Что такое опн в электрике

ОПН предназначены для защиты электроприборов и оборудования от воздействия высоковольтных импульсов напряжения. Благодаря простоте конструкции и надежности, они нашли широкое применение в области энергоснабжения. Данные устройства защиты пришли на смену устаревшим, весьма громоздким вентильным разрядникам. В отличие от предшественников, принцип действия ограничителя заключается не в использовании искровых промежутков. В качестве главного рабочего элемента в ОПН используются нелинейные резисторы, выполненные из материала, основу которого составляет окись цинка.

Первичным и основным элементом, из чего состоит ограничитель перенапряжения, служит варистор, выполняющий роль нелинейного переменного резистора. Конструктивно ОПН состоят из варисторов, размещенных в корпусе, изготовленном из фарфора или высокопрочного полимера. Конструкция ограничителя выполнена с учетом условий, обеспечивающих взрывобезопасность, в случае возникновения токов короткого замыкания. В зависимости от назначения и места установки ОПН могут быть исполнены в различных вариантах. Для ограничителей, используемых для защиты линий электропередач и оборудования промышленных объектов, на крышке корпуса предусмотрен контактный болт для подключения к сети, в комплект ОПН входит изолированная от контакта с землей плита основания.

Устройства, предназначенные для защиты от пиковых импульсов напряжения электрохозяйства квартиры или дачного домика, очень компактны, имеют привлекательный дизайн, а также снабжены устройством для крепления на din-рейку. В зависимости от категории сложности, могут быть обустроены индикацией режимов работы и дистанционным управлением.

Устройство модульного ограничителя перенапряжения предоставлено на фото:

1. Корпус
2. Предохранитель
3. Сменный варисторный модуль
4. Указатель износа варисторного модуля
5. Насечки на зажимах

Принцип работы

В импульсных переходных процессах изменение напряжения происходит значительно быстрее, чем силы тока. Поэтому классические всем известные защитные автоматы по току здесь будут неэффективны. Наличие в составе ограничителя с полупроводниковым элементом, имеющим нелинейную вольтамперную характеристику, обеспечивает приборы электрической сети защитой от высокого импульса напряжения.

Как видно из графика, при номинальном значении напряжения сопротивление полупроводника (его называют варистором) достаточно большое и ток, проходящий через него практически нулевой (зона 1). При действии на варистор высоковольтных импульсов (зона 2) сопротивление его резко уменьшается, приближаясь к почти нулевому значению (зона 3). В таком варианте варистор ограничителя будет выступать в качестве шунтирующего соединения воспринимающего на себя всю токовую нагрузку, которая направляется на заземляющий контур.

Конструкция и специфика модульных ограничителей

Ограничители, применяемые для гашения импульсного перенапряжения, представляют собой компактные аппараты со сменными модульными элементами. Устанавливают приборы в главных и второстепенных распределительных щитках.

Обратите внимание. Использование ограничителей будет иметь смысл только при наличии системы заземления, которая требуется для вывода тепловой энергии от погашенной электромагнитной дуги.

Главный рабочий орган ограничителя – варистор. Это реостат, набранный из плотно состыкованных варисторных таблеток. Делают таблетки из смеси оксида цинка с оксидами висмута, кобальта и других металлов. Преимущество данного органа заключается в нелинейном вольт-амперном «поведении». Т.е. сопротивление устройства уменьшается с увеличением силы тока, благодаря чему:

• прибор свободно пропускает сверхтоки и компактно гасит их без длиннющего искрового промежутка;
• срабатывает в предельно краткий срок;
• почти моментально возвращается к исходному изоляционному состоянию в полной готовности «принять на грудь» очередной импульсный поток.

Варистор расположен в модульной вставке, которую после выхода из строя функциональной начинки можно без мельчайших проблем заменить. Модульные устройства выпускают в широком диапазоне пропускной токовой способности, т.к. ограничители призваны осуществлять защиту от разных по мощности скачков напряжения.

Обратите внимание, что в случае применения комплектных ограничителей от одного производителя (например, с маркой ETITEC) допустима их параллельная установка, если требуется увеличить токовую способность. Однако желательно изначально подбирать аппарат с требующимися характеристиками.

Ограничитель в сеть устанавливается навечно. Точнее, на весь срок службы защищаемого им участка проводки. Периодически менять нужно будет лишь сменную вставку, габариты которой рассчитаны на возможность подключения только к прибору с конкретной пропускной токовой способностью. Короче, вставка с иными токовыми характеристиками банально не влезет в «гнездо».

Работа и сигнализация о повреждении

Пока по токоведущим жилам проводки течет ток стандартного рабочего значения, варисторный ограничитель безоговорочно пропускает поток. Напряжение на клеммах его главного рабочего органа равнозначно напряжению в сети. Как только клеммы прибора зафиксируют аномалию, аппарат в считанные наносекунды приступает к обязанностям. А если возникнет напряжение, равное по значению напряжению воспламенения прибора, работу ограничителя прервет термический предохранитель.

