Одним из наиболее опасных аварийных режимов в электрических сетях является импульсный скачок 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
Ограничитель перенапряжения включает в себя полупроводниковый элемент с нелинейной величиной сопротивления. 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:
Рис. 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). 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.
Рис. 2. Вольтамперная характеристика ОПН
При работе ограничителя перенапряжения до 600В протекающий через него ток будет равен нулю.Когда значение пересечет отметку в 600В, сопротивление резко уменьшиться и протекающий ток увеличиться до сотен и тысяч ампер.
Кривая характеристики представлена тремя участками:
- 1 – область нулевых или сверхмалых токов;
- 2 – область средних токовых нагрузок;
- 3 – область максимального тока.
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
- Класс напряжения – рабочая величина, на которую рассчитан ограничитель, разделяется на устройства до 1кВ и выше, как правило, номинал напряжения соответствует стандартному значению электрических параметров сети (6, 10, 35 кВ).
- Материал рубашки – определяет тип изоляции наружного слоя, наиболее часто используются фарфоровые или полимерные модели.
- Класс защищенности – определяет возможность установки или на открытой части, или только внутри помещения.
- Количеству элементов или фаз – число ограничителей перенапряжения зависит от числа защищаемых фаз и величины питающего их напряжения.
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.
Комбинация нескольких видов позволяет выстраивать многофункциональные или ступенчатые ограничители.
Фарфоровые
Рис. 4. Фарфоровые ОПН
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
Рис 5. 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.
Многоколонковые
Эти средства имеют несколько колонок, модулей или блоков, объединяемых в одну систему. Характеризуется большей надежностью по отношению к защищаемым объектам, так как способен реагировать и на одиночные, и на дифференциальные перенапряжения.
Технические характеристики
- Время срабатывания – характеризует скорость открытия полупроводникового элемента ограничителя после нарастания напряжения.
- Рабочее напряжение – определяет величину электрической энергии, которую ОПН может выдерживать без нарушения работоспособности в течении любого промежутка времени.
- Номинальное повышенное напряжение – значение рабочей величины, которое ОПН способен выдерживать в течении 10 секунд, также нормируется совместно с остаточным напряжением, которое остается в сети.
- Ток утечки – возникает как результат приложения напряжения к ограничителю перенапряжения и определяется его омическим сопротивлением или параметрами резисторов. В исправном состоянии этот параметр составляет сотые или тысячные доли ампер, перетекающие по рубашке и полупроводнику от источника к проводу заземления.
- Разрядный ток – величина, образующаяся при импульсных скачках, в зависимости от источника перенапряжения разделяется на атмосферные, электромагнитные и коммутационные импульсы.
- Устойчивость к току волны перенапряжения – определяет способность сохранять целостность всех элементов конструкции в аварийном режиме.
Обслуживание и диагностика ОПН
В процессе эксплуатации ОПН может утрачивать заводские параметры, снижать эффективность работы до полного выхода со строя.
Требуется периодическая проверка параметров:
- Сопротивление – один раз в 6 лет при помощи мегаомметра.
- Ток проводимости – при условии снижения предыдущего параметра.
- Пробивное напряжение и герметичность после заводского ремонта или при приемке в эксплуатацию на заводе. Самостоятельно электроснабжающими и эксплуатирующими организациями такие меры диагностики для ограничителей не производятся.
- Тепловизионные измерения в соответствии с регламентом изготовителя или местными планово-предупредительными ремонтами.
- Систематический внешний осмотр на наличие подгаров, сколов, загрязнения или других дефектов в изоляции.
Ограничители перенапряжения: назначение, устройство и принцип действия
Причины перенапряжения
К электросети подключено немалое количество потребителей, включая объекты промышленного и строительного назначения. При одновременном массовом исользовании приборов высокой мощности может произойти скачок напряжения. Ограничитель поможет избежать отключения.
Ограничители перенапряжения предназначены для защиты электроприборов и оборудования от воздействия высоковольтных импульсов напряжения. Благодаря простоте конструкции и надежности, они нашли широкое применение в области энергоснабжения. Данные устройства защиты пришли на смену устаревшим, весьма громоздким вентильным разрядникам. В отличие от предшественников, принцип действия ограничителя заключается не в использовании искровых промежутков. В качестве главного рабочего элемента в ОПН используются нелинейные резисторы, выполненные из материала, основу которого составляет окись цинка.
Конструкция ОПН
Конструктивно ограничители перенапряжения 10 КВ состоят из колонки варисторов, спрятанной под изоляционной оболочкой. При этом, исходя из необходимых характеристик и конструкции устройства, таких колонок может быть несколько. В качестве оболочки обычно выступает стеклопластиковая труба, которая способна воспринимать практически любой вид механической нагрузки, тем самым обеспечивая необходимую прочность устройству.
