Обмежувач перенапруг (ОПН) 6–220 кВ: як працює і як підібрати

Обмежувач перенапруг (ОПН) підключають паралельно до обладнання, між фазою і землею. За робочої напруги через нього тече дуже малий струм, а під час грозового чи комутаційного імпульсу опір обмежувача різко падає: він відводить струм у землю і тримає напругу на ізоляції нижче за небезпечний рівень. Підбирають ОПН за найбільшою тривалою робочою напругою Uc, номінальним розрядним струмом і залишковою напругою, яку порівнюють із рівнем ізоляції обладнання, що його треба захистити.

Нижче розбираємо, як працює металооксидний обмежувач, які параметри дивитися в паспорті і як читати таблицю на прикладі обмежувачів для мереж 35–110 кВ.

Як працює ОПН і чим він відрізняється від вентильного розрядника

Усередині ОПН стоїть стовпчик варисторів на основі оксиду цинку, запресований у порцеляновий або полімерний корпус. Вольт-амперна характеристика таких варисторів сильно нелінійна. При напрузі мережі струм через стовпчик дуже малий і має переважно ємнісний характер. Коли напруга на виводах перевищує певний поріг, опір падає на кілька порядків, і через обмежувач проходять кілоампери. Після того як імпульс минув, стовпчик сам повертається в непровідний стан, супровідного струму промислової частоти практично немає.

Вентильні розрядники (у старих схемах це РВС, РВО, РВМ) будували інакше: послідовно з'єднані іскрові проміжки і резистори з карбіду кремнію. Карбід кремнію має слабшу нелінійність, тому без проміжків він пропускав би надто великий струм за робочої напруги. Проміжки спершу мають пробитися, і це дає затримку на крутому фронті хвилі. Після пробою через розрядник іде супровідний струм, який проміжки мусять погасити. Звідси вища залишкова напруга на ізоляції і знос проміжків.

Металооксидні обмежувачі без проміжків поступово витіснили вентильні розрядники в мережах 6–220 кВ. Окремо існують ОПН з послідовними іскровими проміжками, але це вузька ніша.

Високовольтний ОПН, ОПН 0,4 кВ і ПЗІП

Запит «обмежувач перенапруг» часто вводять ті, хто шукає захист для щитка будинку. У мережах 0,4 кВ для цього ставлять пристрої захисту від імпульсних перенапруг (ПЗІП, у російськомовних джерелах — УЗІП) класів I, II, III або низьковольтні ОПН у розподільних щитах. Вони працюють за тим самим принципом нелінійного опору, але розраховані на зовсім інші напруги, струми й умови монтажу.

У цій статті йдеться про обмежувачі для мереж 6–220 кВ: на підстанціях, опорах повітряних ліній, у комплектних розподільних пристроях, на вводах силових трансформаторів, біля кабельних муфт. Низьковольтні моделі в нашому модельному ряду теж є (обмежувачі на 0,28 і 0,8 кВ), але підбирають їх за іншою логікою.

Основні параметри ОПН

Найбільша тривала робоча напруга Uc

Це найбільше діюче значення напруги промислової частоти, яке можна тривало прикладати до обмежувача. Головне правило з паспорта: напруга в місці встановлення не повинна перевищувати Uc. Для мереж з ізольованою або компенсованою нейтраллю (а це більшість мереж 6–35 кВ в Україні) треба врахувати однофазне замикання на землю. Під час нього напруга неушкоджених фаз відносно землі зростає до лінійної і може триматися годинами. Тому для таких мереж Uc беруть не нижчою за найбільшу робочу лінійну напругу. Добре це видно на обмежувачі для мережі 35 кВ: його Uc дорівнює 43,2 кВ, тобто вище за найбільшу робочу напругу класу 35 кВ (40,5 кВ).

У мережах 110–220 кВ з ефективно заземленою нейтраллю фазна напруга під час замикань зростає менше, і Uc рахують від фазної напруги. Для обмежувача мережі 110 кВ у таблиці нижче Uc становить 79,6 кВ при найбільшій робочій фазній напрузі 126/√3 ≈ 72,7 кВ.

