Металлооксидные ограничители перенапряжения СН (IEC 60099-4) — рабочее напряжение, остаточное напряжение и запас защиты

Гид об УЗИП описывает устройства защиты от импульсных перенапряжений внутри низковольтной установки здания. Эта статья описывает аналог для среднего напряжения: металлооксидный ограничитель перенапряжения (МОПН), стандартизированный в IEC 60099-4 ("Surge arresters — Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems"), применяемый для защиты трансформаторов, распределительных устройств и кабельных муфт от грозовых и коммутационных перенапряжений в сетях СН.

Безыскровой металлооксид, а не старый искровой разрядник

Старые ограничители сочетали резисторный блок из карбида кремния (SiC) с последовательным искровым промежутком: промежуток должен был сначала пробиться, прежде чем резистор мог проводить ток, что создавало задержку реакции и стареющие контакты искрового промежутка как дополнительный механизм отказа. Современный МОПН не имеет последовательного промежутка — варисторные блоки из оксида цинка (ZnO) напрямую проводят сильно нелинейный ток, как только напряжение на них возрастает, и возвращаются к почти изоляционному состоянию, как только перенапряжение исчезает. Такое безыскровое, полностью твердотельное поведение обеспечивает практически мгновенное время реакции и устраняет механизмы старения, связанные с искровым промежутком.

Длительное рабочее напряжение (Uc) против номинального напряжения (Ur)

Два параметра напряжения определяют ограничитель, и их смешение приводит к неправильному выбору:

• Длительное рабочее напряжение (Uc) — действующее напряжение, которое ограничитель может выдерживать неограниченно долго при нормальных условиях сети. Оно должно выбираться на уровне или выше максимального длительного напряжения фаза-земля, которое ограничитель реально увидит, включая нормальные колебания напряжения сети.
• Номинальное напряжение (Ur) — действующее напряжение промышленной частоты, которое ограничитель рассчитан выдерживать в течение определённого короткого времени (обычно 10 секунд) во время испытания на временное перенапряжение (TOV). Ur всегда выше Uc и является значением, используемым для классификации и заказа, но это не напряжение, которое ограничитель должен нести постоянно.

Остаточное напряжение — реальный уровень защиты

Параметр, определяющий, насколько хорошо ограничитель защищает последующее оборудование, — это остаточное напряжение (Ures): напряжение, возникающее на выводах ограничителя при разряде заданного импульсного тока (обычно форма волны 8/20 мкс при номинальном токе разряда In, например 10 кА для типичного распределительного ограничителя СН). Более низкое остаточное напряжение при заданном токе разряда означает меньшую нагрузку напряжением на защищаемое оборудование — но более низкое остаточное напряжение обычно также означает меньший запас для других конструктивных ограничений, поэтому выбор ограничителя всегда является согласованным решением, а не просто "выбрать наименьшее доступное Ures."

Класс разряда линии — способность поглощать энергию

IEC 60099-4 классифицирует ограничители по классам разряда линии от 1 до 5, которые описывают способность ограничителя поглощать энергию коммутационного разряда без повреждений — более высокий класс указывает на более высокую способность поглощения энергии, актуально в основном для ограничителей, применяемых на более длинных линиях передачи или в местах со значительной энергией коммутационных перенапряжений, а не для типичного короткого распределительного фидера СН.

Сброс давления — переживание отказавшего ограничителя

Если МОПН внутренне отказывает (например, из-за длительного проникновения влаги, повреждающего блоки ZnO), он может стать почти коротким замыканием для тока промышленной частоты до тех пор, пока вышестоящая защита не устранит повреждение. IEC 60099-4 определяет класс сброса давления (номинальный ток короткого замыкания, который корпус должен выдержать без бурного, разрушительного разрушения), чтобы отказавший ограничитель безопасно стравливал давление, а не взрывался — важное свойство безопасности, учитывая, что ограничители СН часто монтируются близко к доступным для персонала распределительным устройствам.

Размещение: важна длина проводников

Защита настолько хороша, насколько хорошо соединение между ограничителем и оборудованием, которое он защищает. Крутой фронт грозового импульса, проходящий через соединительные проводники, вызывает дополнительное индуктивное падение напряжения (пропорциональное скорости нарастания тока и индуктивности проводников) сверх собственного остаточного напряжения ограничителя — поэтому длинный или петлевой соединительный проводник фактически повышает напряжение, которое реально испытывает защищаемое оборудование, даже при ограничителе с низким Ures. Поэтому ограничители следует монтировать как можно ближе к защищаемому оборудованию, с максимально короткими и прямыми проводниками.

Периодический мониторинг: ток утечки

МОПН деградирует постепенно, а не отказывает мгновенно: проникновение влаги или повторные разрядные нагрузки увеличивают небольшой резистивный ток утечки, который постоянно протекает при нормальном рабочем напряжении, задолго до того, как ограничитель приблизится к опасному отказу. Счётчик разрядов с измерителем тока утечки, установленный в заземляющем проводе ограничителя, отслеживает эту тенденцию во времени — растущий резистивный ток утечки, регулярно отслеживаемый, является ранним предупреждением о старении ограничителя, которое чисто визуальный осмотр обнаружить не может.

Частые ошибки

1. Выбор Uc на основе номинального напряжения сети без запаса — длительное рабочее напряжение должно покрывать реальное максимальное напряжение фаза-земля, которое увидит ограничитель, включая нормальные колебания напряжения сети, а не только номинальное значение.
2. Выбор ограничителя с наименьшим доступным остаточным напряжением без проверки координации изоляции — уровень защиты является лишь одним из нескольких параметров; он должен быть согласован со стойкостью защищаемого оборудования к импульсным напряжениям и остальной частью установки.
3. Монтаж ограничителя с длинными или петлевыми соединительными проводниками — индуктивное падение напряжения в самих проводниках напрямую добавляется к остаточному напряжению, сводя на нет иначе правильно выбранный ограничитель.
4. Рассматривать мониторинг тока утечки как необязательный — МОПН, стареющий внутренне, не показывает внешних признаков до отказа; периодическое отслеживание тока утечки — единственный практический способ рано выявить деградацию.

Связанные материалы

• Защита от перенапряжений (УЗИП)
• Категории перенапряжения CAT I–IV (IEC 60664)
• Энергетическая координация УЗИП тип 1/2 (IEC 61643)
• §442 — Временное перенапряжение при замыкании на землю со стороны высокого напряжения