Оксидно-цинковый ограничитель перенапряжений для защиты от коммутационных перенапряжений

Если честно, когда слышишь ?оксидно-цинковый ограничитель для коммутационных перенапряжений?, первое, что приходит в голову — это сухие каталоги с графиками и заоблачные цифры пропускной способности. Но на практике, в той же подстанции 10 кВ, часто оказывается, что главная проблема не в выборе самого ограничителя перенапряжений, а в понимании, от чего, собственно, защищаем. Многие до сих пор путают грозовые и коммутационные импульсы, ставят варисторы с запасом по напряжению ?на всякий случай?, а потом удивляются, почему оборудование всё равно выходит из строя при отключении вакуумных выключателей. Сам через это проходил.

Коммутационные перенапряжения — не абстракция, а конкретный разрушитель

Вот смотрите, классический случай на одном из предприятий по производству КРН. Ставили конденсаторные батареи для компенсации реактивной мощности. Логично было защитить их оксидно-цинковыми ограничителями, выбрали по каталогу, по номинальному напряжению сети. Вроде всё правильно. Но после нескольких циклов включения-отключения батарей один из ограничителей вышел в КЗ. Разбирались. Оказалось, каталоговые данные по стойкости к повторяющимся импульсам — это одно, а реальная картина при коммутации ёмкостной нагрузки — совсем другое. Форма импульса, скорость нарастания, частота следования — всё это создавало режим, к которому варисторная колонка просто не была готова. Тепловой пробой.

Тут и кроется ключевой момент: оксидно-цинковый ограничитель перенапряжений для таких задач — это не просто варистор в герметичном корпусе. Это расчётный элемент, который должен ?знать? параметры переходного процесса в конкретной точке сети. Глупо выбирать его только по классу напряжения изоляции. Нужно хотя бы приблизительно оценить возможный уровень перенапряжений при данной коммутации. Иногда помогает моделирование, но чаще — опыт и данные с аналогичных объектов.

Кстати, о данных. У ООО Сиань Суюань Электроприборы в ассортименте как раз есть серии ОПН для различного применения. На их сайте https://www.xasuyuan.ru видно, что компания фокусируется на защитном оборудовании для сетей и промышленности. И когда смотришь на их продукцию для защиты конденсаторов или трансформаторов, понимаешь, что они эту проблему осознают — предлагают решения с определёнными характеристиками по поглощаемой энергии. Но опять же, каталог — это отправная точка, а не истина в последней инстанции. Всегда нужно делать поправку на местные условия.

Подбор ОПН: где чаще всего ошибаются

Самая распространённая ошибка — игнорирование остающегося напряжения. Все смотрят на Uном и на класс защиты. А вот то, какое напряжение установится на выводах ОПН в момент прохождения импульсного тока, часто упускают. Для чувствительной полупроводниковой техники в тех же КРН это критично. Защитил от перенапряжения, но ?остаток? от ограничителя оказался выше, чем может выдержать IGBT-модуль. Результат плачевен.

Вторая ошибка — расположение. Видел проекты, где ограничитель перенапряжений для защиты от коммутационных перенапряжений ставили на вводе в ячейку. Логика вроде бы есть: защищаем всё, что внутри. Но если коммутация происходит внутри, например, отключение двигателя или трансформатора, то путь до ограничителя оказывается слишком длинным, включая индуктивность шин. Импульс просто не успевает ?добежать? до защиты в неизменном виде, часть энергии уже рассеивается на изоляции подключаемого оборудования. Ставить нужно как можно ближе к защищаемому объекту. В идеале — непосредственно на его выводах.

Третье — ресурс. Оксидно-цинковые варисторы стареют. Особенно под частыми, даже не очень мощными, коммутационными воздействиями. Это не разовый разрядник. Нужно вести учёт операций и, по возможности, контролировать ток утечки. На крупных объектах этим пренебрегают, меняют только после явного отказа. А ведь деградация варистора — это постепенное снижение уровня защиты и рост риска теплового пробоя.

