Нужна ли диагностика ОПН в процессе эксплуатации?
Нужна ли диагностика ОПН в процессе эксплуатации?
к.т.н. Демьяненко Ксения Борисовна
Введение.
Ограничители перенапряжений (ОПН) на основе оксидно-цинковых варисторов около тридцати лет успешно эксплуатируются в отечественных энергосистемах. Основным отличием ограничителей от традиционных вентильных разрядников является экстремально нелинейная вольтамперная характеристика (ВАХ) варисторов, что делает излишним применение в конструкции искровых промежутков, предназначенных для отделения рабочего элемента (резистора или варистора) от сети.
Эксплуатационные характеристики рабочего элемента ОПН - варисторов развиваются и совершенствуются благодаря различным технологическим приемам и улучшением формулы их химического состава. Изоляционные покрышки ограничителя, которые до 90-ых годов выпускались в фарфоровой изоляции, все больше вытесняются ограничителями в полимерной изоляции, технология производства и химический состав которой также совершенствуется с каждым годом. Столь значительные завоевания в производстве ОПН вызывают логичный вопрос у потребителей этой продукции – нужна ли диагностика ограничителей в процессе эксплуатации? Понятно, что персоналу подстанций хочется установить новое современное оборудование не требующего обслуживания в течение гарантированного срока службы (для ОПН – 30 лет). Однако и в нормативной документации [1] указано на необходимость периодических обследований ОПН в процессе эксплуатации, и наше мнение, сформированное на многолетнем опыте эксплуатации ограничителей перенапряжений различных конструкций, находящихся в различных климатических условиях, говорит об этом. В рамках этой статьи хочется объяснить, почему это необходимо и рассказать об изменениях
происходящих с ограничителем в процессе эксплуатации, которые и требуют диагностирования.
Все воздействия на ОПН можно условно разделить на три группы:
I Ограничитель перенапряжений и основной рабочий элемент – варисторы – подвергаются комплексу электрических воздействий:
- длительно приложенному рабочему напряжению;
- временным повышениям напряжения f=50Гц (квазистационарным перенапряжениям);
- грозовым и коммутационным перенапряжениям.
II Кроме прямых электрических воздействий на ОПН не в меньшей мере влияют конструктивно- эксплуатационные факторы, а именно:
- неравномерное распределение напряжение по высоте ограничителя при некорректном расчете экранирующих колец и не оптимальном расположение варисторов внутри аппарата;
- загрязнение и увлажнение поверхности ограничителя, которое вызывает увеличение активного тока в отдельных варисторах;
- тепловые характеристики аппарата, то есть способность отводить выделенное при различных эксплуатационных воздействиях тепло с поверхности варисторов.
III Нельзя сбрасывать со счетов возможность некачественного изготовления ОПН, а также и возможность ненормированных эксплуатационных воздействий на ограничитель, которые преждевременно могут привести к выходу аппарата из строя.
Настоящая работа посвящена влиянию эксплуатационных воздействий на ОПН, поскольку все вышеперечисленные проблемы невозможно осветить в рамках одной статьи.
На рис.1 схематически представлена картина процессов, происходящих с ОПН в процессе эксплуатации, подвергающихся воздействиям из первой (условной) группы. Следует отметить, что в эту группу добавлена деградация варисторов за счет протекания химических реакций материала варисторов с окружающей средой.
Рис.1 Схематическая картина процессов, происходящих с ОПН в процессе эксплуатации.
Для объяснения процессов, происходящих с варисторами, необходимо несколько слов сказать о материале самого варистора. Он на 90-95% состоит из окиси цинка и добавок малых количеств окислов и двуокислов металлов (висмута, кобальта, марганца, хрома и др.) высокой химической чистоты и производится по технологии, близкой к керамической (высокотемпературный обжиг в атмосфере кислорода). Это приводит к получению материала с высокой нелинейностью ВАХ.
Вольтамперная характеристика (рис.2) получена при квалификационных испытаниях ограничителей перенапряжений ЗАО «Полимер-Аппарат» на варисторах фирмы EPCOS. Ее можно представить в виде:
U =· СIa (1), где
U и I - значения напряжения и тока соответственно,
С и a – коэффициенты нелинейности, изменяющиеся в различных областях ВАХ.
Рис.2 Вольтамперная характеристика варистора.
