Доцільність діагностики ОПН в процесі експлуатації Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311.4:551.5

Лщак I.B., ст.викл. каф. ЕСМ, Бшкевич Т.В.,студент 3 курсу IECK© Нацюналънийутверситет «Лъвгвсъка полтехшка»

ДОЦШЬШСТЬ Д1АГНОСТИКИ ОПН В ПРОЦЕС1 ЕКСПЛУАТАЦП

Розглянуто картину процеав, що впливаютъ на ОПН в процеа експлуатацп, а також способы diasnocmuKU ОПН. Також наведеноряд заходгв, яш забезпечуютъ устшну роботу ОПН протягом гарантованого mepMiny службы.

Ключое1 слова: ОПН, iмпулъс, перенапруга, струм витоку, терм1чный баланс,ВАХ.

Вступ. Обмежувач1 перенапруг (ОПН) на основ! оксидно-цинкових варистор1в близько тридцяти роюв усшшно експлуатуються в1тчизняними енергосистемами. Основною вщмшшстю обмежувач1в вщ традицшних вентильних розрядниюв е екстремально нелшшна вольт-амперна характеристика (ВАХ) варистор1в, що робить зайвим застосування в конструкци юкрових пром1жюв, призначених для вщдшення робочого елементу (резистора або варистора) вщ мережг

Експлуатацшш характеристики робочого елемента ОПН - варистора -розвиваються i удосконалюються завдяки р1зним технолопчним доопрацюванням i полшшенням формули ix х1м1чного складу. 1золяцшш покришки обмежувача, яю до 90-х роюв минулого стол1ття випускалися у фарфоровш ¿золяци, все бшьше витюняються обмежувачами в пол1мернш ¿золяци, технолопя виробництва i х1м1чний склад яких також вдосконалюються з кожним роком. Настшьки вагом1 здобутки у виробництв1 ОПН викликають лопчне запитання у споживач1в ще! продукцп: чи потр1бна д1агностика обмежувач1в у процеЫ експлуатацп? Зрозумшо, що персоналу пщстанцш хочеться встановити нове сучасне обладнання, яке не потребуе обслуговування протягом гарантованого термшу служби (для ОПН - 30 роюв). Однак i в нормативнш документацп [1] зазначено необхщшсть перюдичних обстежень ОПН у процеа експлуатацп, i, на нашу думку, сформовану на основ! статистичних даних експлуатацп обмежувач1в перенапруг р1зних конструкцш, що знаходяться в р1зних кл1матичних умовах, говорить про це. Нижче наведен! обгрунтування необхщност1 перюдичних обстежень ОПН i показан! змши, яю вщбуваються з обмежувачем в процеЫ експлуцп, яю й вимагають д1агностування.

Матер1али та методи. Bei ди на ОПН можна умовно подшити на три

групи.

I. Обмежувач перенапруг i основний робочий елемент - варистор -пщдаються комплексу електричних вплив1в: S тривало прикладенш робочш напрузц

© Лщак I.B., Бшкевич Т.В., 2013

81

S тимчасовим пщвищенням напруги f=50 Гц (квазктацюнарш

перенапруги); ^ грозовим i комутацшним перенапругам.

II. KpiM прямих електричних вплив1в, на ОПН не менше впливають конструктивно-експуатацшш фактори, а саме:

обмежувача при не оптимальному

нер1вном1рнии розподш напруги по висот1 некоректному розрахунку екрануючих кшець \ розташуванш варистора всередиш апарату; ^ забруднення \ зволоження поверхш обмежувача, як1 викликають

збшьшення поверхневого струму в окремих варисторах; ^ теплов1 характеристики апарату, тобто здатшсть вщводити видшене при р1зних експлуатацшних впливах тепло з поверхш варистора. III. Не можна не врахувати можливкть неяюсного виготовлення ОПН, а також I можливкть ненормованих експлуатацшних вплив1в на обмежувач, як1 передчасно можуть призвести до виходу апарата з ладу.

На рис. 1 схематично представлена картина процеав, що впливають на ОПН пщ час експлуатацп (перша трупа).

XiMi'iHi реакщн;

(мпульсшоруми; Наяеиктъструму

Найбтьша робоча

н.нп руга;

Перенапру га;

Рис.1 Картина процеив, що впливають на ОПН в npoueci експлуатацй'.

Слщ зазначити, що в цю групу добавлено старшня варистор1в за рахунок протжання х!м!чних реакцш матер1алу варистор1в з навколишшм середовищем.

