CC BY
139
УДК 621.311
М.Б.Баранник, А.В.Евстигнеев, В.В.Колобов
АСПЕКТЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДОСТАТОЧНОСТИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СРАБАТЫВАНИЯ ОПН
Аннотация
Дано краткое описание различных типов регистраторов срабатывания вентильных разрядников и ОПН. Рассмотрены вопросы их применения в условиях действующих подстанций. Приведены устройство и описание принципа работы регистратора срабатываний ОПН, разработанного в ЦФТПЭС КНЦ РАН. Представлены результаты! исследования электромагнитной совместимости разработанного устройства при эксплуатации.
Ключевые слова:
ограничители перенапряжений нелинейные, импульсные токи, регистратор срабатываний, электромагнитная совместимость.
M.B.Barannik, A.V.Evstigneev, V.V.Kolobov
ASPECTS OF FUNCTIONALITY AND ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF SURGE COUNTERS
Abstract
Several types of surge counters are described. Some reasons for using surge counters on arresters are considered. Results of development of a surge counter for arresters at the Centre of Physical and Technical Problems of the Northern Energetics of KSC RAS are presented. Electromagnetic compatibility aspects of the device are described.
Keywords:
surge arresters, switching and lightning surge currents, surge counter, electromagnetic compatibility.
Исторически первыми появились системы регистрации срабатываний вентильных разрядников предыдущего относительно ОПН поколения аппаратов, предназначенных для защиты оборудования сетей от импульсных перенапряжений. В цепи заземления вентильных разрядников устанавливались счетчики числа срабатываний. Необходимость установки таких устройств была тесно связана с принципом работы вентильных разрядников, имеющих последовательные искровые промежутки. При возникновении импульсных перенапряжений опасной величины (как правило, грозовых перенапряжений) искровой промежуток пробивался и в нелинейном сопротивлении разрядника протекал ток, что приводило к ограничению перенапряжений за счет перехода энергии перенапряжений в тепловую, выделяющуюся в нелинейных элементах.
Помимо импульсного тока, в разряднике протекал сопровождающий ток промышленной частоты. При первом переходе тока через ноль дуга в искровом промежутке гасла и разрядник переходил в исходное состояние. Величина сопровождающего тока [1] могла достигать десятков ампер, но не превосходила 80-100 А, так как в противном случае искровой промежуток не обеспечивал гашение дуги (в разрядниках легкого режима по ГОСТ 16357-83). Энергия, выделяющаяся в нелинейном сопротивлении разрядника за одно срабатывание искрового промежутка, может быть определена как:
W - = W— + W -
DA r EII + г 50Ао ’
где WимП - энергия импульсного тока; W50 Гц - энергия сопровождающего тока промышленной частоты.
Так как нелинейность вольт-амперной характеристики элементов разрядников была выражена слабо, сопровождающий ток был заметной величины и при каждом срабатывании давал ощутимое тепловыделение за счет энергии Ш50 Гц вне зависимости от того, какой энергией обладали импульсные перенапряжения WИмП• С учетом свойств материала нелинейных элементов (как правило, это вилит) каждое срабатывание искрового промежутка вне зависимости от энергии импульсных перенапряжений приводило к заметному снижению остаточного ресурса элементов разрядника.
Согласно [2] вентильный разрядник рассчитан на 20-30 срабатываний. Если число срабатываний, зафиксированных в ходе эксплуатации при помощи счетчиков, оказывалось заметно больше, то это являлось основанием для вывода разрядника из эксплуатации. Поскольку для разрядника важным является сам факт срабатывания, т.е. число случаев протекания сопровождающего тока, то параметры импульсных токов (величина WиМП) имели второстепенное значение. Это позволяло использовать счетчики простой конструкции.
В настоящее время широкое распространение получил новый тип защитных аппаратов - ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН). Такой защитный аппарат не имеет искровых промежутков. Основным элементом ОПН являются оксидно-цинковые варисторы (ОЦВ). Принцип действия ОПН основан на том, что ОЦВ имеют резко нелинейную вольт-амперную характеристику. При отсутствии перенапряжений ОПН не пропускает ток, но как только на участке сети возникает перенапряжение, сопротивление ОПН резко снижается, что и обеспечивает эффект защиты от перенапряжения. После окончания действия перенапряжения на выводах ОПН его сопротивление опять возрастает. Переход из «закрытого» в «открытое» состояние занимает единицы наносекунд. Кроме высокой скорости срабатывания ОПН обладает еще рядом преимуществ. Одним из них является стабильность характеристики ОЦВ после неоднократного срабатывания вплоть до окончания указанного времени эксплуатации [3].
