10. Способы защиты от перенапряжений

10.1. Система защиты от перенапряжений

Мероприятия по защите от перенапряжений можно подразделить на две группы:

1. Ограничение перенапряжений;

2. Исключение возможности перенапряжений:

2.1. схемные мероприятия (в том числе резистивное сопротивление в нейтрали);

2.2. оперативные мероприятия (последовательность коммутаций).

При определенной последовательности коммутаций возможно исключить коммутационные перенапряжения при плановых коммутациях и АПВ.

Основные средства ограничения перенапряжений:

А) Защитные аппараты (ПЗ, РТ, РВ, ОПН). Принцип действия – отвести в землю энергию перенапряжений.

Б) Применение резисторов. Принцип действия – гашение свободных колебаний в электромагнитном контуре.

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

В) Выключатели 2-х ступенчатого действия. Принцип действия – уменьшение остаточного заряда на обесточенных проводах отключенных фаз.

Г) Управление моментом коммутации выключателя (при этом свободные колебания могут быть исключены), отслеживание угла сдвига между током и напряжением и осуществление коммутации в момент времени, при котором амплитуда перенапряжений минимальна.

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

10.2. Ограничители перенапряжений

Рис.10.1 Вольтамперная характеристика ОПН

1. 2. 3. 4.

Рис. 10.2. Схемы замещения ОПН при разных значениях I для различных участков вольтамперной характеристики

Для разных участков вольтамперной характеристики ОПН схема замещения различна: для участка 1 (рис. 10.2) – схема 1, для участка 2 – схема 2, для участка 3 – схема 3, для 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_n обусловлено 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. 10.3. Примерная структура Рис. 10.4. Зависимость I = f (U) для

материала варистора ОПН материала варистора

Оксид цинка составляет 90% всей керамики варистора, между зернами ZnO находятся окислы редкоземельных металлов: висмута, сурьмы, кобальта, марганца (рис.10.3). Температура обжига варисторов - t⁰_обж  1300⁰С.

Нелинейность и стабильность характеристики I = f (U) (рис.10.4) 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 каковы равновесие и термическая устойчивость.

a)

Рис. 10.5. Временные характеристики

нелинейных резисторов: а) i = f (t),

b) u = f (t).

б)

Таблица 10.1

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 10.2.

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