Что такое ОПН: особенности работы и назначение

В электрических сетях любого класса напряжения могут возникнуть перенапряжения – кратковременные повышения уровня. Даже неспециалисту понятно, что явление это вредное – изоляция потребителей может не выдержать. Чтобы купировать последствия, применяются различные технические решения.

Назначение и область применения

С начальных этапов развития энергетики в качестве средств борьбы с перенапряжениями применялись разрядники. Самый простой разрядник состоит из искрового промежутка, рассчитанного на определенное напряжение пробоя. В нормальном режиме наличие разрядника не влияет на работу сети, а при повышении напряжения искровой промежуток пробивается, и в нем возникает дуга. Ее сопротивление невелико, и разрядник поглощает энергию выброса, сглаживая всплеск.

Это техническое решение имеет недостатки, главными из которых являются:

1. Проблема с прекращением горения дуги при восстановлении нормального режима.
2. Низкая нелинейность характеристики.
3. Необходимость технического обслуживания.

По этим и другим причинам в качестве устройств ограничения выбросов напряжения все чаще в электрике используются ОПН – нелинейные ограничители напряжения.

Как работает ограничитель перенапряжения, какие функции выполняет

Ограничитель перенапряжения в сетях выше 1000 вольт выполняется в виде последовательной цепочки нелинейных элементов – варисторов. Вольт-амперная характеристика варистора такова, что до определенного уровня напряжения на его выводах сопротивление элемента остается постоянно высоким (в этом режиме он представляет собой практически изолятор). Как только напряжение достигает определенной верхней границы, сопротивление резко падает и варистор пропускает через себя импульс тока, созданный избыточным напряжением. Энергия всплеска рассеивается. Когда уровень на выводах элемента возвращается в нормальные пределы, варистор закрывается и его сопротивление восстанавливается до исходного высокого значения.

Количеством варисторов в цепочке набирается необходимый уровень срабатывания. Вся конструкция помещается в полимерный или фарфоровый герметичный корпус, снабженный «юбками» — чтобы исключить утечки по корпусу из-за попадания воды.

Расшифровка маркировки и обозначение на схемах

Маркируются ограничители перенапряжений литерно-цифровым индексом, принятым большинством отечественных производителей. Пример маркировки показан на расшифровке обозначения изделия ОПН-П/ЗЭУ-6/7,2/10/1(300) УХЛ1:

• первые три буквы обозначают собственно ОПН – ограничитель перенапряжений нелинейный;
• буква П означает, что корпус изготовлен из полимера (если покрытие выполнено из фарфора, то литера отсутствует);
• ЗЭУ – наименование предприятия-изготовителя;
• 6 – номинальное напряжение сети в киловольтах (6,3 кВ);
• 7,2 – предельный длительно допустимый рабочий уровень напряжения в киловольтах;
• 10 – номинальный ток разряда, в килоамперах;
• 1 – класс пропускной способности;
• (300) – конкретное (уточняющее) значение пропускного тока внутри класса (в килоамперах), может отсутствовать;
• УХЛ1 – климатическое исполнение и категория размещения.

Очевидно, что в маркировку входят, большей частью, электрические параметры. Установить, например, тип установки ОПН можно из паспорта на изделие.

Касательно условно-графического обозначения ОПН на схемах, следует заметить, что это оборудование появилось относительно недавно, поэтому в старых ГОСТ 60-х и 70-х годов УГО для данного прибора отсутствует. В настоящее время применение стандартных условных обозначений, согласно Федеральному закону «О стандартизации» от 29.06.2015 N 162-ФЗ, является добровольным.

По этой (скорее всего) причине новые значки в существующий ГОСТ не вносились. Для обозначения ограничителей перенапряжения чаще всего применяются значки, указанные на рисунке. Опытный глаз сразу найдет сходство с УГО для варисторов, что логично – принцип работы ОПН основан на принципе работы варистора.

На электрических схемах обычно не указывают полную маркировку применяемых ОПН, а указывают сокращенное обозначение. Например, в сетях 110 кВ рядом с УГО прибора наносят надпись ОПН-110, а полную маркировку указывают с спецификации.

Виды ОПН и их особенности

Классифицировать ограничители перенапряжений можно по различным признакам.

