для чего предназначены ограничители перенапряжения
Ограничители перенапряжения: особенности, сфера применения
Современные ограничители перенапряжения пришли на смену устаревшим вентильным разрядникам. В роли основного рабочего элемента в них выступают нелинейные резисторы — варисторы. Они располагаются в корпусе, который изготавливается из высокопрочного полимера. Конструктивное исполнение ограничителей перенапряжения обеспечивает высокий уровень взрывобезопасности даже при КЗ.
Стоимость приборов определяется их исполнением. Они востребованы для использования в быту, например — в дачных домах или квартирах. Отличительные черты таких ограничителей перенапряжения — компактность и сравнительно небольшой вес. Обычно их конструкция подразумевает возможность крепления на DIN-рейку. В некоторых приборах реализована возможность дистанционного управления, а также индикация режимов функционирования.
Ограничители перенапряжения классифицируются в зависимости от следующих признаков:
Устройства, предназначенные для монтажа на DIN-рейку, могут быть одно- и трехфазными. Также их делят на три класса: первые устанавливаются на вводе в здание, вторые — в распределительном щитке объекта, а третьи — непосредственно на оборудовании, которое нуждается в защите от помех.
Основным рабочим элементом ограничителя перенапряжения (сокращенно — ОПН) является варистор — переменный резистор с нелинейными вольтамперными характеристиками. В зависимости от сложности устройства их устанавливают от одного до нескольких десятков, соединенных последовательно и параллельно.
ОПН для квартиры, коттеджа или дачи состоит:
Рассмотрим подробнее виды ОПН по типу изоляции и конструктивному исполнению:
Принцип действия ограничителя перенапряжения основан на нелинейности вольтамперных характеристик варисторов. В нормальных условиях их сопротивление настолько велико, что электрический ток через них не проходит.
Рабочим элементом для ограничителей перенапряжения электросетей в промышленном секторе являются специальные колонки, состоящие из набора варисторов. Последние соединяются в соответствии с последовательно-параллельной схемой и рассчитаны на высокое напряжение.
Схемы подключения ограничителей перенапряжения
Для защиты линий электроснабжения используют разные схемы подключения:
В зависимости от модели ОПН устанавливаются на специальный фундамент с помощью болтов или крепятся к 3-лучевой опорной раме в вертикальном положении.
Общий перечень работ:
| Наименование параметра | Норма для исполнения | ||||||||
| ОПНп-3/550/3,6-УХЛ1(2) | ОПНп-6/550/…УХЛ1(2) | ОПНп-10/550/…УХЛ1(2) | |||||||
| Класс напряжения сети, кВ | 3 | 6 | 10 | ||||||
| Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ограничителя, кВ (действ.) | 3,6 | 6,0 | 6,6 | 7,2 | 7,6 | 10,5 | 11,5 | 12 | 12,7 |
| Номинальное напряжение ограничителя, кВ | 4,50 | 7,50 | 8,25 | 9,00 | 9,50 | 13,1 | 14,4 | 15,0 | 15,9 |
| Номинальный разрядный ток, кА | 10 | ||||||||
| Остающееся напряжение при грозовых импульсах тока 8/20 мкс, кВ с амплитудой: | |||||||||
| — 5000 А | 10,6 | 17,7 | 19,5 | 21,3 | 22,5 | 31 | 34 | 35,5 | 37,5 |
| — 10000 А | 11,5 | 19,2 | 21,1 | 23 | 24,3 | 33,6 | 36,8 | 38,4 | 40,6 |
| — 20000 А | 13 | 21,6 | 23,8 | 25,9 | 27,4 | 37,8 | 41,4 | 43,2 | 45,8 |
| Остающееся напряжение при коммутационных импульсах тока 30/60 мкс, кВ с амплитудой: | |||||||||
| — 250 А | 8,56 | 14,3 | 15,7 | 17,1 | 18,1 | 25 | 27,4 | 28,5 | 30,2 |
| — 500 А | 8,94 | 14,9 | 16,4 | 17,9 | 18,9 | 26,1 | 28,6 | 29,8 | 31,5 |
| — 1000 А | 9,5 | 15,8 | 17,4 | 19 | 20 | 27,7 | 30,3 | 31,7 | 33,5 |
| Остающееся напряжение при быстронарастающих импульсах тока 1/10 мкс с максимальным значением 10000 А, кВ не более | 11,8 | 19,7 | 21,7 | 23,7 | 25 | 34,5 | 37,8 | 39,4 | 41,7 |
| Ток пропускной способности, А | 550 | ||||||||
| Количество воздействий импульсов тока: | |||||||||
| при прямоугольных импульсах тока 8/20 мкс с максимальным значением 550 А, не менее | 20 | ||||||||
| при грозовых импульсах тока 8/20 мкс с максимальным значением 10000А, не менее | |||||||||
| при импульсах большого тока 4/10 мкс с максимальным значением 100 кА, не менее | 2 | ||||||||
| Классификационное напряжение ограничителя (при классификационном токе Iкл=2 мА), кВ не менее | 4,54 | 7,56 | 8,32 | 9,07 | 9,58 | 13,2 | 14,5 | 15,1 | 16,0 |
| Способность к рассеиванию нергии расчетного прямоугольного импульса 2000 мкс, кДж не менее | 11,7 | 19,4 | 21,4 | 23,3 | 24,6 | 34,0 | 37,3 | 38,9 | 41,1 |
| Удельная рассеиваемая энергия, кДж/кВ не менее | 3,24 | ||||||||
При выборе подходящего ограничителя напряжения обращайте внимание на следующие параметры:
При эксплуатации устройств следует соблюдать основные требования:
Что такое ограничитель перенапряжения и как он работает?
