Библиотека

Защита от перенапряжений является первоочередной задачей при подключении устройств и оборудования к энергосистемам низкого, среднего и высокого напряжения. Поскольку сегодня все чаще применяется оборудование, элементы и системы изоляции которого чувствительны к перепадам и скачкам напряжения, возрастают требования к способности ограничителей перенапряжения обеспечить надлежащую защиту от негативных последствий ударов молнии, явлений электрического переключения и т.д. Любая аппаратура, от персональных компьютеров до систем передачи и распределения энергии, подвержена разрушительному воздействию резких изменений напряжения в электросети. Данная тема очень обширна, в ней необходимо затронуть множество моментов, поэтому в одной статье можно рассмотреть только основные аспекты выбора и применения. Таким образом, эта статья будет сосредоточена на электросетях/системах с напряжением 1000В и выше, с целью предоставить общие рекомендации по правильному выбору и применению молниеотводов и ограничителей перенапряжения.

Определение

Согласно NEC 2005, разрядник определен как: «Защитное устройство для ограничения перепадов напряжения за счет подавления импульсного тока, которое также предотвращает протекание сопровождающего тока, при этом сохраняя способность к повторению данных функций».

Типы/Классификация

Существует три основных типа ограничителей перенапряжения:

• Трубчатые разрядники
• Вентильные разрядники (изначально нелинейный резисторный тип с искровыми промежутками, в настоящее время – карбидокремниевый тип без искровых промежутков)
• ОПН - ограничители перенапряжения нелинейные (металлооксидный тип без искровых промежутков).

Выделяют четыре класса разрядников:

• Станционный класс
• Промежуточный класс
• Распределительный класс (высокой, средней и малой нагрузки)
• Вспомогательный класс

Из трех указанных выше типов разрядников трубчатый тип больше не используется. Вентильные разрядники нелинейного резисторного типа с искровыми промежутками использовались в середине 1970-х годов и к настоящему времени их применение также прекращено. Традиционный тип с карбидкремниевыми блоками/дисками используется до сих пор. Сегодня наиболее широко распространены металлооксидные ограничители перенапряжения без искровых промежутков. В этой статье мы не рассматриваем вспомогательный класс.

Что касается четырех классов разрядников, рассматриваемых в этой статье, разрядники станционного класса являются наилучшими, учитывая их стоимость, долговечность и качество защиты в целом. Он имеет самую низкую (наилучшую) степень защиты и энергию разряда по сравнению с более высокими (худшими) уровнями защиты у других классов. Как указано выше, распределительный класс имеет несколько степеней нагрузки.

Разрядники высокой производительности более долговечны и имеют более низкие защитные характеристики. Корпус такого разрядника может быть полимерным либо фарфоровым. Мы сосредоточимся на металлооксидных ограничителях перенапряжения (ОПН) без искровых промежутков, поскольку они наиболее надежны и производительны. Пожалуйста, учитывайте, что разрядники с искровыми промежутками и без таковых служат для одних и тех же целей, поэтому процесс их выбора и применения аналогичен. Тем не менее, необходимость использовать более высокие уровни напряжения для вентильных разрядников и возможность контаминации искрового промежутка означает, что степень защиты и надежности будет несколько ниже. В случае отказа вентильных разрядников, стоит рассмотреть возможность замены их металлооксидными ОПН без искровых промежутков.

Стандарты/Правила

Ограничители перенапряжения разрабатываются и тестируются в соответствии с ГОСТ 16357-83 - разрядники вентильные переменного тока и ГОСТ Р 52725-2007 - Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750кВ (ANSI/IEEE: ANSI/IEEE C62.1 - стандарт для вентильных разрядников переменного тока с искровыми промежутками, а также с ANSI / IEEE C62.ll – стандарт ограничителей перенапряжения нелинейных для электроустановок переменного тока). Статья 280 NFPA70/National Electrical Code регламентирует основные требования к ограничителям перенапряжения, а также правила их установки и подключения. В дополнение к этому, ограничители перенапряжения перечислены Лабораторией по технике безопасности США в категории «ограничители перенапряжения» (OWHX), а также другими национально признанными испытательными лабораториями в соответствующих разделах вышеуказанных стандартов ANSI/IEEE.