В процессе эксплуатации ОПН подвергаются воздействию как рабочего напряжения сети, так и различных видов перенапряжений. Достаточно часто возникает вопрос о необходимости оснащения ОПН регистраторами срабатываний [4]. Как правило, речь идет об использовании регистраторов лишь совместно с ОПН класса напряжения 110-750 кВ, поскольку стоимость таких устройств регистрации оказывается высокой по сравнению со стоимостью самих ОПН на напряжение 6-35 кВ.
Основная цель установки регистраторов срабатывания на современных оксидно-цинковых ограничителях - это выявление конкретных аппаратов и участков сети, подверженных большому количеству перенапряжений, вызывающих
срабатывание ОПН. Причинами перенапряжений могут быть коммутации, короткие замыкания на линии вследствие попадания молнии. В этом случае хотя и подтверждается необходимость применения ОПН, может быть оправдано принятие некоторых предупредительных мер для ограничения количества перенапряжений.
ОПН рассчитаны на длительное воздействие напряжения иНРО промышленной частоты. В случае если напряжение промышленной частоты не повышается сверх иНРО, заметная энергия может выделяться в варисторах ОПН лишь при импульсных перенапряжениях, сопровождаемых импульсными токами:
"III г Е11 •
При правильном выборе иНРО ресурс ОПН определяется импульсными токами и, в отличие от разрядников, не зависит от тока проводимости под рабочим напряжением сети. Степень опасности для ОПН импульсных токов определяется выделяющейся при их протекании энергией:
ї
^ЕЇІ = {и(ї) ' І(ї) ' Ж ,
0
которая зависит как от величины, так и от длительности импульсного тока. Вместе с тем регистраторы числа срабатываний реагируют на факт протекания тока, величина которого больше определенного значения, и никак не учитывают форму импульсного тока, а значит не дают представления об энергии, которая выделяется в ОПН.
Для иллюстрации этого на рис.1 приведены два импульса тока при грозовых перенапряжениях в типовом ОПН 110 кВ одинаковой амплитуды и различной длительности. На рис.2 приведены расчетные энергии, выделяющиеся в ОПН под воздействием этих импульсов с учетом того, что остающееся напряжение при грозовом импульсном токе 2-10 кА формы 8/20 мкс составляет 250 кВ. Как видно из рисунка, несмотря на равенство максимальных значений токов (около 4 кА), выделяющаяся энергия для первого импульса (около 10 кДж) в 4 раза меньше, чем для второго (около 40 кДж).
5000 4000 3000 2000 1000 о
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
(, мс
Рис.1. Осциллограмма двух грозовых импульсных токов с одинаковой амплитудой, но различной длительностью
— 2
- 1 —
/
0,00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
(, МС
Рис. 2. Расчетная энергия, выделяющаяся в типовом ОПН 110 кВ при протекании двух одинаковых по амплитуде, но различных по длительности импульсов тока: с энергией около 10 кДж (1) и с энергией около 40 кДж (2)
Счетчики числа срабатываний (при должном принципе работы и качестве изготовления) могут давать представление лишь о том, сколько раз ОПН пропускал импульсные токи. Такая информация теоретически может быть полезна для того, чтобы оценить эффективность работы ОПН в той или иной точке сети: если ОПН не работает, то зачем его ставить? Однако на практике даже в случае нулевых показаний счетчика отказ от установки ОПН вряд ли возможен. Во-первых, потому что нет уверенности в корректной работе счетчика, а во-вторых - вследствие статистической природы грозовых и коммутационных перенапряжений. Например, согласно [5] опасные грозовые перенапряжения, способные повредить изоляцию оборудования распределительного устройства, могут в типовых схемах возникать один раз в сотни лет эксплуатации, т.е. вполне возможно ни разу за срок службы конкретного ОПН (25-30 лет).
