Как ограничители перенапряжения защищают электрооборудование?

Принцип работы ограничителя перенапряжения: защита от импульсных перенапряжений, срабатывающая при достижении определённого напряжения

Активация по пороговому принципу: изоляция при нормальном напряжении, проводимость во время импульсных перенапряжений

Ограничители перенапряжения работают подобно умным выключателям, имеющим два основных режима работы. Когда всё функционирует в штатном режиме — при напряжении, равном или ниже 100 % номинального значения, указанного для устройства, — внутренние компоненты в основном состоят из дисков оксида металла (MOV), которые мы называем варисторами. Эти элементы демонстрируют очень высокое сопротивление — порядка более чем 1 миллиона ом, — что по сути означает, что они действуют как хорошие изоляторы и препятствуют прохождению тока на землю. Это помогает минимизировать потери электроэнергии и предотвращать помехи при стабильной работе. Однако если возникает резкий всплеск напряжения, вызванный, например, ударом молнии или коммутационными процессами, превышающий заранее установленный порог срабатывания (обычно на 20–40 % выше нормального уровня напряжения), ограничитель мгновенно активируется — за доли наносекунды. В этот момент он создаёт сверхнизкоомный путь к заземлению — иногда менее одного ома, — отводя мощные импульсные токи, величина которых может превышать 100 тысяч ампер, в обход оборудования, требующего защиты. После того как всплеск напряжения проходит и система возвращается к обычному режиму работы, ограничитель автоматически сбрасывается в исходный режим высокого сопротивления. Эта способность к автономному сбросу обеспечивает его постоянную готовность к работе без влияния повседневных колебаний напряжения и, что особенно важно, позволяет ему сработать задолго до того, как подключённое оборудование может быть повреждено вследствие достижения предельных значений своей изоляционной прочности.

Технология варисторов на основе металлооксидов (MOV) и нелинейные вольт-амперные характеристики

Современные разрядники сегодня в значительной степени основаны на технологии металлооксидных варисторов (MOV), которая использует спечённые керамические диски из оксида цинка (ZnO), смешанные с оксидом висмута и различными другими металлическими соединениями. Особенность этих материалов заключается в их способности обеспечивать критически важную нелинейную зависимость между напряжением и током, необходимую для эффективной защиты от импульсных перенапряжений. В нормальных эксплуатационных условиях ток утечки остаётся очень низким — зачастую ниже 1 мА, поскольку материал ведёт себя так, как будто его сопротивление почти бесконечно. Однако при возникновении всплеска напряжения электроны начинают перемещаться через микроскопические промежутки между зёрнами ZnO, что приводит к резкому падению сопротивления. Это позволяет пропускать большие токи, одновременно строго ограничивая уровень напряжения. Характеристическая кривая зависимости тока от напряжения для таких материалов имеет значительно более крутой наклон по сравнению с устаревшими решениями, такими как карборундовые или разрядники с искровым промежутком; типичные значения показателя нелинейности находятся в диапазоне от 30 до 50. Данная особенность позволяет разрядникам на основе MOV обеспечивать превосходную защиту от электрических перенапряжений в современных энергосистемах.

• Время отклика менее 25 нс
• Коэффициенты ограничения напряжения от 2:1 до 3:1
• Энергоёмкость более 20 кДж на диск

Их способная к самовосстановлению микроструктура обеспечивает многократное подавление импульсных перенапряжений без необратимой деградации, гарантируя долгосрочную координацию с номинальными значениями уровня основной изоляции оборудования (BIL).

Отвод импульсных токов и управление заземляющим контуром

Создание низкоимпедансного пути к земле для переходных токов

Хорошая защита от перенапряжений действительно зависит от создания прочного соединения с низким импедансом между ограничителем перенапряжения и землёй. В идеале сопротивление заземления должно составлять менее 1 Ом для каждого спускного проводника. При ударах молнии или возникновении перенапряжений такая конфигурация позволяет контролировать всплески напряжения, снижая значение в уравнении V = I × Z во время разрядных процессов. При отсутствии правильного заземления оборудование может подвергаться опасным потенциальным разностям, приводящим к постепенному повреждению компонентов. Все металлические части также должны быть объединены (заземлены) — баки трансформаторов, крупные распределительные щиты выключателей, проходные изоляторы и даже несущие стальные конструкции должны быть подключены к единой заземляющей сетке с низким импедансом. Системы без такой согласованной системы заземления примерно на 20 % чаще выходят из строя при воздействии перенапряжений. Почему? Неконтролируемые градиенты напряжения вызывают пробои и создают механическую нагрузку на изоляционные материалы. Помните: при прохождении импульсных токов они выбирают путь с наименьшим сопротивлением, а не обязательно кратчайший. Таким образом, заземление — это не просто желательная опция, а абсолютная необходимость для корректной работы любой системы ограничителей перенапряжения.

Рассеяние энергии без теплового разгона или перегрузки системы

Ограничители напряжения на основе оксидных варисторов (MOV) функционируют путём поглощения и рассеяния энергии импульсных перенапряжений посредством управляемой проводимости — обратимого процесса, который может быть активирован по мере необходимости; при этом отпадает необходимость в устаревших «жертвенных» искровых промежутках или механизмах выброса газа. Эффективность этих устройств обусловлена их нелинейными вольт-амперными характеристиками, позволяющими быстро переключаться между режимами изолятора и проводника. Это обеспечивает низкое значение остаточного напряжения даже при воздействии мощных импульсных токов, измеряемых тысячами ампер. Тепловые аспекты также учтены на этапе проектирования таких ограничителей: при поглощении энергии тепло равномерно распределяется по всей композитной дисковой структуре и внешнему корпусу, а не концентрируется в одной точке, что предотвращает образование локальных перегревов («горячих точек») и, в худшем случае, неконтролируемого роста температуры. Полевые данные, полученные Электротехническим исследовательским институтом США (EPRI), показывают, что правильно подобранные и установленные устройства снижают частоту отказов оборудования примерно на две трети в реальных эксплуатационных условиях. Причина такой надёжности заключается в том, что ограничители большую часть времени работают в пределах безопасного температурного диапазона, защищая важные компоненты, расположенные ниже по цепи (например, трансформаторы и коммутационное оборудование), без дополнительной нагрузки на саму электрическую систему.

