Zinkoxid-Überspannungsableiter

Zinkoxid-Überspannungsableiterist einBlitzableitermit guter Schutzleistung.

DerZinkoxid-Überspannungsableiterist der fortschrittlichste Überspannungsschutz der Welt. Dies ist auf den Einsatz von Zinkoxid zurückzuführen.VerhafteterDies ermöglicht eine Verbesserung der Strom-Spannungs-Kennlinie der Widerstandsscheibe und eine Erhöhung der Strombelastbarkeit bei Überspannungen, was im Vergleich zu herkömmlichem Siliziumkarbid eine drastische Verbesserung darstellt.VerhafteBei normaler Betriebsspannung beträgt der Strom durch den Überspannungsableiter nur ein Mikroampere. Wenn derVerhafteterBei einer Überspannungssituation erhöhen die hervorragenden nichtlinearen Eigenschaften des Überspannungsableiters den Stromfluss um ein Vielfaches.Verhafteterbefindet sich im leitenden Zustand und gibt die Überspannungsenergie an die Erde ab, wodurch die Energieübertragungsanlagen vor den Auswirkungen von Überspannung geschützt werden.

Zinkoxid-ÜberspannungsableiterDer Zinkoxid-Überspannungsableiter ist ein in den 1970er Jahren entwickelter neuer Ableitertyp, der hauptsächlich aus Zinkoxid-Varistoren besteht. Jeder Varistor besitzt von Herstellungsdatum an eine bestimmte Schaltspannung (Varistorspannung). Unter normaler Betriebsspannung (d. h. unterhalb der Varistorspannung) ist der Varistorwert sehr hoch, was dem Isolationszustand entspricht. Bei einer Stoßspannung (oberhalb der Varistorspannung) bricht der Varistor jedoch bei einem niedrigen Wert durch, was einem Kurzschlusszustand entspricht. Nach dem Stoß kann der Varistor den Isolationszustand wiederherstellen. Sobald die Spannung oberhalb der Varistorspannung absinkt, kehrt er in den hochohmigen Zustand zurück. Wird der Zinkoxid-Überspannungsableiter in einer Stromleitung installiert, bewirkt die hohe Spannung der Blitzwelle bei einem Blitzeinschlag einen Durchschlag des Varistors, und der Blitzstrom fließt über den Varistor in die Erde. Die Spannung in der Stromleitung kann so in einem sicheren Bereich gehalten werden, wodurch die Sicherheit elektrischer Geräte gewährleistet wird.

Sieben Eigenschaften von Zinkoxid-Überspannungsableitern:

Durchflusskapazität

Dies spiegelt sich vor allem darin wider, dass der Blitzableiter die Fähigkeit besitzt, alle Arten von Blitzüberspannungen, transienten Netzfrequenzüberspannungen und Betriebsüberspannungen zu absorbieren.

Schutzeigenschaften

Zinkoxid-Überspannungsableiter schützen elektrische Geräte in Stromversorgungssystemen vor Überspannungsschäden und bieten eine hohe Schutzleistung. Dank der hervorragenden nichtlinearen Voltammetrie-Eigenschaften der Zinkoxid-Ventilplatte fließen unter normaler Betriebsspannung nur wenige hundert Mikroampere Strom. Dies ermöglicht eine einfache Konstruktion ohne Funkenstrecke und führt zu hoher Schutzleistung, geringem Gewicht und kompakter Bauweise. Bei Überspannung steigt der Strom durch die Ventilplatte rapide an, begrenzt die Überspannungsamplitude und leitet die Überspannungsenergie ab. Anschließend kehrt die Zinkoxid-Ventilplatte in ihren hochohmigen Zustand zurück, sodass das Stromversorgungssystem wieder normal funktioniert.

Die Dichtungsleistung

Die Komponenten des Blitzableiters zeichnen sich durch gute Alterungsbeständigkeit, eine gute Luftdichtheit dank hochwertiger Verbundbeschichtung, die Kontrolle der Dichtungsringkompression und des beschichteten Dichtmittels sowie weitere Maßnahmen aus. Als Dichtungsmaterial dient eine Keramikbeschichtung, die eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet und somit die Stabilität der Leistung des Blitzableiters sicherstellt.