ВАХ можно условно разделить на три участка:
1. ВАХ измерена при постоянном напряжении (голубая кривая) и при напряжении f=50Гц (черная кривая). Токи, протекающие через варистор, составляют от микроампер, где ВАХ подчиняется закону Ома, до десятков миллиампер, где ВАХ имеет невысокую нелинейность (a=0,3-0,5).
При переменном напряжении промышленной частоты не превышающем номинальное напряжение (то есть 1,25-1,3 от наибольшего рабочего напряжения) ток, протекающий через варистор, состоит на 90-95% из емкостного тока, имеющего линейную зависимость от напряжения, и на 5-10% из активного тока, имеющего нелинейный характер зависимости тока от напряжения.
2 ВАХ измерена при коммутационных импульсах (зеленая кривая), длительность воздействия которых составляет миллисекунды, а ВАХ имеет самый высокий коэффициент нелинейности (a=0,015-0,04).
3 ВАХ получена при грозовых воздействиях, длительность которых составляет микросекунды, а коэффициент нелинейности увеличивается до a=0,1.
Следует отметить, что структура варисторов может изменить свои параметры или даже полностью потерять свои нелинейные свойства, как за счет комплекса эксплуатационных воздействий, так и при не корректном расчете основных технических характеристик ОПН. Рассмотрим подробнее влияние каждого из эксплуатационных воздействий на ресурс ограничителя перенапряжений.
1 Режим длительно приложенного рабочего напряжения.
Исследования характеристик ОПН при длительно приложенном рабочем напряжении проводились в течение многих лет, как в Советском Союзе, так и за рубежом [2-6]. При разработке ОПН в 70–80-ых годах был проведен большой объем исследований влияния различных факторов на срок службы ОПН: уровня приложенного напряжения, конструкции аппарата, температуры окружающей среды, качества варисторов [2,3]. На основании этих исследований были получены эмпирические зависимости срока службы от этих факторов, позволяющие рассчитывать гарантированный срок службы ограничителя.
На рис.3 представлена экспериментальная зависимость величины активной мощности, выделяющейся в варисторах, в процессе длительных испытаний напряжением ƒ=50Гц от времени. Она получена на варисторах первого поколения (так называемых «старящихся») производства НПО «Электрокерамика». Испытания варисторов при длительно приложенном напряжении проводились в следующем режиме: напряжение и температура окружающей среды заданного уровня поддерживались неизменными, а активных мощность, выделяющаяся в варисторах, измерялась в процессе эксперимента.
Рис.3 Зависимость активной мощности от времени при U=1,3Uндр и температуре окружающей среды 450 С
Как видно, активная мощность монотонно нарастает во времени, что в конечном итоге может привести к выходу ограничителя из строя за счет потери тепловой устойчивости.
Одной из основных целей многочисленных исследований проводимых как у нас, так и за рубежом, было добиться отсутствия деградации структуры варисторов в процессе эксплуатации. В 80- ых годах технология производства варисторов была усовершенствована, появились так называемые «нестарещиеся» варисторы. Хочется дать некоторые пояснения к этому явлению. Структурно материал варистора состоит из зерна окиси цинка с диаметром 5-20 мк с сопротивлением 0,1-1,0 Ом×см и межзернистой фазы с размерами 0,01-0,1мк с сопротивлением в 1013-1015больше, чем окись цинка. Межзернистая фаза, обволакивающая зерно окиси цинка, структурно состоит из кристаллической пирохлорной фазы и химически связанной аморфной прослойки. Многие исследования показали, что за деградацию варистора при длительном приложении напряжения промышленной частоты отвечает именно аморфная прослойка, находящаяся в неравновесном состоянии [4]. Дополнительная температурная обработка варисторной керамики при температуре 500-550 0С приводит к кристаллизации аморфной прослойки, которая частично устраняет деградацию структуры варисторов при приложении напряжения промышленной частоты. Результаты подобных исследований были применены на практике как при производстве варисторов в НПО «Электрокерамика», так и рядом зарубежных фирм, выпускающих варисторы.
