Разрядник как защитное устройство: назначение и принцип действия
Разрядник — это защитное устройство для электрической сети. Его принцип действия основан на ограничении импульсного перенапряжения до безопасного уровня для изоляции и отводе тока в заземление.
Виды угроз для электрооборудования: атмосферное и коммутационное перенапряжение
Любое электрооборудование в электрической сети подвержено риску из-за импульсного перенапряжения. Эти угрозы делятся на два основных типа. Атмосферное перенапряжение — это следствие грозовой активности. Прямой удар молнии в линию электропередачи (ЛЭП) или наведенное напряжение создают опасный импульс, способный разрушить изоляцию оборудования на подстанции. Эффективная грозозащита и молниезащита критически важны для предотвращения катастрофических последствий. Второй тип — коммутационное перенапряжение. Оно генерируется системой при коммутациях, например, при отключении трансформатора или высоковольтных линий. Хотя его энергия меньше, чем у молнии, его частое возникновение приводит к постепенному износу изоляции и отказам. Оба вида перенапряжений способны превысить пробивное напряжение материалов, что требует обязательной установки систем защиты от перенапряжений для надежной работы сети.
Эволюция устройств грозозащиты: от искрового промежутка до ОПН
Грозозащита эволюционировала: от искрового промежутка и вентильного разрядника до современного ОПН.
Современный ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН): оксидно-цинковый варистор и его вольт-амперная характеристика
Современный ограничитель перенапряжений нелинейный, широко известный как ОПН, является ключевым элементом в системе защиты от перенапряжений. Его сердце — это оксидно-цинковый варистор (ZnO-варистор), обладающий уникальной и резко нелинейной вольт-амперной характеристикой. Это свойство кардинально отличает ОПН от его предшественников, таких как вентильный разрядник. Важнейшее преимущество ОПН — отсутствие искрового промежутка. Благодаря этому, после отвода импульсного перенапряжения не возникает сопровождающий ток промышленной частоты, который требовал специальных мер для гашения. В нормальном рабочем режиме через варистор протекает лишь незначительный ток утечки, не оказывающий влияния на электрическую сеть. Но как только напряжение превышает пороговое значение из-за грозы или коммутации, сопротивление ОПН мгновенно снижается на несколько порядков, отводя опасный ток на заземление. Максимальное напряжение на зажимах устройства в этот момент называется остаточное напряжение, и его величина является критическим параметром для защиты изоляции.
Выбор разрядника и монтаж: защита ЛЭП, подстанций и трансформаторов
Правильный выбор разрядника и его монтаж — это основа системы защиты от перенапряжений для ЛЭП, подстанций и электрооборудования, например, трансформатора. Выбор разрядника, а точнее ОПН, начинается с определения класса напряжения электрической сети. Его ключевая характеристика, остаточное напряжение, которое должно быть ниже, чем пробивное напряжение изоляции защищаемого объекта. Для некоторых линий электропередачи еще применяют трубчатый разрядник, но современная грозозащита и молниезащита строится на базе ограничителя перенапряжений нелинейного. Эффективность этого защитного устройства критически зависит от грамотного монтажа. Главное — это низкоомное заземление для отвода импульса. ОПН устанавливается максимально близко к защищаемым выводам, чтобы минимизировать длину проводников. Это актуально как для высоковольтных, так и для низковольтных систем, защищая от коммутационного и атмосферного перенапряжения.
FAQ: Вопрос ответ
В чем ключевое преимущество ОПН перед вентильным разрядником?
Основное отличие заключается в их конструкции и принципе действия. Классический вентильный разрядник состоял из блока последовательно соединенных искровых промежутков и рабочего резистора. Его срабатывание происходило при пробое промежутков, после чего через него начинал протекать не только импульсный ток, но и сопровождающий ток промышленной частоты от электрической сети. Это требовало специальных мер для его гашения. Современный ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН) устроен иначе. Его основа — оксидно-цинковый варистор, который не имеет искрового промежутка. Благодаря уникальной вольт-амперной характеристике, варистор в нормальном режиме имеет огромное сопротивление (через него идет лишь малый ток утечки), а при возникновении импульсного перенапряжения его сопротивление мгновенно падает, отводя ток в заземление. Отсутствие сопровождающего тока делает ОПН более надежным, долговечным и эффективным средством защиты от перенапряжений.
