Ограничители металлические
Ограничители металлические: конструкция, принцип действия и применение в электроэнергетике
Металлические ограничители (МО) представляют собой класс коммутационных аппаратов, предназначенных для защиты изоляции электрооборудования от коммутационных и грозовых перенапряжений. Их основная функция – шунтирование защищаемого участка цепи при возникновении опасного перенапряжения и ограничение амплитуды напряжения до безопасного уровня с последующим восстановлением изолирующих свойств после прохождения импульсного тока. В отличие от нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на основе оксидно-цинковых варисторов, металлические ограничители используют принцип искровых промежутков.
Конструкция и основные компоненты
Конструкция металлического ограничителя является модульной и может варьироваться в зависимости от класса напряжения и назначения. Типовая компоновка включает следующие ключевые элементы:
- Искровые промежутки (разрядники): Основной коммутирующий элемент. Представляет собой систему электродов, расстояние между которыми калибровано для срабатывания при определенном уровне напряжения. Для улучшения характеристик используются многократные, последовательные промежутки с элементами, выравнивающими распределение напряжения (шунтирующие резисторы или емкости).
- Дугогасительная камера (камера гашения): Устройство, обеспечивающее гашение сопровождающего тока промышленной частоты после пробоя промежутков. Конструкции камер разнообразны: автономные газогенерирующие вкладыши из оргстекла, магнитное дутье, дугогашение в узких щелях из дугостойкого материала (фибры, асбестоцемент).
- Вентильный блок (рабочий резистор): Последовательно соединенный с искровыми промежутками нелинейный резистор, выполненный из вилита (карборунд – SiC). Его основная задача – ограничить ток промышленной частоты (сопровождающий ток) до значения, которое способна погасить дугогасительная камера, а также обеспечить спад импульсного тока. Резистор обладает нелинейной ВАХ, но его нелинейность значительно ниже, чем у варисторов ОПН.
- Корпус и изоляторы: Обеспечивают механическую прочность, изоляцию от земли и защиту внутренних элементов от окружающей среды. Корпус может быть фарфоровым или полимерным.
- Контрольный прибор (индикатор срабатывания): Механическое или электронное устройство, сигнализирующее о факте операции ограничителя.
- Дежурный режим: В нормальных условиях эксплуатации при рабочем напряжении промышленной частоты искровые промежутки изолируют защищаемую цепь от земли. Сопротивление вентильного блока и промежутков велико, ток через ограничитель пренебрежимо мал (единицы миллиампер).
- Срабатывание (пробой): При возникновении на защищаемом оборудовании перенапряжения, амплитуда которого превышает пробивное напряжение откалиброванных искровых промежутков, происходит их пробой. Время срабатывания составляет единицы микросекунд.
- Ограничение перенапряжения и отвод импульсного тока: После пробоя промежутков импульсный ток молнии или коммутационный ток замыкается через низкоомную цепь: защищаемое оборудование – ограничитель – земля. Амплитуда напряжения на оборудовании резко снижается до значения, называемого остающимся напряжением (Uост), которое определяется вольт-амперной характеристикой вентильного блока и параметрами импульсного тока.
- Гашение сопровождающего тока: После стекания импульсной составляющей через ограничитель продолжает протекать ток промышленной частоты (сопровождающий ток), обусловленный фазным напряжением сети. Дуга, горящая в промежутках, попадает в дугогасительную камеру, где интенсивно деионизируется. Вентильный резистор ограничивает величину этого тока. При первом же переходе сетевого напряжения через ноль дуга гаснет, и восстанавливается изоляция промежутков. Цепь размыкается.
- Ограничители для защиты вращающихся машин (генераторов, электродвигателей) – ОВМ (Ограничитель Вращающихся Машин). Имеют пониженное пробивное напряжение, так как изоляция машин менее стойка к перенапряжениям. Отличаются низким остающимся напряжением.
- Ограничители для защиты силовых трансформаторов и распределительных устройств – ОП (Ограничитель Перенапряжений) или РВМ (Разрядник Вентильный Магистральный). Стандартное исполнение для сетей 6-750 кВ.
- Ограничители для защиты изоляции линий электропередачи – РВС (Разрядник Вентильный Сетевой).
- Ограничители для защиты тяговых сетей и оборудования электротранспорта.
- С магнитным гашением: Используется взаимодействие магнитного поля постоянных магнитов или электромагнитов с дугой, что заставляет ее вращаться и растягиваться, способствуя охлаждению и деионизации.
- С газогенерирующими элементами: Дуга воздействует на материал вкладышей (оргстекло), выделяющий газ под высоким давлением, который создает продольное или поперечное дутье, охлаждающее и прерывающее дуговой столб.
- С гашением в узкой щели: Дуга затягивается в узкие каналы из дугостойкого материала, где интенсивно охлаждается за счет контакта со стенками.
- Защита генераторов и крупных электродвигателей (ОВМ): Это основная область применения современных МО. Изоляция обмоток статора вращающихся машин имеет низкую импульсную прочность. ОВМ характеризуются чрезвычайно низким остающимся напряжением (на 25-40% ниже, чем у ОПН для той же машины), что критически важно для продления срока службы дорогостоящего оборудования. Конструктивно ОВМ часто выполняются с принудительным обдувом промежутков для стабилизации характеристик.
- Сети с изолированной или компенсированной нейтралью (6-35 кВ): В таких сетях возможно возникновение длительных дуговых перенапряжений. МО, особенно с развитыми дугогасительными камерами, эффективно ограничивают такие процессы.
- Резервная защита: В некоторых схемах МО могут устанавливаться параллельно ОПН в качестве резервной ступени защиты.
- Эксплуатация в условиях низких температур: Конструкция МО, в отличие от некоторых ОПН, не содержит объемных герметизирующих элементов, чувствительных к термоциклированию, что может быть преимуществом в суровом климате.
- Внешний осмотр: Проверка целостности изоляторов, отсутствия загрязнений, состояния контактных соединений и индикатора срабатывания.
- Измерение пробивного напряжения: Периодически (раз в 1-2 года, после каждого грозового срабатывания) производится контроль Uпр промышленной частоты. Отклонение от паспортного значения не должно превышать ±10%. Регулировка осуществляется изменением расстояния между электродами промежутков.
- Измерение сопротивления вентильного блока: Проверяется мегомметром на 2500 В. Значение должно соответствовать паспортным данным (обычно сотни кОм – единицы МОм). Существенное изменение свидетельствует о увлажнении или повреждении вилитовых дисков.
- Проверка механизма индикации.
- Испытание импульсным напряжением: Для проверки согласованности работы промежутков может проводиться испытание полным импульсным разрядным напряжением.
Принцип действия
Работа металлического ограничителя происходит в несколько стадий:
Классификация и типы металлических ограничителей
Металлические ограничители классифицируются по нескольким ключевым признакам:
1. По роду защищаемого оборудования и месту установки:
2. По конструкции дугогасительной системы:
Основные технические характеристики
При выборе и эксплуатации МО руководствуются следующими ключевыми параметрами:
| Наименование параметра | Обозначение | Ед. изм. | Пояснение |
|---|---|---|---|
| Номинальное напряжение | Uн | кВ | Действующее значение наибольшего рабочего напряжения сети, в которой допускается длительная работа ограничителя. |
| Класс напряжения сети | — | кВ | Стандартное напряжение сети (6, 10, 35, 110, 220 кВ и т.д.). |
| Пробивное напряжение при промышленной частоте | Uпр | кВ | Действующее значение напряжения, при котором гарантированно происходит пробой искровых промежутков в течение 1-5 с. |
| Импульсное пробивное напряжение при форме волны 1,2/50 мкс | Uимп.пр | кВ | Амплитудное значение импульсного напряжения, вызывающее пробой промежутков. Характеризует быстродействие защиты. |
| Остающееся напряжение при импульсном токе волны 8/20 мкс | Uост | кВ | Амплитуда напряжения на выводах ограничителя при прохождении через него стандартного импульсного тока. Ключевой показатель эффективности ограничения. |
| Номинальный разрядный ток (импульсный) | Iном.разр | кА | Амплитуда тока волны 8/20 мкс, который ограничитель способен многократно пропускать без повреждений. |
| Пропускная способность по току КЗ | Iоткл | кА | Действующее значение сопровождающего тока промышленной частоты, который дугогасительная система способна гарантированно отключать. |
| Допустимая поглощаемая энергия | W | кДж | Максимальная энергия, рассеиваемая вентильным блоком при однократном или многократном воздействии, без нарушения работоспособности. |
Сравнение с нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН)
Металлические ограничители исторически предшествовали ОПН. В настоящее время их применение сужено, но они остаются востребованными в специфических областях.
| Критерий | Металлический ограничитель (МО) | Нелинейный ограничитель (ОПН) |
|---|---|---|
| Принцип действия | Коммутационный (искровые промежутки). Имеет два четких состояния: «изоляция» и «проводник». | Резистивный нелинейный. Плавное изменение сопротивления в зависимости от приложенного напряжения. |
| Ток утечки | Практически отсутствует (микротоки утечки). | Присутствует небольшой ток проводимости через варистор (сотни микроампер). |
| Быстродействие | Обусловлено временем пробоя промежутков (единицы микросекунд). | Высокое, обусловлено временем нарастания проводимости варистора (нанодесятки наносекунд). |
| Восстанавливающаяся прочность | После срабатывания требуется гашение дуги и восстановление изоляции промежутков. Риск срыва гашения при больших токах КЗ. | Восстановление происходит мгновенно после снижения напряжения ниже порогового, так как нет дугового процесса. |
| Защитная характеристика (вольт-секундная) | Имеет излом в точке пробоя. Менее крутая, может хуже согласовываться с ВСХ защищаемой изоляции. | Более пологая и плавная, что обеспечивает лучшее согласование и больший защитный уровень. |
| Сопровождающий ток | Требует принудительного гашения. Ограничен резистором и возможностями камеры. | Отсутствует как отдельная фаза. Ток промышленной частоты ограничивается самим варистором и сходит на нет при снижении напряжения. |
| Обслуживание | Требует периодической проверки и регулировки пробивного напряжения промежутков, замены изношенных дугогасительных элементов. | Не требует эксплуатационного обслуживания (при условии отсутствия повреждений). |
| Основная область применения сегодня | Защита вращающихся машин (ОВМ), сети с изолированной нейтралью, устаревшее оборудование, некоторые специальные применения (тяга). | Основное средство защиты изоляции в сетях всех классов напряжения от 0,38 кВ и выше. |
Области применения и особенности выбора
Несмотря на широкое вытеснение ОПН, металлические ограничители сохраняют свою нишу:
Критерии выбора: Выбор МО осуществляется на основе сопоставления его характеристик (Uн, Uпр, Uост, Iоткл) с параметрами сети (режим нейтрали, уровень КЗ) и защищаемого оборудования (уровень изоляции, расположение). Обязательно выполняется проверка по току КЗ в месте установки: ток через ограничитель при однофазном КЗ не должен превышать его отключающую способность Iоткл.
Эксплуатация, обслуживание и диагностика
Эксплуатация МО требует регулярного технического обслуживания, регламентированного инструкциями завода-изготовителя и ПТЭЭП.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем принципиально отличается ограничитель от разрядника?
Исторически термин «разрядник» (например, РВО, РВМ) применялся к аппаратам на основе искровых промежутков. Термин «ограничитель» (ОП, ОПН) подчеркивает функцию активного ограничения амплитуды перенапряжения до безопасного уровня. В современной терминологии для аппаратов с искровыми промежутками и вентильным резистором часто используют оба названия: «вентильный разрядник» или «металлический ограничитель». Аппараты на основе варисторов называют исключительно «ограничителями перенапряжений» (ОПН).
Почему для защиты генераторов до сих пор часто применяют ОВМ, а не ОПН?
Основная причина – более низкий защитный уровень (остающееся напряжение) у современных ОВМ по сравнению со специализированными ОПН для генераторов. Это связано с особенностью последовательного соединения искрового промежутка и нелинейного резистора. Кроме того, ОВМ традиционно считаются более надежными в условиях частых и тяжелых коммутационных перенапряжений, характерных для выводов генераторов.
Что произойдет, если ток КЗ в месте установки МО превысит его номинальный отключающий ток (Iоткл)?
При превышении отключающей способности дугогасительная камера не сможет погасить сопровождающую дугу промышленной частоты. Это приведет к переходу дуги на внешние изоляторы, их возможному перекрытию и последующему короткому замыканию на землю. Аппарат может быть разрушен. Поэтому критически важно при выборе МО выполнять расчет токов однофазного КЗ.
Как часто срабатывает металлический ограничитель и требует ли он замены после срабатывания?
Частота срабатываний зависит от грозовой активности и коммутационных процессов в сети. МО рассчитаны на многократное срабатывание (обычно до 20 операций при номинальных токах). После каждого срабатывания требуется техническое обслуживание: проверка пробивного напряжения, осмотр дугогасительных элементов (при сильном оплавлении – замена), измерение сопротивления вентильного блока. Замена всего аппарата требуется только при выходе параметров за допустимые пределы или при физическом износе/повреждении основных элементов.
Можно ли установить МО вместо старого разрядника, не меняя крепления?
Необходимо проверить несколько условий: совпадение класса напряжения и номинального напряжения; габаритные и присоединительные размеры; значение тока КЗ в точке установки (оно не должно превышать Iоткл нового МО). Часто современные МО имеют меньшие габариты, поэтому может потребоваться переходная рама или консоль.
Каков главный недостаток металлических ограничителей по сравнению с ОПН?
Главный эксплуатационный недостаток – наличие сопровождающего тока промышленной частоты, который необходимо принудительно отключать. Это требует наличия надежной дугогасительной системы и накладывает ограничение по току КЗ в месте установки. Кроме того, ВАХ МО менее благоприятна для защиты современной, особенно пониженной, изоляции оборудования.
Заключение
Металлические ограничители, основанные на технологии искровых промежутков и вилитовых резисторов, являются проверенным десятилетиями решением для защиты от перенапряжений. Несмотря на активное вытеснение более совершенными нелинейными ограничителями на основе оксидно-цинковых варисторов (ОПН), МО сохраняют важные рыночные позиции, особенно в нише защиты вращающихся электрических машин (генераторов и крупных двигателей), где их защитный уровень зачастую остается непревзойденным. Грамотный выбор, монтаж и регулярное техническое обслуживание металлических ограничителей являются обязательным условием обеспечения надежной и длительной работы дорогостоящего электроэнергетического оборудования. Понимание их конструкции, принципа действия и областей рационального применения остается актуальной задачей для инженерно-технического персонала в энергетике.