На рис.4 представлена зависимость активной мощности от времени, полученная на современных варисторах фирмы EPCOS в рамках рабочих испытаний ОПН производства «Полимер-Аппарат». Испытания варисторов теперь в соответствии с ГОСТ Р 52725 [7] и МЭК 60099-4[8] проводятся следующим образом: постоянной поддерживается температура варистора (для сертификационных испытаний – 1150 С) и уровень приложенного напряжения, при этом регистрируется величина активной мощности, выделяемой в варисторах. При возрастании выделяемой в варисторах мощности температура окружающей среды снижается для того, чтобы температура варисторов поддерживалась на постоянном уровне. Как видно из рис.4, зависимость выделяемой в варисторах мощности имеет падающий характер.
Рис.4 Зависимость активной мощности, выделяемой в варисторах, от времени воздействующего напряжения f=50Гц при Т=1150 С (1,2,3- №образца).
Можно предположить, что если поставить испытания в условия неизменной температуры окружающей среды, а не варистора, зависимость мощности от времени будет иметь не нарастающий характер. Современные исследования (в основном зарубежные) говорят о том, что не смотря на падающий или не растущий характер зависимости ток, мощность - время, деградация варисторов происходит и выход ограничителя из строя безусловно рано или поздно произойдет. Однако при правильно выборе параметров ОПН это должно произойти после окончания гарантированного срока службы, что схематично отражено на рис.1 зеленым цветом.
2 Импульсные воздействия на ОПН.
В процессе эксплуатации ограничитель подвергается грозовым и коммутационным воздействиям, которые для подтверждения работоспособности ОПН в конкретных эксплуатационных условиях, проходят квалификационные испытания в соответствии с ГОСТ Р 52725-2007, которой аналогичен по требованиям международному стандарту МЭК60099-4 [8]. По нормам к ОПН (или секции ОПН) прикладывается 20 импульсов номинального разрядного тока (грозовые воздействия) и 18 тока пропускной способности (коммутационные воздействия). Контролем успешности испытаний является отсутствие пробоя варистора и изменения остающегося напряжения при номинальном разрядном токе не более чем на 5%, измеренного до и после испытаний, что и должно гарантировать отсутствие критической деградации варисторов от импульсных воздействий в течение всего срока службы.
Однако многочисленные исследования влияния воздействия импульсов различной длительности и амплитуды на изменение ВАХ варисторов показали, что основная деградация ВАХ происходит в области малых токов [5, 9,10], а не в области больших токов. На рис.5 представлена ВАХ, измеренная в области длительно приложенного рабочего напряжения, после приложения определенного количества импульсов номинального разрядного тока.
Рис.5 ВАХ варистора после приложения импульсов номинального разрядного тока.
--------- (1) ток утечки, после импульсных воздействий, измеренный на полярности совпадающей с полярностью импульса.
--------- (2) до импульсных воздействий;
--------- (3) после воздействия двух импульсов;
---------- (4) после воздействия четырех импульсов;
Характер деградации несимметричный, в большей степени изменению подвержена обратная ветвь ВАХ, т.е. измеренная при полярности противоположной полярности подаваемого импульса. В [9] показано, что если принять за критерий изменения принять классификационное напряжение, измеренное при классификационном токе, то основное изменение ВАХ в области рабочего напряжения происходит после воздействия первых 20 импульсов. При подаче большего количества импульсов, характер деградации может быть различным. Может наблюдаться дальнейшее ухудшение ВАХ, а может - и некоторое восстановление характеристик. Количественный анализ этого явления показал, что первоначальная деградация, составляющая менее 6%, практически во времени не изменяется, а составляющая более 6% при измерении через несколько суток в основном составляет более 10%. Это явление наблюдается только при воздействии коротких импульсов (4/10, 8/20кс). Увеличение уровня деградации ВАХ во времени при воздействии импульсов длительностью больше 500мкс не происходит, а в некоторых случаях даже наблюдается некоторое восстановление параметров. Для всех исследуемых случаев деградации ВАХ в области больших токов не наблюдалось, то есть уровень ограничения перенапряжений остается неизменным во времени. Следует отметить, что к выработке рекомендаций по испытаниям ограничителей на импульсные воздействия, выпускаемых НПО «Электрокерамика», при нормировании величин и количества импульсных воздействий, отбракованным критерием служит не только пробой варистора, а и изменение классификационного напряжения не более чем на 5%, то есть изменения ВАХ в области длительно приложенного рабочего напряжения. Аналогичные требования предъявлялись к варисторам производства НИИ «Гириконд» (СН-1, СН-2). Выводы зарубежных исследований аналогичны отечественным, поэтому абсолютно не понятно, почему в нормативные документы МЭК и ГОСТ, а вернее, из МЭКа в ГОСТ попал этот абсолютно непоказательный критерий при проведении импульсных испытаний (изменение остающегося напряжения при номинальном разрядном токе не более чем на 5%, измеренного до и после испытаний). На рис.1 не зря показано, что импульсные воздействия могут привести к увеличению тока утечки.
