Загрузите наш каталог продукции 2025 года, чтобы ознакомиться с подробными чертежами и техническими параметрами всех компонентов распределительного устройства.
Получить каталог Загрузите наш каталог продукции 2025 года, чтобы ознакомиться с подробными чертежами и техническими параметрами всех компонентов распределительного устройства.
Получить каталог
Ограничитель перенапряжения - это защитное устройство, которое ограничивает переходные перенапряжения, отводя ток перенапряжения на землю и удерживая напряжение на уровне, безопасном для подключенного оборудования. В отличие от предохранителей или автоматических выключателей, которые прерывают протекание тока, разрядники реагируют в течение наносекунд и автоматически сбрасываются, обеспечивая непрерывную защиту без отключения цепи.
В распределительных сетях среднего напряжения 10-36 кВ металлооксидные ограничители перенапряжений (MOSA) служат основной защитой от ударов молнии и коммутационных переходных процессов, которые в противном случае могут повредить трансформаторы, вакуумные выключатели, и кабельные заделки. Правильный выбор зависит от трех взаимозависимых параметров: Максимальное непрерывное рабочее напряжение (MCOV), остаточное напряжение и энергетический рейтинг. Каждый из них относится к определенному режиму отказа, и пренебрежение любым из них ставит под угрозу всю схему защиты.
Современные ограничители перенапряжений используют технологию варисторов на основе оксида цинка (ZnO) для достижения характеристик сопротивления, зависящих от напряжения. Микроструктура керамики содержит зерна ZnO (обычно диаметром 10-20 мкм), окруженные тонкими межзерновыми слоями оксида висмута и других добавок. Эти границы зерен работают как соединенные встык диоды Шоттки, создавая нелинейное поведение, необходимое для защиты от перенапряжений.
При нормальном рабочем напряжении варистор демонстрирует чрезвычайно высокое сопротивление, превышающее 10⁹ Ω, потребляя ток утечки лишь на уровне микроампер (обычно 0,5-2 мА для устройств распределительного класса). Когда переходное перенапряжение превышает порог проводимости, на границах зерен происходит квантовое туннелирование и лавинный пробой. Сопротивление падает в 10⁶ раз за наносекунды.
Зависимость между напряжением и током соответствует уравнению силового закона: I = k × Vα, где коэффициент нелинейности α составляет от 25 до 50 для современных материалов MOV. Такая экстремальная нелинейность означает, что увеличение напряжения на 20% может увеличить ток в 10 раз.5 или больше.
Во время грозового перенапряжения 10 кА правильно подобранный разрядник ограничивает рост напряжения примерно в 2,5-3,5 раза от MCOV, проводя при этом полный ток перенапряжения. Время срабатывания составляет менее 25 наносекунд - достаточно быстро для защиты оборудования от крутых фронтальных импульсов молнии.
Механизм поглощения энергии преобразует энергию электрического перенапряжения в тепло внутри матрицы ZnO. Тепловой подъем при типичном коммутационном перенапряжении достигает 40-80°C выше температуры окружающей среды. Если энергия превышает номинал разрядника, происходит тепловой выбег: повышение температуры снижает сопротивление, увеличивая протекание тока и выделение тепла до катастрофического разрушения.
MCOV определяет наибольшее среднеквадратичное напряжение, которое разрядник может выдерживать неограниченное время без деградации. Этот параметр является первым критерием при выборе ОПН - ошибитесь, и ОПН выйдет из строя не через десятилетия, а через месяцы.
Взаимосвязь между MCOV и напряжением системы в значительной степени зависит от конфигурации заземления:
Надежные системы: При однофазных замыканиях на землю напряжение на здоровых фазах повышается примерно в 1,0-1,05 раза. Требование MCOV:
MCOV ≥ (Um / √3) × 1,05
Незаземленные или резонансно заземленные системы: Здоровые фазы могут достигать полного напряжения между линиями во время замыканий на землю, что может сохраняться в течение нескольких часов. Требование MCOV:
MCOV ≥ Um × 1,05
Где Um равно максимальному напряжению системы (а не номинальному напряжению - распространенная ошибка в спецификации).
| Система Um (кВ) | МКОВ со сплошным заземлением (кВ) | Незаземленная МКОВ (кВ) |
|---|---|---|
| 12 | 7.6 | 12.7 |
| 24 | 15.3 | 25.5 |
| 36 | 22.9 | 38.0 |
| 40.5 | 25.5 | 42.5 |
Возможность временного перенапряжения (TOV) напрямую связана с выбором MCOV. Отклонение нагрузки, повышение напряжения Ферранти на ненагруженных кабелях или включение трансформатора могут поднять напряжение выше нормального уровня на время от нескольких секунд до нескольких минут. Стандарт IEC 60099-4 устанавливает требования к стойкости к TOV: разрядники должны выдерживать 1,4 × MCOV в течение 10 секунд без повреждений.
