Разрядник 10

    При подсоединении разнообразной аппаратуры и оборудования к энергетическим системам одним из главных требований безопасности становится его защита от возможных скачков напряжения. В настоящее время часто используется аппаратура, крайне зависимая от любых «капризов» напряжения, поэтому требования, предъявляемые к разрядникам, тоже постоянно растут. Они призваны обеспечивать достойную безопасность, нивелируя последствия ударов молнии и т.д. Разнообразные приборы, от личных компьютеров до сложно устроенных систем распределения и передачи энергии могут пострадать от влияния резких скачков напряжения в электрической сети. Описанию данной проблемы можно посвятить десятки статей, поскольку требуется изучить множество аспектов, а значит, в данном тексте мы рассмотрим только самые весомые критерии для приобретения и использования. То есть настоящая статья посвящена электросетям и системам с напряжением от тысячи вольт и превышающим таковое и написана она для того, чтобы дать некоторые советы, облегчив тем самым возможный выбор и использование громоотводов и разрядников.

    Классификация разрядников

    Следуя общепринятой терминологии, разрядник предназначается для ограничения возникающего перенапряжения в электрических сетях. Принято выделять три основных типа данных аппаратов:

    • трубчатые;
    • вентильные;
    • ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН).

    В настоящий момент можно выделить определенные классы разрядников:

    • станционный;
    • промежуточный;
    • распределительный (речь идет о высокой, средней и малой нагрузке);
    • вспомогательный.

    На сегодняшний день разрядники трубчатого типа больше не используются. Тоже самое следует сказать и о вентильных разрядниках нелинейного резисторного типа – они применялись еще в 70-е года прошлого века. К настоящему моменту их производство и использование завершено. Традиционный же тип с использованием карбидкремниевых блоков или дисков востребован и сегодня. В настоящий момент широкое распространение нашли разрядники без искровых промежутков. Вспомогательный же класс данных устройств мы не станем рассматривать, чтобы не перегружать информацией статью.

    Из вышеуказанных приборов станционные разрядники обладают лучшими качествами, если оценивать в совокупности их цену, качество и уровень защиты. Данные аппараты могут похвастать куда лучшим уровнем защиты и энергией разряда в сравнении даже с более высокими (то есть плохими) уровнями защиты, характерными для других классов. И, как уже нами отмечено, распределительный класс характеризуется несколькими уровнями нагрузки.

    У разрядников высокой производительности защитные характеристики ниже, а потому они гораздо долговечнее. Корпус такого устройства может быть выполнен из полимеров или фарфора.

    Остановимся на ОНП (металлокосидных разрядниках) без искровых промежутков – такие являются наиболее устойчиво работающими и производительными. При выборе стоит учесть, что ограничители перенапряжения как без искровых преимуществ, так и с их наличием используются с теми же целями, а потому, их выбор и сфера применения схожи. Но обязательное для вентильных разрядников использование повышенного напряжения и вероятность слияния искрового промежутка говорит о том, что уровень защиты в данном случае окажется немного ниже. В ситуации, когда вентильный разрядник выйдет из строя, можно рассмотреть вариант его замены металлооксидным ОПН без искровых промежутков – это никак не скажется на функционировании системы.

    О стандартах разрядников 10

    Разработка и тестирование разрядников 10 происходит в строгом соответствии с ГОСТ 16357-83 (вентильные разрядники переменного тока) и ГОСТ Р 52725-2007 (ограничители перенапряжений нелинейные – ОПН) для установок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ (ANSI/IEEE: ANSI/IEEE C62.1 для разрядников вентильных переменного тока с искровыми промежутками и ANSI/IEEE C62/11 – ограничители перенапряжения нелинейные, подходящие для электроустановки переменного тока). Регламентация выдвигаемых требований к разрядникам 10, а также к правилам, по которым они устанавливаются и подключаются отражена в статье 280 NFPA70/National Electrical Code. Также возможные устройства данного типа отмечены Лабораторией по технике безопасности Соединенных Штатов Америки в разделе «ограничители перенапряжения» (OWHX), и другими авторитетными организациями в определенных разделах указанных выше стандартов ANSI/IEEE.

