อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าคืออะไร?

หากคุณทำงานเกี่ยวกับระบบไฟฟ้านานพอ คุณจะเริ่มมีความเคารพต่อฟ้าผ่าอย่างเหมาะสม ไม่ใช่การแสดงความเคารพแบบโรแมนติกที่ผู้คนมีเมื่อพวกเขาเห็นพายุเคลื่อนตัวเหนือภูเขา แบบที่ใช้งานได้จริง แบบที่ทำให้คุณ-ตรวจสอบการเชื่อมต่อสายดินของคุณอีกครั้งก่อนเริ่มงาน และถามวิศวกรไซต์ว่าสายจ่ายไฟฟ้าวิ่งเหนือศีรษะหรือใต้ดิน

อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าเป็นหนึ่งในอุปกรณ์เหล่านั้นที่คนส่วนใหญ่นอกอุตสาหกรรมไฟฟ้าไม่เคยนึกถึง แม้ว่าจะปกป้องอาคาร สถานีย่อย และหอสื่อสารเกือบทุกแห่งในโลกอย่างเงียบๆ ก็ตาม บทความนี้จะแจกแจงว่ามันคืออะไร ทำงานอย่างไร มีประเภทใดบ้าง และเหตุใดการเลือก Arrester จึงมีความสำคัญมากกว่าที่ผู้ซื้อหลายรายตระหนัก

เครื่องป้องกันฟ้าผ่า

สิ่งที่ Lightning Arrester ทำได้จริง

ที่แกนกลางของตัวป้องกันฟ้าผ่าเป็นอุปกรณ์จำกัดแรงดันไฟฟ้า- โดยเชื่อมต่อระหว่างตัวนำไฟฟ้ากับกราวด์ โดยไม่ทำอะไรเลยภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ทันทีที่ไฟกระชากมาถึง ไม่ว่าจะมาจากฟ้าผ่าโดยตรงบนสายไฟหรือจากแรงดันไฟกระชากที่เกิดขึ้นเมื่อหม้อแปลงขนาดใหญ่ปิด ตัวสายหยุดทำงาน สร้างเส้นทางต้านทาน-ต่ำชั่วคราวลงสู่กราวด์ และปล่อยพลังงานไฟกระชากออกไปจากทุกสิ่งที่อยู่ท้ายน้ำ เมื่อไฟกระชากผ่านไปและแรงดันไฟฟ้าของสายลดลงกลับสู่ภาวะปกติ Arrester จะกลับสู่สถานะไม่ทำงาน

ส่วนสุดท้ายนั้นน่าสังเกต ซึ่งแตกต่างจากฟิวส์ซึ่งเสียสละตัวเองเพื่อปกป้องวงจร Arrester ที่ได้รับการจัดอันดับอย่างเหมาะสมได้รับการออกแบบมาเพื่อรับมือกับเหตุการณ์ไฟกระชากซ้ำๆ โดยไม่เกิดการไหม้ มันจะรีเซ็ตโดยอัตโนมัติ และในกรณีส่วนใหญ่ อุปกรณ์ที่ป้องกันจะไม่บันทึกด้วยซ้ำว่ามีอะไรเกิดขึ้น

การเปรียบเทียบที่ฉันพบว่ามีประโยชน์มากที่สุดคือท่อระบายน้ำในอ่างล้างจาน น้ำไหลเข้าในอัตราปกติ และท่อระบายน้ำก็ระบายน้ำได้โดยไม่ต้องใช้ความพยายามใดๆ แต่เมื่อมีคนเทน้ำเต็มถังในคราวเดียว ท่อระบายน้ำจะรองรับคลื่นที่กระชากฉับพลันและอ่างล้างจานจะไม่ล้น Arrester คือท่อระบายน้ำ หม้อแปลงไฟฟ้า สวิตช์เกียร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนภายในอาคารเป็นอ่างล้างจาน

ที่ชื่อได้รับความสับสน

สิ่งแรกที่ผู้คนพบเจอเมื่อเริ่มค้นคว้าหัวข้อนี้คือกองคำศัพท์ที่ทับซ้อนกัน เครื่องป้องกันฟ้าผ่า, เครื่องป้องกันไฟกระชาก, เครื่องป้องกันไฟกระชาก, เครื่องเปลี่ยนทิศทางไฟกระชาก, เครื่องแยกฟ้าผ่า บางครั้งคำเหล่านี้ใช้สลับกันได้ และบางครั้งก็หมายถึงสิ่งที่แตกต่างกันอย่างแท้จริง ขึ้นอยู่กับว่าใครกำลังพูดและในบริบทใด

