Hva er en lynavleder?

Hvis du jobber lenge nok rundt elektriske systemer, begynner du å utvikle en sunn respekt for lyn. Ikke den romantiske respekten folk har når de ser en storm rulle inn over fjellene. Den praktiske typen, den typen som får deg til å dobbeltsjekke-jordingsforbindelsene dine før en jobb og spørre ingeniøren om distribusjonslinjen går over eller under jorden.

Lynavledere er en av de enhetene de fleste utenfor den elektriske industrien aldri har tenkt på, selv om de stille beskytter nesten alle bygninger, nettstasjoner og kommunikasjonstårn i verden. Denne artikkelen bryter ned hva de er, hvordan de fungerer, hvilke typer som finnes, og hvorfor valget av avleder betyr mer enn mange kjøpere er klar over.

Lynavledere

Hva en lynavleder faktisk gjør

I kjernen er en lynavleder en spenningsbegrensende enhet. Den sitter koblet mellom en elektrisk leder og bakken, og gjør absolutt ingenting under normale driftsforhold. I det øyeblikket en overspenning kommer, enten fra et direkte lynnedslag på en kraftledning eller fra spenningstoppen som skjer når en stor transformator slår seg av, aktiveres avlederen, skaper en midlertidig lav-motstandsvei til jord og kanaliserer overspenningsenergien bort fra alt nedstrøms. Når overspenningen har passert og linjespenningen faller tilbake til normalen, går avlederen tilbake til sin inaktive tilstand.

Den siste delen er verdt å merke seg. I motsetning til en sikring, som ofrer seg for å beskytte en krets, er en riktig vurdert avleder designet for å håndtere gjentatte overspenningshendelser uten å brenne ut. Den tilbakestilles automatisk, og i de fleste tilfeller registrerer utstyret den beskytter aldri at noe har skjedd.

Sammenligningen jeg finner mest nyttig er et avløp i en vask. Vann renner inn med normal hastighet, og avløpet henger med uten anstrengelse. Men når noen dumper en full bøtte på en gang, takler avløpet den plutselige bølgen og vasken renner ikke over. Avlederen er avløpet. Transformatoren, bryterutstyret, den sensitive elektronikken inne i bygget er vasken.

Hvor navnet blir forvirrende

Noe av det første folk støter på når de begynner å forske på dette emnet, er en haug med overlappende terminologi. Lynavleder, overspenningsavleder, overspenningsvern, overspenningsavleder, lynavleder. Disse begrepene brukes noen ganger om hverandre, og noen ganger betyr de genuint forskjellige ting avhengig av hvem som snakker og i hvilken sammenheng.

Her er en praktisk måte å tenke på distinksjonene:

En lynavleder (teknisk kalt en luftterminal) er en ekstern enhet montert på toppen av en struktur. Dens jobb er å avskjære et direkte slag og gi strømmen en kontrollert vei til bakken gjennom en nedleder. Det beskytter bygningens struktur mot å ta fyr eller bli fysisk skadet. Det gjør ingenting for det elektriske utstyret inni.

En lynavleder i tradisjonell forstand refererer til enheter installert på overføringstårn og utendørs distribusjonslinjer. Disse avskjærer overspenningsenergien som beveger seg langs linjen og avleder den før den når en transformatorstasjon eller bygning. I mange utførelser har avlederen ikke direkte kontakt med ledningslederen. Den sitter parallelt og aktiveres kun når spenningen klatrer forbi en satt terskel.

En overspenningsavleder eller overspenningsvern er installert inne i en bygning, vanligvis ved det elektriske hovedpanelet. Den håndterer overspenningstransientene som allerede har kommet seg gjennom de utendørs beskyttelseslagene.

Fullstendig beskyttelse krever alle tre. En lynavleder uten avleder på innkommende ledning etterlater fortsatt det elektriske systemet utsatt for overspenninger som føres langs lederne. En avleder på linjen uten panel-overspenningsvern forlater den siste milen ubeskyttet. Å hoppe over lynavlederen helt betyr at et direkte angrep på bygningen kan overvelde alt annet. Hvert lag håndterer en annen trussel, og de er ment å fungere sammen.

Hvordan enheten fungerer på innsiden

De fleste moderne lynavledere er bygget rundt metalloksidvaristorer, ofte kalt MOV-er. Det aktive materialet er sinkoksid, komprimert til skiver og stablet inne i avlederhuset. Sinkoksid har en nyttig egenskap: dens elektriske motstand endres dramatisk avhengig av spenningen som påføres over den.

