Клапаны РУ 2: устройство, назначение и применение в электротехнических установках

Клапан РУ 2 (Разрядный Устройство) представляет собой ключевой элемент системы защиты от перенапряжений в электроустановках, предназначенный для отвода в землю токов, возникающих при атмосферных (грозовых) или коммутационных перенапряжениях. Это нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН) вентильного типа, предшественник современных ОПН на основе оксидно-цинковых варисторов. Несмотря на активное вытеснение более совершенными ОПН, клапаны РУ 2 до сих пор находятся в эксплуатации на многих объектах энергосистем, что требует глубокого понимания их конструкции, принципа действия и правил обслуживания.

Принцип действия и конструктивные особенности

Основу клапана РУ 2 составляют последовательно соединенные вилитовые диски. Вилит – это нелинейный резистор на основе карборунда (карбида кремния, SiC). Его вольт-амперная характеристика (ВАХ) описывается выражением U = C

• I^α, где α находится в диапазоне 0.15–0.35. Малый показатель степени α означает, что при увеличении тока сопротивление вилита резко падает, обеспечивая шунтирование защищаемой цепи. Однако после прохождения импульса тока через вилит продолжает протекать сопровождающий ток промышленной частоты, который необходимо прервать. Для этого вилитовые диски шунтируются последовательными искровыми промежутками. В нормальном режиме промежутки изолируют вилит от воздействия рабочего напряжения сети. При перенапряжении промежутки пробиваются, подключая вилитовую колонку к цепи тока, которая ограничивает амплитуду импульса, а затем гасит дугу сопровождающего тока при первом же переходе его через ноль.

Конструктивно клапан РУ 2 состоит из следующих основных элементов:

• Вилитовая колонка: Набор дисков из карборунда, спрессованных в фарфоровом покрывающем цилиндре.
• Система искровых промежутков: Многокамерные дугогасительные промежутки, расположенные в отдельном фарфоровом корпусе. Их конструкция обеспечивает стабильность напряжения срабатывания и эффективное гашение дуги.
• Фарфоровое покрытие: Герметизирует внутренние элементы, обеспечивает механическую прочность и изоляцию.
• Верхняя и нижняя металлические крышки: Служат для крепления и подключения клапана в цепь.
• Предохранительное устройство (на некоторых исполнениях): Предназначено для отключения поврежденного клапана от сети в случае его теплового разрушения.

Основные технические характеристики и классификация

Клапаны РУ 2 классифицируются по номинальному напряжению защищаемого оборудования и по типу исполнения. Основные параметры приведены в таблице.

Тип клапана	Номинальное напряжение сети, кВ	Наибольшее рабочее напряжение, кВ	Установившееся напряжение срабатывания (не ниже), кВ	Остающееся напряжение при импульсном токе 5 кА, кВ (не более)	Длина пути утечки, см (в зависимости от исполнения)
РУ 2-3	3	3.5	8.5	17.5	60-80
РУ 2-6	6	6.9	16	30	100-130
РУ 2-10	10	11.5	26	45	160-210
РУ 2-15	15	17.5	38	60	240-320
РУ 2-20	20	23.0	50	75	320-430
РУ 2-35	35	40.5	85	120	560-750

По исполнению различают клапаны нормальные (Н) и с увеличенной длиной пути утечки (У) для районов с повышенным загрязнением атмосферы. Также существуют модификации с предохранительным устройством (например, РУ 2-10УП).

Область применения и схемы включения

Клапаны РУ 2 применялись для защиты изоляции силовых трансформаторов, вращающихся машин, распределительных устройств (РУ) и подстанций. Основные схемы включения:

• Защита фаз: Клапаны включаются между каждой фазой и землей. Для сетей с изолированной нейтралью или компенсированной нейтралью это основная схема.
• Защита нейтрали: Установка клапана в нейтраль силового трансформатора для ограничения перенапряжений, возникающих при смещении нейтрали.
• Комбинированная защита: Совместное использование вентильных разрядников и искровых промежутков (например, для защиты вращающихся машин).

При монтаже клапан должен быть жестко закреплен на конструкции или опорном изоляторе. Сечение соединительных проводников должно быть не менее: медных – 16 мм², алюминиевых – 25 мм². Заземляющий вывод должен быть присоединен к отдельному заземлителю или к заземляющему контуру с минимальным сопротивлением.

