Ограничители
Ограничители перенапряжений: классификация, принцип действия, применение и выбор
Ограничитель перенапряжений (ОПН) – это ключевой аппарат высоковольтной и низковольтной электротехники, предназначенный для защиты изоляции электрооборудования и систем от коммутационных и грозовых перенапряжений. В отличие от устаревших вентильных разрядников, ОПН не имеет искровых промежутков и функционирует на основе нелинейных свойств металлооксидных варисторов, что обеспечивает быстрое срабатывание, многократность действия и минимальные требования к обслуживанию. Принцип работы основан на резком, но обратимом изменении электрического сопротивления варисторного элемента из оксида цинка (ZnO) при превышении определенного порогового напряжения. В нормальном режиме через ОПН протекает ток утечки порядка сотен микроампер, обладающий емкостной составляющей. При возникновении перенапряжения сопротивление падает на несколько порядков, и ОПН шунтирует защищаемую цепь, отводя импульсный ток в землю. После снижения напряжения до уровня ниже порогового, сопротивление вновь резко возрастает, и ОПН возвращается в непроводящее состояние, не нарушая работу сети.
Классификация и конструктивное исполнение ОПН
Ограничители классифицируются по ряду ключевых параметров, определяющих их область применения и технические характеристики.
1. По номинальному напряжению сети и классу напряжения:
- ОПН для сетей высокого напряжения (ВН и СВН): от 3 до 750 кВ и выше. Используются для защиты подстанционного оборудования (силовых трансформаторов, реакторов, выключателей). Имеют многоколонковую или монолитную конструкцию с герметизированными полимерными или фарфоровыми покрывающими изоляторами.
- ОПН для сетей среднего напряжения (СН): от 1 до 35 кВ. Применяются в распределительных сетях, для защиты ячеек КРУ, генераторов, двигателей. Часто выполняются в полимерном корпусе, легкие, устойчивые к вандализму.
- ОПН для сетей низкого напряжения (НН): до 1000 В (включая 220/380 В). Это устройства для защиты потребителей, систем АСУ ТП, телекоммуникаций. Могут быть модульными (для DIN-рейки), в виде удлинителей или стационарных боксов.
- С фарфоровой покрывающей изоляцией: Традиционное исполнение. Фарфор обеспечивает высокую механическую прочность и стойкость к УФ-излучению, но хрупок и тяжел. Требует наличия внутреннего газонаполненного промежутка для компенсации теплового расширения.
- Станционные (подстанционные) ОПН: Для защиты открытых распределительных устройств (ОРУ).
- Сетевые (линейные) ОПН: Для защиты воздушных линий электропередачи, часто устанавливаются на опорах.
- ОПН для вращающихся машин (генераторов, двигателей): Имеют особо пологую вольт-амперную характеристику, так как изоляция машин наиболее чувствительна к перенапряжениям.
- ОПН для систем тягового тока и электрифицированного транспорта.
- Устройства защиты от перенапряжений (УЗИП) классов I, II, III (B, C, D): Для многоуровневой защиты низковольтных сетей.
- Встроенные или внешние счетчики срабатываний: Регистрируют факт отвода импульса.
- Устройства контроля тока утечки (УКТУ): Измеряют полный ток или его активную составляющую. Превышение установленного порога сигнализирует о необходимости проверки.
- Термографический контроль (тепловизионный осмотр): Позволяет выявить перегретые колонки ОПН в составе гирлянды.
- Измерение вольт-амперной характеристики на переменном или постоянном токе: Наиболее информативный, но требующий отключения аппарата метод. Позволяет оценить нелинейность и стабильность характеристик.
- МЭК 60099-4 (ГОСТ Р 52725, ГОСТ 34205-2017): Ограничители перенапряжений без искровых промежутков для сетей переменного тока напряжением свыше 1 кВ.
- МЭК 61643-11 (ГОСТ Р 51992, ГОСТ Р 54987): Устройства защиты от перенапряжений (УЗИП), подключенные к низковольтным системам распределения электроэнергии.
- МЭК 61643-21: УЗИП для телекоммуникационных и сигнальных сетей.
- ПУЭ (Глава 4.2, 5.4, 7.1): Правила устройства электроустановок, устанавливающие требования к применению разрядников и ОПН.
2. По типу изоляции и конструкции:
С полимерной (композитной) покрывающей изоляцией: Современное и наиболее распространенное исполнение. Легкие, обладают высокой стойкостью к динамическим нагрузкам (взрыво- и сейсмостойкость), не образуют осколков при разрушении. Гидрофобная поверхность улучшает характеристики в загрязненных условиях. Не требуют внутреннего промежутка, так как полимерная оболочка эластична.
3. По назначению и месту установки:
Основные технические характеристики и параметры выбора
Выбор ОПН осуществляется на основе комплексного анализа параметров сети и требований к защите. Ключевые характеристики приведены в таблице.