По классу напряжения

По этому признаку устройства делятся на две группы:

1. До 1000 вольт.
2. Свыше 1000 вольт.

Внутри второй категории существует дополнительная градация, которая соответствует стандартному ряду напряжений в сетях электроснабжения (6,3 -10,5-35-110-220 киловольт). Каждая модель ОПН используется в сетях своего класса.

По материалу корпуса

По этому признаку устройства делятся на ограничители:

• с фарфоровой изоляцией;
• с полимерной изоляцией.

Полимерный корпус считается более прогрессивным. Он менее хрупок, менее опасен при взрыве (не дает острых частиц, которые могут повредить другое оборудование или нанести травмы персоналу), более легок, но больше подвержен воздействиям окружающей среды (в том числе, колебаниям температуры и солнечному ультрафиолету).

По типу конструкции

По этой характеристике ОПН бывают:

• подвесного типа;
• опорного типа;
• опорно-подвесного типа.

Первый тип предназначен для монтажа на опорах воздушных линий. Опорные устройства монтируют на специальных стойках (кронштейнах). ОПН опорно-подвесной конструкции применяют в сетях от 3 до 15 кВ.

По количеству фаз

По количеству фаз ограничители перенапряжений делят на:

• однофазные;
• трехфазные.

ОПН трехфазного исполнения выпускаются для напряжений до 1000 вольт.

Характеристики и параметры

При выборе ОПН в первую очередь руководствуются такими характеристиками, как:

• предельное длительно допустимое рабочее напряжение ОПН – уровень, который может быть приложен к устройству бесконечно долго;
• номинальное напряжение ОПН – уровень, который ОПН может выдержать в течение 10 секунд;
• зависимость «напряжение-время» — график отношения напряжения, в течение которого устройство выдержит повышенное напряжение к времени приложения напряжения.

Другая группа характеристик определяет степень защиты оборудования в нештатных ситуациях:

• остающееся напряжение – предельный уровень напряжения на ОПН при протекании через него импульса тока стандартной формы;
• номинальный разрядный ток – предельное значение грозового импульса тока 8/20 микросекунд;
• импульс большого тока – верхнее предельное значение грозового импульса тока 4/10 микросекунд;
• ток пропускной способности – наивысшее значение прямоугольного импульса тока длительностью не менее 2000 микросекунд (характеристика способности поглощать энергию коммутационных перенапряжений);
• рассеиваемая (поглощаемая) энергия (в килоджоулях) – рассеиваемая ОПН энергия, полученная им при приложении одного импульса тока пропускной способности;
• удельная рассеиваемая (поглощаемая) энергия (энергоемкость), кДж/кВ – рассеиваемая ограничителем энергия одного импульса тока пропускной способности, отнесенная к верхнему предельному рабочему напряжению ОПН.

Методика выбора параметров зависит от класса напряжения ограничителя и защищаемого оборудования.

Установка и схема подключения

Ограничители перенапряжений подключаются:

• между каждой фазой и землей;
• между нулевым проводом и землей (обычно в сетях до 1000 В).

В сетях с изолированной (разземленной) нейтралью (6-10 кВ, иногда 35 кВ, редко и в особых режимах до 220 кВ) устройства ограничения могут быть подключены между нейтралью и землей для защиты нейтрали от всплесков напряжения.

Устанавливаются ОПН на расстоянии от защищаемого оборудования, регламентированном ПУЭ. Так, 4.2 Правил устройства электроустановок (7 издание) содержит требования по защите оборудования распределительных устройств, включая места установки устройств ограничения выбросов напряжения.

Монтируются ограничители перенапряжений строго в определенных проектом местах. Установка осуществляется на кронштейн или на штатный фланец в соответствии с инструкцией изготовителя. Там же можно найти требования по требованиям к вертикальности установки, к возможности обратного подключения (когда напряжение подводится снизу) и т.п. Перед монтажом ОПН должны подвергнуться электрическим испытаниям в соответствии с ПУЭ и другими руководящими документами.

При замене разрядников на линейные ограничители ОПН устанавливаются на штатное место разрядника.

Проблема защиты сетей от перенапряжений является важным направлением обеспечения штатной работы систем электроснабжения. Применение нелинейных ограничителей напряжения на сегодняшний день является оптимальным способом решения этой проблемы по соотношению эффективности к стоимости.