ต่อไปนี้เป็นวิธีคิดเกี่ยวกับความแตกต่างในทางปฏิบัติ:

สายล่อฟ้า (ในทางเทคนิคเรียกว่าเทอร์มินัลทางอากาศ) เป็นอุปกรณ์ภายนอกที่ติดตั้งที่ด้านบนของโครงสร้าง หน้าที่ของมันคือสกัดกั้นการโจมตีโดยตรงและให้กระแสไฟมีทางควบคุมลงสู่พื้นผ่านตัวนำลง ช่วยปกป้องโครงสร้างของอาคารจากการลุกไหม้หรือความเสียหายทางกายภาพ ไม่ทำอะไรกับอุปกรณ์ไฟฟ้าภายใน

อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าในความหมายดั้งเดิมหมายถึงอุปกรณ์ที่ติดตั้งบนเสาส่งสัญญาณและสายจำหน่ายกลางแจ้ง สกัดกั้นพลังงานไฟกระชากที่เคลื่อนที่ไปตามเส้นและเปลี่ยนเส้นทางก่อนที่จะถึงสถานีย่อยหรืออาคาร ในการออกแบบหลาย ๆ ตัว Arrester ไม่ได้สัมผัสโดยตรงกับตัวนำสาย โดยวางขนานกันและเปิดใช้งานเมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินขีดจำกัดที่กำหนดเท่านั้น

มีการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากหรืออุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากภายในอาคาร โดยทั่วไปจะอยู่ที่แผงไฟฟ้าหลัก โดยจะจัดการกับภาวะแรงดันไฟเกินชั่วคราวที่สร้างไว้แล้วผ่านชั้นป้องกันภายนอก

การป้องกันที่สมบูรณ์ต้องใช้ทั้งสามประการ สายล่อฟ้าที่ไม่มีตัวจับบนสายขาเข้ายังคงปล่อยให้ระบบไฟฟ้าสัมผัสกับไฟกระชากที่พาไปตามตัวนำ อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากบนสายที่ไม่มีแผง-อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากระดับแผงจะทำให้ไมล์สุดท้ายไม่ได้รับการป้องกัน การข้ามสายล่อฟ้าโดยสิ้นเชิงหมายความว่าการโจมตีโดยตรงต่ออาคารสามารถครอบงำสิ่งอื่นทั้งหมดได้ แต่ละเลเยอร์จัดการกับภัยคุกคามที่แตกต่างกัน และพวกมันมีไว้เพื่อทำงานร่วมกัน

อุปกรณ์ทำงานอย่างไรภายใน

อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าสมัยใหม่ส่วนใหญ่จะสร้างขึ้นรอบๆ วาริสเตอร์ของโลหะออกไซด์ หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า MOV วัสดุออกฤทธิ์คือซิงค์ออกไซด์ บีบอัดเป็นแผ่นและซ้อนกันภายในตัวเรือนสายดิน ซิงค์ออกไซด์มีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์: ความต้านทานไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงอย่างมากขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับซิงค์ออกไซด์

ที่แรงดันไฟฟ้าปกติ ซิงค์ออกไซด์จะมีความต้านทานสูงมาก แทบไม่มีกระแสไหลผ่านเลย และตัวดักจับไม่สามารถมองเห็นได้จากวงจร เมื่อไฟกระชากดันแรงดันไฟฟ้าให้สูงกว่าระดับการป้องกันของสายดิน ความต้านทานของซิงค์ออกไซด์จะลดลงตามขนาดหลายคำสั่งในหน่วยไมโครวินาที กระแสน้ำท่วมผ่านสายดินและลงสู่พื้นดินโดยผ่านอุปกรณ์ป้องกัน เมื่อไฟกระชากสิ้นสุดลงและแรงดันไฟฟ้าลดลงกลับสู่ภาวะปกติ ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นอีกครั้ง และระบบป้องกันจะหยุดทำงานอีกครั้ง