    Возможный выбор

    Выбирая ограничитель перенапряжения, следует остановиться на приборе с наиболее низким уровнем перенапряжения, которое бы максимально гарантировало достойную защиту изоляции аппаратуры и, являясь элементом энергетической системы, имело бы неплохой номинальный срок работы. Нужно выбирать ограничители с пониженным порогом срабатывания, так как именно они гарантируют прекрасный уровень защиты изоляции аппаратуры. Очевидно, существует прямая зависимость между уровнем защиты и периодом эксплуатации. Повышенный порог срабатывания удлинит период функционирования ограничителя перенапряжения на определенной энергетической установке, но немного понизит уровень защиты изоляции аппаратуры. А значит, выбирая разрядник 10, следует обратить пристальное внимание на обе стороны вопроса, то есть и на период функционирования устройства, и на гарантию безопасности оборудования на должном уровне.

    Разумнее всего будет установить разрядник 10 в дополнительном распределительном щитке, в максимально возможной близости от защищаемого оборудования. Длину провода при осуществлении заземления соединения ОПН с терминалами оборудования требуется по возможности минимизировать. Провода при этом следует прокладывать, по возможности, избегая изгибов. Данные меры являются гарантией того, что неожиданный всплеск энергии пройдет в землю по наиболее краткому пути. Большая длина проводов может понизить защитные возможности ограничителя в связи с возникновением дополнительного сопротивления в проводах.

    Для того чтобы выбрать наиболее подходящий ограничитель перенапряжения, учитывая возможные сферы применения, следует принять во внимание следующие факторы:

    • постоянное напряжение в электросети;
    • возможные кратковременные перенапряжения;
    • коммутационные перенапряжения;
    • результаты «атак» молний;
    • особенности системы.

    В Таблице 1 представлены уровни срабатывания разрядников, обычно применяемые для систем с различным линейным напряжением. Мощность разрядника определяется среднеквадратичным напряжением, с которым он прошел испытание рабочего цикла, в соответствии с указаниями соответствующего стандарта.

    Таблица 1 Типичные уровни срабатывания разрядников для различных напряжений сети

    Уровень срабатывания разрядника (кВ)

    Уровень срабатывания разрядника (кВ)

    Номинальное напряжение сети (кВ)

    Сеть с заземленной нейтралью

    Сеть с изолированной или компенсированной нейтралью

    Номинальное напряжение сети (кВ)

    Сеть с заземленной нейтралью

    Сеть с изолированной или компенсированной нейтралью

    2.4

    2.7

    3.0

    69

    54

     

     

     

     

     

    60

     

    4.16

    3.0

     

     

     

    66

     

    4.5

    4.5

     

     

    72

     

     

    5.1

    115

    90

     

    4.8

    4.5

     

     

    96

     

     

    5 1

    6.0

     

    108

    120

     

     

     

    138

    108

     

    6.9

    6.0

     

     

    120

     

     

     

    75

     

     

    132

     

     

    8.5

     

     

    144

    12.47

    9.0

     

    161

    120

     

     

    10

     

     

    132

     

     

     

    12

     

    144

    144

     

     

    15

     

     

    168

    13.2, 13.8

    10

     

    230

    172

     

     

    12

     

     

    180

     

     

    -

    15

     

    192

     

     

     

    18

     

     

    228

    23, 24.94

    18

     

     

     

    240

     

    21

     

    345

    258

     

     

    24

    24

     

    264

     

     

     

    27

     

    276

     

    34.5

    27

     

     

    288

    288

     

    30

     

     

    294

    294

     

    -

    36

     

    300

    300

     

     

    39

     

    312

    312

    46

    39

     

    400

    300

     

     

    -

    48

     

    312

     

     

     

     

     

    336

     

