Ограничители внутренние: конструкция, принцип действия и применение в электроустановках

Ограничитель внутренний (сокращенно ОВ) представляет собой защитное устройство, предназначенное для ограничения перенапряжений в электрических сетях и установках напряжением до 35 кВ включительно, эксплуатируемых в закрытых помещениях (ЗРУ, КРУ, КТП, ЦРП). В отличие от ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН), предназначенных для наружной установки, ОВ конструктивно адаптированы для работы в условиях контролируемой среды, что позволяет отказаться от герметизирующей покрышки и использовать более компактные и технологичные решения. Основная функция ОВ – защита изоляции электрооборудования (силовых трансформаторов, вращающихся машин, ячеек распределительных устройств) от коммутационных и грозовых перенапряжений путем шунтирования опасного импульса тока на землю и ограничения остающегося напряжения на безопасном для оборудования уровне.

Конструктивные особенности и материалы

Сердечником любого современного внутреннего ограничителя является варистор на основе оксидно-цинковой керамики (ZnO). Эта керамика обладает резко нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Конструктивно ОВ состоит из следующих ключевых элементов:

• Активный элемент (варисторная колонка): Набор дисков или блоков из ZnO-керамики, спеченных при высокой температуре. Диски металлизированы по торцам для обеспечения надежного электрического контакта.
• Силовой изолятор: Обычно выполняется из высокопрочного полимерного материала (например, полимерной смолы с армированием стекловолокном) или фарфора. Основная функция – обеспечение механической прочности колонки и изоляции от заземленного основания. Для внутренних ограничителей полимерные изоляторы получили широкое распространение из-за меньшего веса и стойкости к ударным нагрузкам.
• Контакты и токоведущие части: Верхний и нижний фланцы, обеспечивающие подключение ОВ в электрическую схему. Изготавливаются из коррозионно-стойких металлов (алюминий, медь, оцинкованная сталь).
• Защитный кожух или экран: Не является обязательным элементом, но часто применяется для выравнивания распределения электрического поля, защиты от внешних воздействий и в эстетических целях.
• Предохранительное устройство: Многие модели ОВ оснащаются системой отключения при тепловом пробое или катастрофическом отказе варистора. Обычно это механический размыкатель, который при срабатывании визуально сигнализирует об отказе и/или замыкает цепь на землю для вызова срабатывания вышестоящих защит.

Принцип действия и вольт-амперная характеристика

Принцип действия основан на свойстве ZnO-варистора резко изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения. При рабочем напряжении сети ток через варистор составляет доли миллиампера (участок малых токов на ВАХ). При возникновении перенапряжения, когда напряжение на выводах ОВ превышает определенный порог (классификационное напряжение), сопротивление варистора падает на несколько порядков за наносекунды, и он начинает пропускать через себя импульсный ток перенапряжения, шунтируя защищаемое оборудование. Энергия импульса рассеивается в объеме варистора в виде тепла. После спада волны перенапряжения ОВ возвращается в высокоомное состояние, не нарушая нормальный режим работы сети.

ВАХ ZnO-варистора делится на три характерные области:

• Область малых токов (микроамперный режим): Работа при номинальном напряжении сети. Сопротивление чрезвычайно велико.
• Область средних токов (режим ограничения): Основная рабочая область при перенапряжениях. Напряжение на ОВ изменяется незначительно при изменении тока на порядки. Это напряжение и есть остающееся напряжение – ключевой параметр защиты.
• Область больших токов (килоамперный режим): Режим при прохождении импульсных токов с крутым фронтом. Характеризуется некоторым ростом остающегося напряжения.

Основные технические характеристики и параметры выбора

Выбор ОВ осуществляется на основе сопоставления его номинальных параметров с параметрами защищаемой сети и ожидаемыми воздействиями.