การออกแบบก่อนหน้านี้ใช้ช่องว่างประกายไฟและจานซิลิกอนคาร์ไบด์มากกว่าซิงค์ออกไซด์ และคุณจะพบสิ่งเหล่านี้ในการติดตั้งแบบเก่า ตัวอย่างเช่นตัวกั้นช่องว่างของแท่งเป็นเพียงแท่งโลหะสองแท่งที่วางอยู่ใกล้กันโดยมีช่องว่างอากาศเล็ก ๆ ระหว่างพวกมัน เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงเพียงพอ อากาศจะแตกตัวเป็นไอออนและประกายไฟจะกระโดดข้ามช่องว่าง ทำให้เกิดเป็นทางระบาย เรียบง่ายและทนทาน แต่ไม่แม่นยำ และส่วนโค้งไม่ได้ดับลงอย่างหมดจด ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาตามมา-ในระบบ ตัวจับประเภทวาล์ว-ได้เพิ่มบล็อกซิลิกอนคาร์ไบด์เพื่อช่วยจำกัดกระแสที่ตามมาหลังจากไฟกระชาก ปรับปรุงการออกแบบช่องว่างของก้านในขณะที่ยังคงขาดสิ่งที่เทคโนโลยี MOV จะนำเสนอในที่สุด

ตารางด้านล่างแสดงการเปรียบเทียบโดยย่อของประเภทตัวดักจับหลักที่คุณน่าจะพบ:

เหตุใดวัสดุที่อยู่อาศัยจึงไม่ใช่รายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ

เกือบตลอดศตวรรษที่ 20 ตัวเสื้อกันฟ้าผ่าทำจากพอร์ซเลนหรือแก้วแกร่ง วัสดุทั้งสองทำงานได้ดีเพียงพอในสภาพแวดล้อมที่สะอาดและมั่นคง แต่ความเพียงพอนั้นไม่เหมือนกับอุดมคติ และประสบการณ์ภาคสนามที่มีมานานหลายทศวรรษทำให้ข้อจำกัดชัดเจน

พอร์ซเลนมีน้ำหนักมาก บนหอส่งสัญญาณที่วิ่งผ่านภูมิประเทศที่ยากลำบาก น้ำหนักของตัวจับกระเบื้องจะเพิ่มขึ้น ที่สำคัญกว่านั้น เครื่องเคลือบจะแตกอย่างรุนแรงเมื่ออุปกรณ์ทำงานล้มเหลวภายใต้สภาวะไฟกระชากที่รุนแรง ตัวเรือนพอร์ซเลนที่ระเบิดบนโครงสร้างสถานีย่อยที่มีกระแสไฟฟ้าก่อให้เกิดอันตรายร้ายแรงสำหรับทุกคนที่ทำงานในบริเวณใกล้เคียง และอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดทุติยภูมิในอุปกรณ์รอบๆ ได้

แก้วมีปัญหาคล้ายกัน วัสดุทั้งสองยังสะสมมลพิษอยู่ตลอดเวลา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ชายฝั่งทะเลซึ่งมีสเปรย์เกลือเกาะอยู่บนพื้นผิว หรือใกล้กับพื้นที่อุตสาหกรรมซึ่งมีสารเคมีปนเปื้อนอยู่ทั่วไป พื้นผิวพอร์ซเลนหรือกระจกที่สกปรกสามารถพัฒนาค่าการนำไฟฟ้าได้มากพอที่จะทำให้เกิดวาบไฟตามผิวในช่วงสภาพอากาศเปียก ซึ่งเอาชนะจุดประสงค์ของการมีตัวดักจับตั้งแต่แรก

การเปลี่ยนมาใช้ตัวเรือนโพลีเมอร์ โดยเฉพาะคอมโพสิตยางซิลิโคน ได้แก้ไขปัญหาเหล่านี้ส่วนใหญ่ในทางปฏิบัติ กเครื่องป้องกันฟ้าผ่าโพลีเมอร์โดยทั่วไปแล้วจะมีน้ำหนักน้อยกว่าหน่วยพอร์ซเลนที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าเท่ากันประมาณ 80 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ พื้นผิวยางซิลิโคนนั้นไม่ชอบน้ำตามธรรมชาติ ซึ่งหมายความว่าเม็ดน้ำหลุดออกแทนที่จะกระจายออกเป็นฟิล์มนำไฟฟ้าบางๆ คุณสมบัติที่ไม่ชอบน้ำนี้จะฟื้นตัวได้แม้หลังจากที่พื้นผิวได้รับการปนเปื้อนและทำความสะอาดแล้ว ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะที่วัสดุเซรามิกไม่มี

เมื่อตัวจับโพลีเมอร์ล้มเหลว มันจะล้มเหลวในลักษณะที่ได้รับการควบคุม ตัวเรือนแตกหรือช่องระบายอากาศแทนที่จะระเบิด ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากในแง่ของความปลอดภัยของบุคลากรและการป้องกันความเสียหายต่ออุปกรณ์ใกล้เคียง