     

     

     

     

    360

     

     

    Постоянное напряжение электросети

    Подключенные к электросистеме разрядники подвержены воздействию рабочего напряжения. Исходя из их характеристик существуют различные предельные границы постоянного напряжения. Такая характеристика носит название «максимально длительное рабочее напряжение» (MCOV) ограничителя перенапряжения. Следует останавливать свой выбор на устройствах с такими параметрами, чтобы предельно продолжительное напряжение в системе, куда планируется установка ограничителя, было равным или даже ниже, чем MCOV разрядника. Учитывается и конфигурация электросети, и вариант подключения разрядника. Во многих случаях разрядники имеют соединение типа «фаза-земля». А если у ограничителя перенапряжения наличествует линейное подключение, то следует обратить особое внимание на напряжение между фазами. Вдобавок к сказанному, для выяснения приемлемых параметров разрядника нужно брать в расчет и особенности заземления системы – является ли оно глухим или эффективным (резистивное, временное или вовсе отсутствие заземления). Данное обстоятельство является основным как при выборе, так и при использовании разрядника. Если особенности заземления системы не выяснены, можно представить себе вариант, что оно отсутствует вовсе, чтобы избежать неприятных неожиданностей. И в данном варианте лучше сделать выбор в пользу ограничителя перенапряжения с повышенным постоянным напряжением электросети. Также стоит уделить особое внимание некоторым областям использования разрядников, таким как третичная обмотка трансформатора, у которого один из углов имеет постоянное заземление. В такой ситуации нормальное напряжение, воздействующее на ограничитель, будет линейным, даже в случае, когда разрядник имеет подключение «фаза-земля».

    Примеры некоторых из оценок максимальных длительных рабочих напряжений для полимерных разрядников TRANQUELL® Дженерал Электрик отмечены в Таблице 2 ниже.

    Полимерные разрядники TRANQUELL®

     

