Ограничитель перенапряжения: принцип работы и технические характеристики

Ограничитель перенапряжения: принцип работы и технические характеристики

Ограничитель перенапряжения: принцип работы и технические характеристики
СОДЕРЖАНИЕ
0

Классы защиты ограничителей

Для избегания пиковых величин разработаны специализированные приборы – ограничители перенапряжения

Импульсное перенапряжение — резкое увеличение разности потенциалов в сети, превышающее максимальную границу рабочего напряжения. Скачок короткий — до 1 наносекунды (1•10-9 сек.), поэтому обычные УЗМ могут не успеть сработать и пропустить импульс во внутреннюю электросеть. Амплитуда может превосходить номинальную в 10 раз.

Происхождение:

  • атмосферное (грозовое) — вызваны попаданием молнии с усреднённой силой тока 200кА в молниеотвод дома или в объекты рядом с ним (ток уходит в землю, но в проводке дома возникает ЭДС);
  • коммутационное — неполадки или замены коммутационного оборудования/участков цепи, запуск мощного электрооборудования, выход из строя трансформатора.
Ограничитель перенапряжения: принцип работы и технические характеристики

Схема включения защитных устройств в TN-S сеть 220/380 В

Для комплексной защиты внутренних систем электрообеспечения от проникновения мощного разрушительного импульса разрядники распределены по ступеням в зависимости от класса защиты.

  • Класс B принимает последствия прямого удара молнии в ЛЭП или оборудование электрозащиты дома. Устанавливается на внешнем распределительном щите на ввод силовой линии к строению.
  • Класс C справляется с коммутационными скачками и грозовыми, которые прошли первый этап защиты. Прибор размещают в главном распределительном щитке внутри коттеджа или в пристройке-гараже, подъезде многоэтажного дома, на этаже админздания.
  • Класс D призван погасить остаточные явления. Полезен непосредственно перед электроприборами. Ограничитель может быть интегрирован в розетку.

Схема подключения ОПН имеет свои особенности для однофазной и трёхфазной сети, TNC и TNS принципов заземления (объединённые или нет, основной и защитный проводник).

Приборы устанавливают параллельно основной сети перед вспомогательным генератором, счётчиком и остальным оборудованием. Чтобы избежать последствий возможного короткого замыкания с землёй, перед разрядником используют автоматический выключатель.

Существуют следующие типы ограничителей перенапряжения:

  • класс A;
  • класс B;
  • класс C;
  • класс D.

К классу A относятся устройства, которые обеспечивают защиту от перенапряжения, вызванного ударом молнии в ЛЭП либо в объект, стоящий недалеко от нее. Способны выдержать импульс напряжением до 6 кВ, а рабочее сопротивление не более 10 Ом. В большинстве случаев монтаж ограничителей производится снаружи в месте соединения ЛЭП с кабелем.

Ограничители класса B устанавливаются на участке ввода кабеля непосредственно в дом. Они служат защитой от импульсов номиналом 4 кВ. Также они являются своего рода 1 ступенью защиты объекта, поскольку предполагается, что ограничитель перенапряжения ОПН предыдущей категории уже установлен, что является прерогативой компании, которая обслуживает ЛЭП.

Все, что пропустила предыдущая защита, должны сбросить в заземление ограничители класса C. Только они могут выдерживать меньшее значение – лишь до 2,5 кВ. Устанавливаются уже внутри дома в электрощитах и, как правило, работают в паре.

Устройства, относящиеся к классу C, защищают от скачков напряжения не более 1,5 кВ. Они особенно актуальны для чувствительных электрических приборов. Однако если техника без электронной начинки, то можно обойтись без этих устройств. Местом их установки является монтажная коробка в квартирах. Несмотря на то что монтаж таких устройств кажется легким, лучше чтобы этим занимались квалифицированные специалисты.

В области напряжения ниже 1000 В ограничители делятся на 4 класса, обозначенные буквами алфавита: A, B, C и D.