[Экспертный взгляд: маржа MCOV на практике]
- Отказы на местах часто связаны с MCOV, выбранным на основе номинального напряжения (например, 10 кВ), а не максимального напряжения системы (например, 12 кВ).
- Незаземленные промышленные системы часто испытывают длительные перенапряжения во время поиска замыканий на землю - укажите значительный запас MCOV.
- Системы с резонансным заземлением (катушка Петерсена) требуют такого же MCOV, как и системы без заземления.
- Если нет уверенности в конфигурации заземления, по умолчанию используйте значения MCOV без заземления
Остаточное напряжение - напряжение на клеммах разрядника во время разряда - определяет фактическую защиту оборудования. Две стандартные формы волны характеризуют работу разрядника:
Импульс молнии (8/20 мкс): Имитирует прямой или близкий удар молнии. Уровень защиты от импульсов молнии (LIPL) измеряется при номинальном токе разряда 5 кА, 10 кА или 20 кА в зависимости от класса разрядника.
Импульс переключения (30/60 мкс): Представляет собой коммутационные операции, такие как включение блока конденсаторов или повторное замыкание линии. Уровень импульсной защиты при переключении (SIPL) применяется в основном к разрядникам класса передачи.
Уровень защиты должен оставаться ниже базового уровня изоляции (BIL) защищаемого оборудования. Расчет предела защиты:
Маржа защиты (%) = [(BIL - уровень защиты) / уровень защиты] × 100
Согласно IEC 60099-5 (рекомендации по выбору и применению), минимальные поля в 20% для импульса молнии и 15% для импульса переключения обеспечивают надежную защиту с учетом старения разрядника и влияния расстояния.
| Оборудование BIL (пиковое напряжение кВ) | Максимально допустимый LIPL (пиковое кВ) | Результирующая маржа |
|---|---|---|
| 75 | ≤60 | 25% |
| 95 | ≤76 | 25% |
| 125 | ≤100 | 25% |
| 170 | ≤136 | 25% |
Более низкое остаточное напряжение обеспечивает лучшую защиту, но обычно требует больших физических размеров и более высокой стоимости. Для распределительных устройств, защищающих оборудование 95 кВ BIL, выбор ОПН с LIPL 70 кВ (запас 36%), а не 76 кВ (запас 25%) может не оправдать увеличение стоимости.
Энергетический рейтинг определяет, сколько джоулей может поглотить разрядник без теплового разрушения. Этот параметр имеет решающее значение для применений, выходящих за рамки базовой молниезащиты: переключение конденсаторных батарей, подача напряжения на кабель и системы с высокой плотностью молниевых вспышек - все это предъявляет значительные требования к энергии.
IEC 60099-4 классифицирует энергетические возможности по нескольким параметрам:
Класс разряда линии (класс 1-5): Определяет способность выдерживать разряды на ЛЭП. Класс 2 подходит для большинства распределительных устройств; класс 3-4 применяется для защиты подстанций и коммутации конденсаторов.
Номинальная тепловая энергия (кДж/кВ ур): Общая энергия, которую разрядник может поглотить за определенный промежуток времени, не выходя за пределы термической стабильности.
Мощность переноса заряда (Кулоны): Новый подход к классификации, учитывающий как импульсное, так и длительное воздействие тока.
| Применение | Рекомендуемый класс | Типичная энергия (кДж/кВ ур.) |
|---|---|---|
| Распределительный фидер среднего напряжения | Класс 2 | 2.5-4.0 |
| Защита трансформаторов подстанций | Класс 3 | 4.5-6.0 |
| Конденсаторная батарея / шунтирующий реактор | 3-4 класс | 6.0-8.0 |
| Заделка длинного кабеля | Класс 3 | 5.0-7.0 |
Поглощение энергии зависит от размера зерна ZnO и концентрации легирующих элементов. Качественные материалы MOV выдерживают удельную энергию 150-200 Дж/см³. Физический размер напрямую коррелирует с энергетической способностью разрядников класса станций с диаметром диска 100 мм, которые поглощают гораздо больше энергии, чем устройства распределительного класса с дисками 40-60 мм.
