Як обмежувачі перенапруг захищають електрообладнання?

Принцип роботи обмежувача перенапруг: захист від імпульсних перенапруг, що активується напругою

Активація за пороговим принципом: ізоляція за нормальної напруги, провідність під час імпульсних перенапруг

Обмежувачі перенапруг працюють подібно до «розумних» перемикачів, що мають два основні режими роботи. Коли все функціонує в штатному режимі — при напрузі, що дорівнює або не перевищує 100 % номінального значення, встановленого для даного пристрою, — внутрішні елементи в основному складаються з дискових варисторів на основі оксиду металу, які ми називаємо MOV. Ці компоненти демонструють дуже високий рівень опору — близько 1 мегаома й більше, — що означає, що вони виступають як ефективні ізолятори, перешкоджаючи проходженню струму до землі. Це сприяє зниженню втрат електроенергії та запобігає перешкодам у стабільному режимі роботи. Однак, якщо раптово виникає стрибок напруги (наприклад, через удар блискавки або комутаційні операції), що перевищує встановлену точку спрацювання — зазвичай на 20–40 % вище за нормальні рівні напруги, — обмежувач перенапруг миттєво активується, практично за наносекунди. У цей момент він створює надзвичайно низькоомний шлях до заземлення — іноді менше одного ома, — направляючи потужні імпульсні струми (часто понад 100 тисяч ампер) у землю, щоб захистити обладнання, яке потребує захисту. Після того як стрибок напруги мине й система повернеться до нормального режиму роботи, обмежувач автоматично повертається в початковий стан з високим опором. Ця здатність до самовідновлення забезпечує його постійну готовність до роботи без впливу звичайних коливань напруги, а також важливе: він активується набагато раніше, ніж будь-яке підключене обладнання може пошкодитися через досягнення своїх граничних значень ізоляції.

Технологія варисторів на основі металевих оксидів (MOV) та нелінійні вольт-амперні характеристики

Сучасні обмежувачі перенапруги значною мірою ґрунтуються на технології варисторів на основі металевих оксидів (MOV), яка базується на спечених керамічних дисках оксиду цинку (ZnO), змішаних з оксидом вісмуту та різними іншими металевими сполуками. Особливість цих матеріалів полягає в їхній здатності створювати критичну нелінійну залежність між напругою та струмом, необхідну для ефективного захисту від імпульсних перенапруг. За звичайних умов експлуатації струм витоку залишається дуже низьким — часто нижче 1 мА, оскільки матеріал веде себе так, наче його опір практично нескінченний. Проте під час стрибка напруги електрони починають рухатися через мікропори між зернами ZnO, що призводить до різкого зниження опору. Це дозволяє пропускати великі струми, одночасно забезпечуючи чіткий контроль рівня напруги. Характеристична крива роботи таких матеріалів значно стрімкіша порівняно зі старшими рішеннями, наприклад, карбід-кремнієвими або аретраторами з іскровим проміжком, а типові показники нелінійності знаходяться в діапазоні від 30 до 50. Ця особливість дозволяє обмежувачам на основі MOV забезпечувати вищий рівень захисту від електричних імпульсних перенапруг у сучасних енергосистемах.

• Час відгуку менше 25 нс
• Співвідношення обмеження напруги 2:1–3:1
• Ємність поглинання енергії понад 20 кДж на диск

Їхня самовідновлювальна мікроструктура забезпечує багаторазове витримування імпульсних перевантажень без постійного деградування, що гарантує тривалу узгодженість з рівнями основної ізоляції (BIL) обладнання.

Відведення імпульсних струмів та управління шляхом заземлення

Створення низькоімпедансного шляху до землі для перехідних струмів

Ефективний захист від імпульсних перенапруг дійсно залежить від створення міцного з’єднання з низьким імпедансом між обмежувачем перенапруги та землею. Ідеально опір заземлення має бути меншим за 1 Ом для кожного спускного провідника. Коли відбувається удар блискавки або виникає імпульсна перенапруга, така конфігурація обмежує стрибки напруги шляхом зниження значення за формулою V = I × Z під час розрядних подій. Без належного заземлення обладнання може піддаватися небезпечним різницям потенціалів, що поступово пошкоджують компоненти. Усі металеві частини також повинні бути з’єднані між собою: баки трансформаторів, великі коробки автоматичних вимикачів, прохідні ізолятори, навіть несучі сталеві конструкції мають бути підключені до єдиної заземлювальної сітки з низьким імпедансом. Системи без такого узгодженого заземлення, як правило, виходять з ладу приблизно на 20 % частіше через імпульсні перенапруги. Чому? Неконтрольовані градієнти напруги викликають пробої та створюють механічне навантаження на ізоляційні матеріали. Пам’ятайте: коли виникають тимчасові струми, вони проходять по тому шляху, який пропонує найменший опір, а не обов’язково по найкоротшому. Отже, заземлення — це не просто бажана, а абсолютно обов’язкова умова для правильного функціонування будь-якої системи обмежувачів перенапруги.