Для пояснения процеав, що вщбуваються з варистором, необхщно кшька сл1в сказати про матер1ал самого варистора. BiH на 90-95% складаеться з оксиду цинку i малих кшькостей домшок оксид1в i дюксид1в метал1в (вюмуту, кобальту, марганцю, хрому та ш) високо! х1м1чно! чистоти та здшснюеться за технолопею, близькою до керам1чно! (високотемпературний випал в атмосфер! кисню). Це призводить до отримання матер1алу з високою нелшшшстю ВАХ.

82

Вольт-амперна характеристика (рис.2) отримана при випробуваннях обмежувач1в перенапруг ЗАТ «Пол1мер-Аппарат» на варисторах ф1рми EPCOS. Ii' можна представити у вигляд1

и = с-1а, (1)

де U i I - значения напруги i струму;

С, - коефщенти нелшшност1, вим1ряних у р1зних дшянках ВАХ. и/и 10 кА

1.Е-07 1.Е-05 1.Е-03 1.Е-01 1.Е+01 1.Е+03 1.Е+05 Рис.2. Вольт-амперна характеристика варистора

ВАХ можна умовно роздшити на три дшянки.

1. ВАХ вим1ряна при постшнш напруз1 (голуб крива) I при напруз1 Г = 50 Гц (чорна крива). Струми, що проткають через варистор, складають вщ мкроампера, де до ВАХ можна застосувати закон Ома, до десятмв мЫампер, де ВАХ мае невисоку нелшшшсть (а = 0,3-0,5).

При змшнш напруз1 промислово! частоти, що не перевищуе номшальну напругу (тобто 1,25 -1,3 вщ найбшьшо! робочо! напруги), струм, що проткае через варистор, складаеться на 90-95% з емшсного струму, що мае лшшну залежшсть вщ напруги, I на 5 -10% з активного струму, що мае нелшшний характер залежност1 струму вщ напруги.

2. ВАХ вим1ряна при комутацшних ¿мпульсах (зелена крива), тривалкть впливу яких становить мшсекунди, а ВАХ мае найбшьший високий коефщент нелшшност1 (а = 0,015-0,04).

3. ВАХ отримана при грозових впливах, тривалкть яких становить мкросекунди, а коефшдент нелшшност1 збшьшуеться до а = 0,1.

Слщ зазначити, що структура варистор1в може змшити сво! параметри або нав1ть повшстю втратити сво! нелшшш властивост1 як за рахунок комплексу експлуатацшних вплив1в, так I при некоректному розрахунку основних техшчних характеристик ОПН. Розглянемо докладшше вплив кожного з експлуатацшних вплив1в на ресурс обмежувача перенапруг.

83

1. Режим тривало прикладеноУ робочого напруги

Дослщження характеристик ОПН при тривало прикладенш робочш напруз1 проводилися протягом багатьох рок1в як у Радянському Союз1, так I за кордоном [2-6]. При розробщ ОПН в 70-80-х роках був проведений великий обсяг дослщжень впливу р1зних фактор1в на термш служби ОПН: р1вня прикладено! напруги, конструкци апарату, температури навколишнього середовища, якост1 варистор1в [2, 3]. На пщстав1 цих дослщжень були отримаш емтричш залежност1 термшу служби вщ цих фактор1в, що дозволяють розраховувати гарантований термш служби обмежувача.

На рис. 3 представлена експериментальна залежшсть величини активно! потужносп, що видшяеться у варисторах, в процес1 тривалих випробувань напругою / = 50 Гц вщ часу.

2 0,9

о

1— СО 0,8

£ га 0,7

0-

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

р

/ ж

у

У

Г

500

1000

1500

2000

2500

Рис.3. Залежшсть активно? потужност1 ввд часу за умови ирикладания 1 температури навколишнього середовища 4 В'Ч:

Вище наведена залежшсть, отримана на варисторах першого поколшня (так званих «старшчих») виробництва НВО «Електрокерамша». Випробування варистор1в при тривало прикладенш напруз1 проводилися в наступному режима напруга 1 температура навколишнього середовища заданого значения пщтримувалися незмшними, а активна потужшсть, що видшялась у варисторах, вим1рювалася в процес1 експерименту. Як видно, активна потужшсть монотонно наростае в чаЫ, що в юнцевому пщсумку може призвести до виходу обмежувача з ладу за рахунок втрати теплово! стшкостг 2. 1мпульсш впливи на ОПН

У процеЫ експлуатаци обмежувач пщдаеться грозовим I комутацшним впливам, яю для пщтвердження працездатност1 ОПН у конкретних

84

експлуатацшних умовах проходять випробування згщно з ГОСТ Р 52725-2007, який аналопчний за вимогами м1жнародному стандарту МЕК 60099-4. За нормами до ОПН (або секци ОПН) прикладаеться 20 ¿мпульЫв номшального розрядного струму I 18 струму пропускно! здатност1

Контролем устшност1 випробувань е вщсутшсть пробою варистора I змши напруги, що залишаеться при номшальному розрядному струм1 не бшьше шж на 5%, вим1ряного до I теля випробувань, що й повинно гарантувати вщсутшсть критично! деградаци варистор1в вщ ¿мпульсних вплив1в протягом усього термшу служби.

