Испытания • Сертификация

Разговор об отсутствии в современной России мощных испытательных центров (ИЦ) для электрооборудования идет не первый год. В таких комплексных ИЦ должны проходить проверку все основные номинальные параметры оборудования высокого напряжения, а именно: силовых трансформаторов, выключателей, разъединителей, заземлителей, комплектных распределительных устройств, реакторов, трансформаторов тока и напряжения и др.
Игорь Владимирович Бабкин попытался показать сложность задач, которые предстоит решать при создании нового мощного ИЦ.

Игорь Бабкин, ООО «ВИЦ», г. Санкт-Петербург

О СОЗДАНИИ ФЕДЕРАЛЬНОГО ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ЦЕНТРА
Испытания высоковольтных выключателей

Отечественный и международный опыт доказывает, что ИЦ в составе промышленных структур или в качестве государственных организаций являются необходимым элементом развития электротехнической промышленности. ИЦ нужны как для проведения типовых (в отечественной терминологии – квалификационных), так и для исследовательских испытаний электрооборудования в целях экспериментальной отработки новых конструктивных решений (для множества параметров все еще не существуют расчетные методы), поиска новых материалов, новых свойств известных материалов.

ИЦ в России необходим как потенциал развития отечественных производителей в условиях растущей глобализации. Но экономически ИЦ несостоятельны в ближайшем будущем. Без поддержки государства, точнее, без понимания стратегии развития отечественной энергетики, здесь не обойтись.

О ЗАРУБЕЖНОЙ ПРАКТИКЕ

Рассмотрим мировую практику создания комплексных ИЦ, для которой характерны два пути.

Первый. Прямая связь с крупными производителями высоковольтного электрооборудования (ВВЭ). Существуют ИЦ таких компаний, как ABB, Siemens, Alstom, Toshiba, Hitachi и др. Почти все расходы на содержание и развитие ИЦ покрываются ими за счет прибыли от собственного производства ВВЭ. Лишь некоторая часть средств поступает от испытаний оборудования сторонних изготовителей.

Второй. Поддержка государства, когда на мощные ИЦ возлагаются функции государственных структур по контролю качества применяемого в стране ВВЭ. Как правило, такие ИЦ являются частью государственных исследовательских институтов в области ВВЭ, поэтому финансирование их деятельности осуществляется за счет бюджета. Так было в СССР (ВЭИ к примеру). За последние годы подобные центры были созданы в Китае, Южной Корее, Индии.

Огромная роль таких государственных центров состоит в том, что они являются основанием для развития национальной промышленности. После создания ИЦ KERI, в Южной Корее возникли и выросли до уровня глобальных игроков на энергетическом рынке 3–4 компании. В КНР недавно завершена модернизация государственного ИЦ, и сейчас можно наблюдать экспансию китайских изготовителей ВВЭ на мировой рынок. Развивается государственный ИЦ в Индии, а вместе с ним растут и индийские компании.

Важнейшей оценкой ИЦ является независимость результатов, полученных при испытаниях. Подчеркну, не достоверность, а именно независимость. Достоверность на основе метрологии, проверенного аттестованного оборудования и методического обеспечения – вопросы другого материала. Принадлежность ИЦ конкретной компании или государству во многом определяет отношение заказчиков испытаний к данному ИЦ как к независимой организации, в которой результаты испытаний объективны и не могут быть подвержены ведомственному влиянию. Государственный ИЦ по этому параметру, конечно, выигрывает.

Несколько отличаются от описанной картины два наиболее авторитетных европейских центра: KEMA (Голландия) и CESI (Италия). Эти два центра создавались в прошлом веке как акционерные общества, не имеющие владельца контрольного пакета акций, чем декларировалась их независимость. В настоящее время независимость можно рассматривать только как процедурную, поскольку контрольные пакеты акций у обеих компаний сосредоточены в одних руках: 74,3% КЕМА принадлежат одному из ведущих в мире классификационных обществ и эксперту по рискам в сферах нефти и газа, возобновляемых источников энергии и электроэнергетики – DNV-GL, а 85% CESI принадлежат двум итальянским энергокомпаниям – ENEL и TERNA. Оба ИЦ в последнее время пошли по пути объединения нескольких центров в разных странах, т.е. сейчас они концентрируют испытательный капитал и испытательные возможности.

ИЗ РОССИЙСКОЙ ИСТОРИИ

В СССР было четыре комплексных ИЦ, которые, помимо высоковольтных, климатических и механических стендов, обладали источниками больших токов для испытаний на стойкость к токам КЗ и для коммутационных испытаний выключателей. Основное оборудование этих ИЦ было создано около 40–50 лет назад.

Самым крупным был ИЦ НИИ ПО «УЭТМ» (г. Екатеринбург). В настоящее время этот ИЦ не существует.