Ved normal nettspenning har sinkoksid ekstremt høy motstand. Nesten ingen strøm flyter gjennom den, og avlederen er i praksis usynlig for kretsen. Når en overspenning presser spenningen over avlederens beskyttelsesnivå, synker motstanden til sinkoksydet med flere størrelsesordener i mikrosekunder. Strømmen flommer gjennom avlederen og ned i bakken og omgår det beskyttede utstyret. Når overspenningen slutter og spenningen faller tilbake til normalen, klatrer motstanden opp igjen, og avlederen blir stille igjen.

Tidligere design brukte gnistgap og silisiumkarbidskiver i stedet for sinkoksid, og du vil fortsatt finne disse i eldre installasjoner. Stangspaltestopperen, for eksempel, er bare to metallstenger plassert tett sammen med en liten luftspalte mellom dem. Når spenningen blir høy nok, ioniserer luften og en gnist hopper over gapet, og gir en utladningsbane. Enkelt og robust, men upresist, og lysbuen slukker ikke rent, noe som kan føre til-følgende problemer i systemet. Ventil-avledere har lagt til silisiumkarbidblokker for å begrense følgestrømmen etter en overspenning, og forbedre stanggapets design mens de fortsatt kommer til kortere enn det MOV-teknologien til slutt ville tilby.

Tabellen nedenfor gir en rask sammenligning av hovedavledertypene du sannsynligvis vil møte:

Hvorfor boligmateriale ikke er en liten detalj

I det meste av det tjuende århundre ble lynavlederhus laget av porselen eller herdet glass. Begge materialene gjør jobben tilstrekkelig i rene, stabile miljøer. Men tilstrekkelig er ikke det samme som ideelt, og felterfaring over flere tiår gjorde begrensningene klare.

Porselen er tungt. På et overføringstårn som går gjennom vanskelig terreng, øker vekten av porselensavledere. Enda viktigere, porselen knuser voldsomt når en enhet svikter under ekstreme overspenningsforhold. Et porselenshus som eksploderer på en strømførende transformatorstasjonsstruktur skaper en alvorlig fare for alle som jobber i nærheten og kan utløse sekundære feil i utstyret rundt det.

Glass har lignende problemer. Begge materialene akkumulerer også forurensning over tid, spesielt i kystområder hvor saltspray avleires på overflaten, eller nær industriområder der kjemiske forurensninger er vanlige. En skitten porselens- eller glassoverflate kan utvikle nok ledningsevne til å forårsake overslag under vått vær, noe som i utgangspunktet ikke har en avleder.

Skiftet til polymerhus, spesielt silikongummikompositter, adresserte de fleste av disse problemene på en praktisk måte. ENPolymer lynavlederveier vanligvis 80 til 90 prosent mindre enn en porselensenhet med samme spenningsklassifisering. Silikongummioverflaten er naturlig hydrofob, noe som betyr at vann perler av i stedet for å spre seg til en tynn ledende film. Denne hydrofobe egenskapen gjenoppretter seg selv etter at overflaten er blitt forurenset og rengjort, noe som er en egenskap som keramiske materialer rett og slett ikke har.

Når en polymeravleder svikter, svikter den på en kontrollert måte. Huset sprekker eller lufter i stedet for å eksplodere. Det har stor betydning for personellsikkerhet og for å forhindre kaskadeskader på utstyr i nærheten.

Ingenting av dette betyr at porselensavledere er foreldet. De fungerer fortsatt pålitelig i mange eksisterende installasjoner, og det er applikasjoner hvor deres termiske egenskaper gir fordeler. Men for nybygg, spesielt på utendørs distribusjonslinjer i utfordrende miljøer, er ingeniørsaken for polymerhus vanskelig å argumentere mot.

VICTORY Polymer Lynavleder

Installasjon og jording

En avleder som ikke er skikkelig jordet beskytter egentlig ingenting. Enheten kan avlede overspenningsstrømmen inn i jordterminalen alt den vil, men hvis jordelektroden har høy motstand eller lederen som kobler avlederen til bakken er for lang, vil ikke overspenningsenergien forsvinne raskt nok og skadelig spenning vil fortsatt vises over det beskyttede utstyret.