Mechanische Eigenschaften von

Dabei werden hauptsächlich folgende drei Faktoren berücksichtigt: die zu ertragende seismische Kraft;

Maximaler Winddruck auf den Überspannungsableiter;

Die Oberseite des Überspannungsableiters trägt die maximal zulässige Drahtspannung.

Dekontaminationsanlage

Der lückenlose Zinkoxid-Überspannungsableiter weist eine hohe Verschmutzungsresistenz auf.

Die in der nationalen Norm vorgeschriebene spezifische Kriechstrecke beträgt: Klasse II mittelstark verschmutztes Gebiet: spezifische Kriechstrecke 20 mm/kV;

Stark verschmutztes Gebiet der Klasse III: spezifische Kriechstrecke 25 mm/kV;

Klasse IV extrem stark verschmutztes Gebiet: spezifische Kriechstrecke 31 mm/ kV.

Hohe Betriebssicherheit

Die Zuverlässigkeit des Langzeitbetriebs hängt von der Qualität und der sinnvollen Auswahl der Produkte ab. Die Produktqualität wird im Wesentlichen durch drei Aspekte beeinflusst: die Zweckmäßigkeit der Gesamtstruktur des Blitzableiters; die voltammetrischen Eigenschaften und die Alterungsbeständigkeit des Zinkoxidventils; die Dichtungsleistung des Blitzableiters.

Netzfrequenztoleranz

Aufgrund von Faktoren wie einphasiger Erdung, dem Einfluss der Leitungskapazität und der Lastabwurfwirkung im Stromversorgungssystem kann es zu einem Anstieg der Netzfrequenzspannung oder zu transienten Überspannungen mit hoher Amplitude kommen. Blitzableiter haben eine gewisse Zeit Zeit, um einen bestimmten Anstieg der Netzfrequenzspannung zu überstehen.

Funktion

Jeder Überspannungsableitertyp hat seine spezifischen Vorteile und Eigenschaften und muss in unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt werden, um eine optimale Isolationswirkung zu erzielen. Unter Nennspannung verhält sich der Ableiter wie ein Isolator und hat keine Wirkung. Im Falle einer Überspannung oder eines Kurzschlusses leitet der Blitzableiter den Strom zur Erde ab und schützt so die angeschlossenen Geräte.

Einstufung

Gemäß dem Spannungspegel

Zinkoxid-Überspannungsableiter werden nach ihrem Nennspannungswert klassifiziert und können in drei Kategorien unterteilt werden:

Hochspannungskategorie: Sie bezieht sich auf die Zinkoxid-Überspannungsableiterserie über 66 kV, die grob in sieben Klassen unterteilt werden kann: 1000 kV, 750 kV, 500 kV, 330 kV, 220 kV, 110 kV und 66 kV.

Mittelspannungskategorie: Sie bezieht sich auf die Zinkoxid-Überspannungsableiter-Serienprodukte im Bereich von 3 kV bis 66 kV (ausgenommen Produkte der 66-kV-Serie), die grob in vier Spannungsstufen unterteilt werden können: 3 kV, 6 kV, 10 kV und 35 kV.

Niederspannungskategorie: Sie bezieht sich auf die Zinkoxid-Überspannungsableiter der Serie unter 3 kV (ausgenommen Produkte der Serie 3 kV), die grob in vier Spannungsstufen unterteilt werden können: 1 kV, 0,5 kV, 0,38 kV und 0,22 kV.

Gemäß dem Nennentladestrom

Nach dem Nennentladestrom können Zinkoxid-Überspannungsableiter in fünf Klassen eingeteilt werden: 20, 10, 5, 2,5, 1,5 kA.

Entsprechendverwenden

Zinkoxid-Überspannungsableiter können je nach Verwendungszweck in sieben Typen unterteilt werden: Systemstromkreis-Typ, Systemkraftwerks-Typ, Systemverteilungs-Typ, Shunt-Kompensations-Kondensatorbank-Schutz-Typ, elektrifizierte Eisenbahn-Typ, Motor- und Motorneutralpunkt-Typ, Transformatorneutralpunkt-Typ.

Gemäß der Struktur

Zinkoxid-Überspannungsableiter lassen sich nach ihrer Struktur in zwei Kategorien einteilen.

