Трегубов С.В.,к.т.н.
Пантелеев В.А., к.т.н.
Фрезе О.Г.

Каждая электроустановка имеет изоляцию, соответствующую ее номинальному напряжению. Рабочее напряжение, приложенное к установке, может отличаться от номинального, однако надежная работа обеспечивается только в том случае, если оно не выходит за пределы значений наибольших рабочих напряжений. Часто причиной выхода из строя электрооборудования становится наличие импульсов напряжения. Импульсом напряжения называется резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд [1]. Импульсы напряжения, возникающие в электрических сетях подразделяют на коммутационные и грозовые.

Источником энергии коммутационных импульсов напряжения является энергия, запасенная в реактивных (индуктивных и емкостных) элементах системы, которая обуславливает появление импульсов в переходных режимах при нормальных и аварийных коммутациях. Значения импульсных коммутационных напряжений зависят от параметров электрической системы, характеристик коммутирующих аппаратов, а также фазы тока на момент коммутации.

Причиной возникновения грозовых импульсов напряжения являются удары молнии в электроустановку или вблизи нее.

По данным США значения напряжения коммутационных импульсов даже в бытовых сетях могут достигать 20 кВ. Примерно такие же данные приводят японские, французские и другие исследователи. Исследования, проведенные нами по эксплуатации промышленного электрооборудования в сетях 0.4 кВ, позволяют утверждать, что, например, при тяжелых условиях коммутации силовых электродвигателей значение напряжения коммутационных импульсов может превышать 70 кВ. Нет необходимости говорить о последствиях такого воздействия на электрооборудование. Положение часто осложняется тем, что во многих случаях эксплуатация электрических машин производится в тяжелых условиях (загрязнение, увлажнение изоляции, частые пуски и остановки агрегатов), что обуславливает особую уязвимость изоляции электрооборудования из-за ее ускоренного износа и уменьшения электрической прочности.

Для защиты оборудования от импульсных напряжений в разных странах применяются вентильные разрядники, RC-цепочки, LC-фильтры и т.д. Однако в последние десятилетия во всем мире наиболее эффективным (и дешевым) средством защиты от импульсных напряжений любого вида признано использование нелинейных полупроводниковых резисторов, называемых варисторами. Отличительной чертой варистора является симметричная и резко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ - см. рис.1). За счет этого варисторы позволяют просто и эффективно решать задачи защиты различных устройств от импульсных напряжений. Основной принцип действия варистора весьма прост. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, т.е. при нормальной эксплуатации он находится под действием рабочего напряжения защищаемого устройства. В рабочем режиме (при отсутствии импульсных напряжений) ток через варистор пренебрежимо мал, и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор.

Рис.1 Типичная вольтамперная характеристика варистора

При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее, и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление. Таким образом, включение варистора параллельно электрооборудованию не влияет на его работу в нормальных условиях, но "срезает" импульсы опасного напряжения, что полностью обеспечивает сохранность даже ослабленной изоляции (см . рис 2).

Наиболее широкое применение находят варисторы на основе оксида цинка, что обусловлено, во-первых, относительной простотой их изготовления и, во-вторых, хорошей способностью оксида цинка поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения. Варисторы изготавливают по обычной "керамической" технологии, включающей в себя прессование варисторов (чаще всего имеющих форму диска или шайбы), их обжиг, нанесение электродов, пайку выводов и нанесение электроизоляционных и влагозащитных покрытий. Такая технология в ряде случаев позволяет предприятиям-изготовителям выпускать варисторы по индивидуальным заказам.

Рис.2 Напряжение на нагрузке при коммутации в сети 0,4 кВ

Важнейшей характеристикой варистора, определяющей его функциональные возможности, является его вольт-амперная характеристика. Ее особенностью является наличие участка малых токов (условно от нуля до нескольких миллиампер), в котором находится рабочая точка варистора и участок больших токов (до тысяч ампер), который в ряде случаев называют туннельным. Туннельный участок во многом определяет защитные свойства и, в частности, напряжение ограничения, т.е. максимальное напряжение, воздействующее на защищаемое электрооборудование при шунтировании его варистором. В области малых токов ВАХ удовлетворительно описывается уравнением

(1) где I - ток, А, U -напряжение, В, В - некоторая постоянная, ? - коэффициент нелинейности.

