Диагностика и контроль вентильных разрядников
3.1Методы и технические устройства контроля вентильных разрядников
В последние годы в энергосистемах страны вентильные разрядники активно заменяются более совершенными нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН). Однако до настоящего времени в энергосистемах количество эксплуатируемых вентильных разрядников значительно превышает количество ОПН. Так, например, на энергообъектах Чувашии по состоянию на 01.10.2004 г. количество установленных ОПН по отношению к вентильным разрядникам составляет менее одного процента. Заметим, что предприятия, эксплуатирующие вентильные разрядники, заинтересованы в продлении их срока службы, так как они зарекомендовали себя высоконадёжными устройствами. Хотя большая часть вентильных разрядников эксплуатируется от 10 до 20 лет, а некоторые — близко к предельному сроку службы, очевидно, что обновление или замена вентильных разрядников будет происходить в течение длительного времени, определяемого экономическими возможностями, интенсивностью повреждений и результатами отбраковки. Следовательно, своевременное выявление дефектов средств защиты от перенапряжений (СЗОП), качество работы которых гарантирует надёжность работы дорогостоящего электрооборудования, является актуальной проблемой энергетики.
К методам диагностики, позволяющим своевременно выявить дефекты в СЗОП, относятся:
1. Тепловизионное обследование (с помощью приборов инфракрасной техники с высокой разрешающей способностью по температуре (не ниже 0.5°С)).
2. Измерение сопротивления изоляции (Rизол).
3. Измерение пробивного напряжения (Uпр ) промышленной частоты 50 Гц.
4. Измерение токов проводимости (Iпр) у разрядников с шунтирующими сопротивлениями, которые должны соответствовать нормативным значениям.
Методика тепловизионного контроля высоковольтных вентильных разрядников в рабочем состоянии достаточно хорошо разработана, и по ней опубликовано много работ [26...28, 29, 30, 32, 34, 35...41]. Благодаря её применению выявляются следующие виды неисправностей в элементах вентильных разрядников, приводящие к их аномальным нагревам [29]:
• нарушение герметичности;
• обрыв или увлажнение шунтирующих резисторов;
• замыкание искровых промежутков;
• нарушение заводской комплектации элементов.
В качестве примера на Рис. 6.1 показаны термограммы разрядников, в которых отражены выявленные нарушения комплектации элементов разрядников после ремонтно-восстановительных работ. Особый интерес представляет термограмма на Рис. 6.1, б, из которой видно, что на верхнем элементе фазы В наблюдается «свечение» элемента как внизу, так и вверху. После отключения и тщательного осмотра состояния разрядника было установлено, что персонал предприятия электрических сетей вместо требуемого элемента типа РВС-33 ошибочно установил РВС-35 (у РВС-35 шунтирующие сопротивления находятся как в нижней, так и в верхней части, тогда как у РВС-33 — только в верхней половине элемента). У разрядника РВС-110 (Рис. 6.1, а) на фазе А перевернут его нижний элемент. Все термограммы, приведённые в настоящей работе, выполнены с помощью отечественного тепловизора типа ИРТИС-2000.
Рис. 3.1. Термограммы элементов разрядника РВС-110, фазы/4, В, С:
а) подстанция «Стрелка» (Северные электрические сети);
б) подстанция 110/10 кВ «Семёновское» (Алатырские электрические сети).
На фазе А (крайняя слева) перевернут нижний элемент разрядника РВС-110.
Руководящий документ [25] предлагает считать исправным разрядник, «верхние элементы которого в месте расположения шунтирующих резисторов нагреты одинаково». Однако опыт эксплуатации показывает, что температуры одинаковыми на всех верхних элементах фаз разрядника одного присоединения практически никогда не бывают (несимметрия фазных напряжений, неидентичное расположение разных фаз разрядников относительно точки съёмки, разная степень загрязненности элементов разрядника и др.) и всегда отличаются (даже при исправных элементах) на доли, а иногда и на целые градусы (см. Рис. 6.1, 6.2). Практический опыт показывает, что при разнице перепада температуры верхних элементов разрядника относительно соседних в 2—3°С можно с уверенностью утверждать, что элемент разрядника дефектный и его рекомендуется немедленно вывести в ремонт.
Рис. 3.2. Термограмма разрядников РВС-110 кВ
(С, В, А) подстанции « Шумерлинская» (Алатырскиеэлектрические сети).
Если различие температур аналогичных элементов разных фаз разрядника в пределах от 2 до 5°С, то целесообразно провести дополнительные испытания. После анализа всех результатов диагностики окончательное решение о ремонте обычно остаётся за персоналом, в чьём введении находится СЗОП. Здесь уместно отметить, что аналогичных рекомендаций придерживаются и за рубежом, например в соответствии с американским стандартом [31].
Важным параметром и надёжным показателем, характеризующим работоспособность разрядников, является величина его пробивного напряжения. Это измерение на практике часто применяется в тех случаях, когда исправность того или иного элемента разрядника вызывает определённые сомнения по полученным термограммам тепловизионного контроля и данных измерений токов проводимости.
Как известно, измерение пробивного напряжения вентильных разрядников производится с целью определения состояния их искровых промежутков и соответствия защитных характеристик требуемым нормам [42]. Испытания на пробой позволяют эффективно выявить дефекты разрядников, появившиеся в результате неправильной транспортировки, разгерметизации в процессе эксплуатации или в результате снижения ими пропускной способности.
Заметим, что пробивным напряжением элементов вентильных разрядников принято считать среднее значение из не менее трёх измерений для разрядников РВС, пяти измерений для разрядников РВРД, десяти измерений для разрядников РВМ, РВМГиРВМК.
Оценка состояния вентильных разрядников производится путём сопоставления измеренных значений пробивного напряжения с предельно допустимыми значениями, приведёнными в паспорте разрядника или в действующих нормах испытания электрооборудования [329].
После окончания измерений пробивных напряжений дополнительно должны быть измерены токи проводимости разрядников при выпрямленном напряжении для контроля целостности шунтирующих резисторов.
Измерения пробивных напряжений вентильных разрядников с шунтирующими резисторами могут выполняться только при обязательном соблюдении определённых требований [43]. Например, время подъёма напряжения частотой 50 Гц на элементе разрядников серии РВС, РВМ, РВРД, РВМГ, РВМК-330, РВМК-500 до пробивного не должно превышать 0.5 с, а разрядников серии РВМК-400В, РВМК-750, РВМК-1150 - 1.0 с.
Превышение допустимого времени подъёма напряжения может привести к перегреву и разрушению шунтирующих резисторов разрядника. С другой стороны, время подъёма напряжения должно быть не менее 0.1 с.
Интервал между отдельными измерениями должен быть не менее 10 с и не более 1 мин, а длительность протекания тока через разрядник после пробоя его искровых промежутков не должна превышать 0.5 с; ток нужно ограничивать, например, дополнительным резистором до значения 0.7 А.
Эти требования могут быть выполнены в жспьхтатшхънтзй установке для измерения пробивного напряжения вентильных разрядников с шунтирующими резисторами, принципиальная схема которой показана на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Принципиальная схема испытательной установки для измерения пробивного напряжения вентильных разрядников с шунтирующими сопротивлениями. SBh, SB2 — соответственно кнопки включения и отключения; КМ—реле; РВ — реле времени; РТ— реле тока; Т1 — регулировочный автотрансформатор; Т2 — высоковольтный транс-форматор; R1, R4 — резисторы; С1, С2 — конденсаторы; ВР — вентильный разрядник; а, б— возможные точки подключения цифрового регистратора.
Как известно, серийный выпуск подобных установок для испытания вентильных разрядников не производится, однако она может быть укомплектована и изготовлена в виде стенда, например, в электротехнической лаборатории эксплутационным персоналом с использованием следующих рекомендаций [329].
В качестве источника испытательного напряжения при определении пробивных напряжений разрядников РВС целесообразно использовать типовой трансформатор НОМ-100/10. Для определения значений пробивных напряжений вентильных разрядников всех остальных типов, кроме элементов разрядников РВМК-400В, РВМК-750 и РВМК-1150, обычно используется испытательный трансформатор НОМ-100/25.
Повышение напряжения на испытательном трансформаторе Т2 до значения пробивного в течение допустимого времени осуществляется регулировочным автотрансформатором 77 типа РНО-250-10, в котором червячный привод и гибкий тросе регулятора, связывающий контактный ролик с рукояткой, заменены жёсткой тягой. В цепь питания РНО включается балластный резистор R1 со значением сопротивления 0.5...1.0 Ом для ограничения тока в рабочих резисторах разрядника после пробоя искровых промежутков. Защитный резистор может быть включен со стороны испытуемого разрядника (R2), при этом его сопротивление должно быть не менее 150 кОм.
Испытательная установка включается кратковременным нажатием кнопки
SB1 (отключается кнопкой SB2).
Сетевое напряжение 220 В контактами кнопки SBi подаётся на обмотку магнитного пускателя КМ по последовательной цепи через замкнутые контакты реле времени РВ и реле тока РТ.
После замыкания контактов магнитного пускателя напряжение 220 В подаётся на регулировочный автотрансформатор 77, в исходном состоянии которого скользящие выходные контакты находятся на минимальном числе витков его обмотки. Подъём напряжения на испытательном трансформаторе Т2 осуществляется быстрым передвижением жёсткой тяги регулировочного автотрансформатора, благодаря чему обеспечивается практически линейно нарастающее напряжение на разряднике до его пробоя.
Однако скользящими контактами РНО подаётся питание на цепь обмотки реле времени РВ, контактами которого через 0.5 с размыкается цепь обмотки магнитного пускателя и происходит отключение испытательной установки от питающей сети.
Отключение испытательной установки происходит также и в результате разрыва цепи питания обмотки магнитного пускателя контактами реле тока РТ(типа РТ-40), через обмотку которого протекает ток вентильного разрядника ВР при пробое его искровых промежутков. Уставка реле тока должна быть около 0.2...0.3А.
Обычно для измерения пробивного напряжения на разряднике используются электронно-лучевые осциллографы типов С1-5, ЭО-7 и др., работающие в режиме безынерционного вольтметра (с отключенной развёрткой), на пластины которых подаётся напряжение от низковольтного плеча С2 ёмкостного делителя напряжения С1—С2 (вывод а). В случае использования светолучевых осциллографов, например типа Н-008, Н-115 и др., пробивное напряжение измеряется с использованием низковольтного плеча R4 омического делителя напряжения R3— R4 (зажим b).
Осциллограф с делителем напряжения должен быть отградуирован напряжением, измеренным электростатическим киловольтметром при отключенном разряднике. При испытании элементов разрядников с верхним пределом пробивного напряжения более 100 кВ необходимо применять специальный испытательный трансформатор с соответствующим значением напряжения высоковольтной обмотки и устройством, обеспечивающим время подъёма напряжения не более 1.0 с.
Однако проведение измерения ВР с шунтирующими сопротивлениями описанным устройством трудоёмко, оно не обладает высокой точностью при определении пробивного напряжения. Кроме того, определение времени развития разряда этим устройством затруднительно, а упомянутые осциллографы часто выходят из строя. Заметим, что устройство не позволяет оперативно сохранять в электронном виде данные измерений с последующей передачей их в персональный компьютер для обработки и представления результатов измерений в соответствующей форме. Особенно это актуально в условиях рыночной экономики, когда исполнитель должен представить заказчику результаты испытаний в виде протокола с соответствующими данными, полученными с помощью электронных устройств.
Существующие новые универсальные цифровые осциллографы и регистраторы предназначены, как правило, для лабораторных условий и малопригодны для применения в составе высоковольтных установок с мощными электромагнитными импульсами и помехами. В то же время современная микроэлектронная база [33] позволяет создавать специализированные и сравнительно дешёвые цифровые устройства для этих целей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Техника высоких напряжений. /Под общей редакцией Кучинского Г.С. Изд-во ПЭИПК, Санкт-Петербург, 1998.
2 Техника высоких напряжений. Под ред. проф. Г.С. Кучинского. Учебное пособие для вузов. Энергоатомиздат, 2003.
3 Электрические изоляторы. Под ред. Н.С. Костюкова. М. Энергоатомиздат, 1984.
4 Агавердиев И.Н., Эйвазов Д.Г., Титков В.В. Особенности теплового режима нелинейных ограничителей перенапряжений в условиях длительной перемежающейся дуги заземления. Электро, 2004, №6.
5 Колкунова И., Кадзов Г.Д., Титков В.В., Таджибаев А.И. Исследование тепловых режимов в ограничителях перенапряжения при различных повреждениях. Междунар. научн.-технич. конф. «Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования». Выпуск 1, Междунар. конф. С.-Петербург, 2003.
6 Техника высоких напряжений. /Под ред. М.В. Костенко. М. Высшая школа, 1973.
7 Защита сетей 6-35 кВ. Под ред. Ф.Х. Халилова, Евдокунина Г.А., Таджибаева А.И. – С.-Петербург: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 2002.
8 Афанасьев А.И., Богатенков И.М., Фейзуллаев Н.И. Аппараты для ограничения перенапряжений в высоковольтных сетях. Санкт-Петербург, Изд-во СПбГТУ, 2000.
9 Васюра Ю.Ф., Вильнер А.В., Вычегжанин А.В. Оценка величины энергии, рассеиваемой на варисторах ОПН, установленных в сетях СН электростанций, при замыканиях на землю. В сб. «Научные аспекты и актуальные проблемы разработки, производства, испытаний и применения ОПН», НИИ «Электрокерамика», Санкт-Петербург, 2003.
10 Демьяненко К.Б., Титков В.В. Опыт и особенности проектирования ограничителей перенапряжений класса 220-500 кВ. ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2002, №3.
11 Компоненты электрической защиты и обеспечения электромагнитной совместимости ЭМС для бытовой, автомобильной и индустриальной электроники EPCOS // Каталог компании «Платан», www.platan.ru.
12 Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научной редакцией Н.Н. Тиходеева, 2-ое издание. Санкт-Петербург, Изд. ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.
13 Бычков В.П. Электропривод и автоматизация металлургического производства. М. Высшая школа, 1977.
14 Техника высоких напряжений. Под ред. проф. Г.С. Кучинского. Учебное пособие для вузов. Энергоатомиздат, 2003.
15 Александров Г.Н., Иванов В.Л. Стеклопластиковая изоляция линий электропередач. Издательство «Штинице», Кишинев, 1983.
16 Проектирование линий электропередачи сверхвысокого напряжения. Под ред. Г.Н. Александрова. 2-е изд., перераб. и дополн. ЛО, Энергоатомиздат, 1993.
17 Стандарт МЭК 60099-4 (2001). Металлооксидные ограничители перенапряжений без искровых промежутков для сетей переменного тока.
18 Федосеев В.И. Сопротивление материалов. Учебник для вузов. Наука, Гл. ред. Физматлит, 1986.
19 Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ РАО «ЕЭС России». Разработчики ОАО «Институт энергосетьпроект», ОАО «ВНИИЭ», НТК «Эл.-проект», Москва 2000.
20 Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 6-35 кВ. Разработчики ОАО «Институт энергосетьпроект», ОАО «ВНИИЭ», НТК «Эл.-проект», Москва, 2001.
21 Альбокринов В.С., Гольдштейн В.Г., Халилов Ф.Х., Перенапряжения и защита от них в электроустановках нефтяной промышленности. Самара, Изд. «Самарский университет», 1997 г.
22 Иманов Г.М., Пухальский А.А., Халилов Ф.Х., Таджибаев А.И., Защита электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений. Изд. ПЭИПК Минэнерго, Санкт-Петербург, 1999 г.
23 Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научной редакцией Н.Н. Тиходеева, 2-ое издание. Санкт-Петербург, Изд. ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999
24 Правила устройства электроустановок. Нормативная база. Седьмое издание. М. «Издательство НЦ ЭНАС», 2006.
25 Объём и нормы испытаний электрооборудования / Под общ. ред. Б.А. Алексеева, Ф.Л. Когана, Л.Г. Мамиконянца. РД 34.45-51.300-97. 6-е изд., с изм. и доп. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС. - 2002. - 256 с.
26 Власов, А.Б. Результаты многолетнего использования тепловизора для контроля состояния электрооборудования в Колэнерго / А.Б. Власов // Электрические станции. — 1996. — № 8. — С. 61—63.
27 Власов, А.Б. Использование тепловизоров для контроля состояния электрооборудования в Колэнерго / А.Б. Власов, Н.С. Афанасьев, А.В. Джура // Электрические станции. — 1994. — № 12. — С. 44—45.
28 Климов, С.Н. Опыт применения тепловизионной техники для контроля электроэнергетического оборудования / СП. Климов // Энергетик. — 2002. — №1.-С44.
29 Лапонов, С.Н. Тепловизионный контроль и диагностика электрооборудования / С.Н. Лапонов, В.В. Шишминцев // Промышленная энергетика. — 2000.-№11.-С. 15-17.
30 Баталыгин, С.Н. Комплексное обследование силовых трансформаторов / С.Н. Баталыгин, Г.М. Михеев, В.М. Шевцов // XXVI сессия семинара «Кибернетика электрических систем по тематике «Диагностика электрооборудования»». — Новочеркасск. — 2004. — С. 14—16.
31 Standart Guide for Examining Electrical and Mechanical Equipment with Infrared Thermography. E1934-99a.
32 Хренников, А.Ю. Тепловизионный контроль генераторов и импульсное дефектографирование силовых трансформаторов / А.Ю. Хренников, А.Ф. Еганов, В.Б. Курылев и др. // Электрические станции. — 2001. — № 8. — С. 48—52.
33 Mixed-Signal and DSP Design Technigues. Edited by ADI's Walt Kester, Newnes 2003.-336 p.
34 Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ. РД 153-34.0-20.363-99. - М.: СПО ОРГРЭС. - 2001. - 145 с.
35 Михеев, Г.М. Тепловизионный контроль высоковольтного электрооборудования: Учеб. пособие / Михеев Г.М. — Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та. — 2004.-180 с.
36 Бойко, А.Г. Тепловизионный контроль разрядников РВС / А.Г. Бойко, В.Ф. Чернов // Энергетик. - 1990. - № 10. — С. 17-18.
37 Михеев, Г.М. Методы и технические устройства контроля вентильных разрядников / Г.М. Михеев, Ю.А. Федоров, В.М. Шевцов, С.Н. Баталыгин // Электрические станции. — 2005. — № 9. — С. 37—41.
38 Константинов, А.Г. Тепловизионный контроль высоковольтных вентильных разрядников / А.Г. Константинов, В.Н. Осотов, А.В. Осотов // Электрические станции. — 1998. — № 12. — С. 43—46.
39 Баталыгин, С.Н. Цифровое осциллографирование динамических испытаний нелинейных высоковольтных разрядников / С.Н. Баталыгин, Г.М. Михеев, Ю.А. Федоров // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та. - 2005. - С. 171—175.
40 Русанов, И.В. Об испытаниях вентильных разрядников, выработавших ресурс / И.В. Русанов, А.Н. Данилин // Энергетик. — 1998. — № 1. — С. 25.
41 Шинкаренко, Г.В. Ремонт вентильных разрядников в Донбасской электроэнергетической системе / Г.В. Шинкаренко // Электрические станции. — 2002. - № 9. - С. 64-70.
42 ГОСТ 16357-83. Разрядники вентильные переменного тока на номинальные напряжения от 3.8 до 600 кВ. — М.: ИПК Изд-во стандартов. — 1999. — 31 с.
43 Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования. Раздел 7. Методы контроля состояния вентильных разрядников, ограничителей перенапряжений, трубчатых разрядников. — М.: СПО ОРГРЭС. — 1997. - 26 с.