Розсіювання енергії без теплового розбігу або перевантаження системи

Захисні пристрої на основі оксидних варисторів (MOV) працюють шляхом поглинання та усунення енергії імпульсних перенапруг за допомогою процесу, що називається керованим провідництвом, який може бути зворотним за потреби; при цьому більше не потрібні застарілі жертвені розрядні проміжки чи механізми виведення газу. Ефективність цих пристроїв забезпечують їх нелінійні вольт-амперні характеристики, що дозволяють швидко перемикатися між станами ізолятора й провідника. Це сприяє підтримці низького рівня залишкової напруги навіть під час виникнення масивних імпульсних струмів, величина яких вимірюється тисячами ампер. Також теплові аспекти враховані безпосередньо в конструкції таких обмежувачів. Під час поглинання енергії тепло рівномірно розподіляється по всій композитній дископодібній структурі та зовнішньому корпусі замість концентрації в одному місці, що запобігає утворенню «гарячих точок» або, що гірше, неконтрольному підвищенню температури. Польові дані EPRI свідчать, що правильно підібрані та встановлені одиниці зменшують кількість відмов обладнання приблизно на дві третини в реальних умовах експлуатації. Причина такої надійності полягає в тому, що ці обмежувачі переважно функціонують у межах безпечного температурного діапазону, захищаючи важливі компоненти, розташовані нижче за струмом (наприклад, трансформатори та комутаційне обладнання), без додаткового навантаження на саму електричну систему.

Залишкову напругу та координацію ізоляції для надійного захисту

Узгодження залишкової напруги обмежувача перенапруг з номінальними значеннями імпульсної витривалості обладнання

Залишкову напругу, тобто найвищу напругу, яку ми вимірюємо між клемами обмежувача під час розряду імпульсу, вважають, ймовірно, найважливішим чинником при узгодженні ізоляційних систем. Щоб забезпечити належний захист обладнання, це значення має значно перебувати нижче так званого рівня основної ізоляції (BIL) для будь-яких підключених пристроїв. Згідно з дослідженнями EPRI, як тільки залишкова напруга перевищує приблизно 85 % цього порогового значення BIL, ризик швидко зростає. Дані свідчать про збільшення частоти діелектричних пробоїв саме в обмотках трансформаторів приблизно на 72 %. Сучасні обмежувачі на основі оксиду металу (MOV) забезпечують досить точне обмеження імпульсів завдяки покращеним методам укладання дисків та удосконаленим методам градуювання. Ці досягнення сприяють стабільному підтриманню залишкової напруги навіть при дуже високих рівнях струму. Досягнення цього результату вимагає уваги до кількох фундаментальних аспектів процесу узгодження.

• Підтвердження максимальної залишкової напруги (при номінальному струмі розряду) на рівні 85 % імпульсної витримувальної напруги обладнання (BIL)
• Урахування зростання індуктивної напруги уздовж заземлювальних провідників, особливо під час імпульсів з високим di/dt
• Повторне підтвердження запасів після модернізації системи або змін рівнів струмів короткого замикання

Такий дисциплінований підхід запобігає катастрофічним пошкодженням ізоляції й уникненню відключень підстанцій, що можуть коштувати понад 500 000 дол. США через ремонт, простої та побічну шкоду.

Застосування в реальних умовах: захист трансформаторів, вимикачів та підстанцій

Обмежувачі перенапруги виступають основним щитом для критично важливих електроенергетичних систем, спрямовуючи шкідливу енергію імпульсних перенапруг убік від чутливих компонентів до того, як виникне пошкодження. Під час роботи з трансформаторами, зокрема з маслонаповненими, монтажники розташовують обмежувачі безпосередньо поруч із високовольтними прохідними ізоляторами, щоб захистити ізоляцію обмоток. За відсутності належного захисту раптові електричні імпульси можуть призвести до катастрофічних відмов усередині цих пристроїв через різких стрибків напруги. Ще однією проблемою є вимикачі, які під час переривання струму створюють імпульсні перенапруги комутації. Обмежувачі допомагають обмежувати ці піки напруги, що інакше могли б прискорити знос контактів або порушити процес гасіння дуги. У межах усього підстанційного комплексу інженери розміщують обмежувачі в різних точках — зокрема, на входах фідерів, у місцях підключення до шин та поблизу важливого обладнання — формуючи кілька рівнів захисту. Такий підхід запобігає поширенню імпульсних перенапруг між взаємопов’язаними пристроями; згідно з дослідженнями IEEE, у районах, що часто страждають від блискавок, це зменшує кількість відмов трансформаторів приблизно на 40 %. Також існує базовий принцип, що керує рішеннями щодо монтажу: обмежувач має бути розташований ближче до об’єкта, який він захищає, ніж до будь-якого іншого місця, де можуть ввійти імпульсні перенапруги, щоб струм природним чином слідував легшим шляхом через обмежувач замість того, щоб пошкодити ізоляційні матеріали.

Часті запитання про блискавковідводи

Що таке блискавковідвід?

Блискавковідвід — це пристрій, що використовується в електроенергетичних системах для захисту обладнання від високовольтних імпульсів, спричинених ударом блискавки або комутаційними подіями. Він забезпечує низькоомний шлях до землі, безпечно відводячи надлишковий електричний струм від чутливих компонентів.

Як працюють блискавковідводи?

Блискавковідводи працюють у стані високого опору за нормальних умов напруги, виступаючи як ізолятор. Коли напруга імпульсу перевищує певний заданий поріг, блискавковідвід швидко переходить у стан низького опору й ефективно відводить високий струм до землі, забезпечуючи захист системи.

Яку роль відіграє варистор на основі оксиду металу (MOV) у блискавковідводах?

Варистори на основі металевих оксидів (MOV) відіграють ключову роль у блискавковідводах завдяки своїм нелінійним вольт-амперним характеристикам. За нормальних умов роботи вони мають високий опір і низький струм витоку. За умов перенапруги їхній опір різко знижується, що дозволяє пропускати великі струми й захищати обладнання від надмірних рівнів напруги.

Чому заземлення є важливим для блискавковідводів?

Заземлення є критично важливим для забезпечення ефективного та безпечного відведення струмів перенапруги в землю за допомогою блискавковідводу. Шляхи заземлення з низьким імпедансом мінімізують потенційну шкоду обладнанню, запобігаючи стрибкам напруги та зменшуючи небезпечні різниці потенціалів між компонентами.