Подбор ОПН: как выбрать ограничитель по напряжению и энергоемкости

Подбор ОПН сводится к двум главным параметрам: наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению аппарата и его энергоемкости, то есть току пропускной способности. Остальные характеристики (остающиеся напряжения, номинальное напряжение, характеристика «напряжение-время») для конкретной конструкции почти однозначно следуют из этих двух величин и проверяются на втором шаге. Ниже разбираем порядок выбора ограничителя для сетей 6-750 кВ на основе рекомендаций специалистов АО «ЗЭУ».

Коротко

• Сначала определяют класс сети и режим нейтрали: от них зависит, каким берут наибольшее рабочее напряжение ОПН (Uнро).
• В сетях 6-35 кВ с изолированной нейтралью Uнро выбирают не ниже наибольшего рабочего напряжения сети: 7,2-7,6 кВ для 6 кВ, 12,0-12,6 кВ для 10 кВ, 40,5-42,5 кВ для 35 кВ.
• В сетях 110-220 кВ запас над фазным напряжением составляет от 5 до 20% в зависимости от того, есть ли трансформаторы с разземленной нейтралью.
• Энергоемкость задают током пропускной способности на прямоугольном импульсе 2000 мкс; для типовых случаев 6-35 кВ рекомендуют 400-600 А.
• Конденсаторные батареи, сети генераторного напряжения, ВЛ, экраны кабелей и сети с гармониками считаются особыми случаями и требуют расчета.

Какие параметры учитывают при подборе ОПН

В каталогах ограничителей десятки характеристик, но выбирают не все сразу. В рекомендациях завода перечень исходных данных для выбора выглядит так:

• Класс напряжения сети: действующее значение номинального линейного напряжения, для которого предназначен аппарат.
• Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН: напряжение промышленной частоты, которое можно прикладывать к аппарату неограниченно долго. Выше него ток через ОПН растет, и аппарат может перегреться.
• Энергоемкость (ток пропускной способности): способность рассеять энергию коммутационных перенапряжений без повреждения.
• Материал корпуса: полимер или фарфор.
• Ток взрывобезопасности: ток короткого замыкания, при котором внутреннее повреждение не приводит к взрывному разрушению с разлетом осколков за пределы нормируемой зоны.
• Категория размещения: наружная или внутренняя установка, требуемая длина пути утечки внешней изоляции, климатические условия.

Почему главное: напряжение и энергоемкость

Ограничитель представляет собой колонку из последовательно соединенных варисторов. Наибольшее рабочее напряжение пропорционально высоте колонки, то есть числу варисторов, а ток пропускной способности пропорционален квадрату их диаметра. Когда высота и диаметр колонки известны, остающиеся напряжения, номинальное напряжение и характеристика «напряжение-время» для данной конструкции определяются автоматически. Поэтому подбор ОПН и начинается с Uнро и энергоемкости, а затем проверяют, устраивают ли получившиеся остальные характеристики.

Как выбрать наибольшее рабочее напряжение ОПН

Выбор Uнро всегда компромисс. Чем оно ниже, тем глубже ограничение перенапряжений и тем лучше защищено оборудование. Чем оно выше, тем надежнее работает сам ОПН при повышениях напряжения в сети, от которых он не защищает. Общее правило: характеристика «напряжение-время» ограничителя ни в одной точке не должна оказаться ниже аналогичной характеристики сети в месте установки.

Сети 6-35 кВ

В сетях с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, при однофазном замыкании на землю напряжение на неповрежденных фазах вырастает до линейного и может держаться часами. Если вращающихся машин в сети нет, Uнро выбирают из условия надежной работы при дуговых перенапряжениях: в 1,0-1,05 раза выше наибольшего рабочего напряжения сети. Для ограничителей, специально защищающих двигатели, расчетным режимом считают однофазное замыкание на землю с учетом допустимого времени работы двигателя в этом режиме.

Сети 110-750 кВ

В сетях с глухозаземленной нейтралью Uнро принимают на 5% выше фазного значения наибольшего рабочего напряжения сети. Если в распределительном устройстве часть трансформаторов 110-220 кВ работает с разземленной нейтралью, запас увеличивают до 10-20%, а если разземлены все, до 20%. Когда в эксплуатации фиксировали напряжение выше нормированного, отсчет ведут от максимального зафиксированного значения.

Отдельный риск представляют высшие гармоники в напряжении сети: они увеличивают ток через ОПН и могут перегреть варисторы. Поведение ограничителей при таком напряжении изучено плохо, поэтому сети с повышенным содержанием гармоник относят к особым случаям.