ИЦ ВЭИ (г. Москва) утратил возможность проведения испытаний выключателей высокого напряжения. Остались высоковольтные установки и ударные генераторы. После недавнего пожара, затронувшего испытательные трансформаторы, не проводятся испытания на ударном генераторе ТИ-100 – главном элементе испытательного центра ВЭИ.

ИЦ НИЦ ВВА (г. Москва) изначально не имел высоковольт-ных установок для испытаний изоляции и был предназначен для коммутационных испытаний выключателей до 220 кВ на разрыв и испытаний на стойкость к токам КЗ. Однако в настоящее время состояние центра таково, что имеется возможность проведения коммутационных испытаний выключателей только до 110 кВ.

ИЦ НИИВА (г. Санкт-Петербург), в основном из-за наличия контрактов на разработку ВВЭ с иностранными партнерами в начале девяностых годов прошлого века, не только сохранил, но и увеличил возможности в части коммутационных испытаний выключателей. Сегодня перспективы ИЦ туманны.

Таким образом, современное состояние отечественных ИЦ достаточно плачевно.

Создание ИЦ по первому пути, т.е. крупными производителями, невозможно, так как в РФ попросту нет компаний, обладающих достаточными средствами для строительства собственных мощных ИЦ.

Что касается второго пути, т.е. создания центра с государственным финансированием, то в последние годы обозначились некоторые подвижки, но как, кем и когда он будет создан, совершенно не ясно.

Снизить финансовые затраты на проект могло бы требование обязательно проводить контрольные испытания импортируемого и изготавливаемого для нужд энергетики РФ оборудования. Но этому препятствует узаконенная сегодня в России декларативная практика сертификации ВВЭ. Замечу, что в международной практике сертификат на электрооборудование может выдаваться только после проведения типовых испытаний.

О ПЕРСОНАЛЕ

ИЦ, как и любая организация, может качественно работать только при успешном сочетании трех слагаемых: оборудование + персонал + процедуры.

Из этих слагаемых главным звеном, по моему мнению, является квалифицированный персонал. Можно закупить дорогостоящее оборудование, установить его, но пока к работе не подключатся настоящие профессионалы, ничего не получится.

Даже ведущие мировые ИЦ, такие как КЕМА и CESI, ищут хороших специалистов по всему миру. Самую мощную лабораторию КЕМА возглавил недавно индиец Shankar Subramany.

В России ведущим теоретиком и одновременно практиком в области испытаний сегодня является Г.Е. Агафонов, отметивший в октябре 2013 года свое 85-летие. Здоровья Вам, Георгий Евгеньевич!

Выращивание специалистов, способных подхватить его идеи и развить их, потребует много времени. Необходимо создание «боеспособных» кафедр в университетах и институтах. Без передачи эстафеты знаний и опыта мы будем обречены закупать готовое энергетическое оборудование у зарубежных предприятий, тратя на это деньги, вырученные от продажи нефти и газа.

О ПРАКТИКЕ И ПРИНЦИПАХ ИСПЫТАНИЙ

Структура

Основная, но не исчерпывающая номенклатура испытаний для всех видов ВВЭ включает:

• испытания изоляции;
• испытания на стойкость к токам КЗ;
• коммутационные испытания выключателей;
• испытания на нагрев;
• механические испытания;
• климатические испытания;
• испытания на электромагнитную совместимость;
• испытания на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам (сейсмостойкость).

При формировании перечня и значений стандартных воздействий на электрооборудование исходят из двух принципов.

Первый можно сформулировать как отсутствие корреляционной зависимости между различными воздействиями, т.е. нет необходимости проверять поведение испытуемого образца при совместном действии, например, механической нагрузки и грозового импульса, коммутации и одновременного землетрясения и т.д.

Такой подход основан на том, что значение каждого от-дельного воздействия принимается с большим запасом (на основе анализа среды или на основе статистики воздействий в эксплуатации). Это решение в большинстве случаев технически верно. К примеру, изоляционные свойства газообразной изоляции зависят от плотности газа, а не от давления, поэтому нет необходимости проверять изоляционные свойства изоляции при разных температурах, т.е. при разном давлении.

Другой принцип – правило 95%, т.е. в качестве стандартных принимаются значения воздействий, которые покрывают около 95% случаев, встречающихся в эксплуатации. Это не значит, что отдельный аппарат в 95% случаев будет работать исправно, а в 5% отказывать. Просто в подавляющем большинстве эти аппараты будут работать безаварийно. Если эту цифру приближать к 100%, то серийные изделия, соответствующие стандартам, будут излишне дороги. Уменьшение этой цифры приведет к повышенной аварийности в эксплуатации.

Таким образом, для получения достоверной картины о поведении данного вида оборудования достаточно подвергнуть его отдельным видам воздействий. Приведенному перечню испытаний соответствуют средства испытаний (СИ), т.е. оборудование с системами измерений, обеспечивающими заданное воздействие на испытуемое оборудование. Масштабы СИ определяются номинальными характеристиками испытуемого оборудования.

