Михаил Дмитриев, к.т.н.,

ЗАО «Завод энергозащитных устройств», г. Санкт-Петербург

РЕГИСТРАЦИЯ ЧИСЛА СРАБАТЫВАНИЙ ОПН
Необходимость или излишество?

В процессе эксплуатации ОПН подвергаются воздействию как рабочего напряжения сети, так и различных видов перенапряжений. Диагностику ограничителей можно считать исчерпывающей, если она базируется на результатах измерений и тока проводимости ОПН под рабочим напряжением, и токов в них при перенапряжениях. На последней из составляющих диагностики и останавливается Михаил Дмитриев, продолжая в новой статье разговор об этом оборудовании.

Достаточно часто возникает вопрос о необходимости оснащения ОПН регистраторами срабатываний. Как правило, речь идет об использовании регистраторов лишь совместно с ОПН 110–750 кВ, поскольку:

• стоимость таких устройств высока по сравнению со стоимостью ОПН 6–35 кВ;

• при протекании в ОПН импульсных токов падение напряжения на индуктивности таких регистрирующих устройств может достигать нескольких киловольт, что заметно по сравнению с остающимися напряжениями ОПН 6–35 кВ и, как следствие, приводит к снижению защищенности оборудования 6–35 кВ.

НА ВЕНТИЛЬНЫХ РАЗРЯДНИКАХ

Исторически первыми появились системы регистрации срабатываний вентильных разрядников – предыдущего относительно ОПН поколения аппаратов, предназначенных для защиты оборудования сетей от импульсных перенапряжений. Тогда в цепи заземления вентильных разрядников устанавливались счетчики числа срабатываний. Необходимость установки таких устройств была тесно связана со спецификой работы вентильных разрядников, имеющих последовательные искровые промежутки.
При возникновении импульсных перенапряжений опасной величины (как правило, грозовых перенапряжений) искровой промежуток пробивался и в нелинейном сопротивлении 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 от напряжения 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:

где W_ИМП – энергия от импульсного тока, W_{50 Гц} – энергия от сопровождающего тока промышленной частоты.
Так как вольт-амперная характеристика элементов была слабо нелинейная, сопровождающий ток был заметной величины и при каждом срабатывании давал ощутимое тепловыделение W_{50 Гц} вне зависимости от того, какой энергией W_ИМП обладали импульсные перенапряжения. Учитывая свойства 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 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 W_ИМП) имели второстепенное значение. Это позволяло использовать счетчики простой конструкции.
В качестве примера важности регистрации числа срабатываний разрядников можно привести случай, когда при коммутациях ошиновки разъединителями на ней развиваются высокочастотные (ВЧ) перенапряжения, что проанализировано в [3]. ВЧ-перенапряжения могут достигать значительной величины, но при этом обладают малой энергией. Величина ВЧ-перенапряжений способна приводить к срабатыванию искровых промежутков разрядников. При этом, несмотря на малую энергию W_ИМП, в эксплуатации зафиксированы случаи разрушений разрядников, что можно объяснить лишь опасностью энергии W_{50 Гц} и многократностью ее выделения. Если в эксплуатации показания счетчиков числа срабатываний разрядников были значительны, то косвенно это могло свидетельствовать о существовании ВЧ-перенапряжений и их опасности для оборудования и, прежде всего для самих разрядников.
Заметное превышение показаний счетчика на одной из фаз по сравнению с показаниями счетчиков других фаз, например, может говорить о снижении разрядного напряжения искрового промежутка – серьезном основании для вывода разрядника из эксплуатации.
Так или иначе, но необходимость в счетчиках числа срабатываний напрямую была связана с особенностями разрядников и не вызывала сомнения.

НА ОПН

В настоящее время в сетях осуществляется массовая установка ОПН, не имеющего искрового промежутка вследствие высокой нелинейности вольт-амперной характеристики нелинейных сопротивлений (варисторов). ОПН рассчитаны на длительное воздействие напряжения U_НРО промышленной частоты. В случае если напряжение промышленной частоты не повышается сверх U_НРО, заметная энергия может выделяться в варисторах ОПН лишь при импульсных перенапряжениях, сопровождаемых импульсными токами:

При правильном выборе U_НРО 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 них энергией:

которая зависит и от величины, и от длительности (формы) импульсного тока. Вместе с тем регистраторы числа срабатываний реагируют на факт протекания тока, величина которого больше определенного значения, и никак не учитывают формы импульсного тока, а значит, не дают представления об энергии, которая выделяется в ОПН.
Для иллюстрации этого на расчетной осциллограмме (рис. 1) при грозовых перенапряжениях приведены два импульса тока в типовом ОПН 110 кВ (остающееся напряжение при грозовом импульсном токе 10 кА формы 8/20 мкс составляет 250 кВ). Несмотря на равенство максимальных значений токов (около 4 кА), выделяющаяся энергия для первого импульса (около 10 кДж) в четыре раза меньше, чем для второго (около 40 кДж), что показано на рис. 2.

Счетчики числа срабатываний (при должном принципе работы и качестве изготовления) могут давать представление лишь о том, сколько раз ОПН пропускал в себя 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 [4] 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 25–30 лет конкретного ОПН.
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. были бы построены на принципе интегрирования кривой тока. Подобные устройства, очевидно, будут гораздо дороже примитивных 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 W_ОПН^СУМ 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 W_ОПН^МАКС.
Понятие ресурса ОПН рассмотрено в [4] (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 [4]), и оно не используется при выборе ОПН [5].
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 WИМП и десять импульсов тока с энергией 0,1 · W_ИМП;

• изменения свойств варисторов, вызванные протеканием в них импульсных токов, компенсируются последующим воздействием на варисторы рабочего напряжения сети [6].

Оценка состояния ОПН в эксплуатации, как и методика выбора ОПН, не могут быть построены на основе информации о суммарной выделенной энергии W_ОПН^СУМ. Поэтому регистраторы срабатываний ОПН, которые могли бы дать информацию W_ОПН^СУМ, не позволяют сделать конкретные выводы. Такие регистраторы могут быть полезны для сбора статистических данных об импульсных токах и энергиях в ОПН, которые представляют большой научный интерес. Однако вряд ли эксплуатирующие организации заинтересованы в финансировании научных исследований третьих лиц, тем более что результаты этих исследований появятся лишь спустя долгие годы.

При современном развитии техники оснащение ОПН какими-либо регистраторами срабатываний не имеет практического смысла.

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. Методические указания по ограничению высокочастотных коммутационных перенапряжений и защите от них электротехнического оборудования в распределительных устройствах 110 кВ и выше. – М.: ОРГРЭС, 1998.
4. РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 6–1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений/Под научной редакцией Н.Н.Тиходеева. – 2-е изд. – СПб: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999. – 355 с.
5. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110–750 кВ. – М.: Изд-во НТК «Электропроект», 2000.
6. C.Heinrich, S.Hayeb, W.Kalkner. Degradation and restoration of metal oxide surge arresters // 10th International symposium on high voltage engineering ISH-97, Canada, 1997.