1(1). А
Действительно, полезную информацию о срабатываниях ОПН могли бы дать более сложные по сравнению со счетчиками устройства - такие, которые давали бы представление о выделяющейся в ОПН энергии, т.е. которые были бы построены на принципе интегрирования кривой тока [4]. Подобные устройства, очевидно, будут гораздо дороже простейших счетчиков, и об их массовом применении совместно с ОПН 110-750 кВ говорить не приходится.
Предположим, при помощи сложных устройств регистрации будет достоверно известна суммарная величина энергии '^ОПнУМ перенапряжений, которая выделилась в ОПН в процессе эксплуатации. Эту энергию можно было бы использовать для принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации ОПН только в том случае, если бы был известен ресурс конкретного ОПН по энергии '^ОПНМКС.
Понятие ресурса ОПН рассмотрено в [5] (приложение 8), где в качестве примера приведены расчеты для ОПН 750 кВ. Несмотря на это, отечественные и зарубежные производители ОПН понятие «ресурс ОПН» не вводят (по крайней мере в том смысле, о котором говорится в [5]), и оно не используется при выборе ОПН.
Методика выбора ОПН, основанная на понятии ресурса, достаточно сложно реализуема, поскольку:
• свойства нелинейных сопротивлений (варисторов) ОПН таковы, что эти варисторы обладают значительным ресурсом, «точное» значение которого в испытаниях не выявить;
• по своим последствиям для варисторов ОПН нельзя приравнять один
импульс тока с энергией ^ИМП и десять импульсов тока с энергией 0.1 • ;
• изменения свойств варисторов, вызванные протеканием в них импульсных токов, компенсируются последующим воздействием на варисторы рабочего напряжения сети.
Оценка состояния ОПН в эксплуатации, как и методика выбора ОПН, не могут быть построены на основе информации о суммарной выделенной энергии '^ОПнУМ. Поэтому регистраторы срабатываний ОПН, которые могли бы дать информацию №ОПНСУМ, не позволяют сделать конкретные выводы. Такие регистраторы могут быть полезны для сбора статистических данных о величинах импульсных токов и поглощенной ОПН энергии с привязкой ко времени, что представляет научный интерес.
Рассмотрим устройство и принцип работы регистратора срабатываний ОПН, разработанный в ЦФТПЭС КНЦ РАН. Данный регистратор срабатываний устанавливается в разрыв цепи заземления ОПН. В его составе (рис.3.) можно выделить следующие функциональные узлы: датчик тока (ДТ), преобразователь тока, микроконтроллер (МК), модуль ИЛЯТ (приемопередатчик), источник питания (ИП).
Д Н
ИП
Рис. 3. Структурная схема регистратора срабатываний ОПН:
ДТ - датчик тока; Д - детектор; Н - накопитель; МК - микроконтроллер; ИП - источник питания; иАЯТ - приемопередатчик
Датчик тока по принципу действия представляет собой трансформатор тока. Первичной обмоткой является шпилька, включенная в цепь заземления защитного
устройства и имеющая электрическое соединение с корпусом регистратора. Катушка вторичной обмотки трансформатора тока состоит из 180 витков. Сигнал с нее поступает на преобразователь тока. Преобразователь тока включает в свой состав детектор (Д) и накопитель (Н). Для защиты преобразователя тока и всей схемы в целом от напряжений, превышающих величину 20 В, на входе установлен варистор (на схеме не показан). В преобразователе тока импульсный сигнал преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное заряду протекающего через ОПН импульса тока. Напряжение с выхода преобразователя поступает на микроконтроллер (МК), который регистрирует в памяти количество импульсов с зарядом, превышающим 20 мкКл, с привязкой ко времени и дате. Для связи регистратора с внешними устройствами в схеме предусмотрен модуль ИЛЯТ (приемопередатчик). Этот модуль предназначен для настройки регистратора, а также для передачи данных о числе срабатываний, хранящихся в памяти МК. Также в регистраторе предусмотрена схема сброса (разряд накопителя преобразователя тока) для обеспечения регистрации последующих срабатываний ОПН.