Для варисторов на основе оксида цинка коэффициент нелинейности обычно составляет 20- 60 единиц. Коэффициент нелинейности характеризует крутизну ВАХ и определяется отношением статического и дифференциального сопротивлений варистора в определенной точке.

(2)

Экспериментально коэффициент нелинейности можно оценить по формуле

(3)

Чаще всего коэффициент нелинейности определяется при токе 1 мА и 10 мА, при этом формула (3) приобретает вид

(4)

Одной из характеристик варистора является классификационное напряжение ( Uкл)- это напряжение при определенном токе. Как правило, изготовители варисторов в качестве классификационного напряжения указывают напряжение на варисторе при токе 1мА.

В некоторых случаях указывают коэффициент защиты варистора - это отношение напряжения на варисторе при токе 100А к напряжению при токе 1мА (т.е. к классификационному напряжению). Этот коэффициент для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1.4 - 1.6, и он характеризует способность варистора ограничивать импульсы перенапряжения. Другими словами- при росте напряжения в 1,4- 1,6 раза ток возрастает в 100 000 раз (!).

Важной характеристикой варистора является допускаемая мощность рассеивания - она характеризует возможность рассеивать поглощаемую электрическую энергию в виде тепла. Этот показатель в основном определяется геометрическими размерами варистора и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто применяют массивные выводы, которые играют роль своеобразного радиатора.

Варисторы имеют достаточно большую емкость, определенным образом зависящую от приложенного напряжения. На рис.3 показаны типичные вольт-фарадные характеристики варистора. Как видно из приведенного рисунка, варистор имеет определенную емкость в рабочем режиме (когда нет импульсов напряжения), а при воздействии импульса напряжения емкость варистора практически равна нулю.

Рис.3 Вольтфарадные характеристики варисторов

Информацию о напряжении на варисторе в области больших токов изготовители приводят в технических условиях. Иногда это напряжение называют остающимся напряжением. При этом обязательно указывают длительность ( форму ) и амплитуду импульса тока, при воздействии которого на варистор эти измерения произведены. Остающееся напряжение при различных амплитудах тока импульса можно измерить на специальных импульсных установках.

Для расчета применения варисторов при грозовом разряде иногда приводят сведения о напряжении на варисторе при воздействии стандартного грозового импульса. На рис. 4 показана форма этого импульса, который часто называют импульсом 8/20 мкс.

Рис.4 Форма испытательного импульса 8/20 мкс

В некоторых случаях указывают коэффициент защиты варистора- это отношение напряжения на варисторе при токе 100 А к напряжению при токе 1 мА ( т.е. к классификационному напряжению). Этот коэффициент для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1,4-1,6, и он характеризует способность варистора ограничивать импульсы напряжения. При амплитуде тока 100 А остающееся напряжение можно рассчитать, умножив классификационное напряжение (номинальное или фактическое значение) на коэффициент защиты. Так, например, варистор с классификационным напряжением 430 В и коэффициентом защиты 1,4 - 1,6 при импульсе тока 100 А ограничит импульсное напряжение до уровня 602 - 688 В.

В России наиболее массовое производство малогабаритных варисторов организовано на Ухтинском заводе "Прогресс" |3,4,5|. Варисторы выполнены в виде дисков толщиной до 10 мм (в зависимости от классификационного напряжения). Варисторы СН2-1 и ВР-1 имеют проволочные однонаправленные выводы диаметром 0,8 мм (варисторы СН2-1 варианта "в" имею выводы диаметром 0,6 мм). Варисторы СН2-2 вариант "А" имеют штуцерные выводы с резьбой М5, вариант "Б" имеет массивные выводы, переходящие в шпильки с резьбой М5, вариант "Г" имеет массивные дисковые выводы с резьбой М5, а варианты "В" и "Д" имеют контактные поверхности, покрытые серебром. Для всех варисторов классификационный ток составляет 1 мА, температурный коэффициент напряжения отрицательный не более 0,05% на один градус Цельсия.