สิ่งเหล่านี้ไม่ได้หมายความว่าตัวจับพอร์ซเลนจะล้าสมัย พวกเขายังคงให้บริการได้อย่างน่าเชื่อถือในการติดตั้งที่มีอยู่จำนวนมาก และมีการใช้งานที่คุณสมบัติทางความร้อนมีข้อได้เปรียบ แต่สำหรับการก่อสร้างใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสายจำหน่ายกลางแจ้งในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย กรณีทางวิศวกรรมสำหรับตัวเรือนโพลีเมอร์นั้นยากที่จะโต้แย้ง

VICTORY อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าโพลีเมอร์

การติดตั้งและการต่อสายดิน

สายดินที่ไม่ได้รับการต่อสายดินอย่างถูกต้องไม่ได้ป้องกันอะไรเลยจริงๆ อุปกรณ์สามารถโอนกระแสไฟกระชากไปยังขั้วกราวด์ได้ทุกอย่างที่ต้องการ แต่หากอิเล็กโทรดกราวด์มีความต้านทานสูงหรือตัวนำที่เชื่อมต่ออะเรสเตอร์กับกราวด์ยาวเกินไป พลังงานไฟกระชากจะไม่กระจายเร็วเพียงพอ และแรงดันไฟฟ้าที่สร้างความเสียหายจะยังคงปรากฏทั่วทั้งอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกัน

ตัวนำสายดินควรสั้นและตรงที่สุด ตัวนำที่เพิ่มขึ้นทุกเมตรจะเพิ่มตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งแปลเป็นแรงดันไฟฟ้าส่วนเกินภายใต้สภาวะไฟกระชาก อิเล็กโทรดกราวด์ ไม่ว่าจะเป็นแกนขับเคลื่อน แผ่นฝัง หรืออิเล็กโทรดที่หุ้มคอนกรีต-ในฐานรากของอาคาร จำเป็นต้องมีความต้านทานต่ำพอที่จะเป็นไปตามข้อกำหนดในการป้องกันของระบบ ในการใช้งานการกระจายส่วนใหญ่ นี่หมายถึงความต้านทานกราวด์ 10 โอห์มหรือน้อยกว่า และในการติดตั้งระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน เป้าหมายมักจะต่ำกว่า 1 โอห์ม

ในสถานีย่อย มีการติดตั้งตัวจับที่ขั้วหม้อแปลงแต่ละอันและทุกสายเข้าและออก การวางตำแหน่งนี้ช่วยให้แน่ใจว่าไฟกระชากที่เคลื่อนที่ไปตามสายใดๆ จะถูกดักก่อนที่จะไปถึงขดลวดหม้อแปลง ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่มีราคาแพงที่สุดและเปลี่ยนได้น้อยที่สุดในสถานีย่อย ในอาคารที่อยู่อาศัยและอาคารพาณิชย์ขนาดเบา -ตัวกั้นอาคารทั้งหลังที่แผงทางเข้าบริการเป็นแนวทางมาตรฐาน ซึ่งบางครั้งก็เสริมด้วยอุปกรณ์-จุด{4}}ใช้งานในอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อน เช่น เซิร์ฟเวอร์หรือเครื่องมือทางการแพทย์

การเลือก Arrester ที่เหมาะสม

การเลือก Arrester ออกจากชั้นวางตามระดับแรงดันไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวถือเป็นข้อผิดพลาดทั่วไป พารามิเตอร์หลายตัวจำเป็นต้องตรงกับแอปพลิเคชัน

แรงดันไฟฟ้าต่อเนื่อง (COV) ต้องมีอย่างน้อยเท่ากับแรงดันไฟฟ้าต่อเนื่องสูงสุดที่ Arrester จะเห็นในระหว่างการทำงานของระบบปกติ รวมถึงแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นใด ๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างสภาวะความผิดปกติ การลดขนาดของ COV จะนำไปสู่การหนีความร้อน โดยที่ตัวจับจะร้อนขึ้นภายใต้แรงดันไฟฟ้าปกติและล้มเหลวในที่สุด

ระดับพลังงานจะกำหนดปริมาณพลังงานไฟกระชากที่ Arrester สามารถดูดซับได้โดยไม่เกิดความเสียหาย อุปกรณ์ที่ต้องเผชิญกับการโจมตีด้วยพลังงาน-บ่อยครั้งหรือสูง เช่น อุปกรณ์จับยึดบนสายส่งเปลือยบนยอดเขา จำเป็นต้องมีระดับพลังงานที่สูงกว่าระดับพลังงานที่ใช้ปกป้องแผงในอาคารในสภาพแวดล้อมที่มีการสัมผัสแสงต่ำ-