Проте численш дослщження впливу ¿мпульЫв р1зно! тривалост1 I ампл1туди на змшу ВАХ варистор1в показали, що основна деградащя ВАХ вщбуваеться в дщянщ малих струм1в [5, 9,10], анев дщянщ великих струм1в. На рис. 4 представлена ВАХ, вим1ряна в дщянщ тривало прикладено! робочо! напруги теля прикладання певно! кщькост1 ¿мпульЫв номшального розрядного струму.

3

I, мА

0

-1

-2

-3

— 2

3

' ' 1 15 1, 2 1, 25 1,

и/ин

Рис.4. ВАХ варистора теля прикладання ¡мпульав номшального

розрядного струму:

1 - струм витоку теля /мпулъсних вплив1в, вим1рянии при полярност1, що зб1гаетъся з поляртстю ¡мпулъсу;2 - до /мпулъсних вплив1в;3 - теля впливу двох /мпулъав;4 - теля впливу чотиръох гмпулъс1в.

Характер деградаци несиметричний, бшьшою м1рою до змши схильна зворотна гщка ВАХ, тобто вим1ряна при полярное^, протилежнш до полярност1 прикладеного ¿мпульсу. В [9] показано, що, якщо за критерш змши прийняти класифжацшш напруги, вим1ряш при класифкацшному струм1, то основна змша ВАХ в дщянщ робочо! напруги вщбуваеться теля впливу перших 20

85

¿мпульЫв. При подач1 бшьшо! кшькосп ¿мпульав характер деградаци може бути р1зним. Може спостер1гатися подальше попршення ВАХ, а можливо I деяке вщновлення характеристик. Кшькюний анал1з цього явища показав, що первкна деградащя, яка складае менше 6%, практично в час1 не змшюеться, а складова бшьше 6% при вим1рюванш через декшька д1б в основному складае бшьше 10%. Це явище спостер1гаеться лише при дп коротких ¿мпульшв (4/10, 8/20 мкс). Збшьшення р1вня деградаци ВАХ в час1 при вплив1 ¿мпульЫв тривалктю бшьше 500 мкс не вщбуваеться, а в деяких випадках нав1ть спостер1гаеться деяке вщновлення параметр1в.

3. Вплив х1м1чних реакцш на характеристики варистор1в. В1тчизняш дослщження впливу протжання х1м1чних реакцш матер1алу варистор1в з навколишшм середовищем на характеристики варистор1в вщсутш, тому вся шформащя на рахунок даного питания побудована на закордонних публжащях. На рис. 5 наведена експериментальна залежшсть впливу ¿мпульсних вплив1в I окислювальних процеЫв на ВАХ варистора. Як бачимо, окислювальш реакци призводять до бшьш значно! деградаци, шж ¿мпульсш впливи. Причиною деградаци варистор1в служать х1м1чш реакци матер1алу варистор1в з киснем, що видшяеться у внутршньому простор! обмежувача, за рахунок часткових розряд1в I можливого коронування внутршшх металевих частин з гострими краями.

1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

0,001 0,01 0,1 1 10

Рис.5. ВАХ варистора, вим1ряна:

1 - теля випробуванъ в окислювалъному середовыщ1; 2 - теля випробуванъ ¡мпулъсами номталъногорозрядного струму; 3 - до випробуванъ Слщ зазначити, що обмежувач1 перенапруг в пол1мернш ¿золяци не схильш до х1м1чно! деградаци , оскшьки проспр м1ж варисторами I покришкою обмежувача заповнено герметиком (низькомолекулярним каучуком), тобто

и/ином

I, мА

86

окислювальш реакци не проткають. Однак х1м1чна деградащя не виключена для ОПН як у фарфоровш, так I в пол1мернш ¿золяци, у яких внутршне середовище м1ж покришкою I варисторами заповнене пов1трям (наприклад, ЗАТ «Фешкс» перейшло до випуску ОПН в пол1мернш ¿золяци без герметизаци внутршнього простору).

4. Вплив квазктащонарних перенапруг на характеристики варистор1в.

