Как работает ОПН и для чего он нужен: варисторы и отличие от разрядника

Как работает ОПН: за счет варисторов с резко нелинейной вольт-амперной характеристикой: при рабочем напряжении через колонку оксидно-цинковых дисков течет ток порядка нескольких миллиампер, в основном емкостный, а при перенапряжении их сопротивление резко падает, и энергия импульса рассеивается в виде тепла. Нужен ограничитель перенапряжений для того, чтобы ограничить грозовые и коммутационные перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции трансформаторов, двигателей, кабелей и другого оборудования. Разберем, как работает ОПН, что такое варистор и почему ОПН вытеснили вентильные разрядники.

Коротко

• ОПН постоянно подключен к сети между фазой и землей, искровых промежутков у него нет.
• Главный элемент ОПН: колонка варисторов, керамических дисков на основе оксида цинка.
• При рабочем напряжении ОПН почти не проводит ток, при перенапряжении пропускает сотни ампер при коммутациях и тысячи ампер при грозе.
• ОПН защищает от грозовых и коммутационных перенапряжений, но не предназначен для длительных квазистационарных повышений напряжения.
• Вентильные разрядники сняты с производства и большей частью отработали нормативный срок 20 лет, поэтому их меняют на ОПН.

Для чего нужен ОПН в электрической сети

Оборудование сети постоянно находится под рабочим напряжением и периодически испытывает перенапряжения, то есть кратковременные повышения напряжения сверх нормального. Их источники:

• грозовые: удары молнии в линию или рядом с ней, волны, набегающие с ВЛ на подстанцию;
• коммутационные: включение и отключение линий, трансформаторов, двигателей, конденсаторных батарей, работа вакуумных выключателей, дуговые замыкания на землю;
• квазистационарные: длительные повышения напряжения промышленной частоты, например при однофазном замыкании на землю или феррорезонансе.

Первые два вида ОПН ограничивает. Квазистационарные перенапряжения он «терпит» в пределах своей характеристики «напряжение-время», но не ограничивает: для этого понадобились бы неоправданно мощные аппараты. Поэтому ограничители ставят там, где оборудование уязвимо: на выводах силовых трансформаторов без коммутационных аппаратов между ними, у двигателей 6-10 кВ, в ячейках вакуумных выключателей со стороны коммутируемого присоединения, на шинах у трансформаторов напряжения, на подходах ВЛ и у кабельных муфт, в местах с ослабленной изоляцией.

Что такое варистор и почему это главный элемент ОПН

Варистор: полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Название происходит от английского variable resistor, «изменяющееся сопротивление». В ОПН применяют оксидно-цинковые варисторы: оксида цинка в смеси больше 90% по массе, остальное добавки оксидов висмута, сурьмы, кобальта, марганца, хрома и других элементов.

Как делают варисторы

Варистор получают прессованием и высокотемпературным спеканием смеси оксидов. На заводе АО «ЗЭУ» цикл включает приготовление шихты, формование на прессах, обжиг в туннельных печах, нанесение защитного слоя на боковую поверхность, металлизацию торцов и 100-процентный контроль характеристик. Свойства готового диска зависят от состава и тонкости помола массы, режимов прессования и обжига, поэтому стабильность технологии напрямую определяет надежность ограничителя.

Как варисторы собирают в ОПН

Рабочее напряжение одного варистора не превышает нескольких киловольт, поэтому для сетей 6-750 кВ диски собирают последовательно в колонку. Ее высота задает наибольшее рабочее напряжение аппарата, а диаметр дисков задает ток пропускной способности: он растет пропорционально квадрату диаметра. Если нужного диаметра недостаточно, делают несколько параллельных колонок.

Как работает ОПН: три режима вольт-амперной характеристики

Принцип работы ОПН удобно объяснить через три участка его вольт-амперной характеристики.

После окончания импульса сопротивление варисторов снова становится высоким, и аппарат возвращается в исходное состояние без каких-либо переключений. Энергию, полученную при ограничении перенапряжения, ОПН должен отдать в окружающую среду в виде тепла, поэтому конструкция корпуса и запас по энергоемкости влияют на надежность.

ОПН или разрядник: почему разрядники заменяют на ограничители

Вентильный разрядник состоит из искровых промежутков и последовательных нелинейных резисторов на основе карбида кремния. Нелинейность этого материала невелика, поэтому без искровых промежутков он пропускал бы под рабочим напряжением слишком большой ток. После срабатывания через разрядник течет сопровождающий ток промышленной частоты, который гасится при переходе через ноль. Оксид цинка гораздо более нелинеен, и ОПН обходится без искровых промежутков.

Исследования разрядников 110-330 кВ, на которые ссылаются специалисты завода, показали: пробивное напряжение у состаренных аппаратов падало на 15-20% ниже допустимого, из-за чего разрядник мог сработать от коммутационного перенапряжения и разрушиться при прохождении сопровождающего тока. Поэтому замена разрядников на ОПН сегодня вопрос не модернизации, а безопасности. Но менять «один в один» без проверки нельзя: характеристики ОПН нужно согласовать с условиями в точке установки.

Частые вопросы

Что значит варистор простыми словами?

Это керамический диск, который при нормальном напряжении почти не проводит ток, а при опасном повышении напряжения резко снижает сопротивление и отводит импульс в землю.

Сколько служит ОПН?

Расчетный срок эксплуатации ОПН в каталоге ЗЭУ 30 лет, мультиградиентных МОПН 40 лет.

Нужен ли счетчик срабатываний для ОПН?

Для разрядника число срабатываний было главным показателем износа. Для ОПН, по мнению специалистов завода, регистрация числа срабатываний практического смысла не имеет; о состоянии судят по току проводимости.

Что учитывать при замене разрядников у старого трансформатора?

Изоляция трансформатора, отработавшего десятки лет, ослаблена, поэтому важен минимальный уровень остающихся напряжений при нормированных импульсах тока и достаточная пропускная способность на импульсе 2000 мкс.

Как выбрать и купить ОПН

Ограничители завода собраны на варисторах российского производства собственного изготовления. Каталог ОПН для сетей 3-750 кВ поможет найти аппарат нужного класса, а исторический контекст замены разрядников подробно изложен в публикации о защите подстанций разрядниками и ограничителями перенапряжений. Порядок выбора параметров описан в статье о выборе характеристик ОПН.