Одним из наиболее опасных аварийных режимов в электрических сетях является импульсный скачек напряжения при атмосферных разрядах, перехлесте линий или коммутационных операциях. Эта величина значительно опережает нарастание импульсного тока и воздействует на изоляцию электрооборудования и других устройств, поэтому классические автоматы и другие защиты, реагирующие на изменение номинального тока, против нее не эффективны.
Значение перенапряжения может в разы превышать номинальную рабочую величину, поэтому такое явление подвергает опасности все оборудование и элементы сети. Для предотвращения значительных убытков и последующих затрат на восстановление в электроустановках используются ограничители перенапряжения (ОПН).
Устройство и принцип действия
Конструктивно ограничитель перенапряжения включает в себя полупроводниковый элемент с нелинейной величиной сопротивления. Как правило, в роли таких элементов выступают вилитовые диски, изготовленные на основе оксидов цинка с включением в из состав тех или иных примесей. Снаружи диски закрываются защитной рубашкой, а на концах имеют электрические выводы, один из которых подводится к защищаемой электрической сети, а второй заземляется. Пример частного варианта устройства ограничителя перенапряжения представлен на рисунке 1 ниже:
Рисунок 1: устройство ограничителя перенапряжения
Работа ОПН схожа с обычным варистором, отличительной особенностью ограничителя являются некоторые различия с характеристикой варистора в части проводимости и скорости нарастания. Принцип действия ограничителя перенапряжения заключается в его нелинейной вольт-амперной характеристике (ВАХ). Это означает, что при номинальном напряжении сопротивление варисторов достаточно большое и ток через них не протекает – его сопротивление изоляции соизмеримо с изоляцией кабелей, изоляторов и электрических приборов.
В рабочем режиме при возникновении грозовых разрядов или других высоковольтных импульсов сопротивление нелинейных резисторов внутри ограничителя резко снижается. Как правило, эта величина приближается к нулю или несоизмеримо меньше сопротивления сети и всех подключенных к ней приборов. Поэтому при коммутационных или грозовых перенапряжениях ток разряда протекает только через ограничитель перенапряжения на землю, чем и обеспечивается защита электрооборудования.
Пределы срабатывания ограничителя перенапряжений на разряды молний или другие импульсные перенапряжения определяются его ВАХ.
Как видите из рисунка 2, при работе ограничителя перенапряжения до 600В, протекающий через него ток будет равен нулю. Как только это значение пересечет отметку в 600В, сопротивление резко уменьшиться и протекающий ток увеличиться до сотен и тысяч ампер.
Здесь кривая характеристики представлена тремя участками:
Применение
Ограничитель перенапряжения применяется для предотвращения нарастания перенапряжения на электрическом оборудовании с последующим переводом импульса разряда на землю.
Рис. 3: пример использования ОПН
Широкое применение нелинейных ограничителей распространено в линиях электропередач, где они выступают в роли молниезащиты, а сами провода являются молниеприемниками. В промышленных целях ограничители перенапряжения используются для защиты различных электрических аппаратов и персонала, к примеру, на тяговых и трансформаторных подстанциях, распределительных устройствах и т.д. В бытовых устройствах ОПН применяются для установки в электрических щитках на вводе в здание или для защиты какого-либо ценного оборудования.
