Нелинейные ограничители перенапряжений.

Основным элементом конструкции нелинейного ограничителя перенапряжений (ОПН) является резистор из металлооксидной керамики на основе окиси цинка (ZnO). Такие резисторы обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Характерной их особенностью является экстремально нелинейная вольт-амперная характеристика (рис. 7.28), независящая от полярности напряжения. В области малых значений тока, соответствующих воздействующим напряжениям ниже уровня длительного допустимого рабочего напряжения, значение сопротивления резистора превышает 10⁹ Ом. В области значений тока, превышающих предельные нормируемые для данного резистора значения импульсных токов, сопротивление резистора составляет десятые доли Ома. В связи с этим при рабочем напряжении или резонансных перенапряжениях через ОПН проходит ток порядка долей миллиампера. Это позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети.

Металлооксидная керамика резистора получается в результате высокотемпературного обжига (до 1300 °С) порошка с размером зерен порядка 10^-³мм, состоящего из окиси цинка и некоторого количества оксидов других металлов: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т.п. Масса оксида цинка составляет более 90 % массы керамики. Следует отметить, что нелинейность и стабильность характеристик металлооксидного резистора зависит от наличия и состава оксидов других металлов в керамике, режима обжига материала, температуры варистора и окружающей среды, длительности и формы протекающего через варистор тока. Отсюда следует, что на характеристики ОПН влияют технология изготовления и конструктивные особенности аппарата, условия его выбора и особенности его эксплуатации.

Рис. 7.29. Металлооксидные резисторы

Резисторы ОПН выпускаются в виде дисков диаметром от нескольких миллиметров до ста миллиметров и толщиной от единиц до нескольких десятков миллиметров (рис. 7.29). Диски большего диаметра используют для ОПН на большие разрядные токи, а большая высота (толщина) дисков, как правило, определяет большие значения остающегося напряжения на диске. Торцы дисков металлизированы и обеспечивают контакт между собой.

Рис. 7.30. Металлооксидный ОПН с фарфоровым корпусом

Диски нелинейных резисторов располагаются внутри изоляционного корпуса ОПН (рис. 7.30). Для корпуса применяют различные материалы: электротехнический фарфор, керамика, стеклопластик для остова корпуса и внешней оболочкой с ребрами из силиконовой резины и т.п.

Общая вольт-амперная характеристика группы резисторов, элемента ОПН и ОПН в целом, определяется совокупностью вольт-амперных характеристик отдельных резисторов в зависимости от условий соединения. Ограничители высокого напряжения, как правило, состоят из большого количества отдельных резисторов, соединенных параллельно и последовательно, обеспечивая необходимую пропускную способность (по току) и защитный уровень (по напряжению). Оптимальным условием конструктивного исполнения ОПН является равномерное распределение по напряжению и по току для всех резисторов и элементов (из групп соответствующим образом соединенных резисторов) ОПН.

Преимуществами ОПН являются возможность глубокого ограничения грозовых и внутренних перенапряжений, в том числе междуфазных, малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность. ОПН применяются в настоящее время в диапазоне напряжений от 0,2 до 750 кВ.

Уровень ограничения коммутационных перенапряжений с помощью ОПН составляет (1,65–1,8)U_ф. Уровень ограничения грозовых перенапряжений составляет (2,2–2,4)U_ф в сетях 110 кВ и снижается до 2U_ф для линий электропередачи 750 кВ.

Рис. 7.31. Схема включения ОПН для ограничения перенапряжений междуфаз-ных и относительно земли

Применительно к ОПН отсутствует понятие напряжения гашения. Однако длительное воздействие резонансных перенапряжений, связанных с прохождением через ОПН больших токов, может нарушить тепловую устойчивость аппарата и привести к аварии. В связи с этим для ОПН установлены допустимые длительности приложения повышенных напряжений, которые должны быть скоординированы с действием релейных защит.

Применение ОПН позволяет глубоко ограничивать также и междуфазные перенапряжения. Для этого может быть использована схема с искровыми промежутками (рис. 7.31). В нормальном режиме каждый резистор НР1 – НР2 включен на фазное напряжение. При коммутационных перенапряжениях, которые всегда несимметричны, пробиваются искровые промежутки ИП. Вследствие этого резисторы НР2соединяются параллельно, а резисторы НР1включаются попарно на междуфазные напряжения. С восстановлением нормального режима ток в искровых промежутках снижается до миллиампер и дуга в них гаснет.

Перечисленные явные технические и эксплуатационные преимущества ОПН приводят к тому, что в последнее время они постепенно заменяют РТ и РВ во всех областях их применения.

Вопросы для самопроверки:

1. Для чего в электроэнергетических системах применяют защитные аппараты?

2. Какие характеристики защитного промежутка и защищаемой изоляции должны быть согласованы?

3. Что называется сопровождающим током искрового промежутка?

4. Как называются защитные аппараты, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока?

5. Как осуществляется гашение дуги в трубчатых разрядниках?

6. Что составляет основу нелинейного резистора вентильного разрядника?

7. Что такое «остающееся напряжение» РВ?

8. На каких физических принципах основана работа длинно-искровых разрядников?

9. Что составляет основу нелинейного резистора ОПН?

10. В чем заключается главная особенность нелинейного резистора ОПН?

11. Какие преимущества имеют ОПН перед РТ и РВ?

12. Для каких целей применяют ОПН?