Рассматриваемые аппараты используются на электрических станциях и подстанциях для защиты установок от атмосферных (грозовых) и коммутационных (внутренних) перенапряжений, способных обеспечить пробой изоляции электрооборудования и вывести его из строя. Коммутационные перенапряжения отличаются низкой частотой напряжения и длительностью воздействия до 1 с.

Грозовые импульсы имеют малую длительность до нескольких миллисекунд. Для предупреждения отключения оборудования релейной защитой при возникновении перенапряжений, возникающий ток должен быть снят разрядником, или ограничителем перенапряжений (ОПН) за наиболее короткий промежуток времени (порядка 0,02 с).

К разрядникам и ОПН предъявляются следующие основные требования:

• согласование вольт-секундных характеристик, и пологость характеристики аппарата;
• гарантированная электрическая прочность промежутков при 50 Гц и импульсах;
• остающееся напряжение не должно превышать опасных для оборудования значений;
• сопровождающий ток на 50 Гц должен отключаться за минимальное время;
• большое число срабатываний без осмотра и ремонта – износостойкость.

В соответствии с ГОСТ 16357-83 и ГОСТ Р 52725-2007 структуры обозначений разрядников и ОПН строятся следующим образом:

Обозначение разрядников:

1. Первые буквы и цифры (от II до V) обозначают разрядник (Р), группу (цифра) и наиболее существенные конструктивные признаки: Т – трубчатые, для них: В – винилпластовые, Ф – фибробакелитовые; В – вентильные, для них: О – облегчённый, Н – низковольтный, С – станционный, П ‒ подстанционный, К – для устройств контроля изоляции, ВМ – для вращающихся машин, М – магнитные, МГ – магнитные грозовые, МК – магнитные комбинированные, Т – токоограничивающие, РД – с растягивающей дугой.
2. Номинальный разрядный ток в кА.
3. Класс напряжения в кВ;
4. Номинальное напряжение разрядника в кВ.
5. Буквы (А, Б, В) обозначают категорию оборудования по длине пути утечки внешней изоляции (только для разрядников категории размещения 1).
6. Климатическое исполнение и категория размещения.

Пример: РВС III-5-110/102 А У1 – разрядник вентильный станционный, серийной группы III, номинальный разрядный ток 5 кА, класс напряжения 110 кВ, номинальное напряжение разрядника 102 кВ, категории по длине пути утечки на 20 % выше А, исполнения У, размещения 1.

Обозначение ОПН:

1. Буквы ОПН.
2. Обозначение материала покрышки: П – полимер, или нет буквы – фарфор.
3. Класс напряжения сети в кВ.
4. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение в кВ.
5. Номинальный разрядный ток в кА.
6. Ток пропускной способности в А.
7. Климатическое исполнение и категория размещения.

Пример: ОПН-П-220/146/10/550 УХЛ1 – с полимерной изоляцией, для сети 220 кВ, рабочим напряжением 146 кВ, номинальным разрядным током 10 кА, током пропускной способности 550 А (2 класс), исполнения УХЛ, размещения 1.

Разрядники изготавливаются на номинальное напряжение из стандартизированного ряда: 3,8; 7,5; 12,7; 18; 24; 29; 33; 40,5; 69; 75; 102; 126; 138; 198; 288; 420; 600 кВ, на номинальный грозовой ток: 5, или 10 кА, и на предельный отключаемые ток: до 10 кА для фибробакелитовых и до 20 кА для винилпластовых (до 30 кА – усиленные).

Нормированные значения рабочих напряжений для ОПН в России: 3,0; 3,3; 3,6; 5,0; 6,0; 6,6; 6,9; 7,2; 10,5; 11,5; 12,0; 15,2; 17,5; 18,0; 19,8; 24,0; 26,5; 30,0; 36,0; 38,0; 40,5; 44,0; 46,0; 48,0; 60,0; 73,0; 77,0; 83,0; 88,0; 100,0; 105,0; 110,0; 146,0; 151,0; 156,0; 172,0; 176,0; 210,0; 220,0; 230,0; 303,0; 318,0; 333,0; 336,0; 455,0; 465,0; 475,0 кВ, нормированные значения номинального разрядного тока: 5, 10 и 20 кА, и установленные максимальные значения токов в А, при различных видах импульсов (от 125 до 40 000).

1. Разрядники

Конструктивно разрядники делятся на две группы: трубчатые и вентильные. Первая конструкция предполагает отделение в нормальном режиме работы защищаемой установки от ЛЭП воздушным промежутком, который пробивается при появлении избыточного перенапряжения и импульсный ток отводится в землю, вместе с которым по разряднику протекает сопровождающий ток 50 Гц.