Jordingslederen skal være så kort og direkte som mulig. Hver ekstra meter med leder legger til induktans, noe som oversettes til ekstra spenning under overspenningsforhold. Selve jordelektroden, enten det er en drevet stang, en nedgravd plate eller en betong-innkapslet elektrode i bygningsfundamentet, må oppnå en motstand som er lav nok til å oppfylle systemets beskyttelseskrav. I de fleste distribusjonsapplikasjoner betyr dette en jordmotstand på 10 ohm eller mindre, og i sensitive elektroniske installasjoner er målet ofte under 1 ohm.

I transformatorstasjoner er det installert avledere ved hver transformatorterminal og ved hver inngående og utgående linje. Denne posisjoneringen sikrer at overspenninger som går langs en hvilken som helst linje blir fanget opp før de kan nå transformatorviklingene, som er blant de dyreste og minst utskiftbare komponentene i en transformatorstasjon. I boliger og lette kommersielle bygninger er en hel-bygningsavleder ved tjenesteinngangspanelet standardtilnærmingen, noen ganger supplert med-bruksenheter- på sensitivt utstyr som servere eller medisinske instrumenter.

Velge høyre arrester

Å velge en avleder fra en hylle basert på spenningsklassifisering alene er en vanlig feil. Flere parametere må samsvare med applikasjonen.

Den kontinuerlige driftsspenningen (COV) må være minst lik den maksimale kontinuerlige spenningen avlederen vil se under normal systemdrift, inkludert eventuell spenningsøkning som oppstår under feiltilstander. Underdimensjonering av COV fører til termisk løping, hvor avlederen varmes opp under normal spenning og til slutt svikter.

Energiklassifiseringen bestemmer hvor mye overspenningsenergi avlederen kan absorbere uten å bli skadet. En enhet som møter hyppige eller høye-energiangrep, for eksempel en avleder på en åpen bakketopp, trenger en høyere energiklasse enn en som beskytter et innendørspanel i et miljø med lav-eksponering.

Beskyttelsesnivået, uttrykt som restspenningen ved en nominell utladningsstrøm, bestemmer hvor mye spenning det beskyttede utstyret faktisk vil se under en overspenning. En lavere restspenning betyr bedre beskyttelse for sensitivt utstyr, men betyr også typisk en høyere pris. Beskyttelsesnivået må tilpasses mot impulsmotstandsvurderingen til det som er nedstrøms.

Polymer Lightning Arrester-produktlinjen dekker mange av disse valgkravene over et bredt spenningsområde, og for utendørs distribusjonsapplikasjoner dekker kombinasjonen av MOV-teknologi og silikongummihus det meste av det moderne nettoperatører ser etter når det gjelder ytelse, vekt og-langsiktig pålitelighet i vanskelige miljøer.

En merknad om standarder

Arrestere beregnet for bruks- og industriapplikasjoner er testet mot IEC 60099 eller IEEE C62, avhengig av markedet. Disse standardene dekker alt fra driftstester som simulerer gjentatte lynnedslag til forurensningstester som utsetter huset for salttåke og industrielle forurensninger over lengre perioder. Å kjøpe avledere som er sertifisert i henhold til disse standardene er ikke valgfritt i de fleste profesjonelle bruksområder. Det er den eneste måten å ha tillit til at enheten faktisk vil oppføre seg som påstått når en reell økning kommer.

Å kjøpe usertifiserte avledere for å spare penger på en nettstasjonssikring er en falsk økonomi. Kostnaden for en sviktet transformator eller bryterenhet vil dverge kostnadene for avlederne mange ganger.

Avsluttende tanke

Lynbeskyttelse er et av de feltene der ingeniørarbeidet er godt forstått og verktøyene for å gjøre jobben riktig eksisterer og er allment tilgjengelige. De fleste feil i lynbeskyttelse kommer ikke fra at teknologien er utilstrekkelig, men at hjørner blir kuttet under design eller installasjon, feil produkter spesifisert for miljøet, eller at jordingssystemet blir neglisjert fordi det er usynlig og uglamorøst.

En lynavleder installert riktig, på rett plassering, med riktige klassifiseringer og koblet til fast jord, vil beskytte elektrisk infrastruktur i flere tiår uten praktisk talt vedlikehold. Det er en rimelig avkastning på en beskjeden investering, og det er sannsynligvis grunnen til at enheten har vært en standard del av kraftsystemdesign siden de tidlige dagene av elektrisk distribusjon.