В электрических сетях довольно часто наблюдается появление импульсных всплесков напряжения, вызванных различными причинами. Несмотря на то, что такие перенапряжения носят кратковременный характер, они способны вызвать пробой изоляции с последующим коротким замыканием. Одним из вариантов предотвращения негативных последствий могло бы стать использование более надежной изоляции, однако этот способ значительно увеличивает стоимость всего оборудования. Поэтому наиболее оптимальным вариантом стали разрядники. Основной функцией этих устройств является ограничение перенапряжений в электрических сетях и установках.
1. Разрядник, его назначение, принцип действия
Разрядники представляют собой защитные аппараты. Они предназначены для защиты изоляции электрооборудования от перенапряжений. Разрядник состоит из двух электродов и дугогасительного устройства.
Один из электродов закрепляют на защищаемой цепи, второй электрод заземляют. Пространство между этими двумя электродами называется искровым промежутком. При определенном значении напряжения между электродами искровой промежуток пробивается и снимает перенапряжение с защищаемого участка цепи.
После пробоя импульсом искровой промежуток становится достаточно ионизированным, чтобы фазные напряжения нормального режима могли пробиться, в связи с этим возникает короткое замыкание. Задача дугогасительного устройства — в наиболее короткие сроки устранить это до того, как сработают устройства защиты.
Принцип действия разрядников. В конструкции разрядников предусмотрен воздушный зазор в перемычке, который соединяет фазы линии электропередач и заземляющий контур. При номинальной величине напряжения цепь в перемычке разорвана. В случае грозового разряда в результате перенапряжения в ЛЭП происходит пробой воздушного зазора, происходит замыкание цепи между фазой и землей и импульс высокого напряжения напрямую уходит в землю.
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 (4) 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-ых 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, читателю стоит рассмотреть возможность замены их металлооксидными ОПН без искровых промежутков.
Газовый разрядник
Газовые разрядники представляют собой компоненты, заполненные инертным газом (рис.2). Корпус разрядника изготовлен в виде керамической трубки, концы которой закрыты металлическими пластинами и выступают в роли электродов.
Рисунок 2 – Структурная схема газового разрядника
Методы гашения дуги
Обеспечение гашение дуги в заданный промежуток времени может быть обеспечено применением специального газа, который подавляет электрическую дугу при силе тока ниже порогового значения. Но на практике такой способ применяется редко, недостатком подобных разрядников является низкая стабильность ресурса использования. То есть, количество возможных срабатываний можно наперед определить только приблизительно.
Выбор разрядников
Основные параметры разрядников: класс пропускной способности, наиболее длительное допустимое рабочее напряжение, уровни остающихся напряжений при коммутационных и грозовых импульсах, номинальное напряжение, величина тока срабатывания противовзрывного устройства, номинальный разрядный ток, длина пути утечки внешней изоляции.
Выбор разрядников производится исходя из назначения, конструктивного исполнения, требуемого уровня ограничения перенапряжений, схемы сети и ее параметров.
Выводы
Искровые разрядники находят свое применение как недорогие надежные устройства, способные выдерживать большие нагрузки. В телекоммуникационных приложениях использование варисторов ограничено из-за высокой емкости. В то же время, целесообразность их использования во многом упирается в экономику. Вентильный разрядник — дорогое устройство, требующее замены через каждые 20 срабатываний. Разница в стоимости между твердотельным и вентильным разрядниками полностью перекрывается более высокими затратами на эксплуатацию, так что твердотельный разрядник предпочтительнее.
9. Технические характеристики разрядников
Выделяют такие основные технические характеристики разрядников:
- Класс напряжения цепи;
- Наибольшее допустимое напряжение;
- Пробивное напряжение при частоте 50 Гц в сухом состоянии и под дождем;
- Импульсное пробивное напряжение при предразрядном времени от 2 до 20 мкс;
- Остающееся напряжение при волне 8 мкс;
- Ток утечки;
- Токовая пропускная способность;
- Длина пути утечки внешней изоляции;
- Допустимое натяжение проводов;
- Высота;
- Масса ограничителя.