Zinkoxid-Überspannungsableiter lassen sich anhand ihrer Verschmutzungsbeständigkeit in vier Klassen einteilen. Klasse I ist der gängige Typ, Klasse II wird in Bereichen mit mittlerer Verschmutzung eingesetzt (spezifische Kriechstrecke 20 mm/kV), Klasse III in Bereichen mit hoher Verschmutzung (spezifische Kriechstrecke 25 mm/kV) und Klasse II in Bereichen mit extrem hoher Verschmutzung (spezifische Kriechstrecke 31 mm/kV).

Verbundbeschichtung: Zinkoxid-Überspannungsableiter mit Verbundbeschichtung bestehen aus einem Verbundsilikonkautschuk-Material als Beschichtung und einer Auswahl an Hochleistungs-Zinkoxid-Widerstandsfolie. Die spezielle Innenstruktur und die fortschrittliche Montagetechnologie vereinen die Vorteile von Silikonkautschuk und Zinkoxid-Widerstandsfolie. Zusätzlich zu den Vorteilen von Zinkoxid-Überspannungsableitern mit Porzellanbeschichtung zeichnet sich diese Produktreihe durch gute Isolationseigenschaften, hohe Beständigkeit gegen Verschmutzungen, guten Explosionsschutz, geringe Größe, niedriges Gewicht, Wartungsfreiheit, Robustheit, zuverlässige Abdichtung und ausgezeichnete Alterungsbeständigkeit aus.

Gemäß der Strukturleistung

Zinkoxid-Überspannungsableiter können nach Aufbau und Leistung in drei Typen unterteilt werden: ohne Luftspalt (W), mit Serienluftspalt (C), mit Parallelluftspalt (B).

1. In der Vergangenheit wurden bei der Auswahl und den Nachteilen von Blitzableitern lediglich die Betriebs- und Blitzüberspannungspegel berücksichtigt.

Die nationale Norm schreibt vor, dass die Spannung am Netzanschluss des Systems etwas höher als das K-fache der Nennspannung (oder Bemessungsspannung) Un des Systems sein muss, d. h. K = Um/Un (Um ist die höchste Spannung des Systems). Die Isolierung elektrischer Betriebsmittel muss einen dauerhaften Betrieb unter Un gewährleisten. Der Wert für K beträgt bei Systemen mit 220 kV und darunter 1,15 und bei Systemen mit 330 kV und darüber 1,1. Die genannten Prinzipien werden bereits bei der Auslegung des Überspannungsableiters berücksichtigt.

2. Auswahl und Notwendigkeit von Blitzableitern zur Gewährleistung des Betriebs bei einphasiger Erdungsüberspannung und der Sicherheit des Stromversorgungssystems

Im Hinblick auf einen sicheren Betrieb sollte die Wahl der Bemessungsspannung des Überspannungsableiters auch den folgenden Grundsätzen entsprechen:

(1) Die Nennspannung des Zinkoxid-Überspannungsableiters sollte höher sein als die bei seiner Installation auftretende netzfrequente Überspannungsspitze. In Neutralleiter-Erdungssystemen ab 110 kV kann er nach dem oben beschriebenen Verfahren ausgewählt werden.

(2) Bei indirekt geerdeten Neutralleitersystemen mit 110 kV und darunter erlauben die Vorschriften der Energieversorgungsunternehmen unter den Bedingungen einphasiger Erdung einen Betrieb von 2 Stunden. Manchmal wird sogar bei intermittierender Lichtbogenüberspannung ein Betrieb von mehr als 2 Stunden zur Fehlersuche zugelassen. Diese Betriebsart stellt eine ernsthafte Gefahr für den sicheren Betrieb von Zinkoxid-Blitzableitern unter einer Nennspannung von 10 Sekunden dar. Da sich Zinkoxid- und SiC-Ableiter in Aufbau und Konstruktion unterscheiden (SiC-Ableiter nutzen eine Lichtbogenlöschung mittels Funkenstrecke, Zinkoxid-Ableiter haben keine Funkenstrecke oder nur eine Trennfunkenstrecke), kann es in der Praxis zu thermischen Überspannungen und sogar schweren Explosionen bei Zinkoxid-Ableitern kommen. Angesichts dieser Situation haben viele Energieversorgungsunternehmen und Elektrotechnik-Planungsinstitute je nach den lokalen Netzbedingungen verschiedene Nennspannungswerte (z. B. 14,4 kV, 14,7 kV usw.) vorgeschlagen. In den Lasttests mehrerer nationaler Normen wurde die Nennspannungstoleranz von 10 Sekunden auf das 1,2- bis 1,3-Fache erhöht, um die Anpassungsfähigkeit von Zinkoxid-Ableitern zu verbessern. Das System zur direkten Erdung des Neutralpunkts durch Oxidableiter wurde verbessert.

