9.Способы защиты от перенапряжений

9.1. Система защиты от перенапряжений:

1. Ограничение перенапряжений;

2. Исключение возможности перенапряжений:

2.1. Схемные мероприятия (в том числе сопротивление в нейтрали);

2.2. Оперативные мероприятия.

Возможно исключить коммутационные мероприятия при плановых коммутациях и АПВ.

Рассмотрим основные средства ограничения перенапряжений:

А) Защитные аппараты (ПЗ, РТ, РВ, ОПН)

Принцип действия – отвести в землю энергию перенапряжений.

Б) Применение резисторов.

Благодаря способам А мы можем ограничить грозовые, аварийные коммутационные перенапряжения (в том числе дуговые), а способы Б ограничивают резонансные перенапряжения.

В) Выключатели 2-х ступенчатого действия.

Существует способ защиты от перенапряжения управление моментом коммутации выключателя (при этом свободные колебания могут быть исключены), отслеживание угла сдвига между I и U, скорости дионизации среды. Для этого должна быть очень точная механика, как самого выключателя, так и его привода.

Мероприятия 2 ограничены регламентом, схема должна оставаться функциональной. Применение резисторов тоже не всегда возможно. Для глубокого ограничения перенапряжений (грозовых и коммутационных) используют коммутационные аппараты (ОПН).

9.2. Ограничители перенапряжений

Рис.9.1 Вольтамперная характеристика ОПН

1. 2. 3. 4.

Рис. 9.2. Схемы замещения ОПН при разных значениях I для различных участков вольтамперной характеристики

Для разных участков характеристики схема замещения ОПН разная: для участка 1 на рис. 9.2 – 1, участка 2 – схема 2, участка 3 – схема 3, участка 4 – схема 4.

Ток, протекающий в ОПН имеет емкостно-омический характер, R обусловлено неизменной во всей области воздействующих напряжений проводимостью, определяемой температурой отрезка,R_nобусловлено проводимостью и определяющее ВАХ всего резистора в области рабочих напряжений и перенапряжений,R_в определяется объемным сопротивлением гранул оксида цинка и представляет собой проводимость нелинейного резистора при больших значениях тока,L следует учитывать в режимах быстрорастущих больших импульсных токов.

Рис. 9.3. Примерная структура Рис. 9.4. Зависимость I = f (U) для

материала варистора ОПН материала варистора ОПН

Оксид цинка составляет 90% всей керамики варистора, между зернами ZnO находятся окислы редкоземельных металлов: висмута, сурьмы, кобальта, марганца. Температура обжига варисторов - t⁰_обж  1300⁰С.

Нелинейность и стабильность характеристики зависит от наличия и состава других материалов, кроме окиси цинка, керамики, режима обжига материалов, от температуры варистора и окружающей среды и формы, протекающего через резистор тока. В момент протекания большого тока контакт между зернами становится почти равным 0.

В ОПН существует система аварийного выхлопа, необходимая, когда объем, выделяющихся газов очень большой.

Для нелинейного резистора

первоначальное значение имеет

температурный режим,

определяющий каково равновесие

и термическая устойчивость.

a)

Рис. 9.5. Временные характеристики

нелинейных резисторов: а) i = f (t),

b) u = f (t).

Таблица 9.1

Средние значения параметров С и  оксидно-цинковых варисторов

i, A	10-4	10-3	10-2	10-1	1		10		100		500		1500
U/U100	0,7	0,74	0,78	0,82	0,86		0,91		1		1,1		1,3
			0,2			0,03		0,04		0,06		0,1
C/U100			0,86					0,9		0,93		0,96

U_{100 -} остающееся напряжение на варисторе при токе 100А.

Протекание через варисторов токов, превышающих 500 А, нежелательно, поскольку в том случае резко возрастает коэффициент нелинейности.

Вольт-амперная характеристика варисторов позволяет комплектовать ОПН с улучшенными защитными характеристиками без искровых промежутков. Однако отсутствие искровых промежутков обусловливает протекание через ОПН токов 50 Гц при рабочем напряжении сети. Чрезмерная величина этих токов может привести к перегреву варисторов и выходу ОПН из строя.

Ток, протекающий через ОПН в нормальном режиме содержит емкостную и активную составляющие. При напряжениях, не превышающих 0,7 U₁₀₀ , преобладает емкостная составляющая тока, не вызывающая нагрева варисторов. Этому соответствует градиент напряжения 1,0 кВ/см. При больших градиентах напряжения резко возрастает нелинейная проводимость и активная составляющая тока, что приводит к существенному нагреву варисторов. Критическое значение градиента рабочего напряжения 1,0 кВ/см соответствует максимально допустимому току через варистор 1 мА, являющемуся в основном током проводимости, что подтверждается осциллограммами тока через варистор при разных напряжениях 50 Гц.

Пропускная способность ОПН и характер их повреждения зависят от амплитуды и длительности тока через них. При протекании через ОПН импульсов тока большой длительности, характерных для коммутационных воздействий, наблюдается их существенный нагрев. Амплитуда импульса, приводящего к повреждению варисторов диаметром 28 мм составляет 80-120 А, причем в результате таких воздействий происходит проплавление в варисторах сквозных отверстий, а в ряде случаев варисторы разрушаются. При коротких импульсах тока 8/20 мкс, характерных для грозовых перенапряжений, варисторы не разрушаются даже при воздействии импульсов с амплитудой до 1000-1500 А. Дальнейшее увеличение тока при таких коротких импульсах приводит к перекрытию варисторов по боковой поверхности, однако ток перекрытия может быть значительно увеличен, если покрыть боковую поверхность варисторов специальным изоляционным лаком или залить варисторы полимерным компаундом.

Таблица 9.2.

Пропускная способность оксидно-цинковых варисторов при воздействии

импульсов грозовых перенапряжений

Образцы оксидно-цинковых варисторов (ВР)	Пропускная способность ВР на импульсах тока 8/20 мкс (20 импульсов), кА
ВР диаметром 28 мм	1,2 - 1,5
ВР диаметром 28 мм (боковая поверхность покрыта глифталевым лаком)	2,2 - 2,5
ВР диаметром 28 мм (залитые полимерным компаундом)	5
ВР диаметром 60 мм	10
ВР диаметром 60 мм (залитые полимерным компаундом)	25

В последние годы разработаны ВР увеличенного диаметра (45, 60 и 85 мм) и, соответственно большей пропускной способности.