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 =· СI^a    (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=1,3U_ндр  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