К ВОПРОСУ О НЕОБХОДИМОСТИ ДИАГНОСТИКИ ОПН В

ЭКСПЛУАТАЦИЯ
К ВОПРОСУ О НЕОБХОДИМОСТИ
ДИАГНОСТИКИ ОПН В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Демьяненко К.Б., канд.техн.наук
зам. ген. директора по научной работе
НПО ЗАО «Полимер-Аппарат», г. Санкт-Петербург
О
граничители 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 вольт-амперная 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 улучшению формулы их химического состава.
Изоляционные покрышки ограничителя, которые до
90-х годов прошлого века выпускались в фарфоровой
изоляции, все больше вытесняются ограничителями в
полимерной изоляции, технология производства и химический состав которой также совершенствуются 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 требующее 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.
Ниже приведены обоснования необходимости периодических обследований ОПН и показаны изменения,
происходящие 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 = 50 Гц
(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 напряжения по
высоте ограничителя при некорректном расчете экранирующих колец и не оптимальном расположении варисторов внутри аппарата;
- загрязнение и увлажнение поверхности ограничителя, которые вызывают 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, подвергающихся воздействиям из первой (условной) группы во время эксплуатации. Следует отметить, что в эту группу добавлена
Рис. 1. Схематическая картина процессов, происходящих с ОПН во время эксплуатации
43
3/2008
деградация варисторов за счет протекания химических
реакций материала варисторов с окружающей средой.
Для объяснения процессов, происходящих с варисторами, необходимо несколько слов сказать о материале самого варистора. Он на 90-95 % состоит из оксида цинка и добавок малых количеств оксидов и диоксидов 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.
Вольт-амперная характеристика (рис. 2) получена при квалификационных испытаниях ограничителей
перенапряжений ЗАО «Полимер-Аппарат» на варисторах фирмы EPCOS. Ее можно представить в виде
U = С•I α ,
(1)
где U и I — значения напряжения и тока, соответственно, С и a — коэффициенты нелинейности, изменяющиеся в различных областях ВАХ.
эксплуатационных воздействий, так и при некорректном 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-х 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 = 50 Гц 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 активная мощность, выделяющаяся в варисторах, измерялась в процессе эксперимента.
Как видно, активная мощность монотонно нарастает во времени, что в конечном итоге может привести к
выходу ограничителя из строя за счет потери тепловой
устойчивости.
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика варистора
ВАХ можно условно разделить на три участка.
1. ВАХ измерена при постоянном напряжении (голубая кривая) и при напряжении f = 50 Гц (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
44
Рис. 3. Зависимость активной мощности от времени
при U =1,3 Uндр и температуре окружающей
среды 45 oС
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-х годах технология производства варисторов была усовершенствована, появились так называемые «нестарящиеся»
варисторы. Структурно материал варистора состоит
из зерна оксида цинка с диаметром 5-20 мк с сопротивлением 0,1-1,0 Ом•см и межзернистой фазы с
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
размерами 0,01-0,1мк с сопротивлением в 1013-1015
больше, чем оксид цинка. Межзернистая фаза, обволакивающая зерно оксида 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 оС 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 – 115 оС) 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 = 50 Гц при Т =115 оС
(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 ненарастающий характер. Современные исследования (в основном зарубежные) говорят о том, что,
несмотря на падающий или нерастущий характер зависимости ток, мощность - время, деградация варисторов
происходит, и выход ограничителя из строя безусловно
рано или поздно произойдет. Однако при правильном
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, который аналогичен по требованиям
международному стандарту МЭК 60099-4. 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.
Характер деградации несимметричный, в большей
степени изменению подвержена обратная ветвь ВАХ,
то есть измеренная при полярности, противоположной
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
полярности подаваемого импульса. В [9] показано, что
если за критерий изменения принять классификационное напряжение, измеренное при классификационном
токе, то основное изменение ВАХ в области рабочего
напряжения происходит после воздействия первых
45
3/2008
20 импульсов. При подаче большего количества импульсов характер деградации может быть различным.
Может наблюдаться дальнейшее ухудшение ВАХ, а
возможно 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, 8/20 мкс). Увеличение уровня деградации ВАХ во времени при воздействии импульсов
длительностью больше 500 мкс 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 отбраковывающим критерием служит не только пробой варистора, но 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 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 четко показано, что импульсные воздействия могут привести к увеличению
тока утечки.
3. Влияние химических реакций на характеристики варисторов
Отечественные исследования влияния 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
46
Рис. 6. ВАХ варистора, измеренная:
1 — после испытаний в окислительной атмосфере;
2 — после испытаний импульсами номинального
разрядного тока;
3 — до испытаний
покрышкой ограничителя заполнено герметиком (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).
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, потере тепловой устойчивости и разрушению аппарата. Для предотвращения этого в рамках квалификационных испытаний проходит определение характеристики «напряжение-время». При этом к ограничителю, нагреваемому до температуры 60 оС, 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 ограничителей перенапряжений в
процессе эксплуатации в основном необходима и технико-экономически оправдана для ОПН на классы напряжения от 110 кВ поскольку:
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
- стоимость самого ограничителя и защищаемого
им оборудования значительно выше стоимости оборудования на классы напряжения до 35 кВ;
- характеристики ОПН на классы напряжения от
110 кВ 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, предназначенных для защиты особо ответственных объектов. На рис. 7 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] , и с выводами
автора по этому пункту нельзя не согласиться.
ВЫВОДЫ
1. Успешная работа ОПН в течение гарантированного срока службы (30 лет) обеспечивается:
- применением при изготовлении ОПН «нестарящихся» варисторов и высококачественных комплектующих деталей;
- комплексом квалификационных и приемосдаточных испытаний ОПН, проводимых в соответствии с ГОСТ Р 52275;
- безусловным соблюдением технико-технологического регламента при производстве ОПН;
- выбором требуемых характеристик ОПН для
данной точки сети.
Однако все вышесказанное не исключает наличия 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 изза возможной ускоренной деградации ОПН, которая может преждевременно привести к выходу
аппарата из строя из-за:
- неравномерного распределения напряжения
по высоте ограничителя при некорректном расчете экранирующих колец и неоптимальном расположении варисторов внутри аппарата;
- ошибки при расчете основных технических
характеристик ОПН;
- некачественного изготовления ОПН, то есть
нарушения технологического регламента;
- ненормированных эксплуатационных воздействий на ограничитель.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования.
2. Демьяненко К.Б. Исследование теплового режима работы ограничителей перенапряжений при длительном воздействии напряжения частотой 50 Гц. — Изв. вузов, 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. Демьяненко К.Б., Чакк А.М. Повышение стабильности нелинейных резисторов к длительному воздействию электрического тока. В
кн.: Материалы электронной техники. Сб. научн. тр. 1987.
5. С. Heinrich, V Hinrichsen “Diagnostics’ and monitoring of MetalOxide Surge Arresters in High-Voltage Network-Comparison of Existing
and Newly Developed Procedures”. IEEE, 07-2000.
6. Рихтер Б., Крейцбург В. Испытание и диагностика нелинейных
ограничителей перенапряжений. АО «АББ – высоковольтные технологии». (Швейцария) 1999.
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. Демьяненко К.Б., Медведев Ф.К. Исследование импульсных
характеристик оксидно-цинковых варисторов. — Электронная техника. Сер. 5, Выпуск 1(74), 1989.
10. Демьяненко К.Б. Методы диагностики ОПН в процессе эксплуатации. — Сб. мат. научн.-технич. конф. «Науч. аспекты и актуальные проблемы разработки, производства, испытаний и применения
ОПН», Спб, 2001.
11. Дмитриев В.Л. Диагностика ОПН в эксплуатации. Достоверность оценки состояния. — Новости электротехники, 2007, № 5(47).
47