Испытание на термическую стабильность по IEC 60099-4 Проверяет, что после введения номинальной энергии разрядник возвращается к стабильному уровню тока утечки без тепловой разрядки. Это испытание имитирует наихудшие условия эксплуатации, когда происходит несколько скачков напряжения до полного остывания разрядника.
[Экспертное мнение: Полевые аспекты энергетического рейтинга]
- Трансформаторы с кабельным подключением могут генерировать энергию переключения 6-8 кДж/кВ при подаче напряжения - стандартные распределительные разрядники могут оказаться недостаточными
- Регионы с высокой плотностью вспышек молнии (>8 вспышек/км²/год) требуют повышенных энергетических показателей для многоударных событий
- Установки конденсаторных батарей подвергаются повторяющимся энергетическим нагрузкам; кумулятивное тепловое старение ускоряет выход из строя
- Если вы сомневаетесь, выберите класс выше, чем предполагают расчеты, - премия будет минимальной по сравнению с затратами на замену.
Рассмотрим незаземленную промышленную систему 12 кВ, защищающую масляный погружной трансформатор 170 кВ BIL.
Шаг 1: Определите максимальное напряжение системы
Um = 12 кВ (не 10 кВ номинально)
Шаг 2: Определите конфигурацию заземления
Незаземленная система → здоровые фазы достигают полного напряжения сети при замыкании на землю
Шаг 3: Рассчитайте минимальную MCOV
MCOV ≥ Um × 1,05 = 12 × 1,05 = 12,6 кВ
Выберите разрядник с MCOV ≥ 12,7 кВ (стандартный номинал)
Шаг 4: Проверка остаточного напряжения
Выбранный разрядник: LIPL при 10 кА = 42 кВ пик
Шаг 5: Проверка степени защиты
Маржа = [(170 - 42) / 42] × 100 = 305%
Значительно превышает минимальный показатель 20% ✓.
Шаг 6: Оцените потребность в энергии
Стандартный распределительный фидер, без конденсаторных батарей, умеренный район поражения молнией
Достаточно класса 2 (≥3,0 кДж/кВ ур.)
Окончательная спецификация:
Установка разрядника на опоры должны поддерживаться зазоры, соответствующие BIL системы. Длина провода между клеммами разрядника и защищаемым оборудованием влияет на фактический уровень защиты - по возможности не превышайте 1 м.
Лабораторные характеристики предполагают стандартные условия: высота над уровнем моря менее 1000 м, температура окружающей среды 20°C, чистая поверхность корпуса. Реальные установки редко соответствуют этим предположениям.
Снижение высоты над уровнем моря: На высоте более 1000 м уменьшение плотности воздуха снижает внешнее напряжение вспышки примерно на 1% на 100 м. На высоте 2000 м следует выбрать следующий класс напряжения или использовать полимерные корпуса с увеличенным расстоянием ползучести.
Степень загрязнения: IEC 60815 определяет классы загрязнения от “очень легкого” до “очень тяжелого”. Отложения загрязнений на корпусах разрядников снижают запас прочности. Полимерные корпуса превосходят фарфоровые при сильном загрязнении - их гидрофобная поверхность отбрасывает загрязнения и сохраняет более высокий запас прочности на случай вспышки. Для сильно загрязненной окружающей среды указывайте расстояние ползучести ≥25 мм/кВ.
Температурные перепады: Стандартные разрядники работают при температуре окружающей среды от -40°C до +40°C. Более высокие температуры ускоряют старение MOV; более низкие температуры влияют на гибкость полимерного корпуса. При установке в экстремальных климатических условиях проверьте спецификации производителя.