Номінальна напруга Ur

Номінальна напруга обмежувача характеризує його здатність витримувати тимчасові перенапруги промислової частоти. Вона вища за Uc: в обмежувача для мережі 110 кВ з таблиці нижче це 100 кВ проти 79,6 кВ, для мережі 66 кВ — 96 кВ проти 67,2 кВ. Для обмежувачів з іскровими проміжками діє інше правило: напруга промислової частоти в місці встановлення не повинна перевищувати саме Ur.

Номінальний розрядний струм

Амплітуда грозового імпульсу струму, за якою нормують захисні характеристики. Типові значення — 5 і 10 кА; у позначенні моделі це цифра після літери Y (Y5W, Y10W). Обмежувачі на 5 кА зазвичай ставлять у розподільних мережах і на 35 кВ, на 10 кА — на підстанціях 110–220 кВ.

Залишкова напруга

Напруга на виводах обмежувача, коли через нього проходить імпульс номінального розрядного струму. Саме вона потрапляє на ізоляцію обладнання, тому її порівнюють з витримуваною напругою грозового імпульсу апарата, що захищається, і залишають запас. Наприклад, обмежувач для мережі 35 кВ має залишкову напругу не більше 134 кВ, а вакуумний вимикач зовнішньої установки ZW32-40.5 витримує грозовий імпульс 185 кВ.

Енергоємність: клас розряду лінії і пропускна здатність

Обмежувач мусить ще й поглинути енергію імпульсу без перегріву. У стандарті IEC 60099-4 цю здатність раніше описували класом розряду лінії (від 1 до 5), у чинній редакції — нормованим перенесеним зарядом і тепловою енергією. У багатьох каталогах її задають пропускною здатністю: амплітудою прямокутного імпульсу струму тривалістю 2 мс. У наших обмежувачах це 400 А для моделей на 5 кА і 800 А для моделей на 10 кА. Більша енергоємність потрібна там, де обмежувач розряджає довгі лінії, кабелі або конденсаторні батареї.

Опорна напруга при постійному струмі 1 мА

Напруга, за якої через стовпчик варисторів проходить постійний струм 1 мА. Цей параметр використовують під час приймальних і періодичних вимірювань: помітне зниження опорної напруги вказує на старіння варисторів або зволоження.

Довжина шляху витоку і корпус

Довжину шляху витоку зовнішньої ізоляції підбирають за ступенем забруднення атмосфери в місці встановлення: біля доріг, що посипають сіллю, хімічних виробництв, морського узбережжя потрібна більша довжина. Полімерний корпус з гідрофобною силіконовою поверхнею легший за порцеляновий і краще поводиться під забрудненням, а при внутрішньому пошкодженні менш схильний до вибухового руйнування. Металооксидні обмежувачі MOA у необслуговуваному виконанні розраховані на райони із середнім і нижчим ступенем забруднення; для сильнішого треба окремо обумовити виконання ізоляції.

Як читати позначення і таблицю параметрів

Розберемо позначення Y10WZ2-100/260G з документації до металооксидних обмежувачів Y5W і HY10WZ у полімерному корпусі:

• Y — металооксидний обмежувач без іскрових проміжків у полімерному корпусі;
• 10 — номінальний розрядний струм, кА;
• W — без іскрових проміжків;
• Z — підстанційний тип;
• 2 — порядковий номер розробки;
• 100 — номінальна напруга обмежувача, кВ;
• 260 — залишкова напруга при грозовому імпульсі номінального розрядного струму, кВ;
• G — високогірне виконання.

Параметри серії для різних класів напруги:

Номінальну напругу обмежувача для мережі 35 кВ і параметри для 220 кВ уточнюємо під конкретне технічне завдання. Умови експлуатації цієї серії: температура від −40 до +40 °C, висота до 1000 м, частота мережі 48–62 Гц. Обмежувачі MOA на напругу до 220 кВ розраховані на висоту до 2000 м (високогірне виконання — понад 4000 м) і частоту 50 ± 2 або 60 ± 2 Гц. Для мереж 6 і 10 кВ у модельному ряду є окремі обмежувачі серії HY5W різних типів, їх добирають за тими самими параметрами; повний перелік — у розділі «Захист» каталогу.

