Высоковольтный оксидно-цинковый ограничитель перенапряжений

Когда говорят про высоковольтный оксидно-цинковый ограничитель перенапряжений, многие сразу представляют себе тот самый синий или серый цилиндр на опоре. Но если вникнуть, это далеко не просто ?бочка?. Основная путаница, с которой я сталкивался, — это восприятие его как разового ?предохранителя? от грозы. На деле же, его работа куда тоньше, особенно когда речь заходит о координации изоляции и отклике на коммутационные перенапряжения, а не только на прямые удары молнии. Часто вижу, как на проектах ставят ОПН, ориентируясь лишь на класс напряжения, а потом удивляются, почему соседнее оборудование всё равно выходит из строя. Тут вся соль — в вольт-секундной характеристике и остающемся напряжении, но об этом позже.

Из чего на самом деле состоит работа ОПН

Если брать конкретно оксидно-цинковые варисторы, то ключевое — это нелинейность. Сопротивление падает на порядки при превышении порога. Но этот порог — не фиксированная точка. Он ?плывёт? в зависимости от длительности импульса, температуры и, что критично, от предыстории эксплуатации. Я помню, как на одной подстанции 110 кВ после нескольких лет работы ОПН начали срабатывать почти на номинале. Разобрались — оказалось, постоянные мелкие коммутационные перенапряжения от частых переключений линий постепенно ?утомили? активные элементы. Они не вышли из строя, но характеристика сместилась. Поэтому сейчас всегда смотрю не только на паспортный ток разряда, но и на рекомендованный производителем ресурс по количеству срабатываний определённой энергии.

Ещё один практический момент — крепление и подключение. Казалось бы, мелочь. Но видел случаи, когда из-за жёсткого крепления к раме без компенсаторов термического расширения в металлоконструкции появлялись трещины. ОПН при работе греется, особенно в режиме ограничения длительных перенапряжений. Если его ?зажало?, механические напряжения со временем ведут к разгерметизации и попаданию влаги. А влага внутри — это почти гарантированный пробой в следующий серьёзный грозовой сезон. Поэтому сейчас всегда обращаю внимание на рекомендации по монтажу, даже если монтажники говорят ?мы всегда так ставили?.

И конечно, диагностика. Мегомметром тут многого не узнаешь. Измерение тока проводимости под рабочим напряжением или, как минимум, сравнение активных составляющих токов в трёх фазах — обязательная практика. Но и тут есть нюанс: в полевых условиях, особенно на воздушных линиях, помехи могут сильно исказить показания. Приходится иногда снимать характеристики в нескольких точках и усреднять, чтобы отсечь случайные выбросы. Это долго, но даёт реальную картину состояния.

Где чаще всего ошибаются при выборе и замене

Одна из распространённых ошибок — замена старого вентильного разрядника на современный ОПН по принципу ?такого же класса напряжения?. Старые разрядники имели существенно более высокое остающееся напряжение. Современный оксидно-цинковый ограничитель его сильно снижает, что, казалось бы, лучше. Но если при этом не проверить уровень изоляции всего остального оборудования в цепи (например, старого трансформатора или вращающейся машины), можно получить ситуацию, когда ОПН защитит себя, но перенапряжение ?уйдёт? в более слабое звено. Был случай на предприятии по производству комплектных распределительных устройств, где после замены партии ОПН на более современные начались пробои вводов у нескольких двигателей 6 кВ. Причина — координация изоляции была рассчитана под старые параметры.

Второй момент — игнорирование места установки. Для внутренней установки (в КРУ) и для наружной (на опоре) требования к конструкции разные. Уличный ОПН должен выдерживать не только электрические, но и механические нагрузки (ветер, гололёд), ультрафиолет, перепады температур. Внутренний же часто более компактен, но к нему жёстче требования по дугогашению в случае срабатывания в замкнутом объёме. Путать их нельзя. Видел, как в целях экономии ставили ?уличный? ОПН в ячейку КРУН, аргументируя тем, что он ?прочнее?. В итоге при внутреннем дуговом разряде от коммутации пластиковый кожух не справился, дуга перебросилась на шины.

И третий подводный камень — это ток термической устойчивости. Многие смотрят только на импульсные токи (например, 10 кА для 8/20 мкс). Но если в сети возможны длительные (секунды) повышения напряжения, например, из-за заземления нейтрали через дугогасящий реактор или феррорезонансных явлений, ОПН может перегреться и разрушиться. Поэтому для таких сетей нужно выбирать ограничители с повышенной энергией поглощения или, как вариант, предусматривать параллельную работу с искровыми промежутками для отвода длительных режимов. Это сложнее в расчёте, но необходимо.

Опыт с продукцией от конкретных поставщиков

В работе приходилось сталкиваться с разными производителями. Если говорить, например, о продукции, которую поставляет ООО Сиань Суюань Электроприборы (информацию можно найти на https://www.xasuyuan.ru), то в их ассортименте, как я видел, есть ограничители перенапряжений в линейке с высоковольтными предохранителями. Это логично, так как часто эти устройства работают в паре. Их сайт указывает, что продукция используется в государственных сетях и на предприятиях по производству КРУ. Из практики: их ОПН, которые мне довелось видеть в составе комплектных устройств, часто имеют усиленное крепление фланца — это плюс для вибронагруженных установок, например, рядом с мощными трансформаторами. Но, как и с любой продукцией, здесь важно смотреть не на общее описание, а на конкретные протоколы испытаний для партии. Однажды при закупке партии для проекта КРУ-10 кВ мы запросили дополнительные испытания на стойкость к многократным импульсам малой энергии (имитация частых коммутаций вакуумными выключателями), и данные оказались вполне удовлетворительными.