Из практики: случай с вакуумным выключателем

Был у меня объект — частная котельная с собственным РП 6 кВ. Двигатели насосов отключались вакуумными выключателями. Через полгода после запуска начались пробои изоляции у одного из двигателей. Искали причину долго. Винили и качество кабеля, и сам двигатель. Пока не поставили переносной регистратор перенапряжений. Картина открылась удручающая: при отключении выключатель генерировал высокочастотные перенапряжения с крутым фронтом, которые многократно превышали паспортную прочность изоляции обмотки.

Решение было комплексным. Помимо оптимизации самого выключателя (подбор RC-цепей), потребовалась установка специализированных оксидно-цинковых ограничителей непосредственно на выводах каждого двигателя. Выбирали именно по стойкости к часто повторяющимся импульсам с высокой скоростью нарастания. Не самые дешёвые варианты, но это был вопрос надёжности всего узла. Кстати, тогда и обратил внимание на продукцию, подобную той, что производит ООО Сиань Суюань Электроприборы. В их линейке как раз есть изделия, позиционируемые для подобных применений в электроэнергетике и для комплектных распределительных устройств. Важно, что они охватывают и высоковольтную, и низковольтную часть, что позволяет выстраивать каскадную защиту.

Этот случай хорошо показал, что защита от коммутационных перенапряжений — это не ?поставить и забыть?. Это системная задача, требующая анализа источника перенапряжений, траектории его распространения и уязвимости конечного оборудования. Универсального ОПН не существует.

Взаимодействие с другими элементами защиты

Часто ОПН работает в связке с предохранителями. Особенно в схемах защиты конденсаторных батарей или трансформаторов. И здесь есть тонкость. В случае теплового пробоя варистора предохраитель должен отсечь аварийный ток быстрее, чем ОПН разорвёт герметичный корпус. Подбор пары ?предохранитель-ОПН? — это отдельная тема. Нельзя взять первый попавшийся предохранитель из каталога, даже если он по току подходит. Нужно смотреть на время-токовые характеристики и их согласование с характеристикой разрушения ограничителя.

На том же сайте https://www.xasuyuan.ru видно, что компания производит и предохранители, и ограничители. Теоретически, это должно облегчать задачу согласования, так как производитель может предоставить данные по совместной работе своих изделий. На практике же такие данные не всегда легко получить, приходится запрашивать специально. Но сам факт, что один производитель закрывает оба типа оборудования, говорит о понимании комплексного подхода к защите.

Ещё один момент — защита самого ОПН. В некоторых исполнениях есть встроенные тепловые разъединители или индикаторы срабатывания. Это полезно для визуального контроля. Но в условиях российской эксплуатации, особенно на открытых распределительных устройствах, эти индикаторы могут залипать от пыли и влаги. Доверять можно, но проверять всё равно нужно вручную, по возможности, мегомметром.

Вместо заключения: мысли вслух

Так что же, получается, что оксидно-цинковый ограничитель перенапряжений для защиты от коммутационных перенапряжений — это панацея? Нет, конечно. Это один из инструментов в арсенале инженера. Иногда более эффективным оказывается применение RC-фильтров или разрядников с искровыми промежутками. Всё зависит от спектра частот перенапряжения и требуемой скорости срабатывания.

Но для быстрого, относительно недорогого и компактного решения оксидно-цинковая технология остаётся одной из лучших. Главное — перестать относиться к ней как к стандартной комплектующей, которую можно выбрать по одной строчке в спецификации. Это расчётный аппарат. Его выбор требует понимания физики процессов в сети, знания характеристик защищаемого оборудования и, что немаловажно, честной оценки условий эксплуатации.

Смотрю сейчас на рынок, на таких игроков, как упомянутая компания, и вижу, что ассортимент становится более адресным. Появляются серии для ВИЭ, для частотно-регулируемых приводов — именно те области, где коммутационные перенапряжения носят системный характер. Это радует. Значит, практический опыт постепенно трансформируется в более качественные и приспособленные к реальным задачам продукты. А нам, эксплуатационщикам, остаётся только внимательнее изучать эти продукты и применять их с умом, не забывая о старой доброй ?схемотехнике? первичных цепей.