Як обрати обмежувач перенапруг: порядок дій

1. Клас напруги і режим нейтралі. Визначте найбільшу робочу напругу мережі і те, як заземлена нейтраль. Від цього залежить Uc: для ізольованої чи компенсованої нейтралі — не нижче лінійної напруги, для ефективно заземленої — від фазної з урахуванням тимчасових перенапруг.
2. Тимчасові перенапруги. З'ясуйте, скільки може тривати замикання на землю і чи працює мережа в такому режимі годинами. Від цього залежить запас за Ur.
3. Номінальний розрядний струм. 5 кА для розподільних мереж і більшості вводів 6–35 кВ, 10 кА для підстанцій 110–220 кВ і відповідальних об'єктів.
4. Координація ізоляції. Порівняйте залишкову напругу з витримуваною напругою грозового імпульсу обладнання. Для вимикачів 12 кВ це зазвичай 75 кВ відносно землі, як у вакуумного вимикача ZN63A (VS1)-12; для 40,5 кВ — 185 кВ.
5. Енергоємність. Для кабельних ліній, довгих повітряних ліній і конденсаторних батарей беріть обмежувачі з більшою пропускною здатністю.
6. Зовнішня ізоляція і клімат. Ступінь забруднення, висота над рівнем моря, мінімальна температура, вітрове навантаження.
7. Місце встановлення. Чим ближче обмежувач до апарата, що захищається, і чим коротший провідник до заземлення, тим менше напруга на ізоляції перевищує залишкову напругу обмежувача.

Металооксидні обмежувачі не призначені для боротьби з резонансними перенапругами (наприклад, ферорезонансом трансформаторів напруги). Для цього потрібні інші заходи в схемі.

Часті запитання

Чим ОПН відрізняється від розрядника?

У вентильному розряднику є іскрові проміжки і резистори з карбіду кремнію, в ОПН — тільки стовпчик оксидно-цинкових варисторів. ОПН реагує без затримки на пробій проміжків, дає нижчий рівень обмеження і практично не пропускає супровідного струму після імпульсу.

Яку тривалу робочу напругу обрати для ОПН 10 кВ?

Найбільша робоча напруга мережі 10 кВ — 12 кВ. При ізольованій нейтралі однофазне замикання на землю може тривати довго, тому Uc обмежувача беруть не нижчою за 12 кВ, а з урахуванням тривалості замикань і дугових перенапруг — з додатковим запасом. Точне значення визначає проєктувальник за режимом нейтралі конкретної мережі.

Де встановлюють обмежувачі перенапруг?

На вводах і виводах силових трансформаторів, на шинах розподільних пристроїв, на опорах у місцях переходу повітряної лінії в кабель, біля двигунів і генераторів, а також на лінійних вводах підстанцій. Обмежувач ставлять якомога ближче до обладнання, яке він захищає.

Чи можна замінити РВО на ОПН без перерахунку?

Механічно заміна зазвичай нескладна, але параметри треба підбирати заново. Тривала робоча напруга ОПН має відповідати режиму нейтралі мережі. Якщо взяти обмежувач із заниженою Uc, під час тривалого замикання на землю він перегріється.

Що таке «обмежувач імпульсних перенапруг»?

Так часто називають і високовольтні ОПН, і низьковольтні пристрої захисту від імпульсних перенапруг (ПЗІП) для мереж 0,4 кВ. Принцип у них спільний, але параметри і правила вибору різні.

Для підбору достатньо знати клас напруги, режим нейтралі, тип обладнання, яке треба захистити, і ступінь забруднення в місці встановлення. LL GLOBAL постачає обмежувачі перенапруг 6–220 кВ під замовлення; технічне завдання можна надіслати на info@llenergo.com.