Что такое остаточное напряжение и почему оно так важно?
Остаточное напряжение — это максимальное значение напряжения на его клеммах защитного устройства (например, ОПН) в момент протекания через него импульсного тока. Этот параметр является важнейшим при выборе разрядника для защиты конкретного электрооборудования, будь то трансформатор на подстанции или ввод на ЛЭП. Суть в том, что изоляция любого оборудования имеет свой предел прочности — пробивное напряжение. Задача грозозащиты состоит в том, чтобы напряжение на изоляции никогда не превысило этого предела. Уровень остаточного напряжения ОПН должен быть гарантированно ниже, чем пробивное напряжение защищаемой изоляции. Если выбрать ОПН с завышенным остаточным напряжением, то даже при его срабатывании атмосферное перенапряжение или коммутационное перенапряжение все равно повредит оборудование.
Можно ли использовать ОПН без заземления?
Категорически нет. Заземление — это фундаментальный и неотъемлемый элемент всей системы молниезащиты. ОПН работает по принципу отвода опасного импульса в землю. Если монтаж выполнен без подключения к качественному заземляющему устройству, то защитное устройство становится абсолютно бесполезным. Току просто некуда будет уходить, и все импульсное перенапряжение приложится к изоляции высоковольтного или низковольтного оборудования. Правильный монтаж и низкое сопротивление заземления так же важны, как и правильный выбор разрядника по классу напряжения.
Что произойдет, если неправильно выполнить выбор разрядника по классу напряжения?
Выбор разрядника, а именно ОПН, по классу напряжения — это критически важный этап проектирования. Если класс напряжения ОПН будет ниже, чем номинальное напряжение электрической сети, он будет постоянно находиться в проводящем состоянии. Это приведет к протеканию через оксидно-цинковый варистор большого тока, его быстрому перегреву и выходу из строя, что может вызвать короткое замыкание на заземление. Если же установить ОПН со слишком высоким классом напряжения, его пробивное напряжение будет значительно выше рабочего. В результате он просто не сработает при возникновении опасного импульсного перенапряжения (атмосферного или коммутационного), так как уровень этого перенапряжения не достигнет его порога срабатывания. В обоих случаях электрооборудование (например, трансформатор на подстанции) останется без адекватной защиты от перенапряжений;
Чем коммутационное перенапряжение отличается от атмосферного?
Оба типа представляют угрозу для изоляции, но имеют разную природу и характеристики. Атмосферное перенапряжение, это результат грозовой активности, прямого или индуцированного удара молнии в ЛЭП. Оно характеризуется очень коротким фронтом (микросекунды) и огромной амплитудой тока и напряжения. Это основная цель для системы грозозащиты. Коммутационное перенапряжение возникает внутри самой электрической сети при операциях включения/отключения высоковольтных линий, трансформаторов и другого оборудования. Его амплитуда ниже, а длительность больше, чем у грозового импульса. Однако его опасность в высокой частоте возникновения, что приводит к постепенному "старению" и износу изоляции и последующему пробою.
Используются ли сегодня трубчатые разрядники?
Да, трубчатый разрядник, несмотря на свою устаревшую конструкцию по сравнению с ОПН, всё ещё находит применение. В основном их устанавливают на воздушных линиях электропередачи (ЛЭП) среднего класса напряжения, особенно в сельской местности на линиях с деревянными опорами. Его главные преимущества — простота конструкции и низкая стоимость. В отличие от ОПН, он имеет искровой промежуток. При его пробое внутри трубки из газогенерирующего материала (например, фибры) возникает мощная дуга, которая гасится потоком образовавшихся газов. Это защитное устройство эффективно для молниезащиты, но имеет недостатки: громкий выхлоп при срабатывании и отсутствие гашения сопровождающего тока, что может приводить к кратковременному отключению линии.
Источник: https://tovaropediya.ru/articles?id=9568