По задумке разработчиков «жизненный цикл» ограничителей равен 200 тысячам часов. Однако сократить его могут всплески перенапряжения, значение которых ощутимо превышает номинальные величины. Они способны повредить варисторный орган и сжечь предохранитель, в результате чего устройство просто вообще не сможет осуществлять защиту от перенапряжения. Естественно, «на ощупь» получить информацию о выходе прибора из строя невозможно. Для этого в сменном модуле заботливые производители предусмотрели сигнальный элемент – контрольное окошко.

Визуальная сигнализация зависит от предпочтений изготовителя. Это может быть затемнение контрольного окна или обнаруженный там же яркий красный свет, как у продукции ETITEC. Кстати в ассортименте упомянутой фирмы есть ограничители со звуковым оповещением. В инструкциях обычно подробно описано, по каким признакам нужно определять предстоящую замену вкладыша.

Обратите внимание, что модульность ограничителей в приоритете не только из-за оперативной замены поврежденного элемента, но и из-за возможности получить верные показания при контрольном измерении сопротивления проводки. Достаточно удалить вкладыши из модульных ограничителей, и на исследуемые значения ничто не будет влиять. С блокированными аппаратами измерения проводить бесполезно, достоверных результатов не будет.

Классификация ограничителей и правила монтажа

Защиту объекта от импульсных напастей сооружают по традиционным правилам селективности. Т.е. на вводе устанавливают наиболее мощный прибор, затем ограничитель с меньшей пропускной токовой способностью, далее – еще меньше и т.д. Для загородных строений вполне приемлем двухступенчатый формат защиты, тратиться на более изощренный вариант не к чему.

Чтобы не купить ограничитель с абсолютно ненужными характеристиками, выясним, по каким принципам классифицирует свой товар глубокоуважаемая нами компания ETITEC:

• Группа А — ограничители, предназначенные для защиты объекта от сверхтоков, вызванных прямым попаданием грозового разряда в сеть или попаданием в объект, расположенный поблизости от воздушной ЛЭП. Без потери работоспособности они смогут вывести в землю импульсы не более 6кВ. Рабочее сопротивление данных устройств не превышает 10 Ом. Устанавливаются снаружи, чаще всего крепятся в точке перехода воздушной линии в кабельное продолжение. Рекомендовано располагать в зоне заземления нулевого защитного проводника PE или его собрата PEN, по совместительству выполняющего функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.
• Группа В – ограничители, защищающие от импульсных всплесков в пределах 4 кВ. Устанавливаются они на вводе в строение, если наружное ограничивающее устройство уже есть. Эта группа чаще всего используются в качестве первой ступени защиты частного дома, т.к. предполагается, что предыдущий вариант обязана поставить обслуживающая ЛЭП компания.
• Группа С – ограничители, сбрасывающие в заземление все, что пропустила защита В, но не более 2,5 кВ. Причем и применяются они преимущественно в паре, особенно, если сооружается двухступенчатая система. Если в двух ступенях ограничения не было необходимости, то приборы группы С справляются с задачами первой защитной преграды. Монтируются в местах распределения электропроводки, в щитках.
• Группа D – ограничители, предназначенные для защиты потребителей, особо чувствительных к коротким сверхтокам. Оберегают они оборудование, чья устойчивость изоляции не превышает 1,5 кВ. Обойтись без них можно, если нет техники с электронной начинкой. Однако если между устройством С и защищаемым оборудованием больше 15 м, D очень даже пригодится. Установка в сеть ограничителей D допустима только при наличии более высоких степеней защиты. Чувствительные устройства без затруднений выведет из строя малейшее импульсное колебание.

Согласно описанному ранжиру производится селективная установка ограничителей. В преобладающем количестве случаев используется схема B – C, отлично справляющаяся с гашением и отводом наружу электромагнитного негатива в диапазоне 1,5- 2,5 кВ. Если имеются причины для увеличения количества ступеней, то можно начать сооружение защиты с прибора группы А и завершить устройством D.

Обратите внимание. Между ограничителями В и С марки ETITEC расстояние должно быть 10м и более, чтобы на подступах ко второй ступени защиты перенапряжение успело достичь порогового значения. При отсутствии возможности расположить приборы согласно правилам, можно поставить рядом в щиток, но между аппаратами разместить индукционную катушку от того же производителя. Между С и D катушки не надо, но желательно создать между ними интервал в 5 м.

Жаль, что латинскими литерами обозначаются не все ограничители, но принцип классификации у всех производителей приблизительно одинаков. Аналогична схема установки и использования ограничителей, защищающих от скачков напряжения в электросети, равнозначны правила их подбора. Как ориентироваться без буквенных подсказок?