Выбор материала корпуса:
Интеграция разъединителя: Разрядники часто включают в себя встроенные разъединители, которые изолируют вышедшие из строя устройства и обеспечивают визуальную индикацию. Применяются в тех случаях, когда интервалы между проверками превышают один год. Разъединитель срабатывает, когда длительный ток повреждения расплавляет плавкий элемент после отказа разрядника.
Ограничители перенапряжений функционируют в рамках более широкой схемы координации изоляции. Правильная защита требует согласования уровней защиты ОПН с прочностью изоляции трансформаторов, выключателей и компоненты распределительного устройства по всей системе.
Компания XBRELE производит вакуумные выключатели, вакуумные контакторы и компоненты распределительных устройств среднего напряжения, предназначенные для систем до 40,5 кВ. Наша команда инженеров поддерживает анализ координации изоляции, помогая подобрать номиналы VCB и спецификации компонентов в соответствии с вашими требованиями к защите от перенапряжений.
Неважно, заказываете ли вы новые подстанции или модернизируете существующие схемы защиты, связаться с XBRELE для получения технической консультации. Мы предоставляем подробные координационные спецификации и можем рекомендовать соответствующие номиналы BIL для оборудования, работающего вместе с выбранными вами ограничителями перенапряжений.
Что приводит к выходу из строя ОПН даже при правильных номиналах?
Большинство отказов в полевых условиях связано с проблемами монтажа, а не с ошибками в номиналах. Чрезмерная длина проводов увеличивает падение напряжения при скачках напряжения - каждый метр проводника вносит примерно 1 кВ при крутых фронтах импульсов. Сопротивление заземления, превышающее 5 Ом, увеличивает эффективное напряжение зажима, снижая защитные пределы ниже безопасного порога.
Как конфигурация заземления влияет на выбор MCOV?
Для незаземленных и резонансно-заземленных систем требуется MCOV, равное или превышающее полное напряжение от линии к нейтрали, поскольку здоровые фазы поддерживают повышенное напряжение в течение всего времени замыкания на землю. Системам с твердым заземлением требуется только напряжение от линии до нейтрали плюс запас, поскольку устранение повреждения происходит в течение нескольких циклов.
Могут ли разрядники распределительного класса защитить оборудование подстанции?
Разрядники распределительного класса (обычно класс 2 по энергопотреблению) не обладают достаточным поглощением энергии для применения на входе подстанции, где коммутационные перенапряжения и многоударные молнии вызывают повышенные тепловые нагрузки. Разрядники станционного класса (класс 3 или выше) обычно требуются для защиты трансформаторов и шин.
Почему разрядники в полимерном корпусе доминируют в новых установках?
Полимерные корпуса обладают тремя преимуществами: меньший вес, снижающий механическую нагрузку на монтажные конструкции, превосходная работа в загрязненной среде благодаря гидрофобным свойствам поверхности, а также отсутствие фрагментации при разрушении, исключающее опасность фарфоровых осколков при катастрофическом разрушении.
Как часто следует проверять или заменять ограничители перенапряжения?
Визуальный осмотр ежегодно позволяет выявить очевидные повреждения - трещины в корпусе, срабатывание разъединителя или следы ожогов. Измерение тока утечки каждые 3-5 лет обеспечивает количественную оценку состояния. Срок службы хорошо подобранных разрядников в умеренных условиях обычно составляет 20-25 лет; в условиях сильной освещенности или загрязненной окружающей среды этот срок может сократиться до 12-15 лет.
Какова связь между остаточным напряжением и током разряда?
Остаточное напряжение увеличивается с ростом разрядного тока из-за характеристик сопротивления МУВ. Перенапряжение 10 кА создает большее напряжение зажима, чем перенапряжение 5 кА через тот же разрядник. Производители указывают остаточное напряжение при нескольких уровнях тока (обычно 5 кА, 10 кА, 20 кА), чтобы обеспечить точные координационные расчеты.
Имеет ли значение расположение ОПН на подстанции?
Фронты волн напряжения движутся со скоростью примерно 300 м/мкс, что приводит к ухудшению защиты в зависимости от расстояния. Оборудование, расположенное на расстоянии более 8-10 метров от разрядника, испытывает повышенное напряжение из-за отражения бегущей волны. Каждый критически важный актив - трансформаторы, автоматические выключатели, кабельные заделки - выигрывает от специальной защиты от перенапряжений, если физическое разделение превышает эти пределы.
