В статье рассмотрены особенности проверки состояния ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН) на местах их эксплуатации под рабочим напряжением. Показана возможность определения ухудшения характеристик ОПН уже на ранних стадиях.
Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) широко применяют в электроэнергетике для защиты изоляции линий электропередачи и высоковольтного оборудования подстанций от грозовых и коммутационных перенапряжений. Функцией ОПН является снижение уровня перенапряжений при импульсных воздействиях, вызванных действием коммутационной аппаратуры или ударов молний, до безопасного значения для изоляции оборудования электрических линий и аппаратов. Основным элементом ОПН являются оксидно-цинковые варисторы (ОЦВ), имеющие резко нелинейную вольтамперную характеристику и достаточную пропускную способность.
В нормальном режиме работы ОПН через его нелинейный элемент (ОЦВ) постоянно протекает ток проводимости, обусловленный рабочим напряжением сети. Ток проводимости носит преимущественно емкостной характер, но в его составе имеется 5–10% активного (резистивного) тока. Срок службы ограничителей перенапряжений достигает десятков лет, но наличие активной составляющей в токе проводимости через ОПН приводит к нагреву варисторов, что может стать причиной постепенного старения и деградации оксидно-цинковой керамики, следствием чего является дальнейшее увеличение активной составляющей тока проводимости. При его чрезмерном увеличении возникает опасность теплового пробоя варистора и, как следствие, возникновения короткого замыкания в ОПН. Поэтому для предотвращения аварийных ситуаций, вызываемых повреждением ограничителей, особое внимание при эксплуатации ОПН следует обращать на изменение во времени силы тока проводимости при нормальном рабочем напряжении.
В соответствии с требованиями РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования» [1] измерение силы тока через ОПН производится перед вводом в эксплуатацию и в эксплуатации без отключения от сети 1 раз в год перед грозовым сезоном. Измерения производятся по схеме, предусматривающей контроль силы полного тока через ОПН под рабочим напряжением.
Простейшим средством измерений для контроля силы полного тока проводимости является милли- или микроамперметр, включаемый в разрыв цепи заземления ОПН (значение силы полного тока проводимости под рабочим напряжением исправного аппарата обычно не превышает 1–2 мА). Но подобным методом по действующему значению силы полного тока проводимости без учета его гармонических составляющих можно обнаружить только очень серьезные нарушения в работе аппарата.
Основной составляющей полного тока (более 90%) при номинальном напряжении является емкостной ток, значение которого мало меняется в процессе эксплуатации вне зависимости от состояния аппарата. Существенно меньшее значение активной составляющей силы тока по сравнению с емкостной в сочетании с геометрическим сложением векторов активной и емкостной составляющих приводит к тому, что даже значительные изменения активной составляющей силы тока практически не сказываются на значении силы полного тока при его измерении. Расчет показывает, что при увеличении активной составляющей с 10 до 30% от значения силы полного тока исправного ОПН значение силы полного тока изменится только на 4%, что является величиной одного порядка с погрешностью измерений. Мощность потерь, выделяемая в ОПН, при этом возрастает почти в 10 раз.
Малая чувствительность к изменениям в активном токе не позволяет выявлять развивающиеся дефекты в ОПН на ранних стадиях на основе результатов измерений силы полного тока в цепи заземления ОПН.
Таким образом, возникает задача выбора характеристик, обеспечивающих достоверную информацию о состоянии ОПН.
Изменение активной составляющей силы тока вызывается изменением степени нелинейности варисторов в области, соответствующей амплитуде рабочего напряжения ОПН. Изменение степени нелинейности варисторов, помимо изменения максимального значения силы активного тока, неизбежно вызывает изменение гармонического состава тока, протекающего через ОПН. Это выражается в изменении доли высших гармоник в полном токе через аппарат. Таким образом, косвенным методом оценки изменений активной составляющей силы полного тока является метод измерений высших гармоник.
Более совершенные (чем обычный миллиамперметр) средства измерений выделяют из полного тока проводимости первую и третью гармоники. Это селективные микроамперметры, имеющие входные фильтры.
Указанные средства измерений позволяют при благоприятных условиях на ранних стадиях выявлять начавшийся процесс преждевременного старения варисторов ОПН. Однако, результаты измерений должны быть тщательно проанализированы с целью выявления причин изменений гармонического состава силы тока. Появление высших гармонических составляющих, помимо нелинейной ВАХ варисторов, может быть обусловлено другими причинами, например, искажениями формы кривой рабочего напряжения ОПН, что обычно не контролируется в эксплуатации. Анализ результатов измерений, полученных при использовании таких средств измерений, затрудняется и тем, что изготовители ОПН, как правило, таких испытаний не проводят и сведений о гармоническом составе тока в исправном аппарате не приводят.