Ориентиры подбора ограничителей

Перед покупкой надо изучить технический паспорт аппарата, в котором указаны:

• значение максимального рабочего напряжения, при котором устройство способно длительное время работать без отвода излишка энергии в систему заземления;
• номинальное напряжение – характеристика, указывающая на то, какое перенапряжение при пуске оборудования может действовать на устройство целых 10 сек., не призывая его к «должностным» обязанностям;
• величина номинального разрядного тока, согласно которой производится классификация, идентичная вышеуказанному варианту.
• токовая пропускная способность, обозначающая предел снижения сопротивления ограничителя. Проще говоря, какой величины перенапряжение устройство сможет обрабатывать и сбрасывать без собственной поломки;
• устойчивость к медленно возрастающему напряжению, которая означает способность устройства пропускать аномальный ток без разрушительных последствий;
• предельный ток разряда, который может «обработать» устройство;
• устойчивость к «коротышам», успевшим вывести прибор из строя, но не создавшим условий для взрыва оболочки…

В техпаспорте найдется еще ряд значений, полученных расчетным или экспериментальным путем. Изучать их в полном объеме необязательно, большинство пропечатанных параметров предназначено для рабочих испытаний и для настройки промышленных систем.

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 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.

Главным в ограничителях перенапряжений, независимо от используемого класса, является установка заземления с очень хорошими параметрами, то есть с очень низким электрическим сопротивлением. Если это сопротивление слишком велико — ток перенапряжения (вызванный ударом молнии) вместо протектора может протекать через электрическую систему и оставить на пути сгоревшее оборудование, включенное в данный момент к розеткам 220 вольт.

Принцип действия ОПН в снижении перенапряжения, за счет поглощения варисторами броска тока, выделяемого при уменьшении их сопротивления при возникновении перенапряжения. Путано написал, но думаю сейчас более подробно разберемся и станет доступнее.

Для понимания принципа работы ОПН рассмотрим обобщенную вольт-амперную характеристику переменного резистора.

Условно её можно разделить на три зоны по оси икс — зона малых токов, зона средних токов и зона высоких токов. По оси игрик также можно разбить на зону рабочего напряжения, зону низкого напряжения и зону перенапряжений.

На каждом из этих участков сопротивление ведет себя по-разному. В первой зоне ОПН находится в рабочем состоянии, сопротивление резисторов велико и по ОПНу течет малый ток.

При возникновении перенапряжения варистор переходит на участок 2 своей ВАХ. Перенапряжение создает импульс тока на ОПН, резисторы переходят в проводящее состояние, поглощают импульс тока и рассеивают его тепловой энергией.

За счет отведенного импульса тока перенапряжение уменьшается и резистор возвращается в зону 1. Аналогично и в зоне 3, но там перегиб кривой еще больше и бросок тока становится еще сильнее.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Маркировка защитного устройства

Для правильного выбора и установки устройства необходимо ознакомиться с его маркировкой. Она представлена в буквенно-цифровом виде и находится на корпусе УЗИП. Расшифровка обозначений приведена ниже.

• L/N — винтовые клеммы для подключения кабелей защищаемой сети;
• символ «земля» — клемма для подключения нулевого защитного проводника;
• зеленый флажок на корпусе — указывает на исправность прибора;
• Un — номинальное рабочее напряжение защищаемой сети;
• Umax — предельное допустимое напряжение;
• 50 Гц — частота тока;
• In — номинал разрядного тока;
• Imax — предельный разрядный ток, который способны выдержать устройство;
• Uр — напряжение срабатывания УЗИП.

Принцип работы разрядников основан на способности высокого напряжения пробивать воздушный промежуток. Напряжение пробоя промежутка зависит главным образом от величины воздушного зазора.

Воздушный разрядник

Конструкция воздушного разрядника очень проста. Величина воздушного зазора между фазным и заземляющим проводом выбирается таким образом, что он гарантированно не пробивается при рабочем напряжении, но в случае кратного увеличения этого значения происходит пробой. При этом образуется электрическая цепь через дуговой разряд между фазой и защитным заземлением. Импульс тока, уходящий в заземляющее устройство, снимает перенапряжение и защищает силовые цепи от повреждения.

Вентильный разрядник

Усовершенствованной моделью воздушного разрядника является разрядник вентильного типа. Конструкция вентильного разрядника включает в себя несколько компонентов:

• искровой промежуток, разделённый на несколько воздушных зазоров;
• резистора.

Рабочий резистор представляет собой набор последовательно соединённых между собой дисков, изготовленных из вилита или тирита. Свойства этих материалов таковы, что вольт-амперная характеристика рабочего сопротивления является нелинейной. Это свойство позволяет пропускать большие импульсные токи перенапряжений при малом падении напряжения на самом элементе. Благодаря нелинейности характеристики разрядник получил название вентильный. Срабатывание вентильных разрядников происходит практически бесшумно, кроме этого, не наблюдается такое обильное выделение газа и пламени как в случае с воздушным разрядником.

Принцип работы

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.