  1. Ограничитель класса А не используется в бытовых установках, а применяется для защиты линий электропередач.
  2. Протектор класса B используется для защиты от высоковольтовых скачков напряжения, например, вызванных ударом молнии к линии электропередач.
  3. Ограничитель класса C предназначен для защиты от перенапряжений со слегка более низкими значениями напряжения в сети. Защитные устройства класса B и C обычно устанавливаются в бытовых распределительных устройствах.
  4. Протектор класса D используется для прямой защиты выбранных электроустройств, чувствительных к импульсным помехам и всплескам в 220 В сети. Он монтируется в распределительном щите, за розеткой в электрической коробке или непосредственно в защищаемом устройстве.

Каждое устройство защиты ограничивает электрический потенциал только определенным уровнем. Чем ближе оборудование к А классу — тем более высокая мощность. Например:

  • Класс A уменьшит уровень напряжения до 6 кВ,
  • Класс B уменьшит уровень напряжения до 2,5 кВ,
  • Класс C уменьшит уровень напряжения до 1,5 кВ,
  • Класс D уменьшит уровень напряжения до 0,8 кВ.

Если здание многоэтажное, в главном распределительном щитке должны использоваться защитные устройства класса B, а ограничители класса C следует использовать в распределительных щитках в отдельных квартирах.

Если подключенное к розетке устройство чувствительно к скачкам напряжения, можем также использовать ограничители класса D. К ограничителям класса А у нас нет доступа, это забота энергетической компании.

Предлагаем ознакомиться:  Труба в стену дымоход

Поскольку рассматривать будем домашнюю проводку, статья будет посвящена защитным устройствам класса B и класса C (типа I и II).

Обозначение на принципиальных схемах

Основные символы, используемые при обозначении разрядников перенапряжения, следующие:

  1. Общее обозначение разрядника
  2. Разрядник трубчатый
  3. Разрядник вентильный и магнитовентильный
  4. ОПН

Как подключить ограничитель к домашнему щитку? Начнем с основ. У нас есть однофазная сеть и одномодульный разрядник. Мы хотим защитить им фазовый провод. Тип сети — TN-S.

Подключаем фазный проводник питания непосредственно к разряднику и подключаем разрядник с другой стороны к клеммной колодке PE.

Но в этом домашнем коммутаторе больше ничего, кроме импульсного ограничителя. Добавим недостающие элементы.

Как видите, установка ограничителя перенапряжений не влияет на дальнейшую организацию компонентов в домашнем коммутационном щитке. Соединение устройства остаточного тока и автоматических выключателей осуществляется так же.

Вообще в распределительных устройствах разрядники перенапряжения класса B, C или B C устанавливаются перед автоматическим выключателем (или автоматическими выключателями) и предохранителями токовой защиты. Но ограничитель является первым элементом, лежащим в основе защиты дома или квартиры.

Тем не менее редакция 2Схемы.ру настоятельно рекомендует оснастить сеть этим оборудованием. Если он защитит даже одно ценное устройство, расходы сразу окупятся и даже с избытком!

Применение

В некоторых случаях оборудование может оказаться под влиянием завышенного, по сравнению с номинальным, напряжения (при грозе или коммутациях электрических цепей). В этом случае возрастает вероятность пробоя изоляции установки. Нелинейные ограничители перенапряжений предназначены для использования в качестве основных средств защиты электрооборудования станций и сетей среднего и высокого классов напряжения переменного тока промышленной частоты от коммутационных и грозовых перенапряжений.

Установка ограничителя перенапряжений

Стандартный разрядник B или C (возможно, B C) состоит из двух компонентов:

  1. Основа ограничителя
  2. Сменная вставка с защитным элементом

Основа

Основание защитного устройства установлено на DIN-рейке TS35. Оно имеет два хомута. Подключите провод фазы ( L ) или нейтральный ( N ) на котором может появиться слишком большой электрический потенциал. С другой стороны подсоедините защитный провод PE, который подключен к защитной линии распределительного устройства.

Защитный проводник должен иметь минимальное поперечное сечение 4 мм2, но не повредит взять ещё больше. В конце концов есть вероятность, что будет течь очень высокий ток.

