Клапаны (Россия)
Клапаны высокого напряжения российского производства: классификация, конструкция, применение и стандарты
В электроэнергетике и электротехнике под термином «клапан» чаще всего подразумевается разрядник или ограничитель перенапряжения (ОПН) – ключевое устройство для защиты электрооборудования от коммутационных и грозовых перенапряжений. Российская школа проектирования и производства таких устройств имеет глубокие традиции и соответствует как национальным (ГОСТ), так и международным (МЭК) стандартам. Современные российские клапаны – это высокотехнологичные изделия, основанные на нелинейных оксидно-цинковых варисторах, пришедших на смену устаревшим вентильным разрядникам с искровыми промежутками.
1. Эволюция и принцип действия
Исторически в России, как и во всем мире, применялись вентильные разрядники, состоявшие из последовательной цепи искровых промежутков и вилитовых колец, обладавших нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Современные нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН) полностью исключили искровые промежутки. Их рабочая часть – это колонка из оксидно-цинковых (ZnO) варисторов, обладающая исключительно высокой нелинейностью ВАХ. В нормальном режиме работы через ОПН протекает лишь микроамперный ток утечки. При возникновении перенапряжения сопротивление варисторов резко падает на несколько порядков, шунтируя защищаемую цепь и ограничивая напряжение на безопасном уровне. После снятия перенапряжения ОПН возвращается в высокоомное состояние без прерывания тока, в отличие от разрядников, требующих гашения сопровождающего тока.
2. Классификация и типы российских клапанов (ОПН и разрядников)
Клапаны классифицируются по множеству параметров, определяющих их область применения и конструктивное исполнение.
2.1. По назначению и классу напряжения:
- ОПН для электростанций и подстанций: Применяются для защиты силовых трансформаторов, вращающихся машин, шин распределительных устройств (РУ) на напряжения от 3 до 750 кВ и выше. Имеют фарфоровую или полимерную (силиконовую) герметизированную покрышку.
- ОПН для распределительных сетей 6-35 кВ: Более компактные, часто полимерные, предназначены для защиты ячеек КРУ, столбовых трансформаторов.
- ОПН для тяговых сетей и железнодорожного транспорта: Специализированные изделия на 3.3, 27.5 кВ, стойкие к вибрации и специфическим перенапряжениям.
- ОПН для защиты вращающихся машин (генераторов, двигателей): Имеют пониженный уровень остающегося напряжения, так как изоляция машин менее стойка к перенапряжениям.
- ОПН низковольтные (до 1000 В): Для защиты систем собственных нужд, низковольтного оборудования.
- Разрядники трубчатые (РТ): Устаревший тип, но еще применяемый для защиты линий в распределительных сетях. Действие основано на гашении дуги в газогенерирующей трубке.
- Фарфоровые: Классическое, проверенное решение. Обладают высокой механической прочностью, стойкостью к УФ-излучению, но имеют большой вес и риск хрупкого разрушения.
- АО «НИИПТ» (Саранск): Один из флагманов отрасли. Производит полный спектр ОПН на напряжения до 750 кВ включительно, как фарфоровых, так и полимерных. Отличается глубокой научной базой, собственным производством варисторов. Продукция соответствует требованиям РАО «ЕЭС России» и международным стандартам.
- АО «Завод «Искра» (Уфа): Крупный производитель высоковольтного оборудования. Выпускает ОПН серий ОПН-У, ОПН-П на классы напряжения 6-750 кВ. Активно развивает линейку полимерных ОПН.
- ГК «Мегавольт» (Москва): Специализируется на полимерных ОПН для сетей среднего и высокого напряжения. Продукция известна под торговой маркой «ЛИНЭКС».
- АО «ЭЛВЭСТ» (Чебоксары): Производит ОПН для сетей 6-500 кВ, в том числе для специальных применений (тяга, защита вращающихся машин).
- ЗАО «ТЭЭМП» (Подольск): Выпускает ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) полимерного и фарфорового исполнения на 3-500 кВ.
- ГОСТ Р 52725-2007: Ограничители перенапряжений нелинейные для переменного тока напряжением свыше 1000 В. Основополагающий национальный стандарт, гармонизированный с МЭК 60099-4.
- ГОСТ 16357-1987: Разрядники вентильные переменного тока. Устаревший, но применяемый для оставшихся в эксплуатации устройств.
- ПУЭ (Гл. 1.2, 4.2, 5.4): Регламентируют выбор, установку и заземление разрядников и ОПН.
- СО 153-34.20.122-2003: Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. Содержит указания по применению ОПН.
- Стандарты компаний (Россети, ФСК): Содержат дополнительные, более жесткие требования к оборудованию, поставляемому в эти сетевые компании.
2.2. По материалу покрышки:
Полимерные (силиконовые): Современная конструкция. Легче, обладают высокой стойкостью к вандализму (небьющиеся), лучшими дугогасящими свойствами при возможном внутреннем повреждении. Требуют контроля состояния полимерной поверхности.