Конструкция трубчатого разрядника РТФ и примеры установки его на опоры контактных сетей электрического подвижного состава (электропоездов), показаны на рисунках 1, а-в. При пробое промежутка (2) между электродами (1,3) в корпусе разрядника возникает дуга, под воздействием которой на стенки обоймы (трубки) (4) из газогенерирующего материала (винилпласта или фибры) поднимается давление и газы выходят через отверстие в кольцевом электроде (1). С противоположной стороны трубки у электрода (6) имеется буферный объём (5), обеспечивающий газовое дутье при подходе тока к нулю и гашение дуги.

Рисунок 1 – Конструкция и установка РТФ на опоры контактной сети: а – конструкция; б – примеры установки на опоре

При срабатывании трубчатого разрядника издаётся сильный звук, и выбрасываются газы. Разрядники трубчатые имеют вольт-секундную характеристику с высокой крутизной, что определяет их непригодность для использования в качестве подстанционных, для которых требуется обеспечить более равномерную характеристику. Поэтому РТ применяют для защиты линейной изоляции (на подвесных изоляторах).

Вентильные разрядники представляют собой колонки искровых промежутков (ИП) и нелинейных сопротивлений, в качестве которых широко используется велит, основным элементом которого является карборунд, обработанный дугой. Велитовое сопротивление состоит из совокупности дисков толщиной 20 мм и диаметром 75‒100 мм, производящихся путём запекания карборунда с жидким стеклом.

Важным свойством такого сопротивления является явно выраженный характер нелинейности сопротивления при приложении импульса перенапряжения и последующем восстановлении напряжения. Сопротивления велита тем выше, чем выше напряжение и, наоборот, при этом коэффициент нелинейности высокий. С повышением напряжения величина сопротивления запорных слоёв падает, что обеспечивает прохождение больших токов при относительно небольших падениях напряжения.

Конструкции РВП-6 и РВН-0,5 показаны на рисунках 2, а‒г.

Рисунок 2 – Конструкции разрядников РВП, РВН и искрового промежутка ИП: а – внешний вид РВП-6; б – конструкция РВП-6: 1 ‒ болт контакта, 2 ‒ резиновые прокладки, 3 ‒ пружина, 4 ‒ бакелитовый цилиндр с искровыми промежутками, 5 ‒ фетровые прокладки, 6 ‒ вилитовые диски, 7 ‒ фарфоровая покрышка, 8 ‒ диафрагма, 9 ‒ заземляющая шпилька, 10 ‒ металлическая вставка, 11 ‒ крепёжный хомут, 12 ‒ искровые промежутки, 13 ‒ колпак; в – конструкция ИП: 1 ‒ латунные крышки, 2 ‒ шунтирующий резистор (для выравнивания напряжения на искровых промежутках), 3 ‒ миканитовая изолирующая прокладка, 4 ‒ фарфоровый цилиндр, 5 ‒ фигурные латунные электроды; г – конструкция РВН-0,5: 1 ‒ фарфоровая покрышка, 2 ‒ пружина, 3 ‒ крепёжный хомут, 4 ‒ искровой промежуток, 5 ‒ вилитовый диск, 6 ‒ резиновое кольцо

Принцип действия вентильного разрядника основан на пробое ИП и дальнейшем протекании тока через цепь разрядника, подключённого параллельно защищаемому объекту. На рисунке 3 показаны вольтсекундные характеристики ИП (3), защищаемого объекта (2), возможного (1) и фактического ограниченного перенапряжения в сети (4), и ампер-секундная разрядника (5).

Рисунок 3 – Характеристики разрядника и сети при пробое ИП

Напряжение, при котором пробивается ИП называется пробивным напряжением разрядника Uпр. После пробоя искрового промежутка напряжение на разряднике и на защищаемой им изоляции снижается до величины, равной произведению импульсного тока Iи на сопротивление последовательного резистора Rн.

Это напряжение называется остающимся напряжением Uост. После прекращения протекания импульсного тока через разрядник продолжает проходить ток, обусловленный напряжением промышленной частоты, поскольку промежуток сильно ионизирован и пробивается номинальным фазным напряжением. Этот ток называется сопровождающим – Iсопр.

Для согласования характеристики разрядника и защищаемого объекта необходимо обеспечить расположение характеристики ИП (3) под характеристикой объекта (2), при этом электрическая прочность ИП должна обеспечивать устойчивость промежутка при докритических напряжениях. Величины Uост и Iи стремятся снизить, а сопровождающий должен быть отключён за минимально возможное время до срабатывания средств защиты.

Максимальная величина напряжения, при которой искровые промежутки надёжно разрывают сопровождающий ток, называется наибольшим допустимым напряжением или напряжением гашения Uгаш.

Деление дуги на короткие дуги в единичных искровых промежутках повышает дугогасящие свойства разрядника, что объясняется интенсивным охлаждением дуги и большим падением напряжения у каждого электрода (эффект катодного падения напряжения). В этой связи многократные искровые промежутки, которые собираются из единичных искровых промежутков с малыми воздушными зазорами. Единичные искровые промежутки включаются последовательно и на каждый из них при наибольшем допустимом напряжении приходится около 2 кВ.