Что касается их низковольтных предохранителей серий RSY и NGT, то их иногда используют в цепях шунтирования или управления для систем с ОПН. Здесь важна скорость срабатывания, чтобы защитить контрольную электронику. В одном из проектов по модернизации подстанции мы как раз использовали такую связку: высоковольтный оксидно-цинковый ограничитель на вводах, а в цепи его разрядного счетчика и мониторинга — быстродействующие предохранители от того же поставщика. Система отработала безотказно несколько лет, что говорит о хорошей совместимости элементов.

Однако стоит отметить, что ни один производитель, включая упомянутый, не застрахован от проблем в цепочке поставок или изменений в технологии. Пару лет назад была ситуация, когда у нескольких поставщиков, в том числе работающих на рынок СНГ, сменился субпоставщик оксидно-цинковых гранул. Это привело к небольшому, но заметному разбросу в пороговых напряжениях в пределах одной партии. Для рядовых применений это не критично, но для точных схем координации в ответственных объектах пришлось проводить дополнительную сортировку. Это к вопросу о том, что даже с проверенным каталогом и сайтом вроде https://www.xasuyuan.ru нельзя терять бдительность — всегда нужно запрашивать актуальные сертификаты и, по возможности, выборочно тестировать.

Практические кейсы и неудачи, из которых вынес уроки

Расскажу про один неудачный опыт, который многому научил. На объекте — ветропарк, используются низковольтные цепи и генераторы. Там стояла задача защитить оборудование не только от атмосферных, но и от перенапряжений, вызванных частыми коммутациями индуктивных нагрузок (те же трансформаторы собственных нужд). Установили стандартные высоковольтные оксидно-цинковые ограничители перенапряжений на 24 кВ. Но через полгода несколько штук вышли из строя. При вскрытии — характерные тепловые разрушения варисторных блоков. Оказалось, мы не учли специфику: в ветроустановках часто возникают гармонические искажения и резонансные явления в сети среднего напряжения, которые создают не кратковременные, а длительные (минуты) перенапряжения в 1.2-1.3 от номинала. ОПН для таких условий не был рассчитан. Пришлось менять на специальные модели с повышенной энергией рассеяния и устанавливать дополнительные фильтры гармоник. Вывод: применение в ветроэнергетике, которое, кстати, указано в ассортименте многих поставщиков, включая ООО Сиань Суюань Электроприборы, требует особого расчёта, а не просто выбора из каталога по напряжению.

Другой случай, уже с положительным итогом, был на предприятии по производству силовых конденсаторов. Там для защиты батарей конденсаторов 10 кВ использовались ОПН, но постоянно фиксировались ложные срабатывания сигнализации перегрева. Разобрались: оказалось, при частых переключениях батарей (компенсация реактивной мощности) через ОПН протекали небольшие, но частые токи перезаряда. Они не были опасны для целостности, но грели корпус. Датчик температуры был установлен прямо на фланце, как рекомендовалось. Решение было простым — перенесли датчик на некоторое расстояние от фланца по корпусу и откалибровали уставки с учётом тепловой инерции. Сигнализации прекратились, защита осталась работоспособной. Иногда проблема не в устройстве, а в нюансах его интеграции в систему.

И последнее, о чём стоит сказать — это ремонтопригодность. Современные ОПН часто считаются неразборными и подлежащими полной замене. Но в ряде случаев, особенно для ограничителей на высокие напряжения (110 кВ и выше), экономически целесообразен ремонт — замена отдельных колонок или варисторных блоков. У нас был проект, где мы сотрудничали со специализированной мастерской, которая проводила диагностику и замену блоков в ОПН зарубежного производства. Опыт показал, что после качественного ремонта с соблюдением вакуумной сушки и герметизации характеристики восстанавливались на 95-98% от новых. Это может быть выходом, когда поставки новых устройств затруднены или сроки поджимают. Конечно, для этого нужны оборудование и компетенции, но это того стоит.

Вместо заключения: на что смотреть завтра

Сейчас всё больше говорят о цифровизации и мониторинге состояния. Для высоковольтного оксидно-цинкового ограничителя перенапряжений это означает встраивание датчиков тока утечки, температуры, даже акселерометров для контроля вибрации. Это интересно, но добавляет сложности. Новый слой электроники сам требует защиты и повышает стоимость. Думаю, в ближайшие годы мы увидим разделение: простые, надёжные ОПН для массовых применений (где главное — цена и стойкость) и ?интеллектуальные? — для критически важных объектов, где важен прогноз остаточного ресурса. Уже сейчас некоторые производители, в чью цепочку входят и поставщики вроде ООО Сиань Суюань Электроприборы, предлагают устройства с выходом на телеметрию.

Ещё один тренд — материалы. Оксидно-цинковая керамика совершенствуется, появляются составы с более стабильной вольт-секундной характеристикой и большей энергией поглощения на тот же объём. Это позволит уменьшить габариты, что особенно важно для компактных КРУ. Но здесь, как всегда, будет компромисс между стоимостью сырья и приростом характеристик.

В итоге, возвращаясь к началу: высоковольтный оксидно-цинковый ограничитель перенапряжений — это не пассивная ?бочка?, а активный элемент защиты, выбор и эксплуатация которого требуют понимания физики процессов в конкретной сети. Ошибки здесь дорого обходятся, но и грамотное применение даёт значимый эффект. Главное — не останавливаться на данных каталога, а всегда задавать вопросы: ?А что будет, если...?? и ?А как мы это проверим??. Опыт, в том числе и негативный, — лучший учитель в этом деле.