Есть 3 контакта под терминалом PE. По стандарту в комплект входит вилка, которая вставлена в нужное место и позволяет соединять провода. Благодаря этим зажимам есть возможность удаленного уведомления в случае повреждения вставки или ее перегорания. Этот сигнал может быть подключен, например, к входу блока управления сигнализацией (смотрите схему). В этом случае панель управления будет проинформирована о повреждении вставки размыканием электрической цепи между красным и зеленым проводами.

Вставка

Вставка содержит все наиболее важные элементы, благодаря которым защитник правильно функционирует:

  • Класс B (тип I) — основным элементом является просто искровой промежуток.
  • Класс C (тип II) — здесь деталь варистор является основным элементом.

В трехфазной схеме увеличивается ширина ограничителя и количество защищаемых соединений. Однако принцип функционирования ограничителя остается неизменным. Наиболее часто используемые трехслойные системные защитные устройства, работающие в системе 4 0, что означает присоединение к разряднику следующих линий:

  • 3-фазные провода
  • 1 нейтральный провод

Каждый из проводов подлежащих защите имеет равные права, то есть возможные перенапряжения устраняются путем подачи тока на защитную установку и, как результат, на землю.

Конечно для установок TN-C (установка без отдельного защитного провода) можно приобрести защитные устройства только с 3 защищаемыми разъемами. Затем с нижней стороны подключите ограничитель к полосе PEN (нейтральная защита).

Принцип работы

Ограничитель перенапряжения: принцип работы и технические характеристики

Работа ограничителя основывается на вольт-амперной характеристике нелинейного характера. То есть, если на устройство поступает большое напряжение, то происходит падение электрического сопротивления практически до нулевого значения. В итоге высоковольтный импульс номиналом в несколько киловольт направляется прямиком в заземляющую цепь.

Время, которое затрачивается на падение сопротивления, а затем на восстановление до исходного значения ничтожно малое. Благодаря этому ограничитель перенапряжения ОПН способен выдерживать не один скачок напряжения, а целую серию высоковольтных импульсов.

Ограничитель перенапряжения: принцип работы и технические характеристики

Устройство нелинейного ограничителя перенапряжения

Работа ОПН основана на специфическом свойстве варистора — полупроводника с нелинейной вольт-амперной характеристикой. При регулярной разности потенциалов электропроницаемость элемента стремится к нулю и составляет несколько млА. Резкий скачок напряжения открывает туннельную проводимость ({amp}gt;1000 Ам), сопротивление практически исчезает, импульс оперативно выводится из системы. Материал проводника — оксид цинка, иногда с добавлением оксидов других металлов (кобальта, висмута и пр.).

Предлагаем ознакомиться:  Как правильно обкладывать банную печь кирпичом

Разрядник состоит из пластин резистора круглого сечения (количество ориентировано на расчётное перенапряжение), которые сложены в колонку, помещены в трубку из стекловолокна и зашиты в ребристую изоляционную рубашку. Герметичность обеспечивает заполнение пустот вязким кремний-органическим составом. С двух сторон конструкция плотно зажата фланцами.

Конструкция современных модульных ограничителей отличается. Это пластиковый корпус 17,5 мм шириной (ОИН-1), в который вмещён тепловой предохранитель, съёмный варисторный блок и клеммы с насечками. Существуют модели со световыми индикаторами. Имеют крепление на din-рейку.

Ограничитель перенапряжения является безыскровым разрядником.

Основной элемент ОПН — варистор ( varistor, от англ. Vari(able) (Resi)stor — переменное, изменяющееся сопротивление). Основная активная часть ОПН состоит из набора варисторов, соединённых последовательно и составляющих называемую «колонку». В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции ограничитель может состоять из одной колонки или из ряда колонок, соединённых последовательно либо параллельно.

Отличие материала варисторов ОПН от материала резисторов вентильных разрядников состоит в том,
что у нелинейных резисторов ограничителей перенапряжения присутствует повышенная пропускная способность, а также высоконелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ), благодаря которой возможно непрерывное и безопасное нахождение ОПН под напряжением, при котором обеспечивается высокий уровень защиты электрооборудования. Данные качества позволили исключить из конструкции ОПН искровые промежутки.