Остаточное напряжение и координация изоляции для надежной защиты

Согласование остаточного напряжения ограничителя перенапряжений с уровнями выдерживаемого импульсного напряжения оборудования

Остаточное напряжение — это, по сути, максимальное напряжение, измеряемое между выводами ограничителя при разряде импульсного перенапряжения, — вероятно, наиболее важный параметр при координации систем изоляции. Чтобы обеспечить надёжную защиту оборудования, это значение должно оставаться значительно ниже так называемого базового уровня изоляции (BIL) для подключённых устройств. Согласно исследованиям EPRI, как только остаточное напряжение превышает примерно 85 % порогового значения BIL, риск возникновения аварийных ситуаций резко возрастает. Данные свидетельствуют о приросте числа диэлектрических пробоев примерно на 72 % только в обмотках трансформаторов. Современные ограничители на основе оксида металла (MOV) обеспечивают высокоточное ограничение импульсных перенапряжений благодаря усовершенствованным методам укладки дисков и улучшенным методам градуировки. Эти достижения позволяют поддерживать стабильное значение остаточного напряжения даже при воздействии очень высоких токов. Для правильной реализации этого процесса необходимо учитывать несколько фундаментальных аспектов координации.

• Подтверждение того, что максимальное остаточное напряжение (при номинальном токе разряда) составляет 85 % выдерживаемого импульсного напряжения оборудования (BIL)
• Учёт индуктивного повышения напряжения вдоль заземляющих проводников, особенно при импульсах с высокой скоростью нарастания тока (высокий dI/dt)
• Повторная проверка запасов прочности после модернизации системы или изменения уровней токов короткого замыкания

Такой дисциплинированный подход предотвращает катастрофические повреждения изоляции и, как следствие, отключения подстанций, которые могут обойтись в сумму свыше 500 000 долларов США в виде затрат на ремонт, простои и ущерб смежным системам.

Применение на практике: защита трансформаторов, выключателей и подстанций

Ограничители перенапряжения выступают в качестве основной защиты для критически важных систем электроснабжения, отводя разрушительную энергию импульсных перенапряжений от чувствительных компонентов до того, как будет нанесён ущерб. При работе с трансформаторами, особенно маслонаполненными, монтажники устанавливают ограничители непосредственно рядом с высоковольтными проходными изоляторами, чтобы защитить изоляцию обмоток. Без надлежащей защиты резкие скачки напряжения могут привести к катастрофическим отказам внутри этих устройств. Другой сложностью являются автоматические выключатели, которые при коммутации тока генерируют коммутационные перенапряжения. Ограничители помогают снизить эти пиковые значения напряжения, которые иначе могли бы ускорить износ контактов или нарушить процесс гашения дуги. По всей подстанции инженеры устанавливают ограничители в различных точках — на входах фидеров, на соединениях с главными шинами и в непосредственной близости от важного оборудования — формируя многоуровневую систему защиты. Такой подход предотвращает распространение импульсных перенапряжений между подключёнными устройствами; согласно исследованиям IEEE, он снижает частоту отказов трансформаторов примерно на 40 % в районах, подверженных интенсивным грозовым воздействиям. При выборе места установки также руководствуются базовым принципом: ограничитель должен находиться ближе к защищаемому объекту, чем к любому другому месту, где импульсные перенапряжения могут проникнуть в систему, — тогда электрический ток естественным образом выбирает более лёгкий путь через ограничитель, а не разрушает изоляционные материалы.

Часто задаваемые вопросы о грозовых разрядниках

Что такое грозовой разрядник?

Грозовой разрядник — это устройство, используемое в системах электроснабжения для защиты оборудования от высоковольтных импульсов, вызванных ударами молнии или коммутационными процессами. Он обеспечивает низкоомный путь к земле, безопасно отводя избыточный электрический ток от чувствительных компонентов.

Как работают грозовые разрядники?

Грозовые разрядники находятся в состоянии высокого сопротивления при нормальных напряжениях, выступая в роли изолятора. При превышении напряжения импульса заранее заданного порогового значения разрядник мгновенно переходит в состояние низкого сопротивления и эффективно отводит высокий импульсный ток в землю, защищая тем самым систему.

Какова роль варистора на основе оксида металла (MOV) в грозовых разрядниках?

Варисторы на основе металлооксидов (MOV) играют ключевую роль в грозовых разрядниках благодаря своим нелинейным вольт-амперным характеристикам. В нормальных условиях эксплуатации они обладают высоким сопротивлением и низким током утечки. При возникновении импульсных перенапряжений их сопротивление резко снижается, что позволяет пропускать большие токи и защищать оборудование от чрезмерных уровней напряжения.

Почему заземление важно для грозовых разрядников?

Заземление имеет решающее значение для обеспечения эффективного и безопасного отвода импульсных токов грозового разрядника в землю. Пути заземления с низким импедансом минимизируют потенциальный ущерб оборудованию, предотвращая всплески напряжения и снижая опасные потенциальные разности между компонентами.