Da die Nennspannung des Zinkoxid-Überspannungsableiters zu niedrig ist, löst der Ableiter bei einphasiger Erdschlussüberspannung oder sogar bei mehreren transienten Überspannungen aus. Die Abteilung für Sicherheitsüberwachung und Produktionskoordination des Elektrizitätsministeriums schlug bereits im 17. Sicherheitsbulletin vom 30. Oktober 1993 eine Überarbeitung des Ableiters vor.

In der Übergangszeit zwischen der Bekanntgabe und der Überarbeitung der neuen Norm werden die folgenden Auslegungsregeln für die Auswahl der Bemessungsspannung und der Dauerbetriebsspannung von Zinkoxid-Überspannungsableitern in nicht geerdeten Neutralleitersystemen vorgeschlagen: Die Bemessungsspannung beträgt das 1,2- bis 1,3-Fache der Lichtbogenlöschspannung des Referenz-SiC-Überspannungsableiters, und die Dauerbetriebsspannung entspricht der höchsten Netzspannung des Systems.

Da es keinen einheitlichen Standard für die oben genannten Basisdaten gibt, wird es bei der Konstruktion und Fertigung zu Diskrepanzen zwischen dem Blitzableiterhersteller und dem Anwender kommen.

3. Umsetzung der neuen Norm von 2000, sichere und vernünftige Auswahl von Blitzableitern

In Chinas neuer Norm von 2000 (GB11032-2000) wurde das Prinzip der Nennspannung, die mindestens das 1,2- bis 1,3-Fache betragen sollte, anerkannt. Für die Wahl der Dauerbetriebsspannung gilt jedoch eine neue Bestimmung: Ausgehend von der Lebensdauer des Überspannungsableiters bei 1,5 Un//U1 mA dient die Dauerbetriebsspannung als Referenzwert. Da der übliche Wert für die Auslegung und Fertigung inländischer Überspannungsableiter bei 80 % liegt, wird die Dauerbetriebsspannung auf das 0,8-Fache der Nennspannung festgelegt. Dies wird durch den Bereich kleiner Ströme in der Voltammetrie-Kennlinie bestätigt.

Daher sollte in der Praxis die Überspannungsschwelle bei einphasigem Erdungsbetrieb (1 Stunde) bei Simulationsberechnungen unter spezifischen Bedingungen oder bei der Auswahl des Ableiters auf Basis von Erfahrungswerten berücksichtigt werden. Allerdings weichen viele Nennspannungswerte in technischen Vereinbarungen von Anwendern und sogar in Zeichnungen von Energieplanungsinstituten geringfügig von den oben genannten Werten ab, was meiner Meinung nach unnötig ist (z. B. 16,5 kV und 16,7 kV bei 10 kV). Der Grund dafür ist, dass der Nennspannungswert in der Strom-Spannungs-Kennlinie bei der praktischen Auslegung von Blitzableitern im Bereich niedriger Ströme liegt, also unterhalb des U1mAAC-Werts. Die Berücksichtigung geringfügiger Abweichungen ist daher bei der praktischen Auslegung von Blitzableitern nicht möglich. Darüber hinaus ist gemäß den Anforderungen der neuen nationalen Norm für den sicheren Betrieb unter der zulässigen Überspannung (dies bezieht sich auf ungeerdete Systeme) zu rechnen.

4. Wissenschaftliche Auswahl von ungeerdeten Zinkoxid-Überspannungsableitern gemäß der neuen Norm von 2000

(1) Die Bemessungsspannung ist entsprechend dem maximal zulässigen Effektivwert der an den Klemmen des Überspannungsableiters anliegenden Netzfrequenzspannung zu wählen und auszulegen, damit dieser unter der im Lasttest ermittelten transienten Überspannung ordnungsgemäß funktioniert. Die Dauerbetriebsspannung muss so gewählt werden, dass ein konstanter Effektivwert zwischen den Ableiterklemmen gewährleistet ist. Die Netzfrequenz-Entladespannung muss dabei hoch genug sein, um ein Auslösen der Isolation des geschützten Geräts unter Betriebsüberspannung ohne Schutz zu verhindern und die Lebensdauer zu verlängern. Dabei sind die tatsächliche Laderate und die Restspannung des in China hergestellten Zinkoxid-Überspannungsableiters zu berücksichtigen.