А структура ИЦ должна быть набором СИ, обеспечивающих отдельные воздействия по вышеприведенному перечню.

Практически для всех видов перечисленных воздействий средства испытаний хорошо известны и достаточно стандартизованы, а различия состоят в изготовителях СИ и масштабах проводимых испытаний.
Особняком стоят испытания на основе воздействия больших токов, источники которых являются главной и самой дорогой составляющей ИЦ. Именно наличие таких источников позволяет относить ИЦ к мощным и комплексным, потому что к источникам тока, как правило, добавляют и другие средства испытаний.

Источники больших токов бывают двух типов: автономные на основе ударных турбогенераторов или сетевые, в которых большие токи получают непосредственно от мощной сети через понижающие трансформаторы.

Рассказывать о всех подробностях испытаний с помощью воздействия больших токов не имеет смысла.
Мне хочется остановиться на самых сложных – на коммутационных испытаниях выключателей. Сложность этого вида испытаний и соответственно дороговизна испытательного оборудования подтверждаются тем фактом, что именно такие испытания являются в основном предметом обсуждений в международной ассоциации испытательных лабораторий STL (Short-Circuit Testing Liaison).

Прежде чем перейти к оборудованию и схемам, надо пояснить, что существуют понятия прямых испытаний и непрямых (комбинированных, синтетических).

Прямые испытания

Например, мы хотим проверить стойкость выключателя 500 кВ 63 кА к токам КЗ. Для создания условий, подобных реальным, необходимо устроить КЗ с испытуемым выключателем в цепи 500 кВ и получить при этом коротком замыкании ток 63 кА. Мощность такой цепи должна быть 31,5 ГВт, что эквивалентно значительной части всей мощности энергосистемы европейской части РФ. Очевидно, что такие испытания невозможны. Значит, необходимо идти другим путем.

Непрямые испытания

При испытаниях необходимо проверить воздействие тока. Следовательно, нужна схема, в которой можно получить синусоидальный ток 63 кА при любом значительно меньшем напряжении, чем номинальное напряжение испытуемого аппарата. Можно утверждать, что воздействие на испытуемый выключатель в этих двух схемах будет одинаковым, но потребная мощность источника во втором случае будет более чем на три порядка меньше [1].

Аналогичный подход осуществляется при коммутационных испытаниях выключателей. Процесс отключения выключателем любого тока можно разбить во времени на три этапа: этап большого тока, этап большого напряжения и этап взаимодействия, который расположен между первыми двумя. При рассмотрении принципа непрямых синтетических испытаний нас прежде всего интересуют этапы большого тока и большого напряжения.

Итак, мы имеем источник, который обеспечивает ток 63 кА, протекающий через испытуемый выключатель. Первый этап начинается после разведения контактов выключателя, когда на контактах начинает гореть дуга. Нелинейное сопротивление дуги включается в цепь с источником. Эквивалентность событиям в реальной сети на этом этапе будет достигнута, если форма отключаемого тока будет близка к синусоидальной или если напряжение на дуге будет составлять малую часть от напряжения источника. Так, напряжение на дуге воздушных выключателей достигает двух киловольт, у элегазовых выключателей – меньше киловольта.

Поэтому на первом этапе для поддержания синусоидального тока достаточно иметь источник с напряжением порядка 10 кВ. Именно на такое напряжение были созданы на «Электросиле» ударные генераторы, которыми были оснащены все лаборатории СССР и многих других стран.

Третий этап начинается после погасания дуги, когда нарастает напряжение на контактах выключателя. Межконтактный промежуток восстановил электрическую прочность, его сопротивление очень велико, и нарастание напряжения на контактах выключателя, по существу, представляет процесс заряда емкости межконтактного промежутка. У современных выключателей эта емкость меньше 100 пФ, для заряда которой нужен высоковольтный источник с малым током. В качестве такого источника используют конденсаторную батарею.

Таким образом, при операции отключения для создания эквивалентных сетевым условий необходимо на первом этапе приложить к выключателю источник с большим током и малым напряжением, а закончить эту операцию подключением выключателя к источнику с высоким выходным напряжением и малым током. В этом и состоит метод синтетических испытаний выключателей.

Схема испытаний выключателей

В действительности схема испытаний значительно сложнее. Достаточно сказать, что в современной синтетической схеме испытаний мощных выключателей на напряжение свыше 220 кВ во время одного опыта отключения испытуемого выключателя в схеме может происходить до десяти коммутаций в течение 30 мс.

На рис. 1 приведена упрощенная классическая схема с наложением тока, состоящая из источника тока и источника напряжения, которые подключены к испытуемому выключателю (ИВ). «Классическая» в данном случае означает, что схема описана в стандартах, как инструмент, воспроизводящий эквивалентные реальным воздействия на испытуемый выключатель.

