Защитить от перенапряжений

26.05.14 11:19

Откуда взялся ОПН

Надежная эксплуатация электроэнергетических объектов невозможна без защиты от перенапряжений, возникающих в сетях и электроустановках. Прежде основным средством такой защиты были вентильные разрядники, выполняющие свою функцию благодаря наличию искровых промежутков. Во время перенапряжения соединенный с ними резистор снижал значение тока до величины, которую можно погасить искровыми промежутками. Резистор, состоявший из вилитовых дисков, имел нелинейное сопротивление. Принцип работы современных ОПН также основан на нелинейности вольтамперных характеристик, только свойство это куда более выражено, чем в случае с разрядником.

Нелинейность вольтамперных характеристик обусловлена использованием варисторов из оксида цинка. Сопротивление таких варисторов резко падает при возникновении перенапряжений в сети, они начинают пропускать через себя ток, причем его значение в такие моменты может достигать нескольких тысяч ампер. Когда всплеск напряжения завершается, варисторы возвращаются в обычный режим, их сопротивление возрастает, а протекающий ток падает до десятков микроампер, что фактически превращает ОПН в изолятор. Более выраженная нелинейность характеристик металлоксидных варисторов позволяет не использовать в конструкции ОПН искровые промежутки.

Сегодня согласно технической политике ОАО «ФСК ЕЭС» при строительстве и реконструкции объектов 35 кВ и выше запрещается применение вентильных разрядников. Последние морально устарели должны быть заменены на ограничители перенапряжений. Современные ОПН обеспечивают более надежную защиту, более стойки к внешним загрязнениям, обладают лучшими массогабаритными характеристиками. Эти и другие достоинства способствуют повсеместному их внедрению, в том числе на давно построенных объектах.

«Насколько нам известно, в 2005 г. в ОАО «ФСК ЕЭС» успешно реализована целевая программа замены вентильных разрядников. В распределительных сетях ситуация несколько хуже», — отмечает Вадим Пенкин, менеджер продукта подразделения высоковольтного оборудования ООО «АББ».

 

Монтаж защитных аппаратов ОПН-Ла 220 кВ на подходах к подстанции (фото ЗАО «Феникс-88»)

 

«Наиболее активно замена разрядников в высоковольтных сетях ФСК ЕЭС и МРСК в рамках технических программ компаний проходила в 2010–2012 гг., — говорит Александр Колычев, заместитель директора по науке ООО «НПК Позитрон» (г. С.-Петербург). — Надеемся, что этот процесс продолжится. Необходимо отметить, что замена другого электрооборудования на подстанциях 110–750 кВ, например трансформаторов тока и напряжения, подразумевает их эксплуатацию с более низкими кратностями перенапряжений, которые обеспечивают только ОПН».

Александр Зубков, заместитель технического директора ЗАО «Феникс-88» (г. Новосибирск), также отмечает, что пик волны по замене разрядников уже пройден, и на сегодняшний день установка ОПН проходит в плановом режиме.

 

Такой разный ограничитель

Нелинейные ограничители перенапряжений могут отличаться друг от друга конструктивно и по типу используемой изоляции.

«Подавляющее большинство ОПН в настоящее время изготавливается с применением кремнийорганической изоляции, — рассказывает Вадим Пенкин, — Однако немногие производители предлагают ОПН с варисторами, непосредственно залитыми в слой кремнийорганической резины. А между тем, такая конструкция обеспечивает отсутствие воздушных включений, надежную герметизацию, меньшие габариты и более легкий вес по сравнению с ограничителями, установленными внутри полимерного изолятора.

Тем не менее, другие типы изоляции также остаются востребованными. В частности, «АББ» имеет в своей номенклатуре разные типы ОПН — с фарфоровой изоляцией, с варисторами внутри пустотелого полимерного изолятора и с нанесением полимерной изоляции непосредственно на блоки варисторов».

«Выбор типа конструкции и технологии изготовления ограничителей зависит от класса напряжения, требуемого уровня качества, себестоимости и других параметров, причем все варианты в той или иной степени — компромиссные, — считает Александр Зубков. — По способу закрепления варисторов в оболочке можно условно выделить два типа конструкции ОПН — «зависимую» и «независимую».

«Зависимая» конструкция выполняется, к примеру, путем нанесения на столбик варисторов оплетки из крупноячеистой стеклопластиковой сетки (без зазора между варисторами и оболочкой) с последующим нанесением литьевой жидкой резины непосредственно на оплетку и варисторы.

 

Защита переходов ВЛ 500 кВ через железную дорогу (фото ЗАО «Феникс-88»)

 

«Независимая» конструкция предполагает помещение колонки варисторов внутрь цельной стеклопластиковой трубы, покрытой изолирующим слоем, при этом между колонкой варисторов и внутренней поверхностью трубы есть воздушный зазор, а сброс давления происходит через мембранные узлы во фланцах. Стеклопластиковая труба обеспечивает жесткость и прочность аппарата, а наличие зазора не допускает передачи механических воздействий от оболочки к варисторам. В результате, по совокупности факторов, «независимая» конструкция ОПН представляется нам более надежной».

