МЕТАЛЛООКСИДНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ (ОПН): АНАЛИЗ ПРИЧИН ДОМИНИРОВАНИЯ В СИСТЕМАХ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

УДК 621.3.018.7
DOI 10.57112/E251-821

Ткаченко Константин Вадимович, Сташко Василий Иванович

Аннотация:
В статье проведен сравнительный анализ различных типов устройств защиты от импульсных перенапряжений. Обоснованы технико-экономические преимущества металлооксидных ограничителей перенапряжения (МО ОПН) на основе варисторов из оксида цинка (ZnO), обусловившие их широкое распространение. Подробно рассмотрены ключевые эксплуатационные характеристики МО ОПН: нелинейная вольт-амперная характеристика, высокая энергоёмкость, низкое остаточное напряжение и быстродействие. Также проанализированы присущие данному типу ограничителей недостатки, такие как ток утечки и деградация при многократных импульсных воздействиях. Определены основные области применения МО ОПН в энергетических, промышленных и телекоммуникационных системах. Сделан вывод о том, что совокупность эксплуатационных преимуществ делает МО ОПН предпочтительным решением для построения эффективных систем защиты от перенапряжений.

Ключевые слова: ограничитель перенапряжения (ОПН), металлооксидный варистор, импульсное перенапряжение, защита электрооборудования, оксид цинка (ZnO), нелинейный резистор.

METAL OXIDE SURGE LIMITERS (OSL): ANALYSIS OF THE REASONS FOR THEIR DOMINANCE IN ELECTRICAL EQUIPMENT PROTECTION SYSTEMS

Author: Nikita Alexandrovich Dostavalov, Vasily Ivanovich Stashko

Abstract:
This article provides a comparative analysis of various types of surge protection devices. It substantiates the technical and economic advantages of metal-oxide surge arresters (MOSAs) based on zinc oxide (ZnO) varistors, which have led to their widespread use. Key performance characteristics of MOSAs are examined in detail: nonlinear volt-ampere characteristics, high energy capacity, low residual voltage, and fast response. The article also analyzes the inherent disadvantages of this type of arrester, such as leakage current and degradation under repeated surges. The article identifies the main areas of application for MOSAs in power, industrial, and telecommunications systems. It concludes that the combination of these performance advantages makes MOSAs the preferred solution for building effective surge protection systems.

Keywords: energy storage, renewable energy sources, reliability, flexibility of power systems, flow batteries, solid-state batteries, supercapacitors.


Надёжность и бесперебойность функционирования современных электроэнергетических систем, промышленных установок и сложного электронного оборудования в значительной степени определяются эффективностью защиты от деструктивных импульсных перенапряжений. Последние возникают вследствие грозовых явлений, коммутационных процессов в сетях или электромагнитных помех. Для ограничения амплитуды таких перенапряжений до безопасного для изоляции оборудования уровня применяются специальные устройства – ограничители перенапряжения (ОПН).

В этой связи, в условиях роста требований к надёжности электрооборудования проблема защиты от перенапряжений приобретает особую актуальность [1].
Исторически для этих целей использовались искровые промежутки, газоразрядные трубки и кремниевые лавинные диоды. Однако начиная с конца XX века доминирующее положение в данной области заняли металлооксидные ограничители перенапряжения (МО ОПН), основным функциональным элементом которых является варистор на основе оксида цинка (ZnO) с нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой (ВАХ) [1]. Целью данной статьи является анализ ключевых преимуществ, конструкции и принципа действия МО ОПН, объясняющих их технологическое превосходство и широкую область применения.

Принцип действия и сравнительная характеристика основных типов ОПН

Ограничитель перенапряжения – это устройство, включенное параллельно защищаемому оборудованию и предназначенное для шунтирования импульсного тока при превышении порогового напряжения, тем самым ограничивая перенапряжение на приемлемом уровне. Эффективность ОПН определяется такими параметрами, как время срабатывания, остаточное напряжение при пропускании импульсного тока, энергетическая способность и способность к самовосстановлению после срабатывания (рисунок 1).

К основным историческим и альтернативным типам ОПН относятся так называемые искровые промежутки. Это простейшие устройства, в которых защитное действие основано на возникновении электрического пробоя в воздушном зазоре при достижении определенного напряжения. Характеризуются высоким быстродействием, но нестабильностью напряжения пробоя и необходимостью гашения сопровождающего тока дуги.

Также, существуют газонаполненные разрядники (газоразрядные трубки). Это усовершенствованный вариант искрового промежутка, заполненный инертным газом, что обеспечивает более стабильное и меньшее напряжение пробоя. Однако им также присуща инерционность и проблема прерывания тока промышленной частоты.