Рис. 1. Синтетическая схема с наложением тока

ИВ – испытуемый выключатель; ВВ – вспомогательный выключатель.

Такими синтетическими схемами с наложением тока оснащены практически все ИЦ, где проводятся коммутационные испытания выключателей. По мере роста номинальных параметров ИВ (напряжение, приходящееся на один разрыв, номинальный ток отключения) потребная мощность источника напряжения, т.е. мощность конденсаторной батареи, растет непропорционально. Так, если для испытаний выключателя с одним разрывом на 220 кВ 50 кА потребуется батарея мощностью примерно 1 МДж, то, по некоторым оценкам, для испытания выключателя 420 кВ 50 кА потребуется около 10 МДж. Это уже циклопическое сооружение с учетом дополнительного оборудования.

Дальнейшее развитие синтетические методы получили на основе трехконтурных синтетических схем. Один из вариантов представлен на рис. 2. Здесь используются два источника напряжения.

Рис. 2. Трехконтурная синтетическая схема

ИТ – источник тока; ИН1 – первый источник напряжения; ИН2 – второй источник напряжения; ВВ1 – первый вспомогательный выключатель; ВВ2 – второй вспомогательный выключатель; ИВ – испытуемый выключатель.

Впервые в стране такая трехконтурная схема была создана в Политехническом институте Санкт-Петербурга, а затем в НИИВА [1]. Если на основе классической схемы с двумя контурами можно было испытать выключатель 110 кВ 50 кА, то добавление третьего контура позволило поднять параметры испытуемых выключателей до 500 кВ 50 кА.

Расчетные методы

В прошлом основой деятельности ИЦ были исследовательские испытания прототипов, опытных образцов для отработки конструкций. По мере развития вычислительных методов это направление занимает все меньшую долю, уступая свое место типовым испытаниям, которые в дальнейшем станут основой для проверки потребительских свойств изделий.

Незыблемым правилом типовых испытаний является проверка свойств конкретного изделия, т.е. когда проверяется не только конструкция, но и качество изготовления. Многие ИЦ так и декларируют свою позицию: «Мы несем ответственность за результаты, полученные на конкретном изделии, повторяемость же продемонстрированных свойств на серии изделий относится к зоне ответственности изготовителя». Отсюда следует и невозможность заменить типовые испытания расчетными методами, т.к. при расчетах используются усредненные характеристики материалов, а при испытаниях специалисты имеют дело с конкретным изделием из конкретных материалов, собранным конкретными людьми.

Вместе с тем зона достоверных расчетов расширяется, что позволяет выходить на рынок новым изготовителям, у которых не хватает финансовых ресурсов для отработки конструкции в заслуженных, но очень дорогих ИЦ. Типовые испытания обозначают достигнутый уровень, не определяя запас конструкции. Достоверные расчетные методы как раз и служат инструментом, заменяющим предварительные испытания опытных образцов. Это способствует появлению новых участников рынка, которые в противном случае были бы вынуждены плестись в хвосте у глобалистов, а те к тому же занимают ведущие роли в МЭК, постоянно обновляя в своих интересах стандарты МЭК.

Другим основанием для развития расчетных методов является отсутствие возможности проведения типовых испытаний. Так, сегодня негде испытывать на динамическую стойкость самые мощные силовые трансформаторы, поэтому пришлось узаконить расчетные методы и вводить их в стандарты.

Можно привести в пример и испытания на внутреннюю дугу. Применительно к элегазовому оборудованию натурные испытания являются очень грязными и для персонала, и для окружающей среды из-за большого выделения токсичных продуктов разложения элегаза под действием высокой температуры. Здесь замена испытаний расчетами также назрела.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Всё вышесказанное никак не отменяет необходимости создания мощного испытательного центра в России. Без него не будет отечественной электротехнической промышленности.

Несколько слов о рассматриваемом варианте создания ИЦ при подстанции «Восточная» недалеко от Санкт-Петербурга, т.е. фактически на месте существовавшего сетевого ИЦ. По старому проекту предполагалось, что ИЦ будет иметь два источника тока – от сети и от генераторов. Но была создана только сетевая часть, поэтому соседство с мощной подстанцией было вполне оправдано. За последние годы испытательная инфраструктура полностью уничтожена, так что создавать придется всё с нуля. Единственным преимуществом этого места остается близость к городу, который является крупным инженерным центром в области ВВЭ, поэтому можно надеяться, что проблемы с поисками специалистов будут не так остры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агафонов Г.Е., Бабкин И.В., Макрушева Л.В., Никонова И.М., Янчус Э.И. Трехконтурная синтетическая схема для испытаний выключателей / Доклад на конференции ТРАВЭК, 1999.