| Параметр | Обозначение / Единица измерения | Определение и практическое значение |
|---|---|---|
| Номинальное напряжение | Uн, кВ | Действующее значение наибольшего допустимого рабочего напряжения сети, в которой предполагается эксплуатация ОПН. Является базовым для выбора. |
| Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение | Uр.д., кВ | Действующее значение напряжения, которое ОПН может выдерживать в течение всего срока службы без изменения характеристик. Uр.д. ≥ Uсети max. |
| Остающееся напряжение при импульсном токе | Uост, кВ | Пиковое значение напряжения на выводах ОПН при пропускании через него стандартизированного импульсного тока (например, 8/20 мкс или 10/350 мкс). Это ключевой параметр, определяющий уровень ограничения перенапряжения. Должно быть ниже уровня импульсной прочности защищаемого оборудования. |
| Номинальный разрядный ток | Iном, кА | Пиковое значение тока импульса 8/20 мкс, который ОПН может пропускать многократно без изменения параметров. Характеризует стойкость к грозовым перенапряжениям. |
| Ток пропускной способности по току длительной формы волны (ток коммутационной стойкости) | Iк, А (действ.) | Действующее значение тока длительной формы волны (обычно 2000 мкс), который ОПН может пропустить без повреждения. Характеризует стойкость к коммутационным перенапряжениям. |
| Удельная энергия поглощения | Вт·с/кВ Uр.д. | Способность варистора поглощать и рассеивать тепловую энергию импульса без термического разрушения. |
| Класс защиты (для УЗИП) | I (B), II (C), III (D) | Определяет место установки в каскадной схеме защиты: класс I – на вводе в здание (защита от прямых ударов молнии), класс II – в распределительных щитах, класс III – у конечного оборудования. |
Схемы подключения и координация изоляции
Эффективная защита требует правильного размещения ОПН в электрической схеме. В высоковольтных сетях ОПН устанавливаются вблизи защищаемого оборудования (трансформаторов, выключателей) – обычно на шинах или непосредственно на выводах аппарата. Для комплексной защиты подстанции применяется схема с установкой ОПН на всех вводах (линейных и трансформаторных). В низковольтных сетях применяется каскадная (многоступенчатая) защита с использованием УЗИП разных классов, соединенных через развязку в виде индуктивности или сопротивления проводов. Координация изоляции – это процесс выбора электрической прочности изоляции оборудования и характеристик ОПН таким образом, чтобы защитная характеристика ОПН (Uост) всегда лежала ниже волны пробивного напряжения защищаемой изоляции с необходимым защитным промежутком (коэффициентом запаса, обычно 15-20%).
Мониторинг состояния и диагностика
Ток утечки через ОПН в рабочем режиме является важным диагностическим параметром. Его рост может свидетельствовать о старении варистора, наличии локальных перегревов или попадании влаги. Для контроля применяются:
Нормативная база и стандарты
Производство, испытания и выбор ОПН регламентируются национальными и международными стандартами. Основные из них:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем ОПН принципиально отличается от вентильного разрядника?
Вентильный разрядник содержит последовательные искровые промежутки и нелинейные резисторы на основе вилита. Для его срабатывания необходимо пробои искровых промежутков, что занимает время (единицы микросекунд) и создает просечку на фронте импульса. ОПН не имеет искровых промежутков, срабатывает практически мгновенно (наносекундный диапазон), обладает лучшей согласующейся вольт-амперной характеристикой, не требует контроля состояния промежутков и обладает способностью многократно отводить большие токи без ухудшения параметров.
Как правильно выбрать класс УЗИП для низковольтной сети?
Выбор осуществляется по принципу каскадной защиты. На вводе в здание (ГРЩ) устанавливается УЗИП Класса I (B), рассчитанный на отвод тока молнии (форма волны 10/350 мкс). В этажных или квартирных распределительных щитах – УЗИП Класса II (C) для гашения остаточных перенапряжений и коммутационных помех (форма волны 8/20 мкс). Непосредственно у дорогостоящей или чувствительной аппаратуры – УЗИП Класса III (D) для окончательного подавления высокочастотных помех. Между ступенями необходимо соблюдать минимальное расстояние по кабелю (обычно 5-15 метров) или использовать согласующие дроссели.
Что такое «тепловой пробой» ОПН и как его предотвратить?
Тепловой пробой – это необратимое разрушение варисторного элемента из-за превышения допустимой поглощаемой энергии. Причины: многократные тяжелые грозовые удары, длительные коммутационные перенапряжения, работа в сети с повышенным напряжением, старение и деградация варистора. Для предотвращения применяются ОПН с достаточным запасом по энергии, контроль рабочего напряжения сети, регулярный мониторинг тока утечки. Современные ОПН часто оснащаются устройством термического отключения, которое в случае перегрева замыкает колонку на землю, вызывая срабатывание защит и отключение поврежденного аппарата от сети.
Как интерпретировать рост тока утечки ОПН?
Увеличение полного тока утечки или его активной составляющей (более чем в 1.5-2 раза относительно паспортных значений или первоначальных измерений) является тревожным признаком. Это может указывать на: развитие процессов старения (деградации) оксидно-цинковых дисков; увлажнение внутреннего объема (для фарфоровых ОПН с неплотностями); появление поверхностных токов утечки по загрязненному изолятору. В этом случае требуется проведение углубленной диагностики (ВАХ-характеристик) и, как правило, замена ограничителя.
Можно ли устанавливать ОПН на опорах ВЛ вместо трубчатых разрядников?
Да, и это современная и эффективная практика. Установка сетевых (линейных) ОПН на опорах ВЛ 6-35 кВ позволяет значительно повысить грозоупорность линии, снизить количество грозовых отключений и перенапряжений, приходящих на подстанцию. ОПН, в отличие от трубчатого разрядника, не создает короткого замыкания на землю и не вызывает срабатывания защит, то есть линия остается в работе даже при отводе импульса тока молнии.
Какова расчетная служба ОПН и от чего она зависит?
Производители обычно указывают срок службы 25-30 лет. Однако фактический ресурс определяется условиями эксплуатации: стабильностью рабочего напряжения сети (превышение Uр.д. резко сокращает срок службы); интенсивностью грозовой деятельности и количеством срабатываний; климатическими условиями (температурные циклы, УФ-излучение для полимерных корпусов); уровнем промышленного загрязнения. Регулярный диагностический контроль позволяет прогнозировать остаточный ресурс и планировать замену.