На эту трубу путем бесшовного прессования помещена трекингостойкая кремнийорганическая резина, которая образует внешнюю защитную оболочку с ребрами. Колонку варисторов с двух сторон поджимают два вывода в виде фланцев, которые ввернуты в трубу с двух сторон. Для их изготовления используется электротехнический алюминий, стойкий к коррозии.
Чтобы ограничители перенапряжения ОПНП хорошо выполняли свою задачу, они хорошо герметизированы. Осуществляется это надежным соединением фланцев, а также заполнением внутренней полости трубы желеподобным кремнийорганическим (силиконовым) каучуком. На случай внутреннего пробоя в трубе ограничителя предусмотрены отверстия, расположенные на определенном расстоянии друг от друга и закрытые защитной оболочкой. Это позволяет сбросить внутреннее давление устройства без разрушения на части.
Принцип работы
Работа ограничителя основывается на вольт-амперной характеристике нелинейного характера. Если на устройство поступает большое напряжение, то происходит падение электрического сопротивления практически до нулевого значения. В итоге высоковольтный импульс номиналом в несколько киловольт направляется прямиком в заземляющую цепь. Время, затрачиваемое на падение сопротивления, а затем на восстановление до исходного значения, ничтожно малое. Благодаря этому ограничитель перенапряжения ОПН способен выдерживать не один скачок напряжения, а целую серию высоковольтных импульсов.
Классификация приборов защиты
Приборы имеют разную классификацию и область применения:
- Литера А. Эти приборы монтируются при переходах от линий электропередач к сети потребителя. Они призваны обеспечивать защиту как ЛЭП, так и принимающего объекта. Их же можно считать основными «предохранителями» промышленных установок.
- Литера В. Первая линия защиты непосредственно объекта-потребителя (например, дома или административного здания). Такие аппараты устанавливаются на входе линии в помещение.
- Литера С. Место этих устройств — распределительные щиты, в которых обязательно должна быть предусмотрена система заземления.
- Литера D. Квартирные ограничители. Их установка имеет смысл только при наличии хотя бы одной предварительной линии защиты. В то же время изделия этого класса монтируются и непосредственно в оборудовании, а также в переносной технике.
- Те же четыре категории устройств могут быть обозначены и римскими цифрами начиная от I. Есть и комбинированные устройства. Большинство из аппаратов дополнительно оснащаются предохранителями.
Контроль за работоспособностью и состоянием изделия можно проводить визуально. Для этого устройства имеют специальные окошечки, которые в случае выхода ограничителя из строя сигнализируют затемнением или красным светом. Есть и модели, оснащенные системой звуковой сигнализации.
Комплексный вариант безопасности
Чтобы доставка, получение и использование электричества были полностью безопасны, лучше всего использовать не единичный ОПН, а комплекс ограничителей импульсных перенапряжений, как их еще называют. Их установку следует доверить профессионалам.
Принцип монтажа и работы единой системы прост:
- Первым монтируется самый мощный аппарат.
- В щиток устанавливается прибор меньших токовых характеристик.
- В бытовых условиях достаточно варианта В и С или С и D.
- Приборы работают по единому принципу. Они вступают в дело последовательно, благодаря чему напряжение снижается постепенно.
Схемы подключения ограничителей перенапряжения
Для защиты линий электроснабжения используют разные схемы подключения:
- синфазную. Применяется продольный принцип защиты каждого кабеля от перенапряжений по отношению к контуру земли;
- противофазную. Используется поперечный принцип защиты между каждой парой проводов;
- комбинированную. Этот способ объединяет оба предшествующих.
Ориентиры подбора ограничителей
- значение максимального рабочего напряжения, при котором устройство способно длительное время работать без отвода излишка энергии в систему заземления;
- номинальное напряжение – характеристика, указывающая на то, какое перенапряжение при пуске оборудования может действовать на устройство целых 10 сек., не призывая его к «должностным» обязанностям;
- величина номинального разрядного тока, согласно которой производится классификация, идентичная вышеуказанному варианту.
- токовая пропускная способность, обозначающая предел снижения сопротивления ограничителя. Проще говоря, какой величины перенапряжение устройство сможет обрабатывать и сбрасывать без собственной поломки;
- устойчивость к медленно возрастающему напряжению, которая означает способность устройства пропускать аномальный ток без разрушительных последствий;
- предельный ток разряда, который может «обработать» устройство;
- устойчивость к «коротышам», успевшим вывести прибор из строя, но не создавшим условий для взрыва оболочки…
Оставить комментарий: