Назначение

ОПН 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.

Устройство и принцип действия

Ограничитель перенапряжения является безыскровым разрядником.

Устройство ограничителя перенапряжения

Основной элемент ОПН — варистор ( varistor, от англ. Vari(able) (Resi)stor — переменное, изменяющееся сопротивление). Основная активная часть ОПН состоит из  последовательного набора варисторов, соединенных последовательно в «колонку». В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции ограничитель может состоять из одной колонки или из ряда колонок, соединённых  последовательно либо параллельно. Отличие материала варисторов ОПН от материала резисторов вентильных разрядников состоит в том,
что у нелинейных резисторов ограничителей перенапряжения присутствует повышенная пропускная способность, а также высоконелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ), благодаря которой возможно непрерывное и безопасное нахождение ОПН под напряжением, при котором обеспечивается высокий уровень защиты электрооборудования. Данные качества позволили исключить из конструкции ОПН искровые промежутки.

Материал нелинейных резисторов ОПН состоит в основном из оксида (окиси) цинка — ZnO и оболочки в виде глифталевой эмали, повышающей пропускную способность варистора. В процессе изготовления оксид цинка смешивается с оксидами других металлов. Варисторы на основе оксида цинка являются системой, состоящей из последовательно и параллельно включённых p – n переходов. Именно эти p – n переходы определяют нелинейность ВАХ варистора.

ОПН  конструктивно представляет собой колонку варисторов, заключенных в высокопрочный полимерный корпус из высокомолекулярного каучука (в случае полимерной изоляции прибора), либо колонку варисторов, прижатую к боковой поверхности стеклопластиковой трубы, расположенной внутри фарфора (в случае фарфоровой изоляции). В ОПН с полимерной изоляцией  пространство между стеклопластиковой трубой и колонкой варисторов заполняется низкомолекулярным каучуком , а сама стеклопластиковая труба имеет расчетное количество отверстий для обеспечения взрывобезопасности конструкции при прохождении токов короткого замыкания. У ограничителей перенапряжений с фарфоровой изоляцией на торцевых сторонах покрышки располагают мембраны и герметизирующие резиновые уплотнительные кольца, а на фланцах устанавливают специальные крышки с выхлопными отверстиями. На крышке ограничителя перенапряжений имеется контактный болт для подключения к токоведущей шине. ОПН снабжён изолированной от земли плитой основания. Внутренняя стеклопластиковая труба, мембраны и крышки обеспечивают взрывобезопасность конструкции при прохождении токов
короткого замыкания.

Принцип действия

Защитное действие ограничителя перенапряжений обусловлено тем, что появление опасного для изоляции перенапряжения, вследствие высокой нелинейности резисторов через ограничитель перенапряжений протекает значительный импульсный ток, в результате чего величина перенапряжения снижается до уровня, безопасного для изоляции защищаемого оборудования.

В нормальном рабочем режиме ток через ограничитель имеет емкостный характер и составляет десятые доли миллиампера. Но при возникновении перенапряжений резисторы ОПН переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции защищаемой электроустановки. Когда перенапряжение снижается, ограничитель вновь возвращается в непроводящее состояние.

Вольт-амперная характеристика ограничителя состоит из 3 участков:

1. – область малых токов;
2. – область средних токов;
3. – область больших токов.

Вольт-амперная характеристика ОПН.

В первой области варисторы работают под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение (сопротивление варисторов велико, через них протекает очень малый ток утечки).  В режим средних токов варистор переходит при возникновении перенапряжения в сети. При этом на границе 1 и 2 областей происходит перегиб ВАХ, сопротивление варисторов существенно уменьшается и через них протекает кратковременный импульс тока. Варистор поглощает энергию импульса и рассеивает её в окружающее пространство в виде тепла. За счёт поглощения энергии, импульс перенапряжения резко падает. Третья область для ограничителя является аварийной, сопротивление варисторов в ней вновь резко возрастает.

5.3. Определение защитного уровня ограничителя.

Определяющим при
выборе защитного уровня ОПН является его назначение (для защиты от грозовых или
коммутационных перенапряжений) и уровень выдерживаемых перенапряжений изоляцией
электрооборудования.

Значения
выдерживаемых и испытательных напряжений различных видов оборудования в сетях 6
— 35 кВ приведены в табл. — Приложения .

5.3.1. Определение
защитного уровня ограничителя при грозовых перенапряжениях.

5.3.1.1. Испытательное напряжение
электрооборудования 6 — 35 кВ координируется в настоящее время с остающимся
напряжением вентильного разрядника при расчетном токе координации (5 кА).
Поэтому остающееся напряжение ограничителей при грозовых перенапряжениях должно
быть не выше остающегося напряжения вентильного разрядника группы IV или группы III по ГОСТ 16357] соответственно для ОПН класса 6 — 10 и
35 кВ, т.е. не более значений, приведенных в табл. .

Максимальные
значения остающихся перенапряжений при грозовом импульсе ограничителей для
сетей 6 — 35 кВ.

5.3.1.2. При защите электрических машин
(генераторов, синхронных компенсаторов и электродвигателей мощностью более 3
МВт), присоединенных к ВЛ, выполненной в соответствии с [], значение U_остГ ограничителя,
устанавливаемого на выводах электрической машины вместе с емкостью не менее 0,5
мкФ, выбирают ниже значений приведенных в табл. Приложения .

5.3.2. Определение
защитного уровня ограничителя при коммутационных перенапряжениях.

5.3.2.1. Величина коммутационных перенапряжений
определяет значение остающегося напряжения на ограничителе, которое должно быть
при расчетном токе коммутационных перенапряжений не более выдерживаемого
напряжения изоляцией защищаемого электрооборудования (U_КИ). Значения
U_КИ для различных видов защищаемого
оборудования приведены в табл. — Приложения .

Расчетный ток
коммутационного перенапряжения зависит от вида и величины неограниченных
перенапряжений. Значение этого тока и соответствующее ему значение остающегося
напряжения на ограничителе определяют либо по программе расчета переходных
процессов для рассматриваемой коммутации, либо, для случаев, не оговоренных в
главе 7, с некоторым запасом по значению остающегося напряжения конкретного
типа ОПН при коммутационном импульсе 30/60 мкс с амплитудой 500 А.

U_остК определяют для этого расчетного
тока по данным табл. — Приложения .

5.3.2.2. Уровень ограничения коммутационных
перенапряжений при дуговых замыканиях с 10 % недокомпенсацией емкостного тока
может быть определен по кривой рис. в зависимости
от параметра f.

f = (50 Z/U_ф) ´ (U_ф/А)1/a, где

a — 0,04 ¸ 0,05 — степень
нелинейности варисторов.

L = U_ф/314 ´ I_кз(3)

U_ф = (U_{раб сети}´ )/

I_кз(3) — трехфазный
ток КЗ в месте установки ОПН

С_о, С_м
— емкость фазы на землю и между фазами ОПН

С_о = I_с/0,942 U_ф, где I_с — емкостной ток
на землю в сети (А).

С_м =
0,27 С_о — для кабеля

С_м =
0,4 С_о — для ВЛ

А = U₅₀₀/500a.

По полученной
величине остающегося напряжения определяют расчетный коммутационный ток как: I = (U₅₀₀/A500)1/a, А.

5.1. Выбор наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения ОПН.

5.1.1.В сетях 6 — 35 кВ, работающих с
изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока замыкания на землю и
допускающих неограниченно длительное существование однофазного замыкания на
землю (ОЗЗ), наибольшее рабочее длительно допустимое напряжение ограничителя
выбирается равным наибольшему рабочему напряжению электрооборудования для
данного класса напряжения по ГОСТ 1516.3. Их значения
приведены в табл. .

Наибольшее
рабочее напряжение электрооборудования.

5.1.2. Если длительность однофазного
замыкания на землю ограничивается, то наибольшее длительно допустимое рабочее
напряжение рассчитывают как:

U*_НРО
= U_СЕТИ/К_t, где

K_t — коэффициент,
равный отношению допустимого изготовителем повышения напряжения в течении
времени t к наибольшему
длительно допустимому рабочему (или номинальному) напряжению ограничителя.
Значение К_t определяют для значения t_ОЗЗ по зависимости
«допустимое повышение напряжения — время» для случая с предварительным
нагружением нормируемым импульсом энергии, которую дает завод-изготовитель (см.
Приложения ).
Время существования однофазного замыкания на землю (t_ОЗЗ) определяют по
данным эксплуатации для места установки ОПН.