Таблица 1. Ключевые параметры внутренних ограничителей и их значение

Параметр	Обозначение (пример)	Пояснение	Критерий выбора
Номинальное напряжение сети	Uн.с. (6 кВ, 10 кВ)	Действующее значение фазного напряжения сети, в которой будет работать ОВ.	Базовый параметр. Определяет класс оборудования.
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение	Uc (7,2 кВ, 12 кВ)	Максимальное действующее значение напряжения, которое может длительно прикладываться к выводам ОВ без нарушения его работоспособности.	Uc ≥ Umax.сети (с учетом возможных повышений напряжения).
Классификационное (номинальное) напряжение ограничителя	Uном (10 кВ, 12 кВ)	Действующее значение напряжения, приложенное к выводам ОВ, при котором через него протекает ток 1 мА в установившемся тепловом режиме. Характеризует точку срабатывания.	Определяется уровнем изоляции защищаемого оборудования и режимом нейтрали сети.
Остающееся напряжение при импульсном токе	Uост при Iимп (например, 27 кВ при 10 кА 8/20 мкс)	Пиковое значение напряжения на выводах ОВ при пропускании через него стандартного импульсного тока заданной формы и амплитуды. Главный показатель эффективности защиты.	Uост ≤ 0,8-0,85 Uпр.исп защищаемой изоляции (уровень 10-секундного испытательного напряжения).
Номинальный разрядный ток (импульсный)	Iном (10 кА, 20 кА 8/20 мкс)	Пиковое значение тока стандартной волны 8/20 мкс, который ОВ способен многократно пропускать без изменения параметров.	Выбирается по категории места установки (зона А, Б, В согласно РД 34.21.122-87). Для вводов в ЗРУ обычно 5-10 кА.
Ток пропускной способности при форме волны 4/10 мкс	Iскв (40 кА, 65 кА)	Пиковое значение тока волны 4/10 мкс, который ОВ способен однократно пропустить. Характеризует стойкость к прямому удару молнии.	Оценивается при риске прямых ударов в подводящие линии.
Длительно допустимый ток промышленной частоты	Iдоп	Действующее значение тока 50 Гц, который ОВ может проводить в течение гарантированного времени (обычно 1-10 с) в аварийных режимах (например, смещение нейтрали).	Важен для сетей с изолированной или компенсированной нейтралью.
Удельная энергия поглощения	W (кДж/кВ Uном)	Способность поглощать и рассеивать энергию импульса без повреждения. Критична для гашения длинных хвостов коммутационных перенапряжений.	Особое значение имеет для защиты от коммутационных перенапряжений (отключение реакторов, трансформаторов).

Схемы подключения и место установки в распределительных устройствах

Внутренние ограничители подключаются параллельно защищаемому оборудованию, обычно между фазой и землей. Основные точки установки в ЗРУ и КРУ:

• На вводах питающих линий: Защита от набегающих волн перенапряжений, приходящих по воздушным или кабельным линиям.
• Со стороны высшего напряжения (ВН) силовых трансформаторов: Одна из наиболее критичных точек. ОВ устанавливаются в непосредственной близости от трансформатора.
• На секционных шинах: Для защиты всего оборудования, подключенного к секции.
• Со стороны низшего напряжения (НН) силовых трансформаторов: Для защиты от перенапряжений, передаваемых через емкостную или индуктивную связь с сетью ВН.

Крайне важно минимизировать длину соединительных проводников от шины к ОВ и от ОВ к заземляющему устройству. Каждая дополнительная индуктивность в петле «фаза-ОВ-земля» приводит к добавке L*di/dt к остающемуся напряжению, что может существенно снизить эффективность защиты. Сечение проводников должно быть не менее 16-25 мм² по меди.

Эксплуатация, диагностика и контроль

ОВ относятся к устройствам, не требующим технического обслуживания в процессе эксплуатации. Однако для контроля их состояния применяются следующие методы:

• Визуальный осмотр: Проверка целостности изолятора, состояния контактов, срабатывания индикатора неисправности (если есть).
• Измерение тока проводимости под рабочим напряжением: Специализированными приборами измеряется полный ток утечки через ОВ и его активная составляющая. Превышение допустимых значений (обычно сотни микроампер) свидетельствует о старении варистора, его увлажнении или необратимых изменениях.
• Измерение ВАХ на постоянном или импульсном токе малой амплитуды: Проводится при отключенном ОВ. Позволяет определить классификационное напряжение U_1мА и ток утечки при 0,75U_1мА. Изменение этих параметров более чем на 5-10% от паспортных значений является признаком деградации.
• Тепловизионный контроль: Позволяет выявить локальный перегрев ОВ, вызванный повышенным током утечки, в условиях под напряжением.

Сравнение с разрядниками и ОПН

ОВ являются эволюционным развитием вентильных разрядников (РВ) и предшественниками современных ОПН. Ключевое отличие от РВ – отсутствие искровых промежутков. Это дает ОВ преимущества: быстродействие (нет времени срабатывания промежутков), стабильность характеристик, отсутствие сопровождающего тока, возможность работы в любом положении. От ОПН для наружной установки внутренние ограничители отличаются, в первую очередь, конструкцией внешней изоляции, рассчитанной на работу в чистых и сухих условиях, что делает их легче и дешевле.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается ОВ от ОПН и где применяется каждый?

ОВ (Ограничитель Внутренний) предназначен для установки внутри закрытых распределительных устройств (ЗРУ, КРУ) с контролируемыми климатическими условиями. Его внешняя изоляция (полимер или фарфор) не рассчитана на длительное воздействие УФ-излучения, осадков, значительных перепадов температуры и загрязнений. ОПН (Ограничитель Перенапряжений Нелинейный) для наружной установки имеет герметичную и стойкую к атмосферным воздействиям покрышку из полимерных материалов или фарфора с ребрами большой длины утечки. Таким образом, выбор определяется местом установки: внутри помещения – ОВ, на открытом воздухе (на опорах ВЛ, открытых подстанциях) – ОПН.

Как правильно выбрать класс напряжения ОВ для сети 10 кВ?

Для сети 10 кВ с изолированной нейтралью (где во время замыкания на землю напряжение на неповрежденных фазах может возрастать до линейного) выбор осуществляется по наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению Uc. Для сети 10 кВ (номинальное междуфазное) Umax = 12 кВ (действ.). Соответственно, Uc ОВ должен быть не менее 12 кВ. Типовое значение Uном для такого ОВ – 12 кВ или 13,2 кВ. Для сетей с эффективно заземленной нейтралью (где коэффициент заземления ≤ 0,8) требования к Uc ниже.

Что означает маркировка, например, ОВ-10-10-УХЛ1?

• ОВ – Ограничитель Внутренний.
• 10 – Номинальное напряжение ограничителя, кВ (Uном).
• 10 – Номинальный разрядный ток (импульсный 8/20 мкс), кА.
• УХЛ1 – Климатическое исполнение (умеренный и холодный климат, категория размещения 1 – для работы на открытом воздухе, но в данном контексте «внутренний» указывает на установку в отапливаемых помещениях).

Нужно ли заземлять ОВ и каковы требования к заземлению?

Да, ОВ подключается между фазным проводом и контуром заземления. Требования к заземлению критически важны. Сопротивление заземляющего устройства должно соответствовать нормам ПУЭ (как правило, не более 4 Ом для установок до 35 кВ). Сечение заземляющего проводника должно быть не менее 16-25 мм² по меди (или эквивалент по проводимости). Сам проводник должен быть по возможности коротким и прямолинейным, чтобы минимизировать индуктивность. Не допускается последовательное соединение заземляющих выводов нескольких аппаратов.

Как часто и какие проводить проверки ОВ?

Плановые проверки рекомендуется совмещать с ремонтами электрооборудования ячейки, но не реже 1 раза в 6 лет для ОВ без встроенного мониторинга. Основные виды проверок: визуальный осмотр, измерение сопротивления изоляции мегаомметром на 2,5 кВ (должно быть > 1000 МОм), измерение тока проводимости под рабочим напряжением и/или измерение ВАХ на постоянном токе (U1mA и I при 0.75U1mA). Результаты заносятся в протокол и сравниваются с паспортными данными и предыдущими измерениями.

Что делать, если сработал индикатор неисправности на ОВ?

Срабатывание механического индикатора (флажок, цветная метка) или сигнализации означает, что встроенная система отключения зафиксировала неисправность варисторного блока (тепловой пробой, превышение поглощенной энергии). Такой ограничитель подлежит немедленной замене, так как утратил защитные свойства. Эксплуатация электроустановки с неисправным ОВ недопустима, так как оборудование остается без защиты от перенапряжений.

Можно ли установить ОВ на открытом воздухе под навесом?

Нет, категорически не рекомендуется. Даже под навесом ОВ будет подвержен воздействию повышенной влажности, конденсату, перепадам температур, возможно, пыли и загрязнениям. Это может привести к поверхностным утечкам, перекрытию изолятора и выходу устройства из строя. Для таких условий необходимо применять специализированные ОПН наружной установки с соответствующей степенью защиты (IP) и длиной пути утечки.