Выбор и применение

Основная цель применения разрядника – выбрать устройство с самым низким порогом перенапряжения, которое бы обеспечивало надлежащую защиту изоляции оборудования и, будучи подключенным к энергосистеме, имело удовлетворительный номинальный срок службы. Стоит отдавать предпочтение разрядникам с минимальным порогом срабатывания, поскольку они обеспечивают наивысший уровень защиты изоляции оборудования. Между степенью защиты и сроком эксплуатации ограничителя перенапряжения есть тонкая грань. Высокий порог срабатывания увеличит срок службы разрядника на конкретной энергоустановке, но снизит степень защиты изоляции оборудования. Таким образом, при выборе ограничителя перенапряжения читателю необходимо принять во внимание оба момента – и срок эксплуатации разрядника, и безопасность оборудования.

Лучше всего устанавливать разрядник как можно ближе к защищаемому оборудованию, предпочтительно во вспомогательном распределительном щите. Такое требование основано на математике волновой теории, согласно которой падающая и отраженная волна направляются в узловую точку (или щитовую защищаемого оборудования). Длина проводов для заземления соединения ограничителей перенапряжения с терминалами оборудования должна быть минимальной. Провода необходимо прокладывать прямо, по возможности избегая изгибов. Этим гарантируется, что всплеск энергии уйдет в землю по самому короткому пути. Увеличение длины провода снизит защитную способность ограничителя перенапряжения в связи с дополнительным сопротивлением в проводе.

Чтобы правильно подобрать ограничитель перенапряжения с учетом условий применения, необходимо принять во внимание следующие основные моменты:

• Постоянное напряжение сети
• Временные перенапряжения
• Коммутационные перенапряжения (чаще всего берутся во внимание для конденсаторных батарей, кабелей, а также для передачи напряжения 345 кВт и выше)
• Грозовые перенапряжения
• Конфигурация системы (заземлена или не заземлена/заземление с изолированной нейтралью)

В Таблице 1 представлены уровни срабатывания разрядников, обычно применяемые для систем с различным линейным напряжением. Мощность разрядника определяется среднеквадратичным напряжением, с которым он прошел испытание рабочего цикла, в соответствии с указаниями соответствующего стандарта.

Таблица 1. Типичные уровни срабатывания разрядников для различных напряжений сети

Уровень срабатывания разрядника, кВ			Уровень срабатывания разрядника, кВ
Номинальное напряжение сети, кВ	Сеть с заземленной нейтралью	Сеть с изолированной или компенсированной нейтралью	Номинальное напряжение сети, кВ	Сеть с заземленной нейтралью	Сеть с изолированной или компенсированной нейтралью
2.4	2.7	3.0	69	54	-
-	-	-	-	60	-
4.16	3.0	-	-	-	66
-	4.5	4.5	-	-	72
-	-	5.1	115	90	-
4.8	4.5	-	-	96	-
-	5.1	6.0	-	108	120
-	-	-	138	108	-
6.9	6.0	-	-	120	-
-	-	75	-	-	132
-	-	8.5	-	-	144
12.47	9.0	-	161	120	-
-	10	-	-	132	-
-	-	12	-	144	144
-	-	15	-	-	168
13.2, 13.8	10	-	230	172	-
-	12	-	-	180	-
-	-	15	-	192	-
-	-	18	-	-	228
23, 24.94	18	-	-	-	240
-	21	-	345	258	-
-	24	24	-	264	-
-	-	27	-	276	-
34.5	27	-	-	288	288
-	30	-	-	294	294
-	-	36	-	300	300
-	-	39	-	312	312
46	39	-	400	300	-
-	-	48	-	312	-
-	-	-	-	336	-
-	-	-	-	360	-

Постоянное напряжение сети

Когда ограничители перенапряжения подключены к энергосистеме, они находятся под постоянным воздействием рабочего напряжения. В зависимости от характеристик разрядника, существуют разные пределы уровня постоянного напряжения. Это называется максимальное длительное рабочее напряжение (MCOV) разрядника. Необходимо выбирать ограничитель перенапряжения с такими характеристиками, чтобы максимальное длительно напряжение в энергосистеме, где будет установлено устройство, равнялось или было ниже MCOV разрядника. Следует учитывать как конфигурацию электросети (звезда или треугольник), так и тип подключения разрядника (линейное или фазное). В большинстве случаев ограничители перенапряжения имеют соединение «фаза-земля». Если же устройство имеет линейное подключение, стоит обратить внимание на межфазное напряжение. В дополнение к этому, для определения оптимальных параметров разрядника необходимо принимать в расчет также и конфигурацию заземления системы – глухое заземление или эффективное заземление (резистивное заземление, временное заземление, отсутствие заземления). Это ключевой фактор при выборе и применении ограничителя перенапряжения. Если конфигурация заземления системы неизвестна, читатель должен предположить, что система не заземлена. В таком случае стоит выбрать разрядник с более высоким постоянным напряжением сети и/или уровнем MCOV. Также необходимо обратить особое внимание он на особые области применения разрядника, как, например, третичная обмотка трансформатора, где один из углов треугольника имеет постоянное заземление. В данном случае нормальное напряжение, постоянно воздействующее на разрядник, будет полностью линейным, даже если ограничитель перенапряжения имеет подключение «фаза-земля».

Примеры некоторых из оценок максимальных длительных рабочих напряжений для полимерных разрядников TRANQUELL® Дженерал Электрик отмечены в Таблице 2 ниже.

Таблица 2. Полимерные разрядники TRANQUELL®

Номинальное напряжение, кВirms	МКОВ, кВirms	0.5мкс 10кА макс IR-кВ пик	Переключение максимума перенапряжения IR-кВ пик	8/20мкс Максимальное напряжение разряда - кВ пик
				1.5кA	3кA	5кA	10кA	20кA	40кA
3	2.55	8.4	6.0	6.4	6.7	7.1	7.6	8.4	9.6
6	5.10	16.7	11.9	12.8	13.5	14.1	15.2	16.8	19.1
9	7.65	25.0	17.8	19.2	20.2	21.1	22.7	25.1	28.3
10	8.40	27.8	19.8	21.4	22.5	23.5	25.3	28.0	31.8
12	10.2	33.3	23.7	25.6	26.9	28.1	30.3	33.5	38.1
15	12.7	41.7	29.7	32.0	33.7	35.2	37.9	42.0	47.6
18	15.3	50.1	35.6	38.4	40.4	42.3	45.5	50.0	57.2
21	17.0	56.3	40.1	43.2	45.5	47.6	51.2	56.7	64.4
24	19.5	63.9	45.5	49.1	51.6	54.0	58.1	64.3	73.0
27	22.0	72.9	51.9	56.0	58.9	61.6	66.3	73.4	83.3
30	24.4	80.4	57.2	61.7	64.9	67.9	73.1	80.9	91.9
36	29.0	95.9	68.3	73.6	77.4	81.0	87.2	96.5	109.6
39	31.5	104.2	74.2	80.0	84.1	88.0	94.7	104.8	119.0
45	36.5	120.9	86.1	92.8	97.6	102.1	109.9	121.7	138.1
48	39.0	128.7	91.6	98.8	103.9	108.7	117.0	129.5	147.1
54	42.0	144.4	102.8	110.9	116.6	122.0	131.3	145.3	165.0
60	48.0	163.5	116.4	125.5	132.0	138.0	148.6	164.5	186.8
66	53.0	179.9	128.0	138.1	145.2	151.8	163.5	181.0	205.5
72	57.0	191.8	136.6	147.3	154.9	162.0	174.4	193.1	219.2
90	70.0	241.8	172.1	185.6	195.2	204.2	219.8	243.3	276.3
96	76.0	257.4	183.2	197.6	207.8	217.4	234.0	259.0	294.1
108	84.0	288.9	205.6	221.8	233.2	244.0	262.6	290.7	330.1
120	98.0	326.9	241.3	251.0	263.9	276.1	297.2	329.0	373.6
132	106.0	362.7	267.7	278.5	292.8	306.3	329.7	365.0	414.4
144	115.0	386.1	285.0	296.5	311.7	326.1	351.0	388.6	441.2

Временные перенапряжения

Временные перенапряжения могут быть вызваны многочисленными проблемами в системе, например, коммутационными перенапряжениями, однофазным коротким замыканием на землю, сбросом нагрузки и феррорезонансом. Чтобы определить наиболее вероятные формы и причины временных перенапряжений, необходимо оценить характеристики системы и обычные условия эксплуатации. Если подробные исследования временных процессов в системе и расчеты отсутствуют, допустимо, как минимум, оценить перенапряжение из-за однофазного короткого замыкания на землю. Информация о конфигурации заземления системы и ее элементах поможет установить перенапряжения, связанные с однофазным коротким замыканием на землю. Читатель может найти рекомендации по определению величины перенапряжения, связанного с однофазным коротким замыканием на землю, в стандарте ANSI 62.22, согласно которому производится применение ограничителей перенапряжения. Главным результатом воздействия временных перенапряжений на металлооксидные ОПН является увеличение тока и рассеиваемой мощности, а также повышение температуры разрядника. Способность разрядника выдерживать временные перенапряжения должна соответствовать или превышать ожидаемые временные перенапряжения в системе.

Представленная ниже Таблица 3 определяет устойчивость к временным перенапряжениям всех моделей разрядников GE в расчете на единицу MCOV. В таблице указана максимальная продолжительность и величина временного перенапряжения, которое может быть приложено к разряднику до момента, когда напряжение должно быть снижено до допустимых рабочих показателей. Устойчивость к временным перенапряжениям определена независимо от сопротивления системы и действительна для напряжений, применяемых в месте установки разрядника.

Таблица 3. Устойчивость к временным перенапряжениям разрядников Дженерал Электрик

Продолжительность, секунды	Предшествующая нагрузка*	Полимерный, на единицу MCOV				Фарфоровый, на единицу MCOV
		Исполнение «normal duty»	Исполнение «Riser Pole»	Исполнение «Intermediate»	Исполнение Электростанция	Исполнение Электростанция сверхвысокого напряжения (396-612кВ)
0.02	Нет	1.75	1.58	1.58	1.61	1.56
0.1	Нет	1.64	1.52	1.52	1.55	1.52
1	Нет	1.57	1.43	1.43	1.47	1.45
10	Нет	1.49	1.37	1.37	1.39	1.38
100	Нет	1.43	1.32	1.32	1.34	1.32
1000	Нет	1.35	1.29	1.29	1.30	1.25
10000	Нет	--	1.27	1.27	1.28	1.18
0.02	Да	1.73	1.56	1.56	1.56	1.49
0.01	Да	1.62	1.49	1.49	1.50	1.45
1	Да	1.55	1.41	1.41	1.42	1.38
10	Да	1.47	1.35	1.35	1.36	1.32
100	Да	1.40	1.31	1.31	1.32	1.26
1000	Да	1.33	1.28	1.28	1.28	1.19
10000	Да	--	--	--	1.27	1.13

* Уровни предшествующей нагрузки определяют по Таблице 4

Коммутационные перенапряжения

Способность разрядника к рассеиванию энергии коммутационных перенапряжений можно определить количественно. Единица для количественного определения энергетических возможностей ОПН – килоджоули/киловатт (кДж/кВт). Максимально количество энергии, которое может быть рассеяно разрядниками GE TRANQUELL®, указано ниже в Таблице 4. При определении таких возможностей принимаются во внимание множественные разряды, распространенные за одну минуту. В случаях, когда разряды распространяются на протяжении более длительного периода времени, разрядники GE TRANQUELL® имеют гораздо больший потенциал. Как уже отмечалось ранее, при правильном применении разрядники могут повторять эти способности, таким образом, после минутного перерыва разряды можно повторить. Минутный перерыв необходим для достижения однородной температуры диска (дисков). Такие энергетические показатели предполагаю возникновение коммутационных перенапряжений в системах с волновым сопротивлением в несколько сотен Ом, типичным для воздушных линий электропередач. В электросетях с низким волновым сопротивлением, которые имеют такие элементы, как шунтирующие конденсаторы или кабели, возможно снижение энергетической емкости металлооксидных ограничителей перенапряжения, поскольку токи могут превышать значения, указанные ниже в Таблице 4.