Рисунок 1 - Схема включения ОПН параллельно защищаемому оборудованию

Наиболее современным считаются полупроводниковые ОПН на основе кремниевых лавинных диодов. Они обладают высоким быстродействием и точным порогом срабатывания. Основным недостатком является относительно низкая энергоёмкость, что ограничивает их применение для поглощения мощных импульсов тока, характерных для прямых и близких грозовых разрядов.

Таблица 1 - Сравнительные характеристики основных типов ОПН

Конструкция и рабочие характеристики металлооксидных ОПН

Сердечник современного МО ОПН представляет собой таблетку, спечённую из гранулированного оксида цинка (ZnO) с добавлением легирующих оксидов других металлов (Bi₂O₃, CoO, MnO₂ и др.). Эта микроструктура (рисунок 2) формирует сеть нелинейных зеркальных барьеров типа p-n переходов на границах зерен ZnO, что и обуславливает резко нелинейную ВАХ всего элемента [2].

Ключевой особенностью ZnO-варисторов является их микроструктура, состоящая из полупроводящих зерен ZnO, разделённых изолирующими прослойками из оксидов висмута и других элементов, которые и формируют потенциальные барьеры» [3].



Рисунок 2 - Микроструктура металлооксидного варистора

В рабочем режиме при номинальном напряжении сети ток через варистор составляет доли миллиампера (ток утечки) благодаря высокому сопротивлению барьеров. При возникновении импульса перенапряжения высокое электрическое поле вызывает туннелирование носителей заряда через барьеры, что приводит к лавинообразному падению сопротивления на несколько порядков. Варистор шунтирует основной импульсный ток, ограничивая напряжение на своих выводах (остаточное напряжение). После спада импульса он возвращается в высокоомное состояние. Нелинейность этой характеристики детально изучена в работе [4]. ВАХ металлооксидного варистора представлена на рисунке 3.



Рисунок 3 - Нелинейная вольтамперная характеристика (ВАХ) металлооксидного варистора

Ключевые преимущества МО ОПН

Доминирующее положение МО ОПН на рынке обусловлено рядом фундаментальных преимуществ, которые наглядно представлены в Таблице 1 и включают:

Отсутствие дискретного напряжения пробоя: МО ОПН не имеют фиксированного порога зажигания. Ограничение напряжения начинается плавно при превышении определенного уровня, определяемого ВАХ, что обеспечивает более точную и прогнозируемую защиту. 

Высокая энергетическая способность: Благодаря объемной конструкции и высокой теплоёмкости оксидно-цинковой керамики, МО ОПН способны поглощать и рассеивать значительную энергию (до сотен кДж) в виде тепла без разрушения, что критически важно для отвода токов молнии [5]. Исследования показывают, что оптимизация микроструктуры позволяет существенно повысить энергопоглощающую способность варисторов [6].

Низкое остаточное напряжение: Способность эффективно ограничивать перенапряжение даже при протекании больших импульсных токов. Коэффициент ограничения (отношение остаточного напряжения к номинальному) у современных МО ОПН является одним из лучших среди всех типов ограничителей.

Высокое быстродействие: Время отклика МО ОПН обусловлено физикой полупроводниковых процессов и составляет наносекунды, что позволяет эффективно подавлять крутые фронты импульсов.

Автоматическое восстановление после срабатывания: После прохождения импульса ток через варистор снижается до значения утечки без необходимости внешнего вмешательства для гашения дуги, в отличие от разрядников.

Долговременная стабильность и надёжность: При соблюдении условий эксплуатации и отсутствии перегрузок, МО ОПН обладают длительным сроком службы, сопоставимым со сроком службы защищаемого оборудования, однако требуют контроля для своевременной диагностики.

Конструктивная компактность и простота монтажа: Высокие удельные характеристики позволяют создавать устройства с малыми габаритами и массой.
Конструктивная схема блока ОПН с указанием элементов защиты приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Конструктивная схема блока ОПН с указанием элементов защиты

Ограничения и недостатки МО ОПН

При проектировании систем защиты необходимо учитывать основные особенности МО ОПН, такие как:

Ток утечки и тепловой режим: Наличие постоянного тока утечки (обычно единицы миллиампер) приводит к выделению тепла и требует учёта теплового баланса, особенно при длительном воздействии повышенного напряжения.

Деградация при многократных импульсных воздействиях: Каждое срабатывание приводит к микроскопическим изменениям в структуре варистора, что со временем может вызвать рост тока утечки и смещение ВАХ. Это требует периодического контроля и расчёта ресурса по количеству ожидаемых импульсов, что подробно рассмотрено в [3, 7]. Также необходимо учитывать тот факт, что процесс старения варистора носит кумулятивный характер и напрямую зависит от количества и энергии пропущенных импульсов [3].