(2) Bei stärkeren Anstiegen der Netzfrequenzspannung oder höheren Isolationsprüfspannungen der Geräte ist ein Zinkoxid-Überspannungsableiter mit höherer Nennspannung zu wählen. Die Netzfrequenz-Referenzspannung muss mindestens der Nennspannung entsprechen. Diese beiden Punkte der neuen nationalen Normanforderungen werden besser erfüllt. Die folgende Berechnung erfüllt ebenfalls die Anforderungen an die Überspannung. Die nationalen Normen müssen sicherstellen, dass der einphasige Erdungsbetrieb 2 Stunden lang ohne Eingriff erfolgt. Im ungünstigsten Fall, wenn einphasige Erdung und Lastabwurf gleichzeitig auftreten, beträgt die theoretisch maximal mögliche Überspannung das 1,99-Fache. Die zulässige Dauerbetriebsspannung UC (Effektivwert) des Zinkoxid-Überspannungsableiters wird wie folgt gewählt:

Die Nennspannung (Ur≈1,25 UC) wurde gemäß dem nationalen Standardladestrom von 0,8 gewählt, wodurch alle Anforderungen erfüllt wurden. Bei Verwendung von Lichtbogenerdung und Resonanzüberspannung mit hoher Austrittswahrscheinlichkeit muss die Nennspannung folgende Kriterien erfüllen: erneut drücken?=0,8. Die gewählte Dauerbetriebsspannung erfüllt ebenfalls die Anforderungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die größte Schwierigkeit bei der Auswahl von Überspannungsableitern darin besteht, den Bereich der kurzzeitigen Überspannung zu bestimmen. Es muss ein sicherer und präziser Betrieb unter hohen Betriebs- und Umgebungsüberspannungen gewährleistet sein, und es muss sichergestellt werden, dass die Ventilplatte bei kurzzeitiger Überspannung nicht betätigt wird.

Bei der aktuellen Typauswahl und Konstruktion des Überspannungsableiters muss sichergestellt werden, dass der Zinkoxid-Überspannungsableiter mit der höchsten Überspannungsfestigkeit des Systems bei einphasiger Erdung (2 Stunden) nicht auslöst, da es sonst zu einem thermischen Zusammenbruch oder sogar zu einer Explosion kommen kann.

Daher ist es angebracht, das ungeerdete System gemäß den neuen Anforderungen auszuwählen.

Bei der Vorrichtung mit geerdetem Kondensator zur Lichtbogenunterdrückung ist die Erdungsüberspannung jedoch viel geringer. Daher kann man gemäß der praktischen Simulationsberechnung der Nennspannung und der Dauerbetriebsspannung eine niedrige Spannung wählen, damit der Zinkoxid-Blitzableiter bei der niedrigeren Betriebsüberspannung auslöst. Es handelt sich um eine Kondensatorschutzvorrichtung. Wenn dies nicht praktikabel ist, kann man auch ein System ohne Erdung wählen.

Weil die Isolierung des Kondensatorpols gegen Erde als ausreichend für die einphasige Erdung gemäß den 2-Stunden-Anforderungen angesehen wurde.

Bei Betrieb unterhalb der Nennspannung löst der Überspannungsableiter nicht aus und verursacht keine Überspannungsschäden am Kondensator.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zinkoxid-Serienventilplatten ohne Spiel direkt in Reihe geschaltet sind. Die Widerstände von Zinkoxid-Blitzableitern können nicht einmal mehr als das 1,99-fache der durch die SiC-Lichtbogenbildung verursachten Überspannung aushalten. Die gewählte Referenzspannung für die Nennspannung des Zinkoxid-Blitzableiters erfüllt die Anforderungen nicht und steigt zwangsläufig an, um die Sicherheit des Ableiters zu gewährleisten, da keine tatsächlichen Simulationsdaten vorliegen.

Der im Geiste der nationalen Norm verankerte empfohlene Wert ist angemessener, da er die Grenzwertvorgaben erfüllt.