Таблица 4. Энергия импульса

Номинальное напряжение разрядника, кВ	Тип корпуса	Тип ОПН	Пропускная способность, А	Удельная энергия, кДж/кВ
3 - 36	Полимер	«normal duty»	300	1.4
		«heavy duty»	450	2.2
		Riser Pole	650	3.4
3 - 144		Intermediate	650	3.4
		Электростанция	1000	4.9
3 - 48	Фарфор		1000	4.9
54 - 360			1500	5.9
396 - 612			2400	17.0

Информация о конфигурации системы, типе соединения (звезда/треугольник), наличии или отсутствии заземления является ключевым фактором при выборе уровня срабатывания разрядника. Как указано в Таблице 1, номинальная мощность для систем с различным (линейным) напряжением зависит от конфигурации заземления. Если система имеет глухое заземление, можно использовать разрядник с более низким уровнем срабатывания. Если же система не заземлена, используется временное заземление или заземление через активное сопротивление, стоит отдавать предпочтение более высокому уровню срабатывания, чтобы компенсировать длительное воздействие потенциально высокого постоянного напряжения или MCOV. Кроме систем с глухозаземленной нейтралью, все системы считаются эффективно заземленными, для них необходимо выбирать более высокий уровень срабатывания. Владение информацией о параметрах системы и выбор подходящего уровня срабатывания имеет критическое значение для предотвращения такого использования, которое может привести к резкому сокращению срока службы или отказу разрядника. Если параметры системы неизвестны, читатель должен предположить, что система не заземлена.

Отказ разрядника и сброс давления

Если превышен потенциал ограничителя перенапряжения, металооксидный диск может треснуть или проколоться. Такое повреждение приведет к снижению внутреннего сопротивления разрядника и снизит его устойчивость к будущим проблемам в системе, но не ставит под угрозу защиту изоляции, которая обеспечивается ограничителем перенапряжения.

В маловероятном случае полного отказа разрядника, на месте замыкания на землю возникнет электрическая дуга и давление внутри корпуса будет расти. При условии, что ток короткого замыкания находится в пределах возможностей разрядника, такое давление будет благополучно высвобождено наружу и установится внешняя электрическая дуга. Эта низковольтная дуга будет поддерживать защиту оборудования. Когда разрядник будет успешно провентилирован, он потеряет способность сброса давления/ограничения тока короткого замыкания и должен быть незамедлительно заменен. Для данных целей требуется выбирать ограничитель напряжения, который способен выдерживать большее давление/больший ток короткого замыкания, чем максимальный ток короткого замыкания в месте установки устройства. Также необходимо также учитывать будущее развитие системы.

В таблице 5 ниже приводится перечень сброса давления / ток взрывобезопасности для различных разрядников Дженерал Электрик TRANQUELL®.

Таблица 5. Сброс давления / Ток повреждения

Нормальное напряжение разрядника, кВ	Тип корпуса	Тип ОПН	Ток взрывобезопасности, А
3 - 36	Полимер	«normal duty»	10 000
		«heavy duty»	20 000
		Riser Pole	20 000
3 - 144		Intermediate	20 000
		Электростанция	80 000
3 - 27	Фарфор	Электростанция - фарфоровый верх	10 000
3 - 48		Электростанция - металлический верх	65 000
54 - 360		Электростанция	93 000
396 - 612			65 000

Выводы по выбору и применению ограничителей перенапряжения

В процессе выбора и применения ограничителей перенапряжения необходимо принять во внимание напряжение в системе, ожидаемые условия эксплуатации, и параметры заземления системы (глухо заземленная или эффективно заземленная), в которую будет установлен разрядник. Понятие напряжения в системе охватывает постоянное напряжение в сети, временные и коммутационные перенапряжения. Если этим индивидуальным критериям соответствуют разрядники с разными характеристиками, в результате необходимо выбрать устройство с наилучшими параметрами.