 |
Ограничители перенапряжений (ОПН) сейчас являются одним из основных средств защиты изоляции электрооборудования в электрических сетях переменного тока от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Однако безопасны ли сами ОПН для эксплуатирующего персонала?
О взрывобезопасности этих устройств – в материале специалиста одного из ведущих в России испытательных центров.
 |
|
Дмитрий Капустин,
ведущий инженер
ОАО «НИЦ ВВА», г. Москва
Устройства сброса давления в ОПН
Статистика испытаний |
В середине прошлого века в качестве средства защиты от перенапряжений использовались вентильные разрядники с резисторами из карбида кремния (SiC). Основной недостаток этих аппаратов состоял в низкой нелинейности резисторов, которая являлась причиной нестабильности защитных характеристик. К недостаткам также можно отнести сложности контроля, конструкции и подбора параметров элементов ограничителей перенапряжений и искровых промежутков.
В конце 60-х годов стало очевидно, что возможности дальнейшего совершенствования разрядников на основе резисторов из карбида кремния практически исчерпаны. Нужны были новые резисторы на основе материалов с более нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве таковых были предложены металлооксидные (МО) резисторы на основе окиси цинка.
В отличие от разрядников металлооксидные ограничители перенапряжений имеют более нелинейную вольт-амперную характеристику, что делает излишним отделение ОПН от сети искровыми промежутками.
Принцип действия металлооксидного ограничителя перенапряжений заключается в практически мгновенном переходе в проводящее состояние под воздействием импульса перенапряжений. При срабатывании через ОПН могут протекать импульсные токи, достигающие десятков килоампер. Допустимые для ОПН импульсные токи нормированы с определенной вероятностью на основе многолетних статистических данных об амплитудах токов молнии. В некоторых, достаточно редких, случаях возможно превышение допустимого тока и разрушение ОПН.
Три типа УСД
С точки зрения эксплуатирующего персонала наиболее важной является задача взрывобезопасности при возможном разрушении ограничителя перенапряжений. Давление, создаваемое внутри аппарата, должно сброситься через специальное устройство наружу, не успев достичь опасной величины.
Для этой цели в конструкции ограничителей перенапряжений предусматривается устройство для сброса давления (УСД). На сегодняшний день отечественными и зарубежными заводами-изготовителями освоены и применяются три основных типа УСД:
- клапан (мембрана) в нижней части ОПН;
- клапаны (мембраны) в нижней и верхней частях ОПН с направляющими соплами выброса продуктов горения дуги навстречу друг другу;
- отверстия или щелевые мембраны на стеклопластиковом цилиндре вдоль боковой поверхности ОПН (применяются в ОПН с полимерной покрышкой).
Первый и второй типы УСД в большей степени относятся к ограничителям перенапряжений с фарфоровой изоляцией в силу специфики самого изоляционного корпуса.
Ограничители перенапряжений с полимерной изоляцией могут изготавливаться без УСД. Давление в таких ограничителях перенапряжений сбрасывается за счет вскрытия покрышки, в которой отсутствует жесткая (стеклопластиковая) оболочка.
Что показали испытания
В ОАО «НИЦ ВВА» были организованы испытания металлооксидных ОПН на соответствие требованиям взрывобезопасности. Возможность стенда позволяет испытывать ограничители перенапряжений и их элементы на напряжения до 110 кВ, пропуская при этом большой ток 40 кА. Методика таких испытаний выполняется в соответствии с ГОСТ 16357-83. Следует отметить, что основной объем испытанных ограничителей перенапряжений – это изделия отечественных заводов-изготовителей.
Анализ результатов испытаний на взрывобезопасность показывает, что конструкция с одним клапаном в нижней части ограничителя перенапряжения бесперспективна (было испытано 13 ОПН) из-за значительного количества повреждений, основными видами которых являются:
- разлет осколков внешней изоляции и стеклопластиковых цилиндров на большие расстояния;
- срыв фланцев;
- раскол варисторов и их вылет;
- разрушение покрышки.
Положительный результат испытаний такой конструкции составил всего 38,5% от общего числа представленных на испытания образцов. При частичном или полном разрушении ограничителей перенапряжений зафиксирован всего один случай разлета осколков покрышки внутри нормируемого ГОСТом ограждения безопасности. В трех опытах клапан вообще не сработал.
Ограничители перенапряжений с клапанами в верхней и нижней частях конструкции показали примерно в два раза лучший результат – 73,9%. При этом следует отметить:
- значительно меньшее количество полных разрушений изоляционных покрышек, а разлет осколков при таких повреждениях находился в пределах защитного ограждения;
- снижение отрицательных результатов испытаний вследствие меньшего количества срывов фланцев, расколов и разлетов варисторов благодаря более равномерному сбросу давления.
Ограничители перенапряжений с полимерной внешней изоляцией, оборудованные отверстиями или щелевыми мембранами, показали примерно такой же процент положительных результатов в ходе испытаний, что и ограничители перенапряжений, оснащенные двумя клапанами (76,9%), и имели схожий характер повреждений, за исключением значительно меньшего количества разрушений и разлетов покрышки. В основном это объясняется материалом, из которого изготовлена покрышка, – полимером.
В случае, когда в конструкции ограничителя не предусмотрено УСД, положительные результаты испытаний составили 61%. Однако такую цифру можно объяснить недостаточным объемом испытанных образцов.
Результаты испытаний различных видов ограничителей перенапряжений на взрывобезопасность
 |
|
 |
| До введения конструктивных решений |
|
После введения конструктивных решений |
Необходима новая методика
В настоящее время отечественные заводы-изготовители ОПН осваивают конструкцию клапанов с рассекателем в верхней и нижней частях ограничителя, но из-за предельно малого объема испытаний таких образцов сложно дать даже предварительную информацию о взрывобезопасности ограничителей перенапряжений с такими УСД. Можно лишь сказать, что результаты проведенных до настоящего времени испытаний положительные.
В результате анализа испытаний следует отметить, что отечественными производителями проведена большая работа по изменению конструктивных решений в направлении взрывобезопасности данного вида электрооборудования, улучшения качества и соответствующих характеристик ограничителей перенапряжений (см. фото).
В заключение следует отметить назревшую проблему в оценке взрывобезопасности ограничителей перенапряжений в связи с отсутствием соответствующего стандарта. Очень сомнительным и юридически необоснованным выходом из положения является ссылка на ГОСТ 16357-83 «Разрядники вентильные переменного тока на номинальные напряжения от 3,8 до 600 кВ».
Проблема усугубляется еще и тем, что существующая методика не позволяет дать точную оценку, насколько же взрывобезопасен конкретный тип ограничителя перенапряжений. Замедленный просмотр видеозаписи показывает, что при испытаниях, например, полимерного ограничителя перенапряжения с УСД в виде отверстий или щелевых мембран, столб дуги продуктов горения вылетает далеко за пределы нормированного в ГОСТе ограждения и говорить о безопасности персонала, эксплуатирующего данный вид электрооборудования, не приходится.
Одним из решений сложившейся проблемы может стать заимствование методики испытаний на локализационную способность, например, КРУ или КТП, где проверка отсутствия возможности поражения персонала электрической дугой подтверждается установкой матерчатых маячков на нормированных расстояниях, и пересмотра соответствующего пункта проекта ГОСТа.
Выводы:
- Полимерные ограничители перенапряжений с УСД в виде отверстий или щелевых мембран являются более взрывобезопасными по сравнению с ограничителями перенапряжений с фарфоровой внешней изоляцией с УСД в виде клапанов (мембран) в верхней и нижней частях конструкции;
- Для обеспечения взрывобезопасности ограничителей перенапряжений с фарфоровой изоляцией необходимо предъявлять более жесткие требования к конструкции самих клапанов (мембран).
- Для всех видов ограничителей перенапряжений расчет конструкции УСД обязательно должен быть подкреплен испытаниями.
- Необходим более жесткий подход к критериям оценки результатов испытаний на взрывобезопасность. Критерии оценки должны быть введены в Государственный стандарт.
| 
|