Защитное действие искровых промежутков принято характеризовать коэффициентом гашения:

Uпр – пробивное напряжение искровых промежутков при промышленной частоте.

Защитное действие нелинейного резистора разрядника принято характеризовать защитным коэффициентом, равным отношению остающегося напряжения к напряжению гашения разрядника:

Чем меньше защитный коэффициент, тем лучше защитные свойства разрядника. Для повышения защитных свойств разрядника нужно снижать остающееся напряжение, чего можно достичь уменьшением коэффициента вентильности последовательного нелинейного резистора при одновременном повышении дугогасящих свойств искровых промежутков. Повышение дугогасящих свойств искровых промежутков даёт возможность увеличить сопровождающий ток, обрываемый ими, и, следовательно, позволяет уменьшить сопротивление последовательного резистора.

Конструкции станционных разрядников РВС-15 и РВС-110 показаны на рисунках 4, а, б.

Рисунок 4 – Конструкции разрядников РВС-15 и РВС-110: а – внешний вид и конструкция РВС-15: 1 ‒ пружина, 2 ‒ чугунный фланец, 3 ‒ шунтирующий резистор, 4 ‒ фарфоровый цилиндр, 5 ‒ искровые промежутки, 6 ‒ вилитовые диски, 7 ‒ фарфоровая покрышка; б ‒ составные части и конструкция секции РВС-110: 1 ‒ кольцевой экран (для выравнивания напряжённости поля по поверхности разрядника), 2 ‒ секции, 3 ‒ пружина, 4 ‒ фарфоровая покрышка, 5 ‒ фарфоровый цилиндр, 6 ‒ шунтирующие резисторы, 7 ‒ искровые промежутки, 8 ‒ изолирующие прокладки, 9 ‒ латунные пластины, 10 ‒ вилитовые диски

2. Ограничители перенапряжений

При том, что разрядники обладают нестабильностью напряжения пробоя, более совершенными средствами с улучшенными характеристиками для защиты электрооборудования от перенапряжений являются ОПН, не имеющие искровых промежутков и состоящие из, последовательно соединённых, оксидноцинковых (ZnO) варисторов с ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики (ВАХ).

На рисунке 5 сравнительно изображены формы вольт-амперных характеристик оксидно-цинковых варисторов и дисков вентильных разрядников на основе тирита, тервита и вилита.

Рисунок 5 – ВАХ элементов на разных основах

Отсутствие искровых промежутков даёт возможность присоединять ОПН непосредственно защищаемому оборудованию, что значительно повышает надёжность работы. Кроме того, высокая нелинейность варисторов ОПН позволяет снизить перенапряжения и уменьшить габариты оборудования. Например, масса ОПН на 110 кВ не более 45 кг, а вентильного разрядника типа РВМГ-110 кВ — 325 кг.

На рисунках 6, а‒г показаны конструкции ОПН на напряжения 3,3 с фарфоровой; 3-20; 35 и 110 кВ с полимерной покрышками.

Рисунок 6 – Конструкции ОПН: а – ОПН на 3,3кВ: 1,3 ‒ внешние контакты, 2 ‒ фарфоровая покрышка, 4 ‒ варисторы, 5 ‒ фланец, 6 ‒ основание; б – ОПН на 3-20 кВ; г – ОПН на 110кВ: 1,6 ‒ верхние и нижние фланцы, 2 ‒ кольцевой экран, 3 ‒ полимерные покрышки, 4 ‒ варисторы, 5 ‒ полимерные композиции, 7 ‒ болты заземления, 8 ‒ основания; в – ОПН на 35 кВ

ОПН на напряжения 220 кВ и выше изготавливаются многосекционными.

Примеры показаны на рисунках 7, а‒в.

Рисунок 7 – Внешний вид ОПН на 220, 330 и 750 кВ: а – ОПН на 220 кВ; б – ОПН на 330 кВ; в – ОПН на 750 кВ

Технические параметры ряда разрядников и ОПН приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры разрядников и ОПН

3. Выбор разрядников и ОПН

В литературе, освещающей широкий спектр вопросов электроснабжения, приводятся основные критерии выбора разрядников и ОПН:

• по допустимому рабочему напряжению: Uраб.апп. ≥ Uном.сети / √3;
• по пробивному напряжению и допустимому сети: Uпроб.апп. ≤ Uдоп.расч.сети ;
• по остающемуся напряжению: Uост.апп. ≤ Uдоп.расч.сети ;
• по номинальному разрядному, предельному импульсному, сопровождающему токам и току КЗ: Iразр.ном.апп. ≥ Iсопр.сети ; Iимп.пред.апп. ≥ Iмакс. КЗ сети .

При этом в источниках с узкой тематикой в области применения аппаратов защиты от перенапряжений отражены указания по уточнённому учёту наибольшего рабочего напряжение сети, зафиксированных превышений напряжения при эксплуатации сети, режимов работы нейтрали трансформаторов, величин высших гармоник в сети, необходимой энергоёмкости аппарата, расстояния до объекта контроля.