ระดับการป้องกันซึ่งแสดงเป็นแรงดันตกค้างที่กระแสไฟพิกัดที่กำหนด จะกำหนดว่าอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกันจะเห็นแรงดันไฟฟ้าเท่าใดในระหว่างเกิดไฟกระชาก แรงดันไฟฟ้าตกค้างที่ต่ำกว่าหมายถึงการป้องกันที่ดีขึ้นสำหรับอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อน แต่โดยทั่วไปยังหมายถึงราคาที่สูงขึ้นด้วย ระดับการป้องกันจะต้องจับคู่กับพิกัดการทนต่ออิมพัลส์ของอะไรก็ตามที่อยู่ที่ดาวน์สตรีม

กลุ่มผลิตภัณฑ์ตัวป้องกันฟ้าผ่าโพลีเมอร์ตอบสนองความต้องการในการเลือกจำนวนมากในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กว้าง และสำหรับการใช้งานในการจำหน่ายกลางแจ้ง การผสมผสานระหว่างเทคโนโลยี MOV และตัวเรือนยางซิลิโคนครอบคลุมสิ่งที่ผู้ปฏิบัติงานโครงข่ายสมัยใหม่กำลังมองหาส่วนใหญ่ในแง่ของประสิทธิภาพ น้ำหนัก และความน่าเชื่อถือ-ในระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่ยากลำบาก

หมายเหตุเกี่ยวกับมาตรฐาน

ตัวดักจับที่มีไว้สำหรับการใช้งานด้านสาธารณูปโภคและอุตสาหกรรมได้รับการทดสอบตามมาตรฐาน IEC 60099 หรือ IEEE C62 ขึ้นอยู่กับตลาด มาตรฐานเหล่านี้ครอบคลุมทุกอย่างตั้งแต่การทดสอบการปฏิบัติงานที่จำลองฟ้าผ่าซ้ำๆ ไปจนถึงการทดสอบมลพิษที่ทำให้ตัวเครื่องสัมผัสกับหมอกเกลือและสิ่งปนเปื้อนทางอุตสาหกรรมเป็นระยะเวลานาน การซื้ออุปกรณ์จับยึดที่มีใบรับรองตามมาตรฐานเหล่านี้ไม่ใช่ทางเลือกในการใช้งานระดับมืออาชีพส่วนใหญ่ นี่เป็นวิธีเดียวที่จะมั่นใจได้ว่าอุปกรณ์จะทำงานตามที่อ้างไว้จริงเมื่อเกิดไฟกระชากจริง

การซื้ออุปกรณ์จับกุมที่ไม่ผ่านการรับรองเพื่อประหยัดเงินในโครงการป้องกันสถานีย่อยถือเป็นเศรษฐกิจที่ผิดพลาด ค่าใช้จ่ายของหม้อแปลงหรือชุดสวิตช์เกียร์ที่ล้มเหลวจะทำให้ต้นทุนของสายดินลดลงหลายเท่า

ความคิดปิด

การป้องกันฟ้าผ่าเป็นหนึ่งในสาขาที่เข้าใจถึงวิศวกรรมเป็นอย่างดี และมีเครื่องมือในการทำงานอย่างเหมาะสมและหาได้ทั่วไป ความล้มเหลวในการป้องกันฟ้าผ่าส่วนใหญ่ไม่ได้มาจากเทคโนโลยีที่ไม่เพียงพอ แต่มาจากการตัดมุมระหว่างการออกแบบหรือการติดตั้ง การระบุผลิตภัณฑ์ไม่ถูกต้องสำหรับสภาพแวดล้อม หรือการละเลยระบบสายดินเนื่องจากมองไม่เห็นและไม่สวยงาม

อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าที่ติดตั้งอย่างถูกต้อง ในตำแหน่งที่ถูกต้อง ด้วยพิกัดที่เหมาะสม และเชื่อมต่อกับกราวด์ที่มั่นคง จะปกป้องโครงสร้างพื้นฐานทางไฟฟ้าได้นานหลายทศวรรษโดยไม่ต้องบำรุงรักษา นั่นคือผลตอบแทนที่สมเหตุสมผลจากการลงทุนเพียงเล็กน้อย ซึ่งอาจเป็นสาเหตุว่าทำไมอุปกรณ์นี้จึงเป็นส่วนมาตรฐานของการออกแบบระบบไฟฟ้านับตั้งแต่ยุคแรกๆ ของการจำหน่ายไฟฟ้า