Импульсные напряжения можно условно разделить внутренние и внешние. Внутренние импульсные напряжения, как правило, возникают при коммутации реактивных (емкостных, индуктивных) нагрузок, при пробое и др. Наибольшую угрозу при этом представляют импульсы напряжения, возникающее при отключении индуктивной нагрузки. В этих ситуациях оптимальный выбор варистора не представляет трудности, - необходимо только рассчитать (или определить экспериментально) форму и длительность импульсов напряжения. В худшем случае можно провести моделирование ситуаций и проверить эффективность варисторной защиты.

Внешние импульсные напряжения - это те, источники которых находятся вне защищаемой варистором системы. Некоторые причины таких ситуаций:
- гальваническое взаимодействие с источниками высоких напряжений;
- коммутации в сетях (полное включение-выключение напряжения, включение и отключение компенсирующих конденсаторных установок и др.);
- грозовые разряды (могут причинить вред на удалении до 20км);
- влияние индуктивности (проявляется при коротком замыкании нейтрали особенно в сетях с протяженными кабельными соединениями).

Идентифицировать, систематизировать причины возникновения внешних импульсных напряжений практически невозможно. Так фирма "Сименс" для бытовых линий 220 В советует принимать следующие значения внешних импульсных напряжений (но только как ориентировочные и без учета грозовых разрядов):
- амплитуда- до 6 кВ;
- частота - 0,05-5 МГц;
- длительность - 0,1- 100 мкс.

Ориентировочные значения параметров грозовых и коммутационных импульсов напряжения в сетях различного номинального напряжения приведены также в [1].

Расчет рабочего режима варистора в силу его высокой нелинейности не является тривиальной задачей. Цель такого расчета - оптимальный выбор значения классификационного напряжения варистора. Важнейшим параметром при этом является рабочий ток, который должен быть минимальным и не приводить к перегреву варистора. С другой стороны при слишком малом рабочем токе варистора увеличивается напряжение, ограниченное варистором при возникновении импульса напряжения и варистор, по сути, не будет выполнять свою основную функцию.

Для ориентировочных расчетов рекомендуется [6], чтобы рабочее постоянное напряжение не превышало 0,85 Uкл. и, соответственно, на переменном токе действующее значение рабочего напряжения не превышало 0,6 Uкл. К сожалению, такой простой подход к решению задачи на практике малоприменим.

В технических условиях на варисторы типа СН2-1, СН2-2 указано, что постоянный или переменный предельный рабочий ток не должен превышать 0,1мА. Очевидно, что тепловая мощность, выделяемая на варисторе при протекании через него постоянного тока, будет существенно больше, чем при протекании переменного тока такой же амплитуды. На рис.5 показана форма тока варистора при синусоидальном напряжении.

Рис.5 Форма тока варистора при синусоидальном напряжении

Варисторы устанавливаются параллельно защищаемому электрооборудованию. В случае трехфазной нагрузки при соединении "звездой" они включаются в каждую фазу между фазой и землей, а при соединении нагрузки "треугольником" - между фазами. Наиболее предпочтительное место установки варисторов - сразу после коммутационного аппарата со стороны защищаемой нагрузки. Заводом "ПРОГРЕСС" выпускается очень удобный трехфазный ограничитель импульсных напряжений "Импульс-1", который представляет собой устройство для закрепления варисторов на электрощите, содержащее помещенные в корпус приспособления - держатели для трех варисторов, снабженные выводами. Это устройство позволяет легко реализовывать схемы защиты трехфазной нагрузки, соединенной как "звездой", так и "треугольником", а также защищать до трех независимых электроустановок, питающихся от однофазной сети.

Выбор типа используемого варистора и определение его классификационного напряжения осуществляется на основе анализа работы варистора в двух режимах: в рабочем и в импульсном.