Материал нелинейных резисторов ОПН состоит в основном из оксида (окиси) цинка ( ZnO ) и оболочки в виде глифталевой эмали, повышающей пропускную способность варистора. В процессе изготовления оксид цинка смешивается с оксидами других металлов. Варисторы на основе оксида цинка являются системой, состоящей из последовательно и параллельно включённых p – n переходов. Именно эти p – n переходы определяют нелинейность ВАХ варистора.

ОПН  конструктивно представляет собой колонку варисторов, заключённых в высокопрочный полимерный корпус из высокомолекулярного каучука (в случае полимерной изоляции прибора), либо колонку варисторов, прижатую к боковой поверхности стеклопластиковой трубы, расположенной внутри фарфора (в случае фарфоровой изоляции).

В ОПН с полимерной изоляцией пространство между стеклопластиковой трубой и колонкой варисторов заполняется низкомолекулярным каучуком, а сама труба имеет расчётное количество отверстий для обеспечения взрывобезопасности конструкции при прохождении токов короткого замыкания. У ограничителей перенапряжений с фарфоровой изоляцией на торцевых сторонах покрышки располагают мембраны и герметизирующие резиновые уплотнительные кольца, а на фланцах устанавливают специальные крышки с выхлопными отверстиями.

Принцип действия

Защитное действие ограничителя перенапряжений обусловлено тем, что появление опасного для изоляции перенапряжения, вследствие высокой нелинейности резисторов через ограничитель перенапряжений протекает значительный импульсный ток, в результате чего величина перенапряжения снижается до уровня, безопасного для изоляции защищаемого оборудования.

В нормальном рабочем режиме ток через ограничитель имеет емкостный характер и составляет десятые доли миллиампера. Но при возникновении перенапряжений резисторы ОПН переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции защищаемой электроустановки. Когда перенапряжение снижается, ограничитель вновь возвращается в непроводящее состояние.

Вольт-амперная характеристика ограничителя состоит из 3 участков:

  1. – область малых токов;
  2. – область средних токов;
  3. – область больших токов.

В первой области варисторы работают под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение (сопротивление варисторов велико, через них протекает очень малый ток утечки).  В режим средних токов варистор переходит при возникновении перенапряжения в сети. При этом на границе 1 и 2 областей происходит перегиб ВАХ, сопротивление варисторов существенно уменьшается и через них протекает кратковременный импульс тока.

Как работает защитник от перенапряжений

Защитой обеспечиваются устройства, питаемые от шнуров сети 220V, подключенных к разряднику в распределительной коробке. Это касается как фазных, так и нейтральных проводников (в зависимости от выбранного типа защиты).

Общее правило заключается в том, что на одной стороне защитного устройства соединяем фазные проводники и, возможно, нейтральный проводник, а с другой стороны — защитный провод.

Когда напряжение в системе в норме, сопротивление между проводами очень велико, порядка нескольких ГигаОм. Благодаря этому ток не течет через разрядник.

Когда происходит скачок напряжения в сети, ток начинает протекать через ограничитель на землю.

В защитных устройствах класса B основным элементом является искровой промежуток. При нормальной работе сопротивление его очень велико. В случае искрового промежутка это сопротивление является гигантским, поскольку искровой промежуток это фактически разрыв цепи. Когда молния ударяет в элемент электрической установки напрямую, сопротивление искрового промежутка падает почти до нуля благодаря электрической дуге. Из-за появления очень большого электрического потенциала в искровом промежутке между ранее разделенными элементами создается электрическая дуга.

Благодаря этому, например, фазовый провод, в котором имеется большой всплеск напряжения и защитный провод, создают короткое замыкание и большой ток протекает прямо на землю, минуя внутреннюю электрическую установку. После разряда искровой промежуток возвращается в нормальное состояние — то есть разрывает цепь.