У процес! експлуатаци ОПН пщдаеться квазютацюнарним перенапругам, яю можуть привести до збшьшення струм1в, що проткають через варистор, !х перегр1ву ¿, вщповщно, втрати теплово! стшкост! \ руйнування апарату. Для запобкання цього в рамках випробувань в1дбуваеться визначення характеристики «напруга-час ». При цьому до обмежувача, нагр1того до температури 60^ з прикладаеться напруга промислово! частота певно! кратност1 \ тривалост1 плюс нормований комутац1йний ¿мпульс. Усп1шн1стю випробувань служить вщсутшсть втрати теплово! ст!йкост!.

Р!зш досл!дження показують, що деградац!! матер!алу варистор!в в!д кваз!стац!онарних вплив!в не спостеркаеться, а неприемност! (втрата теплово! стшкост!), як! можуть статися з ОПН е насл!дком неправильно обраного ОПН, або ненормованих вплив!в на ОПН в данш точц! мереж!.

5. Способи д1агностики ОПН

Д!агностика обмежувач!в перенапруг в процес! експлуатаци в основному необх!дна ! техшко-економ!чно виправдана для ОПН на класи напруги в!д 110 кВ, оскшьки:

^ варт!сть самого обмежувача ! обладнання, яке захищаеться, значно вище

вартост! обладнання на класи напруги до 35 кВ; ^ характеристики ОПН на класи напруги вщ 110 кВ з глухо або ефективно заземленою нейтраллю розраховуються на тривало прикладену робочу фазну напруга мереж!. ОПН на класи напруги до 35 кВ, що працюють в мережах з ¿зольованою нейтраллю, розраховуються на тривало прикладену лшшну напругу. При цьому обмежувач! працюють пщ л!н!йною напругою т!льки при однофазних або двофазних к.з.,тобто обмежений час, ! ресурс варистор!в вичерпуеться менше, н!ж у ОПН на класи напруги вщ 110 кВ.

Про способи контролю ОПН в експлуатаци сказано досить багато [10, 11], ! практично вс! ф!рми, як! випускають обмежувач! перенапруг, розробляють або сво! конструкц!! пристро!в для д!агностики, або застосовують готов!. При цьому вс! пристосування вимагають наявност! в конструкци ОПН ¿зольовано! основи або ¿зольовано! в!д нижнього фланця детал! з колонки варистора. Це, природно, ускладнюе ! здорожуе конструкц!ю, тому е ще одним резоном для систематичного контролю ОПН в процес! експлуатаци тшьки на класи напруги вщ 110 кВ.

Ще одним способом д!агностики е теплов!з!йне обстеження ОПН, яке не потребуе в конструкци ОПН наявност! ¿зольовано! основи. Проте, воно дае

87

дуже неоднозначш результата, про щодосить докладно написано в [11], i з висновками автора з цього пункту не можна не погодитися. Висновки.

1. Усшшна робота ОПН протягом гарантованного термшу служби (30 роюв) забезпечуеться:

^ застосуванням при виготовленш ОПН «нестаршчих» варисторов i високоякюних комплектуючих деталей;

S комплексом квал1ф1кацшних випробувань ОПН, що проводяться у вщповщно до ГОСТ Р 52275;

^ безумовним дотриманням технолопчного регламенту при виробництв1 ОПН;

S вибором необхщних характеристик ОПН для дано! точки мережг

Проте, вищенаведеш методи не виключають наявност1 деградаци характеристик ОПН у процеа експлуатаци, величина яко! не повинна досягати критично! за гарантований термш служби, тому рекомендуеться проводити д1агностику ОПН в процеа експлуатаци.

2. Ще бшьше необхщна д1агностика ОПН за можливо! прискорено! деградац1! ОПН, яка може передчасно привести до виходу апарату з ладу через:

^ нер1вном1рний розпод1л напруги по висот1 обмежувача при некоректному розрахунку екрануючих к1лець i неоптимальне разташування варистор1в всередин1 апарату;

S помилки при розрахунку основних техн1чних характеристик ОПН;

S неяк1сного виготовлення ОПН, тобто порушення технолог1чного регламенту;

S ненормованих експлуатац1йних вплив1в на обмежувач.

Л1тература

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 ( Znosurqe arresters)» Sov. Eltectr. Eng. (USA) Vol. 55, № 9, p.46-51

4. Демьяненко К.Б., Чакк A.M. 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.

88

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).

Summary

Considered a picture of the processes that affect OPN in the operation, including how to diagnose acute renal failure. There are a number of measures to ensure a successful job OPN within the guaranteed service life.

Рецензент - д.т.н., професор Щж Б.Р.

89