3 Влияние химических реакций на характеристики варисторов.
Отечественные исследования о влиянии протекания химических реакций материала варисторов с окружающей средой на характеристики варисторов отсутствуют, поэтому вся информация по этому вопросу основывается на зарубежных публикациях. На рис.6 приведена экспериментальная зависимость влияния импульсных воздействий и окислительных процессов на ВАХ варистора. Как видно, окислительные реакции приводят к более значительной деградации, чем импульсные воздействия. Причиной деградации варисторов служат химические реакции материала варисторов с кислородом, выделяющимся во внутреннем пространстве ограничителя, за счет частичных разрядов и возможного коронирования внутренних металлических частей с острыми краями.
Следует отметить, что ограничители перенапряжений в полимерной изоляции производства ЗАО «Полимер-Аппарат» не подвержены химической деградации, поскольку пространство между варисторами и покрышкой ограничителя заполнено герметикам (низкомолекулярным каучуком), то есть окислительные реакции не протекают. Однако химическая деградация не исключена для ОПН как в фарфоровой, так и в полимерной изоляции, у которых внутреннее пространство между покрышкой и варисторами заполнено воздухом (например, ЗАО «Феникс» перешло к выпуску ОПН в полимерной изоляции без герметизации внутреннего пространства).
Рис.6 ВАХ варистора измеренная:
1 - после испытаний в окислительной атмосфере;
2 – после испытаний импульсами номинального разрядного тока;
3 – до испытаний.
4 Влияние квазистационарных перенапряжений на характеристики варисторов.
В процессе эксплуатации ОПН подвергается квазистационарным перенапряжениям, которые могут привести к увеличению токов, протекающих через варисторы, их перегреву и соответственно потери тепловой устойчивости и разрушению аппарата. Для предотвращения этого в рамках квалификационных испытаний проходит определение характеристики «напряжение-время». При этом к ограничителю, нагреваемому до температуры 600С, прикладывается напряжение промышленной частоты определенной кратности и длительности плюс нормируемый коммутационный импульс. Успешностью испытаний служит отсутствие потери тепловой устойчивости.
Различные исследования показывают, что деградации материала варисторов от квазистационарных воздействий не наблюдается, а неприятности (потеря тепловой устойчивости), которые могут произойти с ОПН (красные квадратики на рис.1), являются следствием либо неправильно выбранного или сконструированного ОПН, либо ненормированных воздействий на ОПН в данной точке сети. Бороться с опасными ненормированными квазистационарными перенапряжениями рекомендуется повышением рабочего напряжения ОПН и его энергоемкости и дополнительными схемно-аппаратными решениями.
5 Способы диагностики ОПН.
Диагностика в основном необходима и технико-экономически оправдана для ограничителей на классы напряжения от 110 кВ поскольку:
- стоимость самого ограничителя и защищаемого им оборудования значительно выше стоимости оборудования на классы напряжения до 35кВ;
- характеристики ОПН на классы напряжения от 110кВ с глухо или эффективно заземленной нейтралью рассчитываются на длительно приложенное рабочее фазное напряжение сети. ОПН на классы напряжения до 35 кВ, работающие в сетях с изолированной нейтралью, рассчитываются на длительно приложенное рабочее линейное напряжение. При этом ограничители работают под линейным напряжением только при однофазых или двухфазных к.з., то есть ограниченное время и ресурс варисторов исчерпывается меньше, чем в ОПН на классы напряжения от 110 кВ.
О способах контроля ОПН в эксплуатации сказано достаточно много [10,11] и практически все фирмы, выпускающие ограничители перенапряжений, разрабатывают или свои конструкции приспособлений для диагностики или применяют готовые. При этом все приспособления требуют наличия в конструкции ОПН изолированного основания или изолированного от нижнего фланца вывода с колонки варисторов. Это естественно усложняет и удорожает конструкцию, поэтому является еще одним резоном для систематического контроля ОПН в процессе эксплуатации только на классы напряжения от 110 кВ.