    8/20 мкс Максимальное напряжение разряда - кВ пик

    Номинальное напряжение kVirms

    МКОВ kVirms

    0.5 мкс 10 кА макс IR-kV пик

    Переключение максимума перенапряжения IR-kV пик

    1.5 kA

    3 kA

    5 kA

    10 kA

    20 kA

    40 kA

    3

    2.55

    8.4

    6.0

    6.4

    6.7

    7.1

    7.6

    8.4

    9.6

    6

    5.10

    16.7

    11.9

    12.8

    13.5

    14.1

    15.2

    16.8

    19.1

    9

    7.65

    25.0

    17.8

    19.2

    20.2

    21.1

    22.7

    25.1

    28.3

    10

    8.40

    27.8

    19.8

    21.4

    22.5

    23.5

    25.3

    28.0

    31.8

    12

    10.2

    33.3

    23.7

    25.6

    26.9

    28.1

    30.3

    33.5

    38.1

    15

    12.7

    41.7

    29.7

    32.0

    33.7

    35.2

    37.9

    42.0

    47.6

    18

    15.3

    50.1

    35.6

    38.4

    40.4

    42.3

    45.5

    50.0

    57.2

    21

    17.0

    56.3

    40.1

    43.2

    45.5

    47.6

    51.2

    56.7

    64.4

    24

    19.5

    63.9

    45.5

    49.1

    51.6

    54.0

    58.1

    64.3

    73.0

    27

    22.0

    72.9

    51.9

    56.0

    58.9

    61.6

    66.3

    73.4

    83.3

    30

    24.4

    80.4

    57.2

    61.7

    64.9

    67.9

    73.1

    80.9

    91.9

    36

    29.0

    95.9

    68.3

    73.6

    77.4

    81.0

    87.2

    96.5

    109.6

    39

    31.5

    104.2

    74.2

    80.0

    84.1

    88.0

    94.7

    104.8

    119.0

    45

    36.5

    120.9

    86.1

    92.8

    97.6

    102.1

    109.9

    121.7

    138.1

    48

    39.0

    128.7

    91.6

    98.8

    103.9

    108.7

    117.0

    129.5

    147.1

    54

    42.0

    144.4

    102.8

    110.9

    116.6

    122.0

    131.3

    145.3

    165.0

    60

    48.0

    163.5

    116.4

    125.5

    132.0

    138.0

    148.6

    164.5

    186.8

    66

    53.0

    179.9

    128.0

    138.1

    145.2

    151.8

    163.5

    181.0

    205.5

    72

    57.0

    191.8

    136.6

    147.3

    154.9

    162.0

    174.4

    193.1

    219.2

    90

    70.0

    241.8

    172.1

    185.6

    195.2

    204.2

    219.8

    243.3

    276.3

    96

    76.0

    257.4

    183.2

    197.6

    207.8

    217.4

    234.0

    259.0

    294.1

    108

    84.0

    288.9

    205.6

    221.8

    233.2

    244.0

    262.6

    290.7

    330.1

    120

    98.0

    326.9

    241.3

    251.0

    263.9

    276.1

    297.2

    329.0

    373.6

    132

    106.0

    362.7

    267.7

    278.5

    292.8

    306.3

    329.7

    365.0

    414.4

    144

    115.0

    386.1

    285.0

    296.5

    311.7

    326.1

    351.0

    388.6

    441.2

     

    Временное перенапряжение

    Недлительные ситуации перенапряжения могут быть обусловлены множеством проблем, возникающих в системе, к примеру, таких как коммутационное перенапряжение, короткое замыкание в одной фазе, сброс нагрузки и феррорезонанс. Выясняя вероятные причины и варианты временных перенапряжений, следует взвесить главные показатели системы и привычные условия использования. В случае, когда данные проверки временных процессов в системе и другие данные не найдены, возможна оценка перенапряжения в случае короткого замыкания на землю. Стандарт ANSI 62.22 предоставляет советы по выяснению уровня перенапряжения, которое связано с коротким однофазным замыканием на землю. Исходя из него и производится использование разрядников. Основным результатом действия временного перенапряжения на металлооксидные ОПН становится усиление тока с рассеиванием мощности и рост температуры ограничителя перенапряжения.

    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

     

    Коммутационные перенапряжения

    Способность разрядников 10 выдерживать перенапряжения соответствует или превышает прогнозируемые системные временные перенапряжения. Склонность их к распределению энергии коммутационных перенапряжений устанавливается в числовом эквиваленте в килоджоулях или киловаттах. При выяснении таких способностей внимание акцентируется на множественных разрядах, распространяющихся за минуту.

    В варианте, если разряды распространяются в течение периода, превышающего оговоренный, разрядники GE TRANQELL имеют прекрасные возможности. Как мы уже и говорили ранее, при верном использовании разрядники могут дублировать эти способности, а потому после перерыва длиной около минуты, разряды возможно повторить.

    Данная пауза необходима для восстановления равной температуры дисков. Такие данные предполагают появление коммутационных перенапряжений в системе с волновым сопротивлением в сотни Ом, стандартным для воздушных линий электропередач.

    В электрических сетях, имеющих низкое волновое сопротивление, где в наличии присутствуют такие элементы как кабели и шунтирующие конденсаторы, возможно уменьшение энергетической емкости металлооксидных ограничителей перенапряжения, так как такие токи бывает, что превышают некоторые установленные значения.

    Данные об особенности строения системы, варианте соединения (звезда или треугольник), а также присутствии или неналичии заземления являются главными при определении уровня срабатывания ограничителя перенапряжения. Обозначенная мощность для систем с различным напряжением зависит от конкретной схемы заземления. И если они имеют глухую «землю», то возможно использование разрядника с пониженным уровнем срабатывания. В случае, когда система не заземлена, используется либо временное заземление, либо проведенное через активное сопротивление. Следует предпочесть более высокий уровень срабатывания, который может компенсировать долговременное влияние потенциально повышенного постоянного напряжения или MCOV. Помимо систем с глухозаземленной нейтралью, все считаются эффективно заземленными и в этом случае нужно определяться с более высоким уровнем срабатывания. Наличие информации о характеристиках системы и определение подходящего уровня срабатывания имеет важное значение для исключения ошибок, способных привести к быстрому сокращению времени работы или и вовсе к отказу разрядника 10. Когда характеристики системы не выяснены, можно предположить, что система не является заземленной.

    Таблица 4 - Энергия импульса

    Номинальное напряжение разрядника (kVms)

    Тип корпуса

    Тип ОПН

    Пропускная способность, А

    Удельная энергия, кДж/кВ

    3 - 36 кВ

    Полимер

    «normal duty»

    300

    1.4

    3 - 36 кВ

    Полимер

    «heavy duty»

    450

    2.2

    3 - 36 кВ

    Полимер

    Riser Pole

    650

    3.4

    3 - 144 кВ

    Полимер

    Intermediate

    650

    3.4

    3 - 144 кВ

    Полимер

    Электростанция

    1000

    4.9

    3 - 48 кВ

    Фарфор

    Электростанция

    1000

    4.9

    54 - 360 кВ

    Фарфор

    Электростанция

    1500

    S.9

    396 - 612 кВ

    Фарфор

    Электростанция

    2400

    17.0

     

    Отказ ограничителя перенапряжения и понижение давления

    Когда превышен потенциал разрядника, металлооксидный диск может треснуть или даже проколоться. Данное повреждение может стать причиной снижения внутреннего сопротивления ограничителя перенапряжения и понизит его устойчивость к потенциальным затруднениям в системе, но не поставит под угрозу защиту изоляции, обеспечивающейся разрядником.

    Конечно, присутствует вероятность полного отказа ограничителя, и давление в корпусе будет только расти. На месте заземления возникает электрическая дуга, которая поддержит защиту оборудования на должном уровне.

    Когда ограничитель перенапряжения успешно провентилируется, он утратит возможность сброса давления или ограничения тока короткого замыкания и подлежит обязательной замене.

    Для этих целей необходимо выбрать разрядник, который выдерживает большее давление и больший ток замыкания, чем максимальный ток короткого замыкания в месте монтажа устройства. Кроме того, нужно учитывать потенциальное развитие системы.

    В таблице 5 ниже приводится перечень сброса давления / ток взрывобезопасности для различных разрядников Дженерал Электрик TRANQUELL ®.

    Таблица 5. Сброс давления / Ток повреждения

    Нормальное напряжение разрядника (kVniB)

    Тип корпуса

    Тип разрядника

    Ток взрывобезопасности, А

    3 - 36 кВ

    Полимер

    «normal duty»

    10 000

    3 - 36 кВ

    Полимер

    «heavy duty»

    20 000

    3 - 36 кВ

    Полимер

    Riser Pole

    20 000

    3.0 - 144 кВ

    Полимер

    Intermediate

    20.000

    3.0 - 144 кВ

    Полимер

    Электростанция

    80.000

    3.0-27 кВ

    Фарфор

    Электростанция - фарфоровый верх

    10 000

    3.0 - 48 кВ

    Фарфор

    Электростанция - металлический верх

    65 000

    54 - 360 кВ

    Фарфор

    Электростанция

    93 000

    396 - 612 кВ

    Фарфор

    Электростанция

    65 000

     

    Комментарии по выбору и использованию разрядников

    В процессе определения с типом разрядника нужно учитывать напряжение, возникающее в системе, а также запланированные условия использования системы, куда ожидается установка ограничителя перенапряжения. Будет ли она глухозаземленной или присутствует эффективное заземление? Когда идет речь о заземлении в системе, тем самым охватывается постоянное напряжение в сути, временное и коммутационное перенапряжение. Если данным условиям, которые индивидуальны для каждой системы, соответствуют устройства нескольких типов, можно выбрать разрядник 10 с наилучшими параметрами.