5.1.3. Длительность существования ОЗЗ
нормируется [] в зависимости
от вида электрических сетей и составляет:

— в
контролируемых сетях, питаемых от турбогенераторов, гидрогенераторов и
синхронных компенсаторов, а также с присоединенными мощными электродвигателями,
с токами однофазного замыкания на землю в генераторной цепи более 5 А — не
более 0,5 сек. При токе однофазного замыкания на землю ниже 5 А — 2 ч и может
быть увеличено до 6 ч, если однофазное замыкание находится вне обмоток;

— в кабельных
сетях 6 — 35 кВ, не содержащих присоединенных турбогенераторов,
гидрогенераторов и синхронных компенсаторов и мощных электродвигателей — 2 ч и
может быть допущено увеличение до 6 ч по согласованию с энергоснабжающей
организацией;

— в воздушных
сетях, работающих с изолированной нейтралью или компенсацией емкостного тока
замыкания на землю и не содержащих электростанций и присоединений с
электродвигателями, время отключения однофазного замыкания на землю не
нормируется.

5.1.4. Нормированные значения для U_НРО действительны
для температуры окружающей среды до 45 °С с учетом дополнительного нагрева от
солнечной радиации. Если имеются другие источники высоких температур около
ограничителя, длительное время воздействующие на ОПН, например, при его внутренней
установке, то увеличивают значение U_НРО.

Если температура
окружающей среды превышает 45 °С, то U_НРОувеличивают на 2 % для каждых 5 градусов повышения
температуры окружающей среды.

5.1.5. Значение наибольшего длительно
допустимого рабочего напряжения ограничителя (U_НРО) выбирают
по номенклатуре завода-изготовителя, которое должно быть не ниже расчетных по
п.п. — .

Принцип работы

Принцип действия ОПН объясняется нелинейным характером вольтамперных характеристик (ВАХ) варисторов. Для их изготовления применяется материал, где находит применение окись цинка в смеси с оксидами других металлов. Благодаря составу данной смеси, колонка, собранная из варисторов является комбинацией параллельных и последовательных включений p-n переходов, что и обуславливает природу вольтамперных характеристик нелинейных резисторов ограничителей.

Когда характеристики напряжения в сети соответствуют номинальным значениям, ограничитель находится в режиме непроводящего состояния. Величина тока в варисторах имеет мизерные значения и объясняется емкостным характером. При появлении в сети импульса напряжения, величина которого может вызвать пробой изоляции электрооборудования, в цепи нелинейных резисторов ОПН, в соответствии с их вольтамперными характеристиками, будет иметь место возникновение значительного импульса тока. В конечном итоге это снижает величину перенапряжения до параметров безопасных для безаварийной эксплуатации оборудования. Когда напряжение в сети нормализуется, ОПН вновь возвращается в непроводящий режим.

Обслуживание и методы диагностики ОПН

Поиск неисправного ОПН занимает большое количество времени.  В большинстве случаев, оценку состояния ОПН производят визуальным осмотром либо разборкой ОПН и проверкой нормируемых электрических параметров резисторов. В связи со сложностью визуального осмотра, линия, защищаемая от перенапряжений, может оказаться под угрозой. Кроме того, согласно инструкции ЦЭ-936, периодичность текущего ремонта и межремонтных испытаний  ограничителей перенапряжений составляет: для ОПН переменного тока — 1 раз в 4 года, а для ОПН постоянного тока — 1 раз в год.

Методы диагностики ОПН:

1. Измерение сопротивления ;
2. Измерение токов проводимости ОПН (6-35 кВ) в лабораторных условиях;
3. Измерение токов проводимости ОПН под рабочим напряжением (110-750 кВ);
4. Тепловизионное обследование (с помощью приборов инфракрасной техники с высокой разрешающей способностью по температуре (не ниже 0,5 ᵒС)).