Виды ОПН
В связи с большим спектром решаемых задач ограничители перенапряжения подразделяются на несколько видов, которые отличаются по таким параметрам:
Так для каждой из фаз в электроустановке может устанавливаться отдельная колонка или одна для всех. Также следует отметить, что в электроустановках на 110 кВ и более ОПН для одной фазы может собираться из нескольких однотипных элементов, к примеру, из трех на 35 кВ.
В зависимости от причин возникновения перенапряжения в сети устройство защиты должно выстраиваться в соответствии с требованиями стандартов:
Комбинация нескольких видов позволяет выстраивать многофункциональные или ступенчатые ограничители.
Фарфоровые
Достаточно распространенным вариантом являются ограничители коммутационных перенапряжений с фарфоровым корпусом. Такие модели отличаются своими эксплуатационными параметрами, так как керамика невосприимчива к воздействию солнечной радиации, а находящийся внутри вентильный разрядник практически не зависит от температуры внешней среды.
Также весомым преимуществом этих ограничителей является большая механическая прочность на сжатие и разрыв, благодаря чему их можно использовать и в качестве опорной конструкции. Но фарфоровые ОПН характеризуются сравнительно большим весом, а также представляют значительную угрозу в случае разрыва, так как осколки фарфора поражают близлежащие здания и могут травмировать персонал.
Полимерные
С развитием химической отрасли и распространением полимеров в качестве диэлектриков они значительно вытеснили фарфоровые ограничители. Полимерные ОПН представляют собой устройства с рубашкой из каучука, винила, фторопласта или других подобных материалов.
Полимерные ограничители куда боле устойчивы к воздействию влаги, отличаются меньшим весом и большей взрывобезопасностью, так как в случае разрушения корпуса избыточным давлением внутри колонки, рубашка повреждается по линии разлома, но не разлетается острыми осколками. Значительным преимуществом полимерных моделей является их устойчивость к динамическим нагрузкам.
К недостаткам полимерных ОПН относится способность к накоплению пыли и прочих засорителей на поверхности диэлектрика, которые со временем приводят к повышению пропускной способности, увеличению тока утечки и пробою изоляции. Также полимеры боятся солнечной радиации и температурных колебаний в окружающей среде.
Одноколонковые
Такие ограничители перенапряжения представляют собой один конструктивный элемент с нелинейным сопротивлением. Число полупроводниковых дисков в них набирается в соответствии с категорией защищаемой электроустановки. В зависимости от количества и типа осаживающейся на поверхности пыли и засорителей, одноколонковые ОПН подразделяются по классам от II до IV согласно градуировке ГОСТ 9920.
Многоколонковые
В отличии от предыдущих устройств борьбы с коммутационными перенапряжениями, эти средства защиты высоковольтного оборудования имеют несколько колонок, модулей или блоков, объединяемых в одну систему. Данный вид ОПН характеризуется большей надежностью по отношению к защищаемым объектам, так как способен реагировать и на одиночные, и на дифференциальные перенапряжения.
Технические характеристики
При выборе конкретной модели ограничителя перенапряжения обязательно учитываются такие параметры устройства:
Обслуживание и диагностика ОПН
В процессе эксплуатации ограничители перенапряжения не являются одноразовым элементом. Поэтому могут многократно производить операции перевода импульсного разряда на заземляющую шину автоматически. Из-за особенностей протекания и величины перенапряжения ОПН может утрачивать заводские параметры, снижать эффективность работы до полного выхода со строя. Для предотвращения подобных ситуаций они подвергаются периодической проверке в процессе эксплуатации, которая регламентируется п.2.8.7 ПТЭЭП. При этом проверяется:
Также в процессе эксплуатации может выполняться внешний осмотр устройства на наличие подгаров, сколов, загрязнения или других дефектов в изоляции.
Ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН)
1. Назначение и принцип действия ОПН
Ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН) – это широко распространенные в промышленности высоковольтные аппараты, применяемые в сетях среднего и высокого классов напряжения переменного тока. Нелинейные ограничители защищают изоляцию электрооборудования подстанции и электрических сетей от скачков коммутационных и атмосферных перенапряжений.
Ограничители предназначены для эксплуатации при температуре от – 60°С до + 45°С (для внутренней установки максимальная температура + 55°С) и до 1000 метров над уровнем моря.
Защитная функция ОПН состоит в том, что при номинальной работе электроустановки ток, ограничитель перенапряжения пропускает ничтожно малый – доли миллиампера. Если происходит импульсный скачек напряжения, сопротивление ограничителя мгновенно падает до единиц Ом, варисторы при этом переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения, преобразовывая энергию импульса в тепловую энергию, которая рассеивается в окружающую среду. Ограничитель возвращается вновь в непроводящее состояние после окончания волны перенапряжения. ОПН может эффективно ограничивать высокочастотные скачки перенапряжения за счет мгновенного перехода в проводящее состояние.
Рисунок 1 – График изменения напряжения на оборудовании и тока через ОПН при воздействии перенапряжений.
2. Обозначение ОПН на схемах. Принципиальные схемы подключения
Стандартное графическое обозначение элемента схемы ОПН приведено на рисунке 2.
Рисунок 2 – Графическое обозначение ОПН
Рисунок 3 – Схема подключения ОПН для защиты промышленных и жилых потребителей.
Рисунок 4 – Защита РУ 10 кВ от набегающих грозовых волн с ВЛ напряжением 10 кВ на деревянных опорах.
3. ОПН типа КР, РТ, РВ, РК
ОПН–КР предназначены для защиты электрооборудования в сетях от 6 до 10 кВ. Рекомендуются для защиты трансформаторов и двигателей.
ОПН-РТ рекомендованы для защиты ответственного электрооборудования в сетях от 3 до 10 кВ при частых воздействиях перенапряжений. Используются для защиты трансформаторов электродуговых печей, электрических генераторов и др.
ОПН-РВ рекомендуются для применения вместо вентильных разрядников серии РВО. Ограничители типа ОПН-РВ не требуют проведения предварительных расчетов, так как отстроены от перенапряжений при однофазных дуговых замыканиях.
ОПН-РК предназначены для эксплуатации в районах 1-3 степени загрязнения атмосферы, применяются в сетях 35-110 кВ. Разработаны специально для защиты изоляции нейтрали трансформаторов 110 кВ.
4. Конструкция ОПН
Ограничители типов КР, РТ и РВ представляют собой высоковольтные аппараты, состоящие из последовательно соединенных варисторов, размещенных внутри изоляционного корпуса. Безопасное нахождение ОПН под напряжением обеспечивает высоко-нелинейная вольтамперная характеристика варисторов. При изготовлении ограничителей классов напряжения 3-10кВ, колонка резисторов находится между металлическими электродами и запрессовывается в оболочку из особого атмосфероустойчивого полимера.
Ограничители типа РК состоят из блоков варисторов соединенных последовательно, находящихся внутри покрышки. Покрышка состоит из стеклопластикового цилиндра.
5. Выбор ОПН
При выборе ОПН для конкретного случая, необходимо применять официальные рекомендации международных стандартов или методические указания (МЭК 60099-5).
Параметры ограничителя выбирают исходя из назначения, места установки, необходимого уровня ограничения перенапряжений, схемы сети и ее параметров (способа заземления нейтрали, максимального рабочего напряжения сети, степени компенсации емкостного тока на землю и его величины и т.д.).
По назначению ограничители применяют для защиты оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений. Места для установки, а так же расстояния от защищаемого оборудования до ограничителей должны соответствовать требованиям «Правил устройства электроустановок», раздел 4 седьмое издание ПУЭ.
6. Технические характеристики ОПН
Таблица 1 – Технические характеристики ограничителей типа ОПН 6 – 10кВ (ОПН-КР/TEL–X/X УХЛ1(2)10/11.5)
| Наименование параметров | 6/6.0 | 6/6.9 | 10/10.5 | 10/11.5 | 10/12 |
|---|---|---|---|---|---|
| Класс напряжения сети, кВ | 6 | 6 | 10 | 10 | 10 |
| Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение Uнд; кВ | 6.0 | 6.9 | 10.5 | 11.5 | 12.0 |
| Номинальный разрядный ток 8/20 мкс, Iн; кА | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| Остаточное напряжение Uост; кВ; не более: | |||||
| – при коммутационном импульсе тока | |||||
| 125 А 30/60мкс | 14.3 | 16.2 | 24.8 | 26.9 | 29.7 |
| 250 А 30/60мкс | 14.6 | 16.5 | 25.4 | 27.6 | 30.4 |
| 500 А 30/60мкс | 15.0 | 17.5 | 26.1 | 28.3 | 31.3 |
| – при грозовом импульсе тока | |||||
| 5000 А, 8/20мкс | 17.7 | 20.0 | 30.7 | 33.3 | 36.9 |
| 10000 А, 8/20мкс | 19.0 | 21.5 | 33.0 | 35.8 | 39.6 |
| 20000 А, 8/20мкс | 21.2 | 24.0 | 36.7 | 39.9 | 44.1 |
| при крутом импульсе тока 10000А, 1/10мкс | 21.3 | 24.1 | 36.9 | 40.1 | 44.3 |
| Емкостный ток проводимости Iс, мА, не более: | |||||
| амплитуда | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| действующее значение | 0.45 | 0.45 | 0.45 | 0.45 | 0.45 |
| Удельная энергия ОПН, кДж/кВ Uнд, не менее | 3.6 | 3.6 | 3.6 | 3.6 | 3.6 |
| Максимальная амплитуда импульса тока 4/10мкс, кА | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Взрывобезопасный ток при коротком замыкании Iкз, кА | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 |
| Максимальное изгибающее усилие, Н | 305 | 305 | 305 | 305 | 305 |
Рисунок 5 – Характеристика «напряжение–время»: 1 – с предварительным нагружением 3.6 кДж/кВ Uнд; 2 — без предварительного нагружения энергией.
Таблица 2 – Технические характеристики ограничителей типа ОПН 35 – 110 – 220 кВ (ОПН/TEL–X/X–550 УХЛ1)
| Наименование параметров | 35/40.5 | 110/78 | 110/84 | 220/146 | 220/156 | 220/168 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Класс напряжения сети, кВ | 35 | 110 | 110 | 220 | 220 | 220 |
| Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение Uнд; кВ | 40.5 | 78 | 84 | 146 | 156 | 168 |
| Номинальный разрядный ток 8/20 мкс, Iн; кА | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| Остаточное напряжение Uост; кВ; не более: | ||||||
| – при коммутационном импульсе тока | ||||||
| 125 А 30/60мкс | 93 | 178 | 191 | 334 | 356 | 386 |
| 250 А 30/60мкс | 98 | 188 | 202 | 352 | 376 | 404 |
| 500 А 30/60мкс | 101 | 192 | 207 | 362 | 384 | 414 |
| – при грозовом импульсе тока | ||||||
| 5000 А, 8/20мкс | 119 | 230 | 247 | 428 | 460 | 494 |
| 10000 А, 8/20мкс | 130 | 250 | 269 | 468 | 500 | 538 |
| 20000 А, 8/20мкс | 146 | 295 | 301 | 524 | 560 | 602 |
| при крутом импульсе тока 10000А, 1/10мкс | 153 | 295 | 317 | 552 | 590 | 634 |
| Емкостный ток проводимости Iс, мА, не более: | ||||||
| амплитуда | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 |
| действующее значение | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.7 |
| Удельная энергия ОПН, кДж/кВ Uнд, не менее | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 |
| Максимальная амплитуда импульса тока 4/10мкс, кА | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Взрывобезопасный ток при коротком замыкании Iкз, кА | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| Максимальное изгибающее усилие, Н | 580 | 600 | 600 | 640 | 640 | 640 |
Рисунок 6 – Характеристика «напряжение–время»: 1 — с предварительным рассеиванием энергии 5.5 кДж/кВ Uнд; 2 — без предварительного рассеивания энергии
7. Внешний вид и размеры ОПН 6-750кВ
Ограничители подвесного исполнения на классы напряжения 6-35кВ приведены на рисунке 7.
Рисунок 7 – ОПН подвесного исполнения: а) ОПН 6кВ; б) ОПН 10кВ; в) ОПН 35кВ
Внешний вид и размеры ОПН 110-220кВ подвесного исполнения представлены на рисунке 8.
Рисунок 8 – ОПН подвесного исполнения: а) ОПН 110кВ; б) ОПН 220кВ
Внешний вид и размеры ОПН 330-750кВ представлены на рисунках 9 и 10.
Рисунок 9 – а) ОПН 330кВ; б) ОПН 500кВ 
Рисунок 10 – ОПН 750кВ
8. ГОСТы ОПН
1. ГОСТ Р 52725-2007. Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ. Общие технические условия.
2. ГОСТ Р 53735.5-2009 Разрядники вентильные и ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока на напряжение от 3 до 750 кВ. Часть 5. Рекомендации по выбору и применению.
3. ГОСТ 34204-2017 Ограничители перенапряжений нелинейные для тяговой сети железных дорог. Общие технические условия.