Контролируемые параметры.
Рассматриваются ограничители перенапряжений на основе элементов из окиси цинка и разрядники с вилитовыми нелинейными элементами.
Ограничители перенапряжений (ОПН) из-за высокой степени нелинейности элементов искровых промежутков не имеют; рабочие элементы постоянно включены, и по ним протекает ток проводимости, определяемый напряжением сети.
В ходе эксплуатации материал нелинейных элементов стареет [55]. К этому приводят длительное протекание тока от рабочего напряжения сети, выделение энергии при токах, вызванных перенапряжениями, а также повышенный нагрев части элементов из-за неравномерного распределения напряжения (например, из-за загрязнения поверхностей, наличия паразитных емкостных связей с окружающим оборудованием).
К числу возможных причин отказов ОПН следует отнести:
тепловой пробой или резкое ухудшение характеристик нелинейного элемента из-за исчерпания срока службы при рабочем напряжении;
пробой нелинейного элемента или исчерпание его ресурса пропускной способности;
потеря конструкцией герметичности и увлажнение элементов;
нарушение распределения напряжения по конструкции, ускоренное старение элементов, возможность перекрытия внешней изоляции.
Нелинейные элементы ОПН состоят из зерен окиси цинка и расположенных между ними включений. Удельное сопротивление зерен порядка 1-10 Ом-см; удельное сопротивление включений достигает 1010 Ом-см при высоком значении диэлектрической постоянной. Из-за этого нелинейный элемент имеет большую емкость. Схема замещения такой структуры (рис. 3.13) содержит резистор Rn с сопротивлением, определяемым сопротивлением зерен, а также резистор RB и конденсатор емкостью Св, которые соответствуют характеристикам включений. Внешняя характеристика ОПН (рис. 3.14) формируется всеми элементами схемы: на первом участке (малые токи) преобладает емкостная составляющая тока; на втором (малое изменение напряжения) определяющим является изменение характеристик включений (туннельный эффект); на третьем участке основным становится сопротивление зерен.
При рабочем напряжении ток через ОПН в основном емкостный; активная составляющая его определяется диэлектрическими потерями.
Рис. 3.13. Схема замещения элемента ОПН
Рис. 3.14. Вольт-амперная характеристика ОПН для сети 380 кВ [55]:
I — полный ток проводимости; — активная составляющая тока (амплитудные значения)
При увеличении напряжения растет активная составляющая, причем из-за нелинейности характеристик включений резко возрастает содержание высших гармоник. При дальнейшем росте напряжения преобладает активная составляющая тока.
Аналогичные изменения предполагаются при номинальном напряжении в случае возникновения дефектов, связанных с изменением распределения напряжения по конструкции, ухудшением характеристик нелинейных элементов, повышенным нагревом части их и т. п.
Опыт эксплуатации ОПН недостаточен, однако имеющиеся данные позволяют считать, что в целях диагностики наиболее информативным является участок внешней характеристики ОПН, определяемый рабочим напряжением сети. Ток проводимости при этом отражает состояние нелинейных структур, причем при отсутствии дефектов в диапазоне реальных изменений напряжения наблюдаются лишь пропорциональные им изменения тока.
Наиболее целесообразен контроль, проводимый при рабочем напряжении, без вывода объекта из работы.
Диагностические параметры: ток проводимости (активная составляющая) или потери мощности; наличие и содержание высших гармоник тока; температура элементов ОПН.
Было установлено [13], что существенная зависимость тока проводимости от температуры также свидетельствует об изменении характеристик ОПН.
Ввиду значительной реактивной (емкостной) составляющей тока, которая определяется структурой нелинейных элементов и мало связана с изменением их характеристик, измерение полного тока проводимости не может быть рекомендовано из-за недостаточной информативности.
Рис. 3.15. Изменение модуля тока через ОПН при увеличении его активной составляющей
Рис. 3.16. Схема измерения активной составляющей тока векторметром:
1 — устройство присоединения; 2 — микроамперметр с синхронным выпрямителем; 3 — фазовращатель
При преобладании емкостной составляющей тока существенные изменения активной составляющей дадут малые изменения полного тока.
Как следует из внешней характеристики ОПН, активная составляющая тока не превышает 20% реактивной и, следовательно, чувствительность метода контроля по полному току будет почти в 10 раз ниже, чем чувствительность при контроле по его активной составляющей (рис. 3.15).
В реальных условиях эксплуатации выявить такие изменения практически невозможно.
Основные дефекты разрядников с вилитовыми элементами - увлажнение рабочих элементов из-за разгерметизации корпуса и обрыв шунтирующих элементов, обеспечивающих необходимое распределение напряжения на искровых промежутках.
