Разрядники и ОПН. В чем различие?
Несмотря на свою кажущуюся конструктивную простоту, ОПН — сложный электротехнический аппарат. Скажем так: ОПН – это просто, но не очень… И у теоретиков и у практиков есть много нерешенных вопросов. Достаточно сказать, что до сих пор не принят основополагающий документ по ОПН – ГОСТ, а целый ряд существующих документов имеют разночтения. Тем не менее, активное внедрение ограничителей в практику, тем более учитывая их роль в энергосистемах, ставит вопрос о более глубокой теоретической и практической подготовке обслуживающего персонала. Поэтому мы пришли к выводу о необходимости поместить на нашем сайте ряд взаимосвязанных статей по основам теории и практике ОПН, не особо теоретизируя и в то же время не упрощая подачу материала с тем, чтобы он был доступен широкому кругу практиков. Но так как большинству читателей –практиков основы защиты энергетических систем от перенапряжений известны ( по применению, например, вентильных разрядников), то общеизвестных истин повторять не будем. Конечно, при указанном подходе возможны некоторые упрощения, могут быть и неточности. Но мы открыты для любой критики, тем более конструктивной. Особенно ценны предложения по тематике будущих статей. По возможности, будем ссылаться на используемые источники- учебные пособия, статьи, документы и др. , но если вдруг кто-то из авторов не найдёт ссылки на свой труд — не обвиняйте нас в плагиате – ведь никаких коммерческих выгод от этих публикаций мы не получим.
Этот цикл статей назовём непритязательно — “ Школа молодого опнщика”. И так – урок первый. Начнём с назначения и принципа действия.
Назначение и принцип действия ОПН
Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)-электрические аппараты, предназначенные для защиты оборудования систем электроснабжения от коммутационных и грозовых перенапряжений. Основным элементом ОПН является нелинейный резистор – варистор ( varistor , от англ. Vari ( able ) ( Resi ) stor – переменное, изменяющееся сопротивление).
Основное отличие материала нелинейных резисторов ограничителей от материала резисторов вентильных разрядников состоит в резко нелинейной вольт-амперной характеристики (ВАХ) и повышенной пропускной способности. Применение в ОПН высоконелинейных резисторов позволило исключить из конструкции аппарата искровые промежутки, что устраняет целый ряд недостатков, присущих вентильным разрядникам.
Основной компонент материала резисторов ОПН – оксид (окись) цинка ZnO . Оксид цинка смешивают с оксидами других металлов – закисью и окисью кобальта, окисью висмута и др. Технология изготовления оксидно-цинковых резисторов весьма сложна и трудоёмка и близка к требованиям при производстве полупроводников – применение химически чистого исходного материала, выполнение требований по чистоте и т. д. Основные операции при изготовлении – перемешивание и измельчение компонентов, формовка ( прессование) и обжиг. Микроструктура варисторов включает в себя кристаллы оксида цинка (полупроводник n – типа) и междукристаллической прослойки ( полупроводник p – типа). Таким образом, варисторы на основе оксида цинка ZnO являются системой последовательно – параллельно включённых p – n переходов. Эти p – n переходы и определяют нелинейные свойства варисторов, то есть нелинейную зависимость величины тока, протекающего через варистор, от приложенного к нему напряжения.
В настоящее время варисторы для ограничителей изготовляются как цилиндрические диски диаметром 28 – 150 мм, высотой 5 – 60 мм (рис 1). На торцевой части дисков методом металлизации наносятся алюминиевые электроды толщиной 0.05-0.30 мм. Боковые поверхности диска покрывают глифталевой эмалью, что повышает пропускную способность при импульсах тока с крутым фронтом.
Рис. 1. Нелинейный резистор – варистор
Диаметр варистора ( точнее — площадь поперечного сечения ) определяет пропускную способность варистора по току, а его высота — параметры по напряжению.
При изготовлении ОПН то или иное количество варисторов соединяют последовательно в так называемую колонку. В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции и имеющихся на предприятии варисторов ограничитель может состоять из одной колонки (состоящей даже из одного варистора) или из ряда колонок, соединённых между собой последовательно/ параллельно.
Для защиты электрооборудования от грозовых или коммутационных перенапряжений ОПН включается параллельно оборудованию (рис. 2 ).
Защитные свойства ОПН объясняются вольт–амперная характеристикой варистора.
Вольт – амперная характеристика конкретного варистора зависит от многих факторов, в том числе от технологии изготовления, рода напряжения — постоянного или переменного, частоты переменного напряжения, параметров импульсов тока, температуры и др.
Типовая вольт- амперная характеристика варистора с наибольшим длительно допустимым напряжением 0.4 кВ в линейном масштабе приведена на рис. 3.
Рис. 3. Вольт – амперная характеристика варистора
На вольт – амперной характеристике варистора можно выделить три характерных участка: 1) область малых токов; 2) средних токов и 3) больших токов. Область малых токов – это работа варистора под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение. В данной области сопротивление варистора весьма значительно. В силу неидеальности варистора сопротивление хотя и велико, но не бесконечно. поэтому через варистор протекает ток, называемый током проводимости. Этот ток мал — десятые доли миллиамперметра.
При возникновении грозовых или коммутационных импульсов перенапряжений в сети варистор переходит в режим средних токов. На границе первой и второй областей происходит перегиб вольт – амперной характеристики, при этом сопротивление варистора резко уменьшается (до долей Ома). Через варистор кратковременно протекает импульс тока, который может достигать десятков тысяч ампер. Варистор поглощает энергию импульса перенапряжения, выделяя затем её в виде тепла, рассеивая в окружающее пространство. Импульс перенапряжения сети “ срезается” (рис. 4).
В третьей области ( больших токов) сопротивление варистора снова резко увеличивается. Эта область для варистора является аварийной.
Разрядники и ограничители перенапряжений
В электрических цепях достаточно часто возникают перенапряжения. Их причиной могут быть атмосферные грозовые разряды, которые сопровождаются значительной ионизацией воздуха и снижением электрической прочности воздушных промежутков. Импульсные повышения напряжения, кроме того, могут возникать при коммутационных перенапряжениях.
Для снижения их амплитуды на подстанциях используют специальные устройства. Они делятся на два основных класса: разрядники и ограничители перенапряжения.
Разрядники — это электрические аппараты, которые предназначены для уменьшения амплитуды атмосферных, коммутационных или резонансных перенапряжений в электрических установках.
На подстанциях применяют два вида разрядников: вентильные и трубчатые.
В вентильных разрядниках используются вилитовые или терви- товые резисторы, имеющие нелинейную характеристику, и несколько искровых промежутков. Вилит (карбид кремния с нанесенной на него пленкой оксида кремния) обладает способностью изменять свое сопротивление в зависимости от протекающего тока. При его повышении сопротивление вилитовых дисков резко падает и волна перенапряжения уходит через заземление, снижая амплитуду напряжения до значений, достаточных для гашения дуги в пробитых искровых промежутках. Тервит (зерна карбида кремния, связующим элементом которых служит эмульсия глинозема в жидком стекле) обладает повышенной, по сравнению с вилитовой, термической стойкостью и пропускной способностью, а также еще большей нелинейностью сопротивления и может ограничивать как внутренние коммутационные, так и внешние атмосферные перенапряжения большой амплитуды.
Конструктивно вентильные разрядники состоят из фарфорового корпуса с фланцами для крепления, внутри которого находятся вилитовые или тервитовые кольца, несколько искровых промежутков и резисторы (рис. 2.20). При появлении перенапряжения последовательно пробиваются искровые промежутки и через нелинейные резисторы, сопротивление которых резко уменьшилось, импульс тока замыкается на землю. Резисторы при этом ограничивают возникающие сопровождающие токи. Количество срабатываний разрядника фиксируется специальными регистраторами.
Рис. 2.20. Вентильный разрядник РВКУ-3,ЗА-101:
1 — фарфоровая крышка; 2 — искровой промежуток; 3 — блок нелинейных резисторов; 4 — прокладка; 5 — уплотнительное кольцо; 6 — днище; 7 — предохранительный клапан
Как правило, разрядники изготавливают либо для защиты от внутренних, либо от внешних перенапряжений. Однако существуют и комбинированные разрядники, в которых используют тервит. В таких разрядниках при внутренних перенапряжениях работают два нелинейных элемента и один искровой промежуток, а при внешних пробивается и второй искровой промежуток, существенно уменьшая волну перенапряжения.
Одной из разновидностей вентильных разрядников служат магнитовентильные разрядники, в которых искровые промежутки снабжены постоянными магнитами, создающими при прохождении тока магнитное поле, которое заставляет дугу вращаться с достаточно высокой скоростью и сокращает время ее гашения.
