Ограничители перенапряжений (ОПН) в сетях 6–110 кВ
Ограничители перенапряжений — одни из самых массовых и в то же время самых ответственных элементов защиты изоляции в распределительных сетях среднего напряжения. При правильно подобранном и исправном ОПН они годами защищают оборудование от грозовых и коммутационных перенапряжений, а при отказе становятся источником серьёзной аварии. Разберём назначение, устройство, типы, выбор и диагностику этих аппаратов.
Назначение и принцип работы
Ограничитель перенапряжений защищает изоляцию электрооборудования от перенапряжений, превышающих допустимый уровень. Принцип работы основан на нелинейной вольт-амперной характеристике:
- при нормальном рабочем напряжении ток через аппарат не превышает долей миллиампера;
- при возникновении перенапряжения сопротивление резко снижается;
- импульсный ток перенапряжения отводится в землю;
- после снятия перенапряжения аппарат возвращается в исходное состояние.
Таким образом, ОПН ограничивает амплитуду перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции оборудования.
Виды перенапряжений
ОПН защищают от нескольких типов перенапряжений:
- Грозовые перенапряжения — при прямых или наведённых ударах молнии в линию или опору.
- Коммутационные перенапряжения — при включении и отключении длинных линий, автоматов повторного включения.
- Феррорезонансные перенапряжения — при несимметрии в сетях с изолированной нейтралью и трансформаторами напряжения.
- Перенапряжения при однофазных замыканиях на землю — дуговые перенапряжения в сетях с малой емкостной проводимостью.
Устройство ограничителей
Подвесные и опорные конструкции
Конструктивно ОПН состоит из нелинейных резисторов, расположенных в корпусе, и устройства для подключения к линии. Корпуса бывают полимерные и фарфоровые:
- Полимерный корпус — лёгкий, небьющийся, с гидрофобной поверхностью, что снижает загрязнение и облегчает обслуживание.
- Фарфоровый корпус — тяжёлый, хрупкий, но с высокой механической прочностью и длительным сроком службы при правильной эксплуатации.
Элементы конструкции
В состав аппарата входят:
- нелинейные металлооксидные резисторы;
- газообразная или вакуумная среда внутри корпуса;
- верхний и нижний фланцы с контактными выводами;
- устройство отключения или индикации срабатывания;
- крепёжные элементы для установки на опору или в ячейку.
Типы ограничителей
По области применения выделяются:
- ОПН распределительные — для сетей 6–35 кВ, устанавливаются на опорах линий и в ячейках.
- ОПН станционные — для подстанций 110 кВ и выше, с более высокими требованиями к энергоёмкости.
- ОПН для дуговых печей и сильноточных нагрузок — специальные исполнения с повышенной энергоёмкостью.
По классу напряжения аппараты выбираются с учётом максимального длительно допустимого рабочего напряжения сети.
Выбор ограничителей
При выборе ОПН учитываются следующие параметры:
- Номинальное напряжение аппарата — соответствует наибольшему рабочему напряжению сети.
- Класс напряжения — должен быть не ниже класса защищаемого оборудования.
- Остающееся напряжение при импульсном токе — должно быть ниже уровня изоляции оборудования с учётом координации.
- Длительно допустимый рабочий ток — обеспечивает работу без перегрева в нормальном режиме.
- Энергоёмкость — способность поглощать импульсную энергию без разрушения.
- Климатическое исполнение — для работы в условиях загрязнения, морской соли, низких температур.
Важнейший аспект — координация уровней изоляции. Остающееся напряжение на ОПН должно быть существенно ниже импульсной прочности изоляции защищаемого оборудования с учётом расстояния до аппарата.
Установка и подключение
Требования к монтажу:
- установка как можно ближе к защищаемому оборудованию;
- короткие и прямые проводники заземления;
- отдельное присоединение к заземляющему устройству;
- исключение петель и лишних изгибов в цепи заземления;
- надёжный контакт выводов с шинами и заземлителем.
Индуктивность провода заземления существенно увеличивает остающееся напряжение на аппарате, поэтому длина заземляющего проводника ограничивается минимально возможной.
Диагностика и эксплуатация
Состояние ОПН оценивается:
- измерением тока утечки при рабочем напряжении;
- измерением сопротивления изоляции корпуса;
- контролем температуры корпуса тепловизором под нагрузкой;
- осмотром состояния поверхности и крепления;
- проверкой индикатора срабатывания при его наличии.
Рост тока утечки свидетельствует о старении нелинейных резисторов и приближающемся отказе. Значительное превышение нормативных значений является основанием для замены аппарата.
Типовые дефекты
Наиболее распространённые неисправности:
- пробой нелинейных резисторов при длительной работе в перегруженном режиме;
- обрыв внутренних соединений при термической деградации;
- трещины и сколы фарфорового корпуса;
- нарушение контакта в цепях подключения;
- коррозия крепёжных элементов и выводов;
- загрязнение поверхности при работе в загрязнённой атмосфере.
Отличие от устройств защиты от импульсных перенапряжений
Важно различать ограничители перенапряжений, применяемые в сетях 6–110 кВ, и устройства защиты от импульсных перенапряжений, устанавливаемые в цепях 0,4 кВ. Последние защищают чувствительную электронику и бытовое оборудование, тогда как ОПН защищают изоляцию силового оборудования от грозовых волн высокой энергии.
Заключение
Ограничители перенапряжений являются экономически эффективным способом повышения грозоустойчивости сетей. Их правильный выбор, установка в непосредственной близости от защищаемого оборудования и регулярная диагностика тока утечки позволяют избежать множества повреждений изоляции. Смежные вопросы рассмотрены в материале о молниезащите подстанций 110/10 кВ, в материале об испытаниях кабельных линий и в материале о заземляющем устройстве подстанции.
