О необходимости контроля тока утечки ограничителей перенапряжений в эксплуатации

2020-04-24 13:24:12

Шумилов М.Ю. канд. техн. наук

ООО «ПО СЗВИ»


Нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН), пришедшие на смену устаревшим вентильным разрядникам, в настоящее время являются одним из основных средств пассивной защиты электроэнергетических установок в широком диапазоне от низких до сверхвысоких напряжений.

Массовое внедрение ОПН для защиты электроэнергетических установок началось более 20 лет назад, благодаря чему был накоплен большой опыт эксплуатации этих защитных аппаратов. ОПН зарекомендовали себя как исключительно эффективный инструмент для защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений, однако накопленный опыт эксплуатации ОПН показал, что ограничители перенапряжений также подвержены аварийному выходу из строя по ряду причин, связанных с недостатками конструкций некоторых ОПН, старением варисторов в ОПН, неудачным выбором ОПН для конкретных условий эксплуатации, а также в связи с нештатными экстремальными электрическими и механическими нагрузками.

ОПН, как и любое другое изделие, имеет в своем сроке службы три характерных периода (рис. 1.): приработка, нормальная эксплуатация и старение, износ.


Рис. 1. – Обобщенная диаграмма частоты отказов f(t) ОПН в эксплуатации.


На фотографии (рис.2) сделанной в 2011 г. на Углегорской ТЭС приведены последствия неудачного ввода в эксплуатацию (период приработки ОПН по графику на рис.1) полимерного ограничителя перенапряжений 110 кВ.


Рис.2. – Последствия взрыва ОПН-110 кВ на Углегорской ТЭС.


На бетонной свае осталось только фарфоровое изолирующее основание ограничителя перенапряжений. ОПН взорвался спустя несколько недель после ввода в эксплуатацию. В результате взрыва ОПН осколками были выведены из строя три трансформатора напряжения, расположенных в непосредственной близости. Причиной выхода из строя ОПН, сопровожденного взрывом был заводской брак – плохая герметизация полимерной защитной оболочки, что в результате проникновения влаги под полимерную оболочку привело к росту тока утечки ОПН и, далее внутреннему пробою. Из опыта эксплуатации, как ОПН, так и других аппаратов имеющих полимерную композиционную защитную оболочку известно, что проникновение влаги под оболочку редко происходит мгновенно. Это явление может развиваться на протяжении месяцев, но всегда сопровождается ростом тока проводимости через изоляцию. Выход из строя ОПН, связанный с потерей герметичности является одной из самых распространенных причин отказов ОПН в эксплуатации, а наиболее эффективным методом выявления разгерметизированных ОПН является периодический или непрерывный контроль тока утечки, протекающего через ОПН.

На рис. 3 приведен фото еще одного полимерного ограничителя перенапряжений, вышедшего из строя спустя несколько недель после ввода в эксплуатацию на одной из подстанций Донецкоблэнерго.


Рис.3 – Фото вышедшего из строя ОПНп-110 кВ на подстанции Донецкоблэнерго.


В данном случае выход из строя ОПН произошел также спустя несколько недель после ввода в эксплуатацию. При изготовлении данного ОПН был допущен производственный брак – неполное отверждение низкомолекулярного силиконового наполнителя, заполняющего полость между колонкой варисторов и несущей стеклопластиковой трубой. Вследствие протекания активного тока утечки через неотвержденный силиконовый наполнитель произошел сильный нагрев стеклопластиковой трубы с последующим ее размягчением, что привело к необратимой деформации корпуса ОПН. В данном случае аварийного отключения удалось избежать благодаря тому, что оперативный персонал своевременно заметил деформацию ОПН и его незамедлительно отключили и демонтировали. В данном случае также очевидно, что в случае своевременного контроля тока утечки, протекающего через ОПН было бы возможно намного раньше выявить неисправность и безопасно вывести дефектный ОПН из эксплуатации.

В настоящее время в Украине эксплуатируется еще большое количество ограничителей перенапряжений, изготовленных около 20 лет назад российскими предприятиями, главным образом в Санкт-Петербурге и Новосибирске. Согласно рис. 1 такой длительный срок эксплуатации ОПН соответствует третьему периоду – периоду старения, износа.

На рис. 4. Изображен ОПН-750 кВ в фарфоровом корпусе выведенный из эксплуатации в 2016 г. на Запорожской атомной станции.


Рис. 4. – ОПН-750 кВ изготовленный в 1999 г. «Корниловским фарфоровым заводом» был введен в эксплуатацию на Запорожской АЭС в 2000 г., выведен из эксплуатации в 2016 г.


На ЗАЭС ежегодно проводилось техническое обслуживание ОПН-750 согласно требований заводской инструкции по эксплуатации. Начиная с 2007 г. было обнаружено снижение сопротивления изоляции с 129 000 МОм до 23 700 МОм в июле 2007 г.

Одновременно наблюдался рост тока проводимости через ОПН под рабочим напряжением с 3,01 мА (50,17 % от максимально допустимого) в 2009 г. до 3,637 мА в 2016г. С 26.07.2016 г. до 12.08.2016 г. величина тока проводимости возросла до 3,983 мА (66,38 % от максимально допустимого). В связи с ростом тока проводимости с августе 2016 г. было принято решение о необходимости ежедневного тепловизионного контроля состояния ОПН.


Рис. 5. - Фото с помощью тепловизора “THV-489” зоны локального нагрева нижнего элемент ОПН-750 на ЗАЭС.


Таким образом была выявлена зона локального нагрева в нижней части нижнего элемента ОПН, температура которой на 2,8 ºС превышала температуру всего ОПН. 14.08.2016 г. ОПН-750 , зав № 79 был снят с эксплуатации.

Данный эпизод из опыта эксплуатации ограничителей перенапряжений свидетельствует о необходимости контроля тока утечки не только новых вводимых в эксплуатацию ОПН, но и ОПН находящихся в эксплуатации длительное время (более 10 лет).


Приборы для диагностики ограничителей перенапряжений в эксплуатации


В настоящее время в Украине на предприятии ООО «Славянский завод высоковольтных изоляторов» разработан современный диагностический прибор – беспроводный регистратор срабатывания ОПН с индикацией тока утечки «ОПН-Визор-II».

Регистратор «ОПН-Визор-II» предназначен для контроля и диагностики нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на классы напряжения 3 – 750 кВ, эксплуатирующихся на электростанциях, открытых распределительных устройствах среднего и высокого классов напряжения.

Регистратор «ОПН-Визор-II» позволяет удаленно (до 100 м от ОПН) контролировать полный ток утечки ограничителя перенапряжений, а также число защитных срабатываний ОПН.

Регистратор срабатывания ОПН «ОПН-Визор-II» представляет собой комплект из одного компактного автономного базового модуля (приемник сигналов) и нескольких беспроводных датчиков (до 100 шт.), устанавливаемых в разрыв заземляющего провода на контролируемых ОПН. Обмен информацией между базовым модулем «ОПН-Визор-II» и датчиками, установленными на ОПН осуществляется беспроводно по радиоканалу на расстоянии до 100 м.

Каждый датчик срабатывания ОПН с контролем тока утечки «ОПН-Визор-II» является полностью электронным прибором, не содержащим в конструкции подвижных частей, что положительно сказывается на продолжительности непрерывной работы датчика. Герметичный корпус датчика выполнен из прочного электроизоляционного пластика, устойчивого к воздействию окружающей среды.


Рис. 6. - Датчик регистратора срабатывания ОПН типа «ОПН-Визор-II»


Каждый датчик тока утечки и срабатывания ОПН «ОПН-Визор-II» является полностью автономным, не требующим обслуживания в эксплуатации. В отличие от импортных аналогов, которые в своей конструкции имеют элементы питания в виде литиевых батарей или солнечных элементов, датчики тока утечки и срабатывания ОПН «ОПН-Визор-II» не содержат элементов питания. Энергию для измерения и передачи информации датчики тока утечки ОПН «ОПН-Визор-II» берут от проходящего через них тока утечки ОПН. Такая схема работы позволяет продлить непрерывный срок службы датчиков «ОПН-Визор-II» без необходимости их технического обслуживания до нескольких десятков лет.

Базовый модуль регистратора срабатываний ОПН «ОПН-Визор-II» компактный, оснащен ярким многострочным цветным жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображается информация от всех датчиков, находящихся в зоне радио доступности базового модуля (в радиусе 100 м). Базовый модуль регистратора может одновременно получать и отображать информацию от 20 и более датчиков. Базовый модуль имеет малые размеры, питается от аккумулятора, аналогичного аккумуляторам мобильного телефона. Зарядка аккумулятора базового модуля регистратора срабатываний ОПН «ОПН-Визор-II» осуществляется от любого стандартного зарядного устройства для мобильных телефонов с микро-USB коннектором.


Рис. 7. - Базовый модуль регистратора срабатывания ОПН типа «ОПН-Визор-II»


Основные преимущества регистратора срабатывания «ОПН-Визор-II»


1. Для контроля тока утечки и количества срабатываний не требуется визуальный контакт с датчиком «ОПН-Визор-II» установленном на ОПН. Данные передаются удаленно по радиоканалу.

2. Датчики регистратора не содержат батарей (гальванических или солнечных) и, следовательно, не требуют технического обслуживания для замены элементов питания.

3. Информацию о токах утечки и количестве срабатывания ОПН можно получить на расстоянии до 100 м.

4. Данные с опрошенных базовым модулем датчиков после обхода сохраняется в энергонезависимой памяти базового модуля.

5. Датчики и базовый модуль не требуют никакой предварительной настройки. Готовы к работе прямо «из коробки».


Технические характеристики регистратора срабатывания «ОПН-Визор-II»


Наименование параметра Значение параметра
Напряжение сети, кВ 3-750
Максимальное напряжение на приборном вводе регистратора при грозовом импульсе, кВ 1,5
Выдерживаемый импульсный ток прямоугольной формы 2000 мкс, А 800-2000
Номинальный разрядный ток (грозовой импульс 8/20 мкс), А 10000
Диапазон измерений переменного тока проводимости, мА 0÷10
Контролируемое число срабатываний регистратора 0-999
Масса датчика, кг 0,6
Масса базового модуля, кг 0,6
Габаритные размеры датчика, мм 240×165×75
Габаритные размеры базового модуля, мм 190×110×60
Количество датчиков, которые могут работать одновременно с одним базовым модулем От 1 до 100
Питание автономного датчика Без батарей, питание током утечки ОПН
Периодичность обслуживания датчиков Необслуживаемые

При значении полного тока проводимости ОПН от 0 до 1 мА строка с данными об этом ОПН отображается на экране зеленым цветом; при значении тока от 1 до 2 мА - желтым цветом; при токе выше 2 мА - красным цветом. Ограничители перенапряжений на классы 500 и 750 кВ имеют несколько большие нормированные токи утечки, для этих ОПН существует исполнение прибора «ОПН-Визор-II» рассчитанный на больший ток и увеличенные уставки токов утечки при индикации.


Рис. 8. - Схема монтажа датчика беспроводного регистратора срабатывания с индикацией тока проводимости ограничителей перенапряжений «ОПН-Визор-ІІ»



Рис. 9. - Экран базового модуля «ОПН-Визор-II»


После монтажа и подачи напряжения в течение 2-х минут датчики входят в нормальный рабочий режим и могут быть сразу опрошены базовым модулем. Никаких специальных настроек делать не требуется.


Заключение

Опыт эксплуатации нелинейных ограничителей перенапряжений показывает, что несмотря на исключительно высокие защитные характеристики ОПН сами могут быть причиной аварийной ситуации, и требуют регулярной диагностики в эксплуатации для предотвращения аварий.

Использование современных безопасных регистраторов срабатывания ОПН с индикацией тока утечки и возможностью дистанционного снятия показаний для регулярного мониторинга тока утечки ограничителей перенапряжений в эксплуатации, особенно в период ввода в эксплуатацию ОПН и в период длительной эксплуатации (10 лет и более) позволит предотвратить аварийные ситуации и спланировать безопасный вывод из эксплуатации ограничителей перенапряжений эксплуатационные характеристики которых вышли за нормированные пределы.

назад к статьям