Трубчатые разрядники предназначены в первую очередь для ограничения перенапряжений в электрических сетях. На подстанциях они применяются как вспомогательное средство защиты оборудования вместе с вентильными, ограничивая волну перенапряжения уже на подходе к электрическим аппаратам и снижая тем самым нагрузку на вентильных разрядниках, увеличивая надежность защиты изоляции при атмосферных грозовых разрядах.
Конструктивно трубчатые разрядники представляют собой трубку из винипласта, фибры или фибробакелита, внутри которой расположены металлические электроды, образующие внутренний ис-
Рис. 2.21. Трубчатый фибробакелитовый разрядник:
/ — ушко для крепления; 2 — указатель срабатывания; 3 — плоский электрод; 4 — наконечник; 5 — фибробакелитовая трубка; 6 — хомуты крепления; 7 — внутренний стержневой электрод; 8 — заземление
кровой промежуток (рис. 2.21). Внешний искровой промежуток, изолирующий разрядник от постоянного контакта с токоведущей частью, образуют два стальных электрода, один из которых соединен с открытым металлическим наконечником, закрепленном на одном конце трубки.
Принцип работы такого разрядника основан на том, что при набегании волны перенапряжения искровые промежутки пробиваются и между электродами образуется электрическая дуга. Высокая температура дуги приводит к интенсивному разложению материала трубки и выделению газов, образующих в трубке продольное дутье и последующее гашение дуги при переходе переменного тока через ноль. Срабатывание разрядника сопровождается выхлопом ионизированных газов, поэтому их необходимо устанавливать таким образом, чтобы в зоне выхлопа не оказались другие токоведущие части.
В настоящее время применение разрядников сильно ограничено в связи с появлением электрических устройств нового поколения, к которым относятся ограничители перенапряжения.
Ограничители перенапряжений нелинейные, в отличие от вентильных разрядников не имеют искровых промежутков и обладают рядом существенных преимуществ. К ним относятся повышенное быстродействие (время срабатывания составляет меньше наносекунды), отсутствие сопровождающего тока, неизменность характеристик нелинейных элементов в течение всего срока эксплуатации и, как следствие, снижение затрат на обслуживание, простота конструкции в связи с отсутствием искровых промежутков и низкая себестоимость производства.
Рис. 2.22. Ограничитель перенапряжений ОПН-3,3-01:
1 — контактный вывод; 2 — фарфоровая покрышка; 3 — блок оксидно-цинковых резисторов; 4 — предохранительный клапан; 5 — днище; 6 — чугунное основание
Конструктивно ограничитель перенапряжений представляет собой колонку из последовательно соединенных нелинейных сопротивлений — варисторов, выполненных из оксида цинка, помещенных в прочный фарфоровый или стеклопластиковый корпус (рис. 2.22), воспринимающий механические нагрузки. В первом случае фарфор, кроме того, служит для изоляции, во втором случае на стеклопластик наносится ребристое покрытие из кремнийорганической резины.
Нелинейная вольтамперная характеристика металлооксидных резисторов, используемых в ограничителях перенапряжений, позволяет им длительно находиться в непроводящем состоянии, пропуская через себя лишь малый, преимущественно емкостной ток, величина которого не превышает миллиампера. При возникновении импульса перенапряжения ограничитель переходит в проводящее состояние и способен пропустить через варисторы токи в сотни и тысячи ампер, что существенно снижает напряжение на защищаемом оборудовании. После срабатывания ограничитель перенапряжений возвращается в свое исходное состояние, сохраняя при этом все свои характеристики.
Роговые разрядники применяются для защиты от перенапряжений фидеров контактной сети. Их устанавливают на фидерных опорах на специальных выносных консолях. При электрическом пробое они кратковременно замыкают провода на рельсы или заземляющие устройства. В результате этого ток разряда уходит на
Рис. 2.23. Роговый разрядник
тяговую подстанцию или в землю, после чего изоляция контактной сети восстанавливается.
Конструктивно роговые разрядники представляют собой воздушные промежутки, создаваемые дугогасящими рогами, выполненными из стального прутка диаметром 12 мм (рис. 2.23). Один их рогов соединяется с контактной сетью, другой — с рельсами или с заземляющим устройством. Как правило, разрядники выполняют с двумя искровыми промежутками, расположенными друг за другом, для исключения ложных срабатываний в результате случайного замыкания (например, птицами). При срабатывании разрядника образовавшаяся дуга растягивается по наклонным рогам, охлаждается и в результате гасится.
ОПН или разрядник РВО
Согласно ПУЭ-7, для ограничения уровней перенапряжений, вызываемых коммутациями в электрических сетях или возникающих при воздействии токов молнии, обязательным является применение защитных аппаратов – разрядников или нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).
Наиболее совершенными из разрядников являются вентильные разрядники (РВ, РВО), изготавливаемые на основе последовательно соединенных карборундовых нелинейных резисторов и искровых промежутков.
Низкая нелинейность вольтамперной характеристики этих резисторов обусловливает целый ряд существенных недостатков вентильных разрядников – конструктивных, эксплуатационно-технических, и, как следствие, снижение безопасности и экономической эффективности функционирования электросетей.
Уже к началу 70-х годов двадцатого века возможности совершенствования вентильных разрядников традиционной конструкции были практически исчерпаны.
В настоящее время происходит массовая замена разрядников, отслуживших свой нормативный срок, на гораздо более современный тип защитных аппаратов – нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), представляющих собой колонку высоконелинейных варисторов (сопротивлений), заключённую в герметичный корпус.
Новый продукт «ОПН-РВО», созданный на научно-технической базе ЗАО «Завод Энергозащитных Устройств», совмещает в себе преимущества разрядников и ограничителей перенапряжений.
Предприятие «ЗЭУ», единственное в России, использует для комплектации ограничителей качественные варисторы собственного производства.
Заявленные защитные характеристики подтверждены проведёнными квалификационными испытаниями. Стабильность производства варисторов подтверждается контрольными периодическими испытаниями.
Продукт успешно прошел испытания по всем нормируемым параметрам и имеет необходимые сертификаты.
ОПН-РВО ЗЭУ выпускаются для классов напряжений 6 кВ и 10 кВ.
Благодаря оптимизации технологии производства удалось добиться снижения стоимости ОПН-РВО до уровня РВО без снижения качества продукции.
Таким образом, заказчик получает все преимущества ограничителя перенапряжений по цене разрядника.
Вентильные разрядники и ограничители перенапряжений
Вентильные разрядники предназначены для ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений оборудования электроустановок. Целью ограничения перенапряжений является защита изоляции от разрушения.
Защитное действие разрядника обусловлено тем, что при появлении опасного для изоляции перенапряжения происходит пробой искрового промежутка разрядника, а протекающий через разрядник импульсный ток вследствие нелинейности рабочего сопротивления не создает опасного для изоляции повышения напряжения.
Вентильный разрядник состоит из двух основных компонентов: многократного искрового промежутка и рабочего резистора, состоящего из последовательного набора вилитовых дисков. Многократный искровой промежуток последовательно соединен с рабочим резистором. Вилит обладает нелинейным сопротивлением – оно снижается с увеличением значения силы тока. У вентильных разрядников имеются недостатки, обусловленные наличием искрового промежутка: низкая чувствительность и быстродействие, сопровождающий ток КЗ на землю, взрывоопасность.
Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН) также защищает сеть от перенапряжений, но в отличие от вентильного разрядника, не содержит искровых промежутков. Активная часть ОПН состоит из легированного металла, при подаче напряжения он ведет себя как множество последовательно соединенных варисторов – специальных полупроводниковых резисторов с переменным сопротивлением. Принцип действия ОПН основан на том, что проводимость варисторов нелинейно зависит от приложенного напряжения. При отсутствии перенапряжений ОПН не пропускает ток, но как только на участке сети возникает перенапряжение, сопротивление ОПН резко снижается, чем и обуславливается эффект защиты от перенапряжения. После окончания действия перенапряжения на выводах ОПН, его сопротивление опять возрастает. Переход из «закрытого» в «открытое» состояние занимает единицы наносекунд (в отличие от разрядников с искровыми промежутками, у которых это время срабатывания может достигать единиц микросекунд). Кроме высокой скорости срабатывания ОПН обладает еще рядом преимуществ. Одним из них является стабильность характеристики варисторов после неоднократного срабатывания вплоть до окончания указанного времени эксплуатации, что, кроме прочего, устраняет необходимость в эксплуатационном обслуживании.
Измерительные трансформаторы
Дата добавления: 2016-06-15 ; просмотров: 8213 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