Возможность катастрофического отказа при перегрузке: В случае превышения максимально допустимой поглощаемой энергии или при длительном воздействии напряжения выше максимального непрерывного рабочего, варистор может подвергнуться тепловому пробою, сопровождающемуся, как правило, разрушением корпуса. Для предотвращения этого применяют предохранительные устройства и терморазмыкатели. Важность учёта энергетической стойкости при проектировании подчёркивается в работе [5].

Области применения

Универсальность характеристик обусловила применение МО ОПН в различных сферах (рисунок 5).

Рисунок 5 - Основные области применения МО ОПН

Высоковольтная и распределительная энергетика: Защита силовых трансформаторов, вращающихся машин, шин и ячеек распределительных устройств (КРУ, КСО) на подстанциях.

Промышленная электроника и приводы: Защита частотно-регулируемых приводов (ЧРП), программируемых логических контроллеров (ПЛК) и автоматики.
Системы связи и телекоммуникаций: Защита абонентских линий, оборудования сетей передачи данных, базовых станций.

Бытовой и коммерческий сектор: Встроенная защита в устройствах вторичного электропитания, а также в виде модульных устройств для установки в распределительные щиты (УЗИП).

Заключение

Проведённый анализ позволяет утверждать, что доминирование металлооксидных ограничителей перенапряжения в современных системах защиты является закономерным результатом их превосходных технических характеристик. Сочетание высокой энергоёмкости, низкого остаточного напряжения, наносекундного быстродействия и способности к самовосстановлению обеспечивает МО ОПН неоспоримые преимущества перед традиционными разрядниками и полупроводниковыми диодными ограничителями.

МО ОПН представляют собой наиболее совершенный на сегодняшний день класс аппаратов для ограничения коммутационных и грозовых перенапряжений.
Несмотря на наличие таких эксплуатационных ограничений, как ток утечки и постепенная деградация, корректный расчёт, выбор номинальных параметров с учётом ожидаемых воздействий [5, 6] и регулярный диагностический контроль [1, 7] позволяют реализовать высоконадёжные и долговечные системы защиты электрооборудования любого класса напряжения. Дальнейшее развитие технологии связано с повышением стабильности ВАХ, увеличением удельной энергоёмкости и интеграцией средств мониторинга состояния непосредственно в конструкцию ограничителя.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Андреев А. Н., Беспалов Н. В., Чукарин А. А. Металлооксидные ограничители перенапряжения: проблемы диагностики и методы повышения надежности // Электротехника. – 2023. – № 1. – С. 15–22.
2.    Григорян Р. Г., Данилов В. П., Шадрин Е. С. Анализ деградации металлооксидных варисторов в условиях многократных импульсных воздействий // Научно-технический вестник Поволжья. – 2025. – № 2. – С. 65–72.
3.    Анализ методов повышения энергоэффективности систем энергоснабжения / С. С. Харлампьева, С. В. Горелов, Н. Н. Сахнова [и др.] // Актуальные вопросы энергетики : Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Омск, 14–15 мая 2021 года / Редколлегия: П. А. Батраков (отв. ред.) [и др.]. – Омск: Омский государственный технический университет, 2021. – С. 14-18. – EDN SVHHKO.
4.    A. N. Kovalenko, M. V. Shevchenko, O. A. Vovk. Nonlinear Characteristics of Metal-Oxide Varistors for Overvoltage Protection in Power Systems // Journal of Electrical Engineering & Technology. – Vol. 19, No. 4, July 2024. pp. 1245–1254.
5.    Виноградов Ю. И., Краснопольский Г. Б., Терешонок О. М. Энергетическая стойкость металлооксидных ограничителей перенапряжения // Электроэнергетика сегодня. – 2024. – № 3. – С. 35–42.
6.    J. Zhang, Y. Wang, H. Liang. Enhancing Energy Absorption Capability of Zinc Oxide-Based Surge Arresters Through Microstructure Optimization // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – Vol. 32, Issue 2, April 2025. pp. 1123–1131.
7.    Емельянов, Н. И. Экспериментальные исследования и моделирование коммутационных перенапряжений и средств защиты присоединений с трансформаторами 6-35 кВ / Н. И. Емельянов, М. В. Ильиных, М. Л. Кириленко // Релейная защита и автоматизация. – 2021. – № 3(44). – С. 58-69. – EDN MOFMPV.


ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Ткаченко К. В. – студент группы 8Э(з)-31, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
Сташко В. И. – к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул. 

ССЫЛКА ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ

Ткаченко К. В. Металлооксидные ограничители перенапряжения (ОПН): Анализ причин доминирования в системах защиты электрооборудования / К. В. Ткаченко, В. И. Сташко // Энерджинет / ООО «МЦ ЭОР». – 2025. – № 1. URL: https://nopak.ru/251-821 (дата обращения: 22.01.2025). – Текст: электронный.