Как выбрать энергоемкость и ток пропускной способности

Энергоемкость характеризует, сколько энергии коммутационных перенапряжений аппарат рассеет без повреждения. Ее выражают удельной энергией в кДж/кВ, отнесенной к Uнро, и током пропускной способности на прямоугольном импульсе длительностью 2000 мкс. Ориентиры для типовых случаев по рекомендациям завода:

При сравнении каталогов важно смотреть, как указана энергия. Одни производители относят ее к номинальному напряжению, а не к Uнро, другие приводят энергию сразу двух импульсов, и тогда цифра вдвое больше. В каталоге ЗЭУ удельная энергия дается по двум импульсам: например, для ОПН 110 кВ второго класса разряда линии с током 550, 650 и 680 А это не менее 6,4, 7,8 и 8,0 кДж/кВ.

Распространенный миф: в разветвленных сетях 6-35 кВ с большим емкостным током нужно ставить ОПН повышенной энергоемкости или несколько комплектов параллельно. Специалисты завода считают такие рекомендации в общем случае необоснованными: ОПН не предназначен для ограничения длительных квазистационарных перенапряжений, и рост диаметра варисторов не решает эту задачу.

Что проверить после выбора Uнро и энергоемкости

1. Остающееся напряжение при коммутационном импульсе 30/60 мкс должно быть не выше 0,9 от испытательного коммутационного напряжения защищаемого оборудования.
2. Грозовые перенапряжения на оборудовании должны быть не выше 0,9 от испытательного грозового импульса. Они растут с расстоянием от ОПН до оборудования, поэтому при нехватке запаса сокращают это расстояние или переходят к каскадной схеме с дополнительными ОПН на входе РУ.
3. Номинальное напряжение ОПН должно быть не меньше 1,25 Uнро.
4. Ток взрывобезопасности сопоставляют с током короткого замыкания в месте установки. В каталоге ЗЭУ у полимерных аппаратов это 40 или 65 кА, у фарфоровых обычно 20 кА.
5. Длина пути утечки: для полимерных ОПН категории УХЛ1 по требованию заказчика 2,25, 2,5 или 3,1 см/кВ в зависимости от степени загрязнения.

В каких случаях подбор ОПН требует расчета

Для большинства подстанций и распределительных сетей типовые характеристики подходят, и сложные вычисления не нужны. Расчет перенапряжений рекомендуют выполнять в особых случаях. Для сетей 6-35 кВ это защита конденсаторных батарей, изоляции ВЛ от грозы, сетей генераторного напряжения, изоляции «экран-земля» однофазных кабелей, сетей с гармониками и с резистивно-заземленной нейтралью. Для 110-750 кВ к особым относят длинные ВЛ 500-750 кВ, блочные схемы без выключателей на стороне ВН, устройства продольной компенсации, питание тяговых подстанций 27,5 кВ, КРУЭ и разземляемую нейтраль трансформаторов 110-220 кВ.

Частые вопросы

Можно ли выбрать ОПН только по классу напряжения сети?

Нет. Класс сети определяет лишь диапазон. Внутри него Uнро зависит от режима нейтрали, наличия двигателей и зафиксированных повышений напряжения, а энергоемкость от места установки.

Что делать, если нужного Uнро нет в каталоге?

Завод может изготовить ограничитель с иным длительно допустимым рабочим напряжением. Остающиеся напряжения при этом изменятся пропорционально изменению Uнро.

Можно ли монтировать ОПН не вертикально?

Аппараты 0,4-10 кВ допускают отклонение от вертикали до 90 градусов без согласования. Для остальных классов предусмотрена вертикальная установка, отступление возможно только после консультации с заводом.

Чем класс разряда линии связан с током пропускной способности?

В каталоге ЗЭУ ограничители 110-220 кВ второго класса имеют ток пропускной способности 550, 650 или 680 А, третьего и четвертого классов 850, 1000 или 1200 А.

Кто поможет с расчетом в особом случае?

Специалисты завода выполняют расчеты перенапряжений и обосновывают характеристики ОПН по исходным данным заказчика.

Подбор ОПН с помощью завода

Если параметры сети известны, быстрее всего заполнить опросный лист на ОПН для сетей 3-35 и 110-750 кВ: по нему инженеры АО «ЗЭУ» подберут аппарат и при необходимости выполнят расчет. Типовые исполнения удобно сравнить в каталоге ограничителей перенапряжений ОПН для сетей 3-750 кВ, например среди ОПН 10 кВ УХЛ1 и УХЛ2. Как читать обозначения выбранных аппаратов, рассказано в статье о маркировке ОПН, ОПНп и МОПН.