vonk over de opening, waardoor een ontladingspad ontstaat. Eenvoudig en robuust, maar onnauwkeurig, en de boog dooft niet netjes uit, wat vervolgproblemen in het systeem kan veroorzaken. Klep-type afleiders voegden siliciumcarbideblokken toe om de volgstroom na een stroomstoot te helpen beperken, waardoor het ontwerp van de staafopening werd verbeterd, terwijl ze nog steeds achterbleven bij wat MOV-technologie uiteindelijk zou bieden.
De onderstaande tabel geeft een snelle vergelijking van de belangrijkste soorten afleiders die u waarschijnlijk zult tegenkomen:
| Type | Werkingsprincipe | Spanningsbereik | Typisch gebruik |
|---|---|---|---|
| Staaf kloof | Luchtionisatie over een vaste opening | Laag tot gemiddeld | Basistransmissiebescherming, oudere systemen |
| Hoorn kloof | De boog dooft naarmate de opening groter wordt | Medium | Landelijke distributie, oude onderstations |
| Ventieltype (SiC) | Siliciumcarbidelimieten volgen de stroom na spleetbranden | Gemiddeld tot hoog | Oudere netwerkbescherming |
| Metaaloxide (MOV) | ZnO-varistor, geen vonkbrug, zelf-resettend | Laag tot extra-hoog | Moderne onderstations, distributielijnen, paneelborden |
| Polymeer bliksemafleider | MOV-kern met siliconenrubberen behuizing | Distributie naar hoogspanning | Buitenlijnen, kust- en industriële omgevingen |
| Stationsklasse | Hoge-MOV-capaciteit, maximale energieabsorptie | Zeer hoog tot ultra-hoog | Grote onderstations, generatorbescherming |
Waarom behuizingsmateriaal geen klein detail is
Gedurende het grootste deel van de twintigste eeuw werden de behuizingen van bliksemafleiders gemaakt van porselein of gehard glas. Beide materialen doen hun werk adequaat in schone, stabiele omgevingen. Maar adequaat is niet hetzelfde als ideaal, en veldervaring van tientallen jaren heeft de beperkingen duidelijk gemaakt.
Porselein is zwaar. Op een zendmast die door moeilijk terrein loopt, telt het gewicht van porseleinen afleiders op. Belangrijker nog is dat porselein met geweld uiteenvalt als een apparaat uitvalt onder extreme piekomstandigheden. Een porseleinen behuizing die explodeert op een onder spanning staande onderstationstructuur vormt een ernstig gevaar voor iedereen die in de buurt werkt en kan secundaire storingen veroorzaken in de apparatuur eromheen.
Glas heeft vergelijkbare problemen. Beide materialen stapelen in de loop van de tijd ook vervuiling op, vooral in kustgebieden waar zoutnevel zich op het oppervlak afzet, of in de buurt van industriële locaties waar chemische verontreinigingen veel voorkomen. Een vuil porseleinen of glazen oppervlak kan voldoende geleidbaarheid ontwikkelen om bij nat weer een flashover te veroorzaken, wat het doel van een afleider in de eerste plaats tenietdoet.
De verschuiving naar polymeerbehuizingen, met name siliconenrubbercomposieten, heeft de meeste van deze problemen op een praktische manier aangepakt. APolymeer bliksemafleiderweegt doorgaans 80 tot 90 procent minder dan een porseleinen eenheid met hetzelfde spanningsbereik. Het oppervlak van siliconenrubber is van nature hydrofoob, wat betekent dat water af parelt in plaats van zich uit te spreiden in een dunne geleidende film. Deze hydrofobe eigenschap herstelt zich zelfs nadat het oppervlak is verontreinigd en gereinigd, een eigenschap die keramische materialen eenvoudigweg niet hebben.
Wanneer een polymeerafleider faalt, faalt deze op een gecontroleerde manier. De behuizing barst of gaat open in plaats van te exploderen. Dat is van groot belang als het gaat om de veiligheid van het personeel en het voorkomen van schade aan apparatuur in de buurt.
Niets van dit alles betekent dat porseleinen afleiders verouderd zijn. Ze functioneren nog steeds betrouwbaar in veel bestaande installaties, en er zijn toepassingen waarbij hun thermische eigenschappen voordelen bieden. Maar voor nieuwbouw, vooral op buitendistributielijnen in uitdagende omgevingen, is het technische argument voor polymeerbehuizingen moeilijk te beargumenteren.
OVERWINNING Polymeer bliksemafleider
Installatie en aarding
Een afleider die niet goed geaard is, beschermt eigenlijk niets. Het apparaat kan zoveel piekstroom naar de aardaansluiting leiden als het wil, maar als de aardelektrode een hoge weerstand heeft of de geleider die de afleider met de aarde verbindt te lang is, zal de piekenergie niet snel genoeg verdwijnen en zal er nog steeds schadelijke spanning over de beschermde apparatuur verschijnen.
De aardgeleider moet zo kort en direct mogelijk zijn. Elke extra meter geleider voegt inductie toe, wat zich vertaalt in extra spanning onder piekomstandigheden. De aardelektrode zelf, of het nu een aangedreven staaf, een ingegraven plaat of een met beton-omhulde elektrode in de fundering van het gebouw is, moet een weerstand bereiken die laag genoeg is om aan de beschermingseisen van het systeem te voldoen. In de meeste distributietoepassingen betekent dit een aardweerstand van 10 ohm of minder, en in gevoelige elektronische installaties ligt het doel vaak onder de 1 ohm.
In onderstations worden afleiders geïnstalleerd op elke transformatorterminal en op elke inkomende en uitgaande lijn. Deze positionering zorgt ervoor dat stroomstoten die langs een willekeurige lijn lopen, worden onderschept voordat ze de transformatorwikkelingen kunnen bereiken, die tot de duurste en minst vervangbare componenten in een onderstation behoren. In woongebouwen en licht commerciële gebouwen is een volledige-gebouwafleider bij het dienstingangspaneel de standaardbenadering, soms aangevuld met -point-of-use-apparaten op gevoelige apparatuur zoals servers of medische instrumenten.
Het selecteren van de juiste afleider
Het is een veelgemaakte fout om een afleider uit de kast te halen op basis van de spanningswaarde. Verschillende parameters moeten overeenkomen met de toepassing.
De continue bedrijfsspanning (COV) moet minimaal gelijk zijn aan de maximale continue spanning die de afleider zal zien tijdens normale systeemwerking, inclusief eventuele spanningsstijging die optreedt tijdens foutcondities. Het te klein maken van de COV leidt tot thermische runaway, waarbij de afleider onder normale spanning opwarmt en uiteindelijk uitvalt.
Het energielabel bepaalt hoeveel piekenergie de afleider kan absorberen zonder beschadigd te raken. Een apparaat dat regelmatig of met hoge -energie wordt blootgesteld, zoals een afleider op een blootliggende transmissielijn op een heuveltop, heeft een hogere energieklasse nodig dan een apparaat dat een binnenpaneel beschermt in een- omgeving met lage blootstelling.
Het beveiligingsniveau, uitgedrukt als de restspanning bij een nominale ontlaadstroom, bepaalt hoeveel spanning de beschermde apparatuur daadwerkelijk te zien krijgt tijdens een piek. Een lagere restspanning betekent een betere bescherming van gevoelige apparatuur, maar betekent doorgaans ook een hogere prijs. Het beschermingsniveau moet worden afgestemd op de impulsbestendigheid van wat zich stroomafwaarts bevindt.
De Polymer Lightning Arrester-productlijn voldoet aan veel van deze selectievereisten over een breed spanningsbereik, en voor buitendistributietoepassingen dekt de combinatie van MOV-technologie en siliconenrubberbehuizing het grootste deel van wat moderne netwerkbeheerders zoeken op het gebied van prestaties, gewicht en betrouwbaarheid op lange termijn- in moeilijke omgevingen.
Een opmerking over normen
Afleiders bedoeld voor utiliteits- en industriële toepassingen worden getest volgens IEC 60099 of IEEE C62, afhankelijk van de markt. Deze normen omvatten alles van bedrijfstests die herhaalde blikseminslagen simuleren tot vervuilingstests waarbij de behuizing gedurende langere perioden wordt blootgesteld aan zoute mist en industriële verontreinigingen. Het kopen van afleiders die gecertificeerd zijn volgens deze normen is in de meeste professionele toepassingen niet optioneel. Het is de enige manier om er zeker van te zijn dat het apparaat zich daadwerkelijk zal gedragen zoals wordt beweerd als er een echte piek optreedt.
Het kopen van niet-gecertificeerde afleiders om geld te besparen op een onderstationbeschermingsprogramma is een valse economie. De kosten van een defecte transformator of schakelinrichting zullen de kosten van de afleiders vele malen kleiner maken.
Afsluitende gedachte
Bliksembeveiliging is een van die gebieden waarop de techniek goed wordt begrepen en de hulpmiddelen om het werk goed uit te voeren bestaan en overal verkrijgbaar zijn. De meeste fouten op het gebied van bliksembeveiliging komen niet doordat de technologie ontoereikend is, maar doordat er tijdens het ontwerp of de installatie op de hoeken wordt gesneden, de verkeerde producten worden gespecificeerd voor het milieu, of het aardingssysteem wordt verwaarloosd omdat het onzichtbaar en niet glamoureus is.
Een bliksemafleider die op de juiste manier is geïnstalleerd, op de juiste locatie, met de juiste specificaties en is aangesloten op een stevige aarde, zal de elektrische infrastructuur tientallen jaren lang beschermen zonder dat er in wezen onderhoud nodig is. Dat is een redelijk rendement op een bescheiden investering, wat waarschijnlijk de reden is dat het apparaat al sinds de begindagen van de elektriciteitsdistributie een standaardonderdeel is van het ontwerp van energiesystemen.