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 750 кВ (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.
11. Разрядники 6 КВ, 10 КВ, 35кВ, 110 кВ, 220 кВ
Основные характеристики разрядников 6-220 кВ приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2 – Технические характеристики разрядников 6 кВ, 10 кВ
| Параметр | Единица измерения | РВО-6 Н | РВО-10 Н |
| Класс напряжения сети | кВ | 6 | 10 |
| Наибольшее допустимое напряжение | кВ | 7,5 | 12,7 |
| Пробивное напряжение при частоте 50 Гц в сухом состоянии и под дождём: | |||
| не менее | кВ | 16 | 26 |
| не более | кВ | 19 | 30,5 |
| Импульсное пробивное напряжение при предразрядном времени от 2 до 20 мкс, не более | кВ | 32 | 48 |
| Остающееся напряжение при волне 8 мкс, не более: | |||
| с амплитудой тока 3000А | кВ | 25 | 43 |
| с амплитудой тока 5000А | кВ | 27 | 45 |
| Ток утечки, не более | мкА | 6 | 6 |
| Токовая пропускная способность: | |||
| 20 импульсов тока волной 16/40 мкс | кА | 5,0 | 5,0 |
| 20 импульсов тока прямоугольной волной длительностью 2000 мкс | А | 75 | 75 |
| Длина пути утечки внешней изоляции, не менее | см | 18 | 26 |
| Допустимое натяжение проводов, не менее | Н | 300 | 300 |
| Высота, не более | мм | 294 | 411 |
| Масса, не более | кг | 3,1 | 4,2 |
Таблица 3 – Технические характеристики разрядников 35кВ, 110 кВ, 220 кВ
| Параметр | Единица измерения | РВС-35 РВС-35 Т1 | РВС-110М РВС-110М Т1 | РВС-220М РВС-220М Т1 |
| Класс напряжения сети | кВ | 35 | 110 | 220 |
| Наибольшее допустимое напряжение | кВ | 40,5 | ||
| Пробивное напряжение при частоте 50 Гц в сухом состоянии и под дождём: | ||||
| не менее | кВ | 78 | 200 | 400 |
| не более | кВ | 98 | 250 | 500 |
| Импульсное пробивное напряжение при предразрядном времени от 2 до 20 мкс, не более | кВ | 125 | 285 | 530 |
| Остающееся напряжение при волне 8 мкс, не более: | ||||
| с амплитудой тока 3000А | кВ | 125 | 315 | 630 |
| с амплитудой тока 5000А | кВ | 130 | 335 | 670 |
| Ток утечки, не более | мкА | 143 | 367 | 734 |
| Токовая пропускная способность: | ||||
| 20 импульсов тока волной 16/40 мкс | кА | 10,0 | 10,0 | 10,0 |
| 20 импульсов тока прямоугольной волной длительностью 2000 мкс | А | 150 | 150 | 150 |
| Длина пути утечки внешней изоляции, не менее | см | 115 | 345 | 690 |
| Допустимое натяжение проводов, не менее | Н | 300 | 500 | 500 |
| Высота, не более | мм | 1280 | 3100 | 4620 |
| Масса, не более | кг | 73 | 175 | 497 |
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.
| Устойчивость к временным перенапряжениям разрядников Дженерал Электрик | ||||||
| Про- должи- тель- ность (секунды) | Пред- шеств- ующая нагрузка* | Полимерный (на единицу MCOV) | Фарфоровый (на единицу MCOV) | |||
| Исполнение «normal duty» | Исполнение «Riser Pole» | Исполнение «Intermediate» | Исполнение Электро- станция | Исполнение Электростанция сверхвысокого напряжения (396 — 612 кВ) | ||
| 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