Исследования показали, что наиболее достоверным методом оценки состояния нелинейных ограничителей перенапряжений является измерение активной составляющей силы тока проводимости под рабочим напряжением и контроль ее изменений в процессе эксплуатации ОПН. Устойчивая тенденция к повышению активной составляющей силы тока проводимости, выявленная при периодическом контроле аппаратов, является признаком преждевременного старения ОПН, вызванного нештатными перегрузками или скрытыми дефектами данного аппарата, и указывает на необходимость вывода его из эксплуатации для ревизии и замены (при достижении определенного критического (браковочного) значения).
Динамика изменений активной составляющей силы тока в процессе эксплуатации ОПН позволяет прогнозировать его остаточный ресурс и тем самым снижает вероятность аварийных ситуаций, связанных с выходом из строя ОПН.
Прибор для диагностики состояния ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН) типа СКАТ-3 (Система Контроля Активного Тока) разработан группой сотрудников Кольского научного центра Российской академии наук. Серийный выпуск прибора производится ЗАО «ЗЭУ». К настоящему времени разработана и согласована с ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» методика его калибровки [2>, а также накоплен опыт нескольких лет эксплуатации приборов этого типа на энергообъектах ОАО «Колэнерго», «Архангелэнерго», «Иркутскэнерго» и других.
В приборе СКАТ-3 реализован метод измерений активной составляющей силы тока через ОПН, основанный на определении фазового угла сдвига между напряжением на ОПН и током через него. Активная составляющая силы тока IRчерез ОПН равна:
IR = IΣ• cos φ,
где IΣ — сила полного тока через ОПН, φ — угол сдвига между током и напряжением ОПН. На основе такой концепции в устройстве диагностики происходит сравнение двух сигналов: силы тока через ОПН и напряжения на нем.
Сигнал напряжения измерительный блок (ИБ) прибора СКАТ-3 получает от измерительного трансформатора напряжения (ТН) радиосигналом посредством блока передачи фазы напряжения (БПФН), подключенного к вторичной обмотке трансформатора. При этом БПФН может быть подключен к трансформатору напряжения любой фазы в пределах одной системы шин (см. рисунок 2).
- действующего значения силы полного тока, протекающего через ОПН;
- действующего значения активной составляющей силы полного тока;
- отношения действующего значения активной составляющей к действующему значению силы тока первой гармоники полного тока, протекающего через ОПН;
- фазового угла сдвига между приложенным к ОПН напряжением и током первой гармоники полного тока, протекающего через ОПН;
- отношений к действующему значению силы полного тока действующих значений токов 3-ей, 5-ой, 7-ой гармоник полного тока.
Прибор позволяет проводить измерения как контактным способом (включение в цепь заземления ОПН), так и бесконтактным, при этом в качестве датчика могут использоваться токоизмерительные клещи, трансформатор тока проводимости ТТП или датчики тока ДТУ-02, ДТУ-03. Питание ИБ осуществляется от двух элементов питания LR6 (АА). Варианты использования различных первичных датчиков тока приведены на рисунке 4.
В настоящее время разработан и запускается в серийное производство прибор нового поколения типа СКАТ-4. Одновременно планируется выпуск датчика тока ПТП-08С, который отличается от предшественников встроенным регистратором (счетчиком) срабатываний ОПН. Усовершенствованный датчик тока ПТП-08С, регистрирует факт протекания импульсов тока через ОПН амплитудой более 0,3 А и электрическим зарядом более 40 мкКл, вызванных воздействием перенапряжений с привязкой ко времени и к дате. Счетчик срабатываний ОПН датчика ПТП-08С позволяет регистрировать до 20 000 импульсов тока через ОПН с фиксацией в памяти счетчика времени и даты каждого из последних 127 воздействий, для чего используются встроенные часы. Скорость регистрации импульсов тока позволяет регистрировать до 20 импульсов в секунду.
Информация о времени срабатываний может помочь диагностировать причины возникновения перенапряжений на ОПН, в том числе критические, приводящие к выходу защитного аппарата из строя. Выявление причин перенапряжений или аварийного отказа ОПН обеспечивает увеличение надежности и срока безотказной работы оборудования подстанций.
Для снятия информации о числе и времени срабатываний ОПН, хранящейся в памяти датчика тока ПТП-08С, используется измерительный блок прибора СКАТ-4. При подключении ИБ к датчику тока информация об общем числе срабатываний данного ОПН и временной привязке последних 127 срабатываний считывается и отображается на дисплее прибора.
Кроме отмеченной возможности контролировать факты срабатываний ОПН в приборе СКАТ-4, измерительный блок которого показан на рисунке 5, применен новый графический дисплей, позволяющий визуально контролировать форму измеряемых сигналов, а также выводить дополнительные сервисные пиктограммы (рисунок 5 в).
В блоке передачи фазы напряжения (БПФН), внешний вид которого представлен на рисунке 6, применено автономное питание (четыре элемента LR6-АА), что позволяет оперативно подключать его к трансформатору напряжения различных систем шин.
Прибор СКАТ-4 является прибором нового поколения, со значительно расширенным набором функций, применением современных схемотехнических решений и комплектующих, обновленной микропрограммой. При его разработке учитывались замечания и пожелания персонала, эксплуатирующего приборы СКАТ-3 в условиях действующих подстанций. Все это позволило в новом приборе СКАТ-4 с одной стороны улучшить функциональные и эргономические характеристики, а с другой упростить эксплуатацию устройства, начиная от подключения БПФН и до визуального отображения измеряемых величин.
Опыт диагностики ОПН в ОАО «Колэнерго» с использованием прибора СКАТ-3 показал возможность достаточно точно определять причины ухудшения параметров ОПН и выявлять изменения вольтамперной характеристики уже на ранних стадиях.
Возможность единовременных измерений прибором СКАТ-3 активной составляющей силы полного тока и высших гармонических составляющих позволяет диагностировать не только старение и изменение характеристик варисторов ОПН, но и увеличение активного тока вследствие загрязнения и увлажнения поверхности ОПН или вследствие разгерметизации и увлажнения внутренней поверхности аппарата. В этих случаях наблюдается увеличение активной составляющей полного тока при незначительных изменениях его гармонического состава. С целью проверки адекватности оценки состояния ОПН — «увлажнение», сделанной на основе анализа результатов измерений, полученных с помощью прибора СКАТ-3, в ОАО «Колэнерго» в лабораторных условиях были вскрыты, просушены и вновь загерметизированы более 10 аппаратов классов напряжений 110–150 кВ, которые после ремонта уже несколько лет находятся в эксплуатации.
Метрологические характеристики приборов СКАТ-3 и СКАТ-4 приведены в таблице 1.
| Измеряемая величина | СКАТ-3 и СКАТ-4 | |
|---|---|---|
| Диапазон измерений | Пределы допускаемой погрешности | |
| Сила полного тока проводимости | 0,05-9,05 мА | ±4% |
| Сила полного тока основной гармоники | 0,05-9,05 мА | ±4% |
| Угол сдвига между током и напряжением | 0-360° | ±2° |
| Активная составляющая силы тока проводимости | 0,05-9,05 мА | ±(0,035· IΣ+0,04· IA) |
| Отношение 3-й, 5-й, 7-й гармоник силы полного тока к силе тока основной гармоники | 0-40% | ±2% |
Следует отметить, что реальные значения погрешностей измерений, полученные при калибровке приборов в лабораторных условиях, существенно меньше указанных в таблице 1. Действительно, в идеальных лабораторных условиях прибор, построенный на современной элементной базе, и должен демонстрировать хорошие метрологические характеристики.
Тем не менее, характеристики приборов СКАТ-3 и СКАТ-4, приведенные в таблице 1, вполне оправданны в реальных условиях энергообъекта, которые далеки от идеальных. Это и колебания и искажения формы кривой рабочего напряжения, влияющие на результаты измерений силы тока проводимости через ОПН, и электромагнитные поля, создающие радиопомехи и наведенные ЭДС в проводниках, и непостоянство климатических условий. При этом, обобщенные характеристики погрешностей приборов из таблицы 1 вполне достаточны для диагностики состояния находящихся в эксплуатации ОПН.
В настоящее время обсуждается вопрос целесообразности проведения испытаний приборов СКАТ-3 и СКАТ-4 для целей утверждения типа, поскольку до сих пор отсутствуют приборы для диагностики состояния ОПН, внесенные в Госреестр средств измерений.
Литература
- РД 34.45-51.300-97 «РАО «ЕЭС России». Объем и нормы испытаний электрооборудования».
- МК ЗЭУ.СКАТ-3-2010. «Прибор для диагностики состояния ограничителей перенапряжений нелинейных «СКАТ-3». Методика калибровки». СПб. 2010 г.
М. Б.БАРАННИК,
В. Ю. БАРБАРОВИЧ,
В. Л. ДМИТРИЕВ,
В. В. КОЛОБОВ
Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», № 1 (49), 2013