1. Анализ работы варистора в рабочем режиме состоит в определении по таблице 1 такого классификационного напряжения, для которого длительное максимальное напряжение на нагрузке наиболее близко к табличному значению, но не превосходит его. Данные таблицы справедливы для варисторов с предельными отклонениями классификационного напряжения не более 10 % . Максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение для варисторов зарубежного производства в большинстве случаев указывается в составе маркировки.

2. Анализ работы варистора в импульсном режиме состоит в расчете максимальной мгновенной энергии по формуле:

где E - максимальная мгновенная энергия в джоулях, P - номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу (Вт), f - частота переменного напряжения (Гц), ? - КПД защищаемой нагрузки. Такие расчеты обычно выполняются для нагрузок в несколько киловатт и более.

По таблице 2 выбирают тип варистора, обеспечивающего рассеивание энергии, значение которой рассчитано по приведенной формуле. .

Таблица 1 В вольтах

Таблица 2

Пример 1. Определить марку варисторов для защиты электродвигателя ВАСО16-34-24 при соединении обмоток “звездой” в сети 0.4 кВ.

Решение.

Т.к. обмотки соединены “звездой”, то каждая из них находится под напряжением 220В. Если учесть нормируемое предельно допустимое отклонение напряжения 15 %, то макси- мальное рабочее напряжение составит 253 В. Из таблицы 1 видно, что условию п.1 удов- летворяют варисторы с классификационным напряжением 430 В .

Из паспортных данных электродвигателя известно, что его мощность 90 кВт, КПД 91.8%, а cos? = 0.64. Рассчитаем величину максимальной мгновенной энергии:

Из таблицы 2 видно, что для защиты этого электродвигателя может быть использован ва- ристор СН2-2 ( вар. А,Г) с классификационным напряжением 430 В с максимальной мощ- ностью рассеивания 138 Дж.

Пример 2. Определить марку варистора для защиты электродвигателя АО-315-УУ3 при соединении обмоток “треугольником”.

Решение.

При соединении “треугольником” каждая обмотка находится под напряжением 380В. Если нормируемое предельно допустимое отклонение напряжения составит 15 %, то мак- симальное длительное напряжение составит 437 В. Из таблицы 1 видно, что условие п.1 может быть удовлетворено только при использовании варисторов с классификационным напряжением 750 В и выше.

Мощность двигателя 200 кВт, КПД 90%, cos? = 0.92. Рассчитаем Е:

Из таблицы 2 видно, что уже варистор СН2-2 750 В имеет более высокую энергию рассеяния (248 Дж), поэтому он и должен использоваться.

При использовании двухфазной нагрузки величину мощности не нужно делить на 3. Расчеты показывают, что уже варистор СН2-2 (вар. А,Г) в большинстве случаев обеспечивает защиту электрооборудования мощностью до 30 кВт. Это означает, что для бытовых электроприборов практически достаточно рассмотрение лишь п.1 и применять малогабаритные варисторы типа СН2-1 или аналогичные. На практике есть случаи, когда величина расчетного рабочего тока не совпадает с экспериментальными значениями. Как правило это бывает на переменном токе , когда не учитывают величину реактивного тока, который можно рассчитать по известным формулам. Так реактивный ток варистора СН2-1 с классификационным напряжением 430В (его номи- нальная емкость 600пФ), при установке в бытовую сеть 220В составит 0,04мА (что соиз- меримо с предельным рабочим током 0,1мА).

1. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия . Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

2. Пантелеев В.А. Вольтамперные характеристики силовых варисторов. В кн.: Проблемы освоения природных ресурсов Европейского Севера. Ухта: Изд. УИИ, 1996. с. 12 – 17.

3. ТУ 11-85. Варисторы постоянные СН2-1. Технические условия. ОЖО.468.171.

4. ТУ 11-85. Варисторы постоянные ВР-1. Технические условия .ОЖО.468.227.

5. ТУ 11-85. Варисторы постоянные СН2-2. Технические условия. ОЖО.468.205.

6. Квасков В.Б. Полупроводниковые приборы с биполярной проводимостью.-М : Энерго- атомиздат. 1988.-128 с.: ил.

Трегубов С.В.,к.т.н.
Пантелеев В.А., к.т.н.
Фрезе О.Г.