При таких дефектах меняется проводимость разрядника, которая и является в данном случае диагностическим параметром. Практически удобней измерять ток через проводимость разрядника под действием приложенного напряжения - ток проводимости.
Схемы измерений.
Контроль ОПН производится путем измерения высших гармонических составляющих тока проводимости или его активной составляющей. Измерения производятся при рабочем напряжении на объекте.
Выявление неравномерного распределения напряжения по конструкции или наличия поврежденных элементов может обеспечить также тепловизионный контроль.
Обнаружено, что у ОПН, устанавливаемых на опорах линий электропередачи 10 кВ, при дефектах (в основном при увлажнении) кроме увеличения тока проводимости (отмечено в 91% случаев) возникают частичные разряды (отмечено в 92% случаев). Электромагнитное излучение от этих разрядов может быть обнаружено специальным прибором с направленной антенной (частота настройки 40 МГц).
При контроле по высшим гармоникам тока проводимости селективный прибор включается в цепь заземления объекта через устройство присоединения, отвечающее требованиям, изложенным в § 3.1. Выпускаемые в СССР ограничители перенапряжений имеют встроенное устройство присоединения - специальный нелинейный элемент, через который заземляется аппарат. Переносной измерительный прибор присоединяется параллельно этому элементу.
При контроле ОПН по изменению активной составляющей тока проводимости возникают такие же измерительные задачи, как и при контроле электрической изоляции по изменению диэлектрических потерь. Поэтому возможно применение всех схем, описанных в предыдущих параграфах.
Для измерения активной составляющей тока необходим вектор- метр. В качестве простейшего векторметра можно использовать синхронный выпрямитель (рис. 3.16). Напряжение на выходе фазовращателя, управляющее выпрямителем, должно совпадать по фазе с напряжением, поданным на ОПН; при этом среднее значение тока, измеренного микроамперметром, будет равно активной составляющей общего тока проводимости. Опорное напряжение, подаваемое на фазовращатель, может быть получено от любого подходящего источника.
Синхронным выпрямителем можно, например, управлять, используя напряжение соответствующей фазы рабочего ТН подстанции. Фазовращатель при этом не нужен. Опорное напряжение может быть получено от устройства присоединения любого объекта, контролируемого на данном ОРУ под напряжением, включая и соседние фазы данного ОПН. Необходимый сдвиг фаз (90 гр. для объектов одноименных фаз и 210° для объектов соседних фаз) должен обеспечить фазовращатель.
Для контроля ОПН может быть применена также и неравновесно компенсационная схема измерений. Эта схема обеспечивает компенсацию токов проводимости трех фаз объекта. Компенсацию производят во время наладки системы контроля. В дальнейшем измеряется лишь приращение тока, связанное с изменением характеристик контролируемого объекта. Таким образом, можно получить сигнал о наличии дефекта. Выявление поврежденной фазы объекта производится или векторметром, или другим методом.
Применимы также мостовые схемы измерений. Контролируемым параметром в данном случае является значение tgδ.
Диапазон изменений контролируемых параметров ОПН, не имеющих дефектов, под воздействием эксплуатационных факторов значителен. Поэтому требования к точности измерений при контроле ОПН невелики. Достаточных данных для формулировки требований к измерительным устройствам еще нет. Предварительно можно принять, что погрешность определения значений контролируемых параметров не должна превышать 10%.
Активная составляющая тока проводимости ОПН при рабочем напряжении мала - доли миллиампера (см. рис. 3.14). Поэтому может быть существенной погрешность от тока утечки по поверхности (особенно в случае ее загрязнения); этот ток может достигать 20-25% измеряемого тока. Ток утечки следует отвести от измерительного прибора, наложив заземленное экранное кольцо на поверхность фарфоровой покрышки вблизи фланца.
При контроле вентильных разрядников путем измерения тока проводимости измеряется среднее значение тока. У многоэлементных разрядников возможно также измерение падения напряжения на последнем элементе.
Ток 1В через разрядник без дефектов определяется фазным напряжением сети и суммарным сопротивлением элементов Rc = nR, где число п - число элементов в разряднике, a R — сопротивление элемента. Дефект вызывает изменение сопротивления элемента на величину дельта R, дающее относительное изменение контролируемого тока:
так как Δ R « R.
При измерении напряжения U на нижнем элементе без дефекта аналогично: Δ U/U= Δ R/ nR. Если же этот элемент имеет дефект, то при снижении его сопротивления на Δβ относительное изменение измеряемого напряжения
В этом случае относительное изменение контролируемого параметра в η - 1 раз больше, что может привести к ложной браковке. Схема измерения тока, хотя и требует специального устройства присоединения, предпочтительней.