Питание регистратора осуществляется от литий-тионилхлоридной батареи напряжением 3.6 В. Данный вид источников питания появился сравнительно недавно и обладает улучшенными характеристиками (повышенная емкость, низкий уровень саморазряда, морозостойкость), что обеспечивает автономное функционирование регистратора в течение нескольких лет даже в суровых климатических условиях. Кроме того, для увеличения времени работы регистратора от одного элемента питания предусмотрен переход микроконтроллера в режим пониженного энергопотребления при отсутствии импульсов тока через ОПН. Отсутствие необходимости прокладки кабеля внешнего питания к ОПН, оснащенному регистратором, обеспечивает простоту установки устройства и увеличивает его надежность. Регистратор производит постоянный контроль срабатываний ОПН, фиксируя дату и время срабатывания. Все данные регистратор сохраняет в энергонезависимой памяти (ВЕРКОМ), что позволяет сохранить информацию в случае отказа модуля или отключения его питания. Все данные из памяти регистратора можно считать специальным устройством, подключаемым по интерфейсу ИЛЯТ.
Так как разработанный регистратор является электронным устройством, выполненным на основе однокристального микроконтроллера, возникает вопрос помехозащищенности и устойчивого функционирования в условиях мощных электромагнитных воздействий, возникающих при протекании через ОПН импульсных токов. Другими словами, возникает проблема электромагнитной совместимости устройства и регистрируемых им импульсных токов через ОПН. Учитывая индуктивный характер воздействия импульсов тока на окружающие проводники, напряжение на участках цепей схемы регистратора определяется как:
где М - взаимная индуктивность участка электронной цепи и первичной обмотки трансформатора тока регистратора. Таким образом, необходимым является сохранение работоспособности устройства при высоких скоростях нарастания импульсов тока (&), которые в реальных грозовых импульсах могут достигать 10 кА/мкс.
С целью определения максимально допустимого фронта волны тока, проходящей в цепи заземления ОПН и не приводящей к сбою в работе регистратора, был выполнен испытательный стенд (рис.4).
Рис.4. Схема испытательного стенда:
ВВТ - высоковольтный трансформатор; Р - разрядник; РС - испытываемый регистратор срабатывания ОПН
Для величины амплитудного воздействия импульса тока можно записать:
' = -^,
где и - напряжение заряда емкости. Величина фронта волны тока (скорость нарастания) определяется как:
й _ и
йг L
В ходе проведенных испытаний было установлено, что разработанный регистратор способен без сбоев выдерживать прохождение импульсных токов с амплитудой до 15 кА и скоростью нарастания до 10 кА/мкс.
Таким образом, разработанный регистратор срабатываний ОПН может успешно применяться в условиях действующих высоковольтных подстанций для подсчета количества импульсов тока, протекающих через ОПН класса 110750 кВ, под воздействием импульсных перенапряжений.
Литература
1. Техника высоких напряжений / под научной редакцией Г.С.Кучинского. - СПб.: Энергоатомиздат, 2003. - 608 с.
2. Техника высоких напряжений / под общей редакцией Д.В.Разевига. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1963. - 472 с.
3. Баранник М.Б. Особенности контроля состояния ограничителей перенапряжений нелинейных на местах их эксплуатации / М.Б.Баранник, ВЮ.Барбарович, В.Л.Дмитриев, В.В.Колобов // Электротехнический рынок. - 2013. - N° 1 (49). - С. 82-85.
4. Баранник М.Б. Разработка устройства регистрации импульсных токов, протекающих через ОПН под воздействием коммутационных и грозовых перенапряжений в процессе эксплуатации / М.Б.Баранник, В.В.Колобов, ННПрокопчук // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Вып.6. - Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2013. - С. 86-96.
5. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних
перенапряжений: РД 153-34.3-35.125-99 / под научной редакцией
Н.Н.Тиходеева. - Изд. 2-е - СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999. - 355 с.
6. Методические указания по ограничению высокочастотных коммутационных перенапряжений и защите от них электротехнического оборудования в распределительных устройствах 110 кВ и выше. - М.: ОРГРЭС, 1998.
7. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ. - М.: Изд-во НТК «Электропроект», 2000.
Сведения об авторах Баранник Максим Борисович
ведущий инженер лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН,
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл. почта: [email protected]
Евстигнеев Артем Викторович
студент Кольского филиала Петрозаводского государственного университета Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, ул.Космонавтов, д.3 эл. почта: [email protected]
Колобов Виталий Валентинович
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, кандидат технических наук
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А эл. почта: [email protected]