Ограничитель перенапряжения: принцип работы и технические характеристики

Ограничитель класса C имеет внутри варистор. Варистор представляет собой специфический резистор, который обладает очень высоким сопротивлением при низком электрическом потенциале. Если в системе происходит скачок напряжения из-за разряда, его сопротивление быстро уменьшается вызывая протекание тока на землю и аналогичную ситуацию, как в случае искрового промежутка.

Разница между классом B и классом C заключается в том, что последний способен ограничивать всплески напряжения с меньшим потенциалом, чем прямой удар молнии. Недостатком этого решения является довольно быстрый износ варисторов.

Обслуживание и методы диагностики ОПН

Поиск неисправного ОПН занимает большое количество времени. В большинстве случаев оценку состояния ОПН производят визуальным осмотром либо разборкой ОПН и проверкой нормируемых электрических параметров резисторов. В связи со сложностью визуального осмотра линия, защищаемая от перенапряжений, может оказаться под угрозой.

Методы диагностики ОПН:

  1. Измерение сопротивления;
  2. Измерение токов проводимости ОПН (6-35 кВ) в лабораторных условиях;
  3. Измерение токов проводимости ОПН под рабочим напряжением (110-750 кВ);
  4. Тепловизионное обследование (с помощью приборов инфракрасной техники с высокой разрешающей способностью по температуре (не ниже 0,5 ᵒС)).

Безопасность и эффективность ограничителя

Каждый производитель рекомендует использовать дополнительный предохранитель защищающий сеть, в случае повреждения разрядника и короткого замыкания в фазовом проводе с защитным проводником.

В бытовых установках это не часто практикуется, потому что защита от короткого замыкания существует в виде прерывателя или предохранителя, а его малый номинальный ток безопасно защищает сеть от сбоев.

Ограничитель перенапряжения: принцип работы и технические характеристики

В проверку исправности аппаратуры входит измерение температуры тепловизором

Сохранность электросистем в административных зданиях и многоквартирных домах — предмет ответственности коммунальных предприятий. В частном доме собственник сам заботится о безопасности.

Монтаж ОПН стоить доверить профессионалу, хотя сложности изначально незаметны. Важно избегать дешёвого некачественного оборудования, которое само может стать очагом опасности. Использовать электрооборудование необходимо строго согласно с техническим характеристикам.

Проверить исправность аппаратуры рационально в марте–апреле месяце до начала сезона гроз. Существует 2 основных метода диагностики защитных приборов: бесконтактное измерение температуры нагревания тепловизором проводят в первую очередь, по результатам дополнительно контролируют проходящий ток микро- или миллиамперметром.

Ограничитель перенапряжения: принцип работы и технические характеристики

Модульный ограничитель напряжения оснащён окошком индикатора работоспособности: зелёный цвет показывает готовность выполнять функции, красный — неисправность. В последнем случае предписана оперативная замена варисторной части. Таким образом, данный вид электрооборудования проще использовать в домашних условиях.

Параметры ограничителя перенапряжений

Перед тем как пойти в магазин и купить это устройство, нужно знать следующее:

  1. Количество модулей (терминалов) — зависит от типа вашей сети. 1 модуль можно купить когда есть однофазная система TN-C. 3 модуля, когда установка находится в сети TN-C трехфазной и 4 модуля когда сеть является трехфазной в TN-S или TT.
  2. Класс (тип) — можно выбирать между классами B, C или B C. Если не уверены что перед вашей квартирой используется ограничитель типа B, стоит выбрать решение B C. В противном случае ограничителя типа C будет достаточно.
  3. Номинальное напряжение, в котором работает ограничитель.
  4. Uc — рабочее напряжение протектора, то есть максимальный уровень напряжения который приведет к срабатыванию.
  5. In — номинальный ток ограничителя, то есть какой ток в случае короткого замыкания может протекать через разрядник.
  6. Imax — ток, который разрядник способен принимать во время атмосферного разряда. Обратите внимание, что оба значения (In = 30 000A и Imax = 60 000A) будут относительно большими по отношению к току при нормальной работе приборов в доме.
  7. Up — напряжение до которого уменьшается в случае разрыва. Например если потенциал достигает напряжения 10 000 В в случае всплеска — итоговое значение снижается до 150.
Комментировать
0
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector