Сокращение производства вентильных разрядников, используемых многие десятилетия в качестве ограничителей перенапряжений для защиты электрооборудования от атмосферных и коммутационных перенапряжений, вызвало настоящий бум в производстве нового поколения защитных аппаратов – ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН) на основе металлооксидных резисторов (варисторов). ОПН находят всё большее применение в российских электрических сетях. Сегодня мы представляем вниманию читателей три материала, которые раскрывают некоторые стороны производства и использования ОПН и, на наш взгляд, могут быть полезны как изготовителям, так и потребителям этих аппаратов.

Ограничители перенапряжений
Контроль качества от разработки до эксплуатации

Василий Куприенко, к.т.н. доцент. НИЦ 26 ЦНИИ, г. Санкт-Петербург

Отсутствие нормативной базы для производства и использования многих видов электротехнической продукции во многом сдерживает развитие энергетической отрасли. Это касается и ограничителей перенапряжений. Утвержденного документа, который определял бы структуру и порядок проведения испытаний ОПН на стадии их разработки и серийного производства, в России пока не существует. Но есть проект ГОСТ, о котором рассказывают сотрудники научно-исследовательского центра 26 ЦНИИ.

Геннадий Акомелков, к.т.н. НИЦ 26 ЦНИИ, г. Санкт-Петербург

Высокая нелинейность вольт-амперной характеристики варисторов, отсутствие искровых промежутков, широкое применение новых полимерных и композиционных материалов позволили создать ОПН с привлекательными эксплуатационными и технологическими характеристиками. Относительная простота конструкции ОПН на базе полимерных монолитных изоляторов в сочетании с их высокой механической прочностью, трекингостойкостью, взрывобезопасностью и высоким спросом на российском рынке позволила наладить их производство многочисленным предприятиям, не обладающим высокотехнологичным оборудованием и опытом изготовления защитных аппаратов и вследствие этого выпускающим большой объем некачественных ОПН.
Для подтверждения качества выпускаемой продукции (её соответствия нормативным требованиям) необходим большой объем испытаний. Структура и порядок проведения испытаний ОПН на стадии их разработки и серийного производства наиболее полно отражены в международном стандарте МЭК 60099-4. [1]. На его основе разработан проект ГОСТ «Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) для электроустановок переменного тока напряжением 3-750 кВ» [2], который до сих пор не введен в действие.
Производители, имеющие большой опыт выпуска защитных аппаратов (например, ЗАО «ЗЭТО», г. Великие Луки; ЗАО «НИИ ЗАИ», г. Санкт-Петербург), проводят сертификацию ОПН по ТУ на изделие, разрабатываемым по требованиям стандарта МЭК. Сертификат подкрепляется протоколами всесторонних испытаний, проводимых изготовителем и независимыми испытательными лабораториями.
Небольшие предприятия, пользуясь отсутствием ГОСТа, зачастую сертифицируют свою продукцию без проведения испытаний – либо только на основании декларации ее качества, либо по ограниченному числу показателей (например, по взрывобезопасности и измерению пути утечки). На недопустимость такого подхода к оценке качества продукции указывал в своей статье директор испытательного центра ОАО «НИИВА» И. Бабкин [3]. И те производители, которые не вкладывают сегодня средства в испытания ОПН, завтра не смогут достойно конкурировать на рынке защитных аппаратов.
Ограничители перенапряжений представляют собой сложное электротехническое изделие, требующее всестороннего контроля качества при их разработке и серийном производстве. Объем и последовательность испытаний ОПН, которые необходимо проводить на разных этапах создания, производства и эксплуатации защитных аппаратов, – тема настоящего материала. Требования МЭК 60099-4 (проект ГОСТ) предусматривают проведение следующих видов испытаний: квалификационных, приемосдаточных, типовых и периодических.

Квалификационные испытания

Завершают этап разработки ОПН и проводятся на образцах, прошедших приемосдаточные испытания. Рекомендуемый перечень квалификационных испытаний по требованиям МЭК представлен на рис. 1. Этот вид испытаний является наиболее объемным, поскольку в результате его выполнения дается заключение о соответствии характеристик нового типа ОПН требованиям нормативных документов.
Объем квалификационных испытаний можно условно разделить на три большие группы:

• воздействие на ОПН в целом;
• испытание изоляционного корпуса;
• испытание нелинейных резисторов (варисторов).

Испытания ОПН в сборе
Проводятся при номинальном (или повышенном) рабочем напряжении. При этом наибольшую техническую трудность представляют испытания ОПН на 110-750 кВ. Методика проведения испытаний должна быть определена ГОСТ на ОПН.
Испытания для определения классификационного напряжения проводятся в соответствии с требованиями МЭК 60099-4.
Методы определения уровня частичных разрядов нормированы ГОСТ 20074-83 и стандартом МЭК 270. Уровень частичных разрядов определяется при напряжении, которое на 5% выше наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения ОПН, и не должен превышать 50 пКл. На наш взгляд, этот уровень является завышенным, что, возможно, связано с низкой чувствительностью регистрирующей аппаратуры. У производителей, выпускающих качественные ОПН, этот уровень не превышает 20 пКл. Испытания на механическую прочность, прочность при транспортировании и на изменения температуры окружающей среды проводятся по методикам ГОСТ 16357, ГОСТ 23216 и ГОСТ 20.57.406 (метод 205). Критерием стойкости ОПН при проведении данных испытаний является отсутствие видимых механических повреждений. При этом классификационное напряжение, измеряемое до и после испытаний, не должно отличаться более чем на 5%. Испытания на герметичность выполняют по методике, изложенной в проекте ГОСТ на ОПН.
Испытания на взрывобезопасность являются одной из важнейших эксплуатационных характеристик ОПН, т.к. это связано с безопасностью обслуживающего персонала. (Анализ результатов испытаний ОПН с полимерными изоляторами на взрывобезопасность изложен в статье Д. Капустина в настоящем номере – Прим. ред.).

Испытания изоляционного корпуса ОПН
Проводятся для контроля электрической прочности изоляции и качества ее изготовления. Проверка изоляции на механическую прочность и стойкость к внешним климатическим воздействиям проводится при испытаниях как ОПН в сборе, так и его отдельных покрышек.
Испытания на трекингоэрозионную стойкость разработаны специально для контроля качества полимерной изоляции и ее надежной работы в течение всего срока эксплуатации. Испытания нормируются требованиями ГОСТ 28856 и ГОСТ 2920.
Испытания по определению прочности изоляции корпуса ОПН проводятся на макете, представляющем собой ОПН без нелинейного рабочего резистора. Это связано с тем, что нелинейный резистор в процессе испытаний будет ограничивать напряжение до безопасного для изоляции уровня. Пространство, занимаемое резистором, заполняют диэлектриком.
При испытании изоляционных корпусов ОПН на напряжение свыше 330 кВ, чтобы устранить влияние неоднородности электрического поля на электрическую прочность изоляции, принудительно выравнивают напряжения по высоте колонны (например, с помощью последовательно соединенных конденсаторов) [4].
При испытаниях применяются методы, предусмотренные ГОСТ 1516.2.

Испытания нелинейного резистора
Проводятся для определения его основных эксплуатационных характеристик. Опыты выполняются по методике, изложенной в [1, 2], и проводятся, как правило, на секциях ОПН данного типового ряда. Секции выполняются высотой не более 50 мм с конструкцией теплоотвода, эквивалентного теплоотводу средней части испытываемого аппарата, так как на ОПН в сборе невозможно воспроизвести грозовые и коммутационные импульсы тока большой энергии.
Испытания начинаются с проверки соответствия остающегося напряжения при воздействии на нелинейный резистор следующих импульсов: грозовых импульсов тока 8/20, 4/10 (1/10) мкс и коммутационного импульса тока, у которого условная длительность фронта от 30 до 100 мкс, а условная длительность импульса в два раза превышает длительность фронта. За остающееся напряжение ОПН принимают наибольшее из значений, полученных при испытаниях.
Пропускная способность оценивается путем приложения 20 импульсов прямоугольной формы длительностью 2000 мкс. Причем значения остающегося напряжения на нелинейных резисторах до и после испытаний должны отличаться не более чем на 5%.
Для ОПН особое значение имеют испытания в условиях, приближенных к реальным режимам перенапряжений в энергосистемах. Это так называемые рабочие испытания, при которых грозовые и коммутационные перенапряжения накладываются на напряжение промышленной частоты. Рабочие испытания предваряют испытания варисторов на ускоренное старение. При их выполнении варисторы находятся под воздействием температуры 115 ±4°С и высокого напряжения в течение 1000 часов.
В результате этих испытаний определяются наибольшее допустимое и номинальное напряжение секции, которые используются при проведении рабочих испытаний.
Цикл рабочих испытаний состоит из следующих этапов: начальных измерений; подготовительных испытаний; собственно рабочих испытаний; измерений и осмотра. Рабочие испытания подтверждают способность ОПН без повреждений пропускать грозовые и коммутационные импульсы тока при номинальном рабочем напряжении.
Образец считается выдержавшим испытания, если:

• установлена его термическая стабильность (активная составляющая тока, мощность потерь или температура резисторов стабилизируется или уменьшается);
• изменения остающегося напряжения до и после испытаний не превысили 5%;
• отсутствуют пробои, перекрытия и растрескивания варисторов.

Приемосдаточные испытания

Выполняются на 100% выпускаемых аппаратов в объеме, представленном на рис. 2. Этот вид испытаний позволяет контролировать серийно выпускаемые ОПН, качество которых во многом зависит от параметров комплектующих изделий. Наличие сертификатов на варисторы еще не гарантирует их качества. Например, при испытаниях варисторов отечественного производства брак может достигать 10–50%. Поэтому опытный производитель контролирует 100% варисторов, для чего ему необходимо иметь соответствующее испытательное оборудование.

Типовые испытания
Выполняются производителем при изменениях конструкции, технологии изготовления, применяемых материалов или комплектующих изделий, которые могут привести к изменению характеристик ОПН.
Объем и порядок проведения типовых испытаний определяет производитель. В программу включают испытания из числа квалификационных, связанных с произведенными изменениями конструкции ОПН.

Периодические испытания
Выполняются с целью контроля характеристик ОПН после определенного срока эксплуатации и проводятся не реже одного раза в пять лет.
Проверке подлежат основные эксплуатационные характеристики ОПН, за исключением механической прочности, климатических испытаний и испытаний на взрывобезопасность.

Лаборатории для испытаний
Представленный в настоящей статье перечень испытаний ОПН может быть изменен или дополнен в зависимости от условий их эксплуатации и требований к уровню защиты. Для установления единых требований к проведению испытаний ОПН необходимо ускорить принятие ГОСТ по разработанному проекту. Это позволит адекватно оценивать результаты испытаний ОПН разных производителей, а также внесет определенность в развитие экспериментальной базы испытательных лабораторий.
Для контроля качества выпускаемых ОПН, на наш взгляд, следует иметь испытательные центры (лаборатории) двух уровней. Первые должны находиться у производителя и обладать испытательным оборудованием для входного контроля комплектующих элементов ОПН и контроля качества выпускаемой продукции. Испытательное оборудование должно быть аттестовано в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.568, а средства измерения поверены в установленном порядке.
Второй уровень – это независимые лаборатории (центры), которые должны иметь испытательное оборудование для проведения квалификационных испытаний ОПН. Производителю ОПН иметь такой объем испытательного оборудования нецелесообразно и нерентабельно.
Испытаниями ОПН на воздействие различных факторов занимается ряд специализированных испытательных центров и лабораторий. В их числе НИЦ ВВА (г. Москва), ИЦ НИИВА (г. Санкт-Петербург), НИЦ ГУП ВЭИ (г. Москва), ИЦ НИЦ 26 ЦНИИ (г. Санкт-Петербург) и др. Но воспроизведение полного комплекса испытательных воздействий на ОПН даже в рамках одной специализированной лаборатории или центра является достаточно сложной задачей. Поэтому различные виды опытов могут быть распределены между испытательными центрами, а их результаты объединены в виде протоколов органом по сертификации для выдачи сертификата на тип ОПН.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стандарт МЭК 60099-4 «Металлооксидные ограничители перенапряжений без искровых промежутков для электрических сетей переменного тока».
2. Проект ГОСТ «Ограничители перенапряжений нелинейные ОПН переменного тока для электрических сетей номинального напряжения от 3 до 750 кВ».
3. Бабкин И. Качество выпускаемого оборудования могут оценить только испытательные центры // Новости ЭлектроТехники. – 2003. – N 6 (24).
4. Афанасьев А.И., Богомолов И.М. Высоковольтные испытания электрических аппаратов. Ч.1. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998. – 134 с.