Устройства грозозащиты

Устройства грозозащиты: классификация, принцип действия, нормирование и применение

Устройства грозозащиты (УЗ) – это класс электротехнических изделий, предназначенных для ограничения коммутационных и атмосферных перенапряжений в электрических сетях и установках с целью защиты изоляции оборудования и обеспечения бесперебойности электроснабжения. Их основная функция – создание низкоомного пути для опасного импульсного тока на землю, минуя защищаемое оборудование, с последующим автоматическим восстановлением нормального режима работы сети. Эффективность защиты определяется согласованием вольт-секундных характеристик защищаемой изоляции и УЗ, а также правильным выбором места установки и параметров устройства.

Классификация устройств грозозащиты

Устройства грозозащиты классифицируются по нескольким ключевым признакам: принципу действия, месту установки, номинальному напряжению сети и конструктивному исполнению.

1. По принципу действия и устройству

• Искровые разрядники (Р): Устройства с разрядными промежутками, в которых при превышении определенного напряжения происходит пробой воздушного промежутка и дуговой разряд. Требуют последующего гашения дуги сопровождающего тока промышленной частоты. Подразделяются на:
  • Трубчатые разрядники (РТ): Используют газогенерирующий элемент для гашения дуги за счет создания избыточного давления. Применяются в основном в сетях 6-35 кВ, часто для защиты линий.
  • Вентильные разрядники (РВ): Сочетают многократные искровые промежутки и последовательно соединенные с ними нелинейные резисторы (вилитовые диски). Резисторы ограничивают ток промышленной частоты, что позволяет искровым промежуткам погасить дугу. Исторически значимый тип, в настоящее время в значительной степени вытеснен ОПН.
• Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН): Современный базовый тип УЗ. Не имеют искровых промежутков. Основной рабочий элемент – нелинейный резистор (варистор) на основе оксидно-цинковой керамики, сопротивление которого резко падает при повышении напряжения. Обеспечивают безискровое ограничение напряжения, автоматически возвращаются в высокоомное состояние после снятия перенапряжения. Обладают значительно лучшими защитными характеристиками по сравнению с разрядниками.
• Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): Термин, применяемый преимущественно в низковольтных сетях (до 1000 В). Это многокомпонентные устройства, часто включающие в себя варисторы, газовые разрядники, супрессорные диоды и предохранительные элементы. Классифицируются по типам (B, C, D) согласно стандарту МЭК 61643.

2. По месту установки и назначению

• Станционные: Для защиты силовых трансформаторов, реакторов, выключателей на подстанциях.
• Линейные: Для защиты изоляции линий электропередачи, устанавливаются на опорах.
• Для защиты вращающихся машин (ОПНВ): Специальные ОПН с особыми характеристиками для защиты изоляции генераторов и крупных электродвигателей.
• Для низковольтных сетей (УЗИП): Устанавливаются во вводно-распределительных устройствах зданий, в этажных щитах, в непосредственной близости от чувствительного электронного оборудования.

Принцип действия и ключевые характеристики ОПН

ОПН является основным устройством грозозащиты в сетях среднего и высокого напряжения. Его рабочая часть состоит из колонки последовательно соединенных варисторов, заключенных в герметизированную оболочку из полимерного материала (полимерные ОПН) или фарфора (фарфоровые ОПН).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора ОПН резко нелинейна и описывается уравнением: U = C

• I^β, где C – постоянная, а β – коэффициент нелинейности (для ОПН обычно 0.01-0.05). Чем меньше β, тем лучше защитные свойства.

Основные параметры ОПН:

• Номинальное напряжение (U_н): Действующее значение напряжения промышленной частоты, которое ОПН может выдерживать в течение длительного времени в нормальном режиме.
• Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (U_р): Максимальное действующее значение напряжения, при котором ОПН гарантированно работает в установившемся режиме (учитывает возможное повышение напряжения в сети).
• Остающееся напряжение (U_ост): Пиковое значение напряжения на выводах ОПН при прохождении через него стандартного импульсного тока заданной формы и амплитуды (например, 8/20 мкс, 10 кА). Это ключевая защитная характеристика, которая должна быть ниже уровня импульсной прочности защищаемого оборудования.
• Номинальный разрядный ток (I_ном): Пиковое значение тока импульса 8/20 мкс, которое ОПН может многократно пропускать без изменения характеристик.
• Пропускная способность по току: Характеризуется амплитудой импульсного тока волной 4/10 мкс, который ОПН может однократно пропустить без разрушения.

Примеры параметров ОПН на разные классы напряжения

Класс напряжения сети, кВ	Uн, кВ	Uр, кВ	Uост при токе 10 кА (8/20 мкс), кВ, не более	Номинальный разрядный ток (8/20 мкс), кА
10	12	9.6	31.5	10
35	42	33.6	114	10
110	102	81.6	260	10
220	204	163.2	520	10

Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) в низковольтных сетях

В сетях до 1000 В применяется каскадная (многоуровневая) система защиты с использованием УЗИП разных классов.

Классификация УЗИП по типам (МЭК 61643)

Тип (Класс)	Место установки	Номинальный разрядный ток In (8/20 мкс)	Импульсный ток Iimp (10/350 мкс)	Основной элемент	Назначение
Тип 1 (B)	Главный распределительный щит (ГРЩ) на вводе в здание	–	≥ 12.5 кА (Iimp)	Газовые разрядники, искровые промежутки	Защита от прямых ударов молнии и отведенных токов молнии. Снижение перенапряжения до уровня ~ 2.5-4 кВ.
Тип 2 (C)	Распределительные щиты (этажные, квартирные)	≥ 20 кА (In)	–	Варисторы	Защита от остаточных перенапряжений и коммутационных помех. Доведение уровня до ~ 1.5 кВ.
Тип 3 (D)	Розетки, непосредственная близость к оборудованию	–	–	Варисторы, супрессорные диоды	Тонкая защита чувствительной электронной аппаратуры. Ограничение напряжения до уровня безопасного для потребителей.

Для обеспечения селективности (согласованного срабатывания) между УЗИП разных типов необходимо соблюдение условий по координации: обеспечение минимального расстояния по кабелю (обычно 5-10 метров) или применение специальных дросселей согласования.

Нормирование, испытания и выбор устройств грозозащиты

Устройства грозозащиты производятся и испытываются в соответствии с национальными и международными стандартами. Для ОПН среднего и высокого напряжения основными являются ГОСТ Р 52725-2007 (МЭК 60099-4), для УЗИП – ГОСТ Р 51992-2011 (МЭК 61643).

Испытания делятся на три категории:

• Приемо-сдаточные: Проверка сопротивления изоляции, измерение тока проводимости при постоянном напряжении, проверка герметичности.
• Типовые: Проверка пропускной способности, термической стабильности, определение ВАХ.
• Периодические/эксплуатационные: Контрольные измерения тока проводимости для оценки старения варисторов.

Критерии выбора ОПН:

1. Определение U_р с учетом реального максимального рабочего напряжения в точке установки (коэффициент 1.05-1.1 от U_{ном.сети}).
2. Выбор класса пропускной способности (номинального разрядного тока) в зависимости от уровня грозовой активности, типа подстанции (открытая/закрытая), высоты над уровнем моря.
3. Сравнение гарантированного уровня остающегося напряжения (U_ост) с импульсным испытательным напряжением защищаемого оборудования (с запасом 15-20%).
4. Учет конструктивного исполнения (полимерное – легче, устойчивее к вандализму; фарфоровое – традиционное).

Монтаж, эксплуатация и диагностика

Монтаж ОПН выполняется на жестком основании (конструкции, раме) с надежным присоединением к заземляющему устройству. Сечение заземляющего проводника должно быть не менее указанного в паспорте (обычно от 35 мм² для меди). Подключение к сети осуществляется гибкой связью. Для УЗИП критически важно соблюдение минимальных сечений проводников и максимальной краткости их прокладки.

Эксплуатация включает визуальный осмотр, периодический контроль тока проводимости (обычно 1 раз в 6 лет для ОПН 110 кВ и выше). Рост тока утечки более чем в 2 раза по сравнению с паспортным значением свидетельствует о старении и необходимости замены. Для ОПН с индикатором срабатывания ведется учет числа операций.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В чем принципиальное отличие ОПН от вентильного разрядника?

ОПН не имеет искровых промежутков. Ограничение напряжения происходит плавно и практически мгновенно за счет нелинейности варистора. Вентильный разрядник срабатывает с задержкой на пробой промежутков, его защитная характеристика хуже, а после срабатывания требуется погасить дугу сопровождающего тока. ОПН более надежен, требует меньше обслуживания и обеспечивает лучший уровень защиты изоляции.

2. Как правильно организовать каскадную защиту УЗИП в здании?

Необходимо установить УЗИП Типа 1 на вводе в здание (ГРЩ). На расстоянии не менее 10 метров по кабелю (или с применением дросселя согласования) установить УЗИП Типа 2 в распределительных щитах. В непосредственной близости от критически важной или чувствительной аппаратуры – УЗИП Типа 3. Все УЗИП должны быть соединены с главной заземляющей шиной (ГЗШ) по радиальной схеме проводниками минимальной длины и требуемого сечения.

3. Что такое «тепловой пробой» ОПН и как его предотвратить?

Тепловой пробой – это необратимое разрушение варистора из-за превышения температуры, вызванного протеканием тока утечки в нормальном режиме. Причины: старение оксидно-цинкового резистора при длительном воздействии рабочего напряжения, особенно в сетях с повышенным напряжением, или однократное перегрузка сверх пропускной способности. Для предотвращения необходим правильный выбор U_р и регулярный контроль тока проводимости.

4. Нужно ли заземлять нейтраль через ОПН?

В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью (6-35 кВ) для ограничения перенапряжений при дуговых замыканиях на землю применяются ОПН, подключенные между нейтралью силового трансформатора или дугогасящего реактора и землей. Их параметры выбираются специально, исходя из режима нейтрали.

5. Как учитывать высоту над уровнем моря при выборе ОПН?

С увеличением высоты снижается плотность воздуха и ухудшаются условия охлаждения. Согласно стандартам, для высот более 1000 м над уровнем моря требуется применение ОПН с повышенным номинальным напряжением или использование понижающих коэффициентов на токовую нагрузку. Конкретные поправки указываются в технической документации производителя.

Заключение

Устройства грозозащиты являются критически важным элементом любой энергосистемы, обеспечивающим ее надежность и долговечность. Эволюция от искровых и вентильных разрядников к современным ОПН и комплексным системам УЗИП позволила значительно повысить уровень защиты оборудования. Грамотное применение этих устройств требует глубокого понимания их принципов действия, характеристик и правил согласования с защищаемыми объектами. Ключевыми тенденциями развития являются повышение пропускной способности, улучшение ВАХ, внедрение встроенных мониторинговых систем для оценки состояния и переход на полимерные изоляционные конструкции, обеспечивающие повышенную безопасность и удобство монтажа.