Эксплуатация, диагностика и замена

Эксплуатация клапанов РУ 2 регламентируется действующими ПТЭЭП и руководящими документами. Основные мероприятия включают:

• Внешний осмотр: Проверка целостности фарфорового покрытия, отсутствия трещин, сколов, загрязнений.
• Измерение сопротивления изоляции: Мегаомметром на 2500 В. Сопротивление исправного клапана должно составлять сотни и тысячи ГОм. Значение менее 1000 МОм указывает на увлажнение или повреждение.
• Измерение тока проводимости (ток утечки): Проводится на постоянном напряжении. Для клапанов РУ 2-6-35 нормируется напряжение испытания (4-20 кВ) и ток, который не должен превышать 50-150 мкА (точные значения по паспорту). Превышение указывает на старение вилита.
• Проверка срабатывания предохранительного устройства (если есть): Визуальный контроль целостности контрольной проволоки или индикатора.

В связи с моральным и техническим устареванием клапанов РУ 2 рекомендуется их плановая замена на современные ОПН. Преимущества ОПН перед РУ 2:

• Отсутствие искровых промежутков, следовательно, более быстрое срабатывание и лучшая защитная характеристика.
• Значительно более крутая нелинейность ВАХ (α ≈ 0.02-0.05), что обеспечивает лучшее ограничение напряжения.
• Отсутствие сопровождающего тока, следовательно, отсутствие необходимости его гашения.
• Высокая пропускная способность по току и стойкость к многократным воздействиям.
• Меньшие габариты и масса.
• Возможность встраивания счетчика срабатываний и индикаторов повреждения.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается клапан РУ 2 от современного ОПН?

Ключевое отличие – в основе элемента защиты. В РУ 2 используется вилит (SiC) с последовательными искровыми промежутками. В ОПН – варистор из оксида цинка (ZnO) без промежутков. Это дает ОПН лучшую нелинейность, быстродействие и отказ от необходимости гашения дуги.

Можно ли заменить клапан РУ 2 на ОПН, не меняя схемы подключения?

Да, в большинстве случаев это прямая замена. ОПН подбирается по тем же параметрам: номинальное напряжение сети, наибольшее рабочее напряжение, класс пропускной способности. При этом защитный уровень ОПН будет ниже, что повысит надежность защиты изоляции.

Как определить, что клапан РУ 2 вышел из строя или потерял свои характеристики?

Основные признаки: снижение сопротивления изоляции до уровня ниже 1000 МОм, повышенный ток проводимости при испытаниях постоянным напряжением, видимые повреждения (трещины, сколы, следы перегрева), срабатывание предохранительного индикатора. Также косвенным признаком является частое срабатывание при грозах, что может указывать на снижение напряжения срабатывания промежутков.

Каковы риски продолжения эксплуатации старых клапанов РУ 2?

Риски включают: недостаточный уровень защиты из-за ухудшения характеристик вилита и разброса параметров промежутков, возможный тепловой пробой при длительном воздействии перенапряжений, механическое разрушение от старости изоляции. Это может привести к повреждению дорогостоящего основного оборудования (трансформаторов).

Что означает маркировка, например, РУ 2-10УП?

РУ – разрядник вентильный. 2 – номер серии. 10 – номинальное напряжение сети, кВ. У – исполнение с увеличенной длиной пути утечки (для загрязненных условий). П – наличие предохранительного устройства для отключения поврежденного разрядника от сети.

Заключение

Клапаны РУ 2 сыграли исторически важную роль в развитии систем защиты от перенапряжений. Их конструкция, основанная на сочетании вилитовых дисков и многокамерных искровых промежутков, была технологическим прорывом своего времени. Однако физические принципы, заложенные в их работу, обусловили присущие им недостатки: инерционность, наличие сопровождающего тока, относительно пологую защитную характеристику. Современная электроэнергетика перешла на использование нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на основе оксидно-цинковых варисторов, которые лишены этих недостатков. Тем не менее, понимание устройства и принципов работы клапанов РУ 2 остается актуальным для специалистов, обслуживающих действующие энергообъекты, где эта аппаратура еще находится в эксплуатации. Своевременная диагностика и плановая замена РУ 2 на современные ОПН является необходимым мероприятием для повышения надежности и бесперебойности электроснабжения.