Однако в ряде случаев крайне необходимой является систематическая диагностика ОПН на классы напряжения 6-10 кВ, предназначенные для защиты особо ответственных объектов. На рис.6 представлен ОПН производства ЗАО «Полимер-Аппарат» на класс напряжения 6-10 кВ, который снабжен отделителем. Назначение отделителя - отключение ограничителя от сети при повреждении ОПН, что на 100% заменяет различные приспособления для диагностики ОПН в процессе эксплуатации. Следует заметить, что на настоящий момент это единственная отечественная фирма, выпускающая ОПН подобной конструкции на классы напряжения до 35 кВ с отделителями.
Рис.7 ОПН-10 производства ЗАО «Полимер-Аппарат» в полимерной изоляции с отделителем.
Еще одним способом диагностики является тепловизионное обследование ОПН, не требующее в конструкции ОПН наличия изолированного основания. Однако оно дает очень неоднозначные результаты, о чем достаточно подробно написано в [11] , с выводами автора по этому пункту мы полностью согласны.
Выводы:
1 Успешная работы ОПН в течение гарантированного срока службы (30 лет) обеспечивается:
- применением при изготовлении ОПН «нестарещиеся» варисторов и высококачественных комплектующих деталей;
- комплексом квалификационных и приемо-сдаточных испытаний ОПН, проводимых в соответствии с ГОСТ Р52275;
- безусловным соблюдением технико-технологического регламента при производстве ОПН;
- выбором требуемых характеристик ОПН для данной точки сети.
Однако все вышесказанное не исключает наличие деградации характеристик ОПН в процессе эксплуатации, величина которой не должна достигать критической за гарантированный срок службы, поэтому рекомендуется проводить диагностику ОПН в процессе эксплуатации.
2 Еще более необходима диагностика ОПН из-за возможной ускоренной деградации ОПН, которая может преждевременно привести к выходу аппарата из строя, из-за:
- неравномерного распределение напряжение по высоте ограничителя при некорректном расчете экранирующих колец и не оптимальном расположение варисторов внутри аппарата;
- ошибки при расчете основные технических характеристик ОПН;
- некачественного изготовление ОПН, то есть нарушения технологического регламента;
- ненормированных эксплуатационных воздействий на ограничитель.
Литература
1 РД 34.45-51.300-97 Объем и нормы испытаний электрооборудования.
2 К.Б. Демьяненко. «Исследование теплового режима работы ограничителей перенапряжений при длительном воздействии напряжения частотой 50Гц». Известия ВУЗов СССР «Энергетика», 1981, №1.
3 K. Demyanenko « Stability of highly nonliner zink-oxide arrestors under the prolongted action of a commerial frequency potential ( Zno surqe arresters)» Sov. Eltectr. Eng. (USA) Vol. 55, № 9, p.46-51
4 К.Б.Демьяненко, А.М.Чакк «Повышение стабильности нелинейных резисторов к длительному воздействию электрического тока». Материалы электронной техники. Сборник научный трудов. 1987г.
5 С. Heinrich, V Hinrichsen “Diagnostics’ and monitoring of Metal-Oxide Surge Arresters in High-Voltage Network-Comparison of Existing and Newly Developed Procedures”. IEEE, 07-2000.
6 Б.Рихтер, В. Крейцбург. «Испытание и диагностика нелинейных ограничителей перенапряжений». АО «АББ – высоковольтные технологии». (Швейцария) 1999г.
7 ГОСТ Р 52275- 2007 «Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного напряжения от 3 до 750 кВ».
8 IEC 60099-4 Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c.systems.
9 К.Б. Демьяненко, Ф.К. Медведев. «Исследование импульсных характеристик оксидно-цинковых варисторов». Электронная техника. Сер. 5, Выпуск 1(74), 1989г. с.24-29.
10 К.Б. Демьяненко «Методы диагностики ОПН в процессе эксплуатации» Сборник материалов научно-технической конференции «Науч. Аспекты и актуальные проблемы разработки, производства, испытаний и применения ОПН», Спб,2001г.
11 В.Л.Дмитриев « Диагностика ОПН в эксплуатации. Достоверность оценки состояния». Новости электротехники. 5(47) 2007
Смежная информация: