Способы защиты от перенапряжений в квартирах и частных домах

Устройство и принцип действия

Ограничитель перенапряжения является безыскровым разрядником.

Устройство ограничителя перенапряжения

Основной элемент ОПН — варистор ( varistor, от англ. Vari(able) (Resi)stor — переменное, изменяющееся сопротивление). Основная активная часть ОПН состоит из  последовательного набора варисторов, соединенных последовательно в «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, заключенных 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 стеклопластиковая труба имеет расчетное 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. На крышке ограничителя перенапряжений имеется контактный болт для подключения к токоведущей шине. ОПН снабжён изолированной от земли плитой основания. Внутренняя стеклопластиковая труба, мембраны и крышки обеспечивают взрывобезопасность конструкции при прохождении токов
короткого замыкания.

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.

Вольт-амперная характеристика ОПН.

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. Варистор поглощает энергию импульса и рассеивает её в окружающее пространство в виде тепла. За счёт поглощения энергии, импульс перенапряжения резко падает. Третья область для ограничителя является аварийной, сопротивление варисторов в ней вновь резко возрастает.

Атмосферное перенапряжение

Величина атмосферных перенапряжений, воздействующих на изоляцию электрооборудования, в том числе на изоляцию трансформаторов, определяется схемами про-тивогрозовой защиты и защитными характеристиками вентильных разрядников, предназначенных для систем с большим током замыкания на землю и систем с малым током замыкания на землю.
 

Характер возможных атмосферных перенапряжений меняется в широких пределах и не зависит от номинального напряжения установки. Исключение составляют волны, приходящие на подстанцию со стороны линий электропередачи, так как в этом случае устраняются волны с напряжениями, превышающими разрядное напряжение линейной изоляции или соответствующих защитных устройств. В этом случае чем выше номинальное напряжение, тем выше может быть напряжение волн, приходящих на подстанции по линейным проводам. Следовательно, всегда имеется вероятность появления импульсов напряжения, могущих вызвать пробой или перекрытие изоляции с последующими разрушениями на подстанции и перерывами электроснабжения.
 

От атмосферных перенапряжений линии и подстанции защищают разрядниками.
 

Костенко ( Атмосферные перенапряжения и грозозащита высоковольтных установок), Д. В. Разевиг ( Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи), А. И. Долгинов ( Перенапряжения в электрических системах) и др. значительно продвинули вперед разработку общей теории атмосферных перенапряжений.
 

Источником возникновения атмосферных перенапряжений в системах является грозовой разряд, обычно в виде молнии между облаком и землей. При отсутствии непосредственного поражения молнией проводов атмосферное перенапряжение называется индуктированным. Перенапряжения прямого удара молнии могут достигать значений, достаточных для перекрытия изоляции линий любого класса напряжения. Основной мерой защиты линий передачи от прямых ударов молнии является подвеска хорошо заземленных тросов, экранирующих провода. Важным средством повышения надежности линий является автоматическое повторное включение.
 

Защита от атмосферных перенапряжений при воздушных вводах или вводах через кабельные вставки выполнена вентильными разрядниками.
 

Защита от атмосферных перенапряжений линий выпрямленного гока, на которых подвешены провода, соединенные с анодным заземлением ( сопротивление таких заземлений не должно превышать 0 5 ом), не предусматривается. Обычно СКЗ монтируют вблизи газопровода, что не требует устройства воз-цушной линии с подвеской провода. Если источник гока СКЗ ( выпрямитель генератора и др.) установлен вдали от газопровода и сооружена отдельная линия, на которой подвешен провод, соединенный с газопроводом, на концевой опоре линии должен быть установлен молниеотвод с разрядником или воздушным промежутком. Опыт эксплуатации СКЗ магистральных газопроводов показывает, что, эффективная грозозащита ЛЭП и электрооборудования катодных станций может быть достигнута только при применении комплекса мероприятий на всех уча-гтках электрической цепи.
 

Наиболее опасными являются атмосферные перенапряжения, превышающие номинальные в десятки и сотни раз.
 

Наибольшую опасность представляют атмосферные перенапряжения, так как они могут достигать больших значений.
 

Атмосферное коммутационное перенапряжение

Атмосферные и коммутационные перенапряжения, схлестывание проводов, неправильные операции с разъединителями вызывают неустойчивые к. При толчковых нагрузках происходит ложное срабатывание газовой защиты трансформатора; эти кратковременные повреждения самоустраняются, и линия или трансформатор могут быть снова включены в работу.
 

Изоляторы вводов выдерживают атмосферные и коммутационные перенапряжения, величина которых в десятки и сотни раз превышает номинальные напряжения трансформатора и даже испытательные напряжения изолятора.
 

Защита изоляции трансформаторов от атмосферных и коммутационных перенапряжений осуществляется вентильными разрядниками. Применяются разрядники серий РВРД, РВМК, РВМГ, РВМ и др. На подстанциях до 220 кВ их обычно устанавливают на шинах или на присоединениях трансформаторов. На подстанциях 330 кВ и выше вентильные разрядники обязательно устанавливаются на каждом присоединении трансформатора, причем как можно ближе к трансформатору, чтобы повысить надежность грозозащиты и уберечь его от возможных коммутационных перенапряжений.
 

Отвод в землю энергии атмосферных и коммутационных перенапряжений осуществляется при помощи рабочих заземлений.
 

Для защиты электрооборудования от атмосферных и коммутационных перенапряжений могут применяться нелинейные ограничители перенапряжений ( ОПН), которые состоят из нелинейных резисторов, заключенных в изоляционную покрышку. Резисторы выполнены из последовательно-параллельно включенных керамических резисторов на основе окиси цинка.
 

Нелинейные ограничители перенапряжений предназначены для защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений оборудования перем.
 

При помощи заземлений осуществляется отвод в землю энергии атмосферных и коммутационных перенапряжений.
 

Оборудование и аппаратура подстанций должны иметь защиту от атмосферных и коммутационных перенапряжений.
 

Оборудование и аппаратура наружной установки должны иметь защиту от атмосферных и коммутационных перенапряжений ( гл.
 

Уровень изоляции установок высокого напряжения выбирают, исходя из возможных величин атмосферных и коммутационных перенапряжений.
 

Причины

Нервное перенапряжение возникает из-за таких причин:

Большие потоки информации

Чаще с ними сталкиваются студенты перед экзаменами, операторы при циклической работе с многофункциональным оборудованием, авиадиспетчера, крановщики.
Когда нервная система находится в режиме постоянного ожидания или в ситуации, когда внимание человека в постоянной концентрации. Это пожарники, спасатели.

Снижать порог максимально напряжения на центральную нервную систему могут болезни головного мозга – менингит, энцефалит, болезнь Альцгеймера, приобретенное слабоумие, большое депрессивное расстройство, хроническое недосыпание. При этих болезнях перенапряжение возникает быстрее, чем у человека со здоровой психикой и нервной системой.

Нервное напряжение может возникнуть не только после изнурительной интеллектуальной и физической работы. Одно событие или одно сообщение может моментально перегрузить головной мозг. Например, когда человек узнает о смерти ближайшего человека. В эту секунду он впадает в ступор, мозг в оцепении. В течение нескольких минут информация начинает обрабатываться и человек приходит в себя уже с осознанием трагедии.

Характерные проявления

Депрессия может свидетельствовать о наличии нервного перенапряжения

Давайте рассмотрим, что собой представляют признаки нервного перенапряжения. Сразу стоит отметить, что их разделяют на внешние и внутренние.

1. К внешним относят: повышенную усталость, раздражительность, вялость, которыми, по сути, характеризуется начальный этап переутомления ЦНС.
2. Следом за этими проявлениями возникают внутренние симптомы, которые, в свою очередь, могут быть представлены:

• полным равнодушием к тому, что окружает;
• повышенной тревожностью;
• заторможенной мыслительной деятельностью.

Следом может появиться депрессия, которая способна привести к нежелательным последствиям.

В редких случаях перенапряжение у взрослых может приводить к повышенной возбудимости, которую будут сопровождать:

• сильная эйфория;
• появление повышенной разговорчивости;
• активные действия, которые будут безрезультатными.

При этом человек может даже не обращать внимания на появление таких признаков, считать, что чувствует себя вполне нормально. А это может негативно сказаться на его самочувствии, работе и отношениях с людьми.

Атмосферное перенапряжение

Атмосферные перенапряжения возникают вследствие разрядов молнии в электрические линии и установки. Этот вид перенапряжений характеризуется малой продолжительностью, исчисляемой десятками или сотнями микросекунд, и большими амплитудами, которые могут достигать миллионов вольт.
 

Атмосферные перенапряжения возникают вследствие воздейст-ствия на электроустановки грозовых разрядов.
 

Атмосферные перенапряжения возникают при грозовых разрядах, они особенно опасны. Наиболее опасны перенапряжения, вызываемые прямыми ударами молнии в контактную сеть. Волна перенапряжения, достигающая нескольких сот киловольт, распространяется со скоростью света, и обычная релейная защита срабатывать не успевает. На электропоездах для защиты электрооборудования от атмосферных перенапряжений применяют вилитовые разрядники.
 

Атмосферные перенапряжения связаны с грозовыми разрядами.
 

Атмосферные перенапряжения возникают при грозовом разряде на линию или открытую подстанцию непосредственно или поблизости от них. Перенапряжения, вызванные разрядом молнии, имеют наиболее высокие значения. Наиболее опасны перенапряжения, вызванные прямым ударом молнии.
 

Атмосферные перенапряжения на линиях возникают из-за грозовых явлений. При таких кратковременных перенапряжениях часто возникают пробои изоляционных промежутков и в частности перекрытие изоляции, а иногда и ее разрушение или повреждение. Образование дуги означает короткое замыкание, поэтому место повреждения надо автоматически отключать.
 

Атмосферным перенапряжением считается фазное или междуфазное перенапряжение в данной точке сети, вызванное грозовым разрядом.
 

Атмосферными перенапряжениями называются повышения потенциалов и их разностей в электрических установках, вызванные разрядами атмосферного электричества — молниями. Атмосферным перенапряжениям наиболее подвержены воздушные линии электропередачи. При попадании разрядов молнии в провода ЛЭП или при разрядах молнии в землю вблизи линий электропередачи на проводах возникают электромагнитные импульсные волны с весьма высокими амплитудами. Распространяясь вдоль линий, электромагнитные волны воздействуют на линейную изоляцию и на изоляцию электрооборудования, установленного на электрических станциях и подстанциях, связанных с пораженными линиями. Так как амплитуды электромагнитных волн, возникающих при грозовых разрядах, значительно превышают номинальные рабочие напряжения электроустановок, атмосферные перенапряжения представляют большую опасность для электрооборудования и требуют специальных мер защиты. Наиболее опасны перенапряжения прямого удара молнии ( ПУМ) в провода, при которых амплитуды электромагнитных волн могут достигать миллионов и даже десятков миллионов вольт. Индуктированные перенапряжения, возникающие при грозовых разрядах вблизи ЛЭП, имеют сравнительно меньшую величину, достигающую сотен тысяч вольт, и менее опасны.
 

Однако атмосферные перенапряжения на линии н-а месте работы людей могут появиться.
 

Чаще всего атмосферные перенапряжения возникают в — воздушных линиях электропередачи и опасны для всех элементов электроустановки, связанной с воздушными сетями.
 

Изучение атмосферных перенапряжений на линиях и подстанциях основывается на теории волновых процессов в линиях и в схемах, содержащих линии. Далее изучаются характеристики молнии, молниеотводов, заземлителей и грозозащитных разрядников. На основе этих характеристик осуществляется грозозащита линии, подстанций и вращающихся машин; методы грозозащиты излагаются в гл.
 

Режим атмосферных перенапряжений: / 15 С, скоростной напор ветра 6 25 кГ / м2, гололед отсутствует.
 

Влияние атмосферных перенапряжений на надежность изоляции зависит от интенсивности грозовой деятельности, протяженности контактной сети и совершенства средств защиты от них. Статистические данные свидетельствуют о значительном числе пробоев изоляции двигателей вследствие атмосферных перенапряжений. Так, в Ленинграде количество повреждений изоляции электрооборудования вагонов трамвая в часы гроз увеличивается в 18 раз, а в Москве — в 10 раз. В 1961 г. в Ленинграде зарегистрировано 20 случаев пробоев изоляции тяговых двигателей от атмосферных перенапряжений.
 

Воздействие атмосферных перенапряжений принято считать эквивалентным воздействиям импульсов апериодической формы с фронтом 1 5 мксек и длиной волны 40 мксек.
 

Урок 1. Назначение и принцип действия ОПН

Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)-электрические аппараты, предназначенные для защиты оборудования систем электроснабжения от коммутационных и грозовых перенапряжений. Основным элементом ОПН является нелинейный резистор – варистор ( varistor, от англ. Vari(able) (Resi)stor – переменное, изменяющееся сопротивление).

Основное отличие материала нелинейных резисторов ограничителей от материала резисторов вентильных разрядников состоит в резко нелинейной вольт-амперной характеристики (ВАХ) и повышенной пропускной способности. Применение в ОПН высоконелинейных резисторов позволило исключить из конструкции аппарата искровые промежутки, что устраняет целый ряд недостатков, присущих вентильным разрядникам.

Основной компонент материала резисторов ОПН – оксид (окись) цинка ZnO. Оксид цинка смешивают с оксидами других металлов – закисью и окисью кобальта, окисью висмута и др. Технология изготовления оксидно-цинковых резисторов весьма сложна и трудоёмка и близка к требованиям при производстве полупроводников – применение химически чистого исходного материала, выполнение требований по чистоте и т. д. Основные операции при изготовлении – перемешивание и измельчение компонентов, формовка ( прессование) и обжиг. Микроструктура варисторов включает в себя кристаллы оксида цинка (полупроводник n – типа) и междукристаллической прослойки ( полупроводник p – типа). Таким образом, варисторы на основе оксида цинка ZnO являются системой последовательно – параллельно включённых p – n переходов. Эти p – n переходы и определяют нелинейные свойства варисторов, то есть нелинейную зависимость величины тока, протекающего через варистор, от приложенного к нему напряжения.

В настоящее время варисторы для ограничителей изготовляются как цилиндрические диски диаметром 28 – 150 мм, высотой 5 – 60 мм (рис 1). На торцевой части дисков методом металлизации наносятся алюминиевые электроды толщиной 0.05-0.30 мм. Боковые поверхности диска покрывают глифталевой эмалью, что повышает пропускную способность при импульсах тока с крутым фронтом.

Рис. 1. Нелинейный резистор – варистор

Диаметр варистора ( точнее — площадь поперечного сечения ) определяет пропускную способность варистора по току, а его высота — параметры по напряжению.

При изготовлении ОПН то или иное количество варисторов соединяют последовательно в так называемую колонку. В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции и имеющихся на предприятии варисторов ограничитель может состоять из одной колонки (состоящей даже из одного варистора) или из ряда колонок, соединённых между собой последовательно/ параллельно.

Для защиты электрооборудования от грозовых или коммутационных перенапряжений ОПН включается параллельно оборудованию (рис. 2 ).

Рис.2

Защитные свойства ОПН объясняются вольт–амперная характеристикой варистора.

Вольт – амперная характеристика конкретного варистора зависит от многих факторов, в том числе от технологии изготовления, рода напряжения — постоянного или переменного, частоты переменного напряжения, параметров импульсов тока, температуры и др.

Типовая вольт- амперная характеристика варистора с наибольшим длительно допустимым напряжением 0.4 кВ в линейном масштабе приведена на рис. 3.

Рис. 3. Вольт – амперная характеристика варистора

На вольт – амперной характеристике варистора можно выделить три характерных участка: 1) область малых токов; 2) средних токов и 3) больших токов. Область малых токов – это работа варистора под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение. В данной области сопротивление варистора весьма значительно. В силу неидеальности варистора сопротивление хотя и велико, но не бесконечно. поэтому через варистор протекает ток, называемый током проводимости. Этот ток мал — десятые доли миллиамперметра.

При возникновении грозовых или коммутационных импульсов перенапряжений в сети варистор переходит в режим средних токов. На границе первой и второй областей происходит перегиб вольт – амперной характеристики, при этом сопротивление варистора резко уменьшается (до долей Ома). Через варистор кратковременно протекает импульс тока, который может достигать десятков тысяч ампер. Варистор поглощает энергию импульса перенапряжения, выделяя затем её в виде тепла, рассеивая в окружающее пространство. Импульс перенапряжения сети “ срезается” (рис. 4).

Рис. 4

В третьей области ( больших токов) сопротивление варистора снова резко увеличивается. Эта область для варистора является аварийной.

Чем опасно явление

Перенапряжение в электросети выглядит следующим образом:

Изоляция электрических кабелей и проводов, а также любых электроприборов способна выдержать только определенный уровень напряжения, указанный в эксплуатационных документах на них. Ниже приведена таблица, в которой приведены ориентировочные величины электрической прочности изоляции электропроводок и электрического оборудования.

Однако, в домашнем электрохозяйстве главное не это (изоляцию не заменить), а нарушения изоляции, вызванные механическими причинами (в том числе в результате крепления электропроводок со сдавливанием и скручиванием), климатическими (сырость, попадание воды) и сугубо хозяйственными (накопление пыли, грязи, насекомых и пр.). Так вот на все эти нарушения накладываются ещё и перенапряжения.

Всё это приводит, как показывают печальные случаи, к выходу из строя электрической проводки и электроприборов, к трагическим пожарам. Если в доме нарушена ещё и электрозащита (неисправна или загрублена при частых срабатываниях), то вероятность возгораний в результате перегрузки электропроводки или короткого замыкания резко возрастает. Если поврежденный электроприбор можно просто отключить от розетки и заменить исправным, то электропроводку быстро не заменить. На фото изображено повреждение изоляции в розетке, которое часто возникает из-за неплотного контакта и перегрева, или в результате грозового явления, которое может привести к перегрузке электропроводки и короткому замыканию.

Таким образом, перенапряжения в домашней электросети особенно опасны для старых электропроводок, которые не подвергаются профилактическому осмотру (вместе с розетками) и не обновляются, где небрежно обращаются с розетками, допуская их перегрев. Особо опасными в этом плане следует считать старые электропроводки в домах, часто подвергающихся грозовым явлениям и нашествию насекомых (деревенские и поселковые).