3. Основные технические характеристики и параметры выбора
Выбор ОПН регламентируется ГОСТ Р 52725-2007 (МЭК 60099-4) и проводится на основе следующих ключевых параметров:
| Параметр | Обозначение / Ед. изм. | Сущность и практическое значение |
|---|---|---|
| Номинальное напряжение | Uн, кВ | Действующее значение напряжения промышленной частоты, которое ОПН может выдерживать длительно. Определяется режимом нейтрали сети. |
| Классификационное (остающееся) напряжение | Uост, кВ | Пиковое значение напряжения на выводах ОПН при пропускании нормированного тока импульсной волны (например, 8/20 мкс). Ключевой показатель защитного уровня. |
| Номинальный разрядный ток | Iном, кА | Пиковое значение тока волны 8/20 мкс, которое ОПН может многократно пропускать, сохраняя параметры. Стандартные значения: 5, 10, 20 кА. |
| Ток пропускной способности по длинным волнам | Iпл, кА (2 мс) | Характеризует способность поглощать энергию коммутационных перенапряжений (волна 1000/2000 мкс). |
| Удельная энергия поглощения | Вт·с/см³ | Объемная энергоемкость варистора. Определяет стойкость к мощным перенапряжениям и возможность каскадного соединения. |
| Ток утечки | мкА | Постоянная составляющая тока под рабочим напряжением. Мониторинг этого параметра – основной метод диагностики старения варисторов. |
4. Ведущие российские производители и особенности продукции
Рынок российских ОПН представлен как крупными энергомашиностроительными холдингами, так и специализированными заводами.
Общей тенденцией для всех производителей является полный переход на безыскровую технологию ОПН, развитие полимерного дизайна, повышение энергоемкости варисторов и внедрение систем мониторинга (счетчиков срабатываний, устройств для измерения тока утечки).
5. Нормативная база и стандарты
Проектирование, производство, испытания и выбор клапанов в России регулируется следующими основными документами:
6. Монтаж, эксплуатация и диагностика
Монтаж ОПН проводится согласно проектной документации и инструкции завода-изготовителя. Ключевые требования: прочное крепление, вертикальное расположение (для большинства типов), надежное электрическое соединение достаточным сечением, подсоединение к контуру заземления непосредственно с заземляющего вывода ОПН.
Эксплуатация включает визуальный осмотр (отсутствие сколов, трещин, загрязнений на поверхности), контроль момента затяжки нижнего крепежного болта. Основной метод диагностики – измерение тока утечки и его активной составляющей. Резкий рост (в 2 и более раза относительно паспортного значения) или наличие значительной активной составляющей свидетельствует о старении, увлажнении или повреждении варисторов и требует замены ОПН. Для этого применяются переносные или стационарные приборы типа «Поиск» или аналоги.
7. Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем принципиальное отличие старого вентильного разрядника от современного ОПН?
Вентильный разрядник содержит искровые промежутки и вилитовые нелинейные резисторы. Он срабатывает при пробое промежутков, что создает дугу, которую необходимо погасить. ОПН не имеет промежутков, работает по принципу «мягкого» ограничения напряжения, не создает короткого замыкания на землю и не требует гашения дуги, что повышает быстродействие и надежность.
Как выбрать между фарфоровым и полимерным ОПН?
Полимерные ОПН легче, обладают лучшей сейсмостойкостью и вандалостойкостью. При внутреннем повреждении корпус не разрывается, а происходит контролируемое растрескивание. Фарфоровые ОПН имеют более длительную историю применения, их состояние проще оценить визуально, но они тяжелее и могут разрушаться хрупко. Выбор зависит от условий эксплуатации, требований заказчика и экономических факторов.
Что такое «защитный уровень ОПН» и как он соотносится с уровнем изоляции защищаемого оборудования?
Защитный уровень – это максимальное напряжение, которое будет приложено к выводам защищаемого оборудования при срабатывании ОПН (фактически, Uост). Он должен быть ниже испытательного напряжения промышленной частоты и импульсного оборудования с определенным запасом (коэффициентом запаса, обычно не менее 1,2-1,4). Это гарантирует, что изоляция не будет повреждена.
Нужно ли периодически испытывать ОПН в эксплуатации, и если да, то как?
ОПН не подлежат периодическим высоковольтным испытаниям повышенным напряжением, как классическая аппаратура. Основной метод контроля – измерение полного тока утечки и его активной составляющей под рабочим напряжением или повышенным постоянным напряжением. Также проводится визуальный осмотр и тепловизионный контроль под нагрузкой для выявления локальных перегревов.
Можно ли устанавливать ОПН, предназначенный для сети с изолированной нейтралью, в сеть с глухозаземленной нейтралью?
Нет, категорически запрещено. ОПН для сети с изолированной нейтралью (режим Uн) рассчитан на длительную работу под фазным напряжением. В сети с глухозаземленной нейтралью при однофазном КЗ на землю на исправных фазах возникает линейное напряжение, которое вызовет перегрузку и разрушение такого ОПН. Выбор Uн ОПН строго зависит от режима нейтрали сети.
Что происходит с ОПН после срабатывания от мощного перенапряжения (прямого удара молнии)?
Современные ОПН высокой энергоемкости способны поглотить энергию даже прямого удара молнии без внешних повреждений. Однако такое событие является экстремальным и приводит к старению варисторов. После такого воздействия обязательно необходимо провести диагностику (измерение тока утечки) для оценки остаточного ресурса. Производители также рекомендуют устанавливать счетчики срабатываний для учета таких событий.