Сравнивая достоинства и недостатки жидких, вязких и твердых резин для изоляции ОПН, специалисты «Феникс-88» отмечают, что лучшую механическую прочность ребер, а также больший угол их наклона позволяют обеспечивать твердые сорта резины. Преимущества же жидких резин лежат в плоскости технологии изготовления и экономики. В целом на предприятии считают целесообразным использование различных технологий обрезинивания и на сегодняшний день применяют самые разные сорта.

 

ОПН для грозозащиты

Традиционно ограничители перенапряжений использовали в основном для защиты подстанционного оборудования. С середины 2000-х гг. на воздушных линиях также стали появляться ОПН, сначала импортного, а затем и отечественного производства. В некоторых случаях они пришли на замену привычному грозотросу, а где-то стали внедряться фактически «на пустом месте» — для защиты ЛЭП, прежде страдавших от постоянных отключений из-за возникающих перенапряжений.

Опыт эксплуатации ОПН в ряде регионов, в том числе на нефтегазодобывающих месторождениях и олимпийских объектах, показал существенное повышение надежности электроснабжения за счет данных аппаратов. Однако это не значит, что нелинейные ограничители перенапряжений необходимо внедрять повсеместно, в том числе заменяя ими грозотрос.

«Необходимо сказать, что по принципу работы ОПН не является альтернативой тросу, — поясняет Александр Колычев. — Трос на ВЛ служит для уменьшения вероятности прорывов молнии на фазные провода и отводу тока молнии через опоры. Ограничители перенапряжений ограничивают перенапряжения между точками его установки. Если ОПН установлен параллельно гирлянде изоляции, то падение напряжения на гирлянде изоляторов будет таким же, как и на ОПН.

 

Подвесные ОПН установлены в МЭС Северо-Запада для защиты двухцепной ВЛ 400кВ «Линке-1,2» (фото ООО «АББ»)

 

Отказываться от троса и устанавливать на всех линиях ОПН — экономически неэффективно. Стандартными мероприятиями молниезащиты ЛЭП остаются тросовая защита и низкое импульсное сопротивление заземления опор. С другой стороны, в последнее время в России и странах СНГ для молниезащиты воздушных линий 6–500 кВ все больше находят применение линейные защитные аппараты (ЛЗА). В качестве ЛЗА применяются подвесные нелинейные ограничители перенапряжений и линейные разрядники, состоящие из модуля ОПН и искрового промежутка.

Использование ОПН на ВЛ необходимо, если надежная молниезащита линий не обеспечивается грозозащитными тросами. Это участки линий в районах с большим значением удельного сопротивления грунтов (т 10³ Ом·м) и на переходах через реки, озера и другие водоемы на высотных опорах. Также ОПН необходимы там, где применение троса недопустимо, к примеру, в районах с интенсивным гололедообразованием (стенка гололеда более 25 мм)».

Аналогичного мнения придерживаются и другие эксперты. Так, Вадим Пенкин отмечает, что для защиты воздушных линий в большинстве случаев предпочтение отдается грозотросу, а ОПН используются в случае его неэффективности или физических сложностей его применения. «В России ежегодно реализуются несколько проектов с ОПН для защиты линий, — говорит он. — Сегодня спросом пользуется возможность дистанционного мониторинга ограничителей перенапряжений, что исключает необходимость вывода линии из работы для периодической проверки состояния ОПН».

«Защитные аппараты позволяют свести отключения на линиях практически до нуля, однако из-за экономических показателей не могут конкурировать с тросовой защитой в «обычных» условиях, поэтому имеют достаточно узкую область применения», — подводит итог Александр Зубков.

 

Но что конкретно...

Мы попросили производителей рассказать о новых продуктах, появляющихся на рынке нелинейных ограничителей перенапряжений в последнее время.

«Ничего принципиально нового в ограничителях перенапряжений в последнее время не появилось, последней значительной инновацией стало применение кремнийорганической резины в качестве внешней изоляции, — полагает Вадим Пенкин. — Впервые в мире полимерная изоляция в ОПН была использована компанией «АББ» еще в 1980-е гг., полученный опыт эксплуатации и объективные преимущества по сравнению с фарфором проложили путь к ее дальнейшему использованию и в других высоковольтных аппаратах. Также данный тип изоляции открыл возможность использовать ОПН в подвесном исполнении для защиты линий электропередачи.

 

Монтаж ограничителя перенапряжений на Нововоронежской АЭС (фото ООО НПК «Позитрон»)

 

Несмотря на отсутствие кардинальных изменений, наша компания постоянно продолжает работу над улучшением технико-экономических и эксплуатационных характеристик ОПН. В этом году мы представили новый тип ОПН Texlim, обладающий повышенной механической стойкостью и подходящий для установки в зонах с повышенной сейсмической опасностью».

Наряду с «АББ» ОПН на российский рынок поставляют и другие ведущие мировые производители, в частности «Сименс» и Schneider Electric, но мы чуть подробнее остановимся на отечественном производстве нелинейных ограничителей перенапряжений. К счастью, оно достаточно развито и продолжает двигаться вперед.

К примеру, для ЗАО «Феникс-88» выпуск ОПН от 0,4 до 750 кВ — основная специализация. В 2012 г. компания разработала комбинированные полимерные изоляторы классов напряжения 110–330 кВ с расширенными функциональными возможностями, в том числе и с функциями ОПН (КиОПН). Аппараты предназначены для изоляции и крепления проводов ошиновки ОРУ и ЗРУ, защиты от коммутационных и грозовых перенапряжений изоляции электрооборудования в распределительных устройствах электрических станций и подстанций переменного тока на 110–330 кВ включительно. Применение комбинированных изоляторов типа КиОПН позволит строить более компактные подстанции нового поколения.

НПК «Позитрон» уделяет много внимания направлению по применению ОПН в виде опорных изоляторов (например, шинных опор) с сохранением всех свойств ограничителя. В частности, сообщается, что в 2001 г. на производственной площадке ОАО «Позитрон» были собраны первые в России подвесные ОПН-П 750 кВ. Они были установлены на портальных опорах и выполняют функцию линейной изоляции. По мнению специалистов компании, применение комбинированных ОПН (опорных и подвесных) в пределах открытых и закрытых распредустройств подстанций позволяет существенно сократить их площадь.

НПО ЗАО «Полимер-аппарат» (г. Санкт-Петербург), выпускающий ОПН от 0,4 до 750 кВ, сообщает об освоении технологии нанесения жидкого кремнийорганического силикона в вакууме непосредственно на варисторы, что, по мнению специалистов компании, обеспечивает максимальный теплоотвод при нагреве и лучшие вольтамперные характеристики.

Также на рынке нелинейных ограничителей перенапряжений представлены аппараты 0,38–500 кВ для сетей переменного тока, выпускаемые ЗАО «ЗЭТО» (г. Великие Луки Псковской обл.), ограничители 6(10)–110 кВ от ЗАО ГК «Таврида Электрик» и продукция ряда более мелких производителей.

 

ОПН-П 330кВ на ПС «Южная» (фото ООО НПК «Позитрон»)

 

Делаем правильный выбор

«Выбор характеристик ОПН в первую очередь определяется характеристиками (испытательными напряжениями) защищаемого оборудования, что позволяет в первом приближении определить остающиеся напряжения на ограничители при воздействии импульсов тока коммутационной и грозовой волны, — объясняет Александр Колычев. — Также, характеристики ОПН определяются кратностью и частотой возникновения коммутационных перенапряжений, кратностью и длительностью квазистационарных перенапряжений, величиной грозовых перенапряжений. В дальнейшем определяются параметры ОПН — наибольшее рабочее напряжение, номинальный разрядный ток, энергоемкость ОПН, вольт-временные характеристики и т.д.

Раньше при проектировании энергетических объектов проводился весь комплекс исследований перенапряжений, который позволял определить требуемые характеристики ОПН. К сожалению, сегодня такие исследования не всегда проводятся в полном объеме, что может приводить к нежелательным последствиям при эксплуатации ОПН. Например, в сетях 110 кВ не всегда учитывается режим работы разземляемой нейтрали в аварийных ситуациях работы сети. Поэтому мы со своей стороны, как производитель, сами проводим весь комплекс исследований перенапряжений в энергетических объектах, необходимый для определения характеристик ОПН при замене вентильных разрядников и выбора точек их установки».

 

Подвесной ОПН-П 750 кВ на ПС «Ленинградская» (фото ООО НПК «Позитрон»)

 

Вадим Пенкин также рекомендует при выборе ОПН, в первую очередь, прислушиваться к рекомендациям технических специалистов производителей. «К сожалению, — говорит он, — в настоящее время методики выбора ограничителей перенапряжений в официальных документах, в частности в ПУЭ, проработаны недостаточно, что привело к тому, что производители вынуждены писать методические указания по выбору, основываясь на своем опыте. Некорректно выбранный аппарат может привести к недостаточному уровню ограничения перенапряжений или к повреждению самого ОПН из-за его перегрузки».

«Огромное значение в выборе ОПН имеет качество продукции и честность производителя в смысле соответствия аппаратов заявленным требованиям, — обращает внимание на еще одну проблему Александр Зубков. — В последнее время производители нередко завышают технические характеристики предлагаемых ими аппаратов, чтобы выиграть конкурсы на поставку оборудования. Так, при внимательном рассмотрении конкурсной документации можно увидеть несоответствие заявленных характеристик пунктам ГОСТа. К примеру, согласно п.3.8 ГОСТ52725 номинальное напряжение аппарата должно быть не менее 1,25 наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения, в то время как в конкурсной документации эти величины могут быть равными.

Немаловажно убедиться, что качество продукции подтверждено различными сертификатами соответствия. Принимая во внимание исключительно цену приобретаемого оборудования, конечный покупатель рискует потерять гораздо больше средств в результате выхода из строя некачественных ОПН. Заметное снижение цены относительно остальных игроков рынка должно настораживать».

Одним словом, выбор нелинейных ограничителей перенапряжений должен быть взвешенным, ведь от этого оборудования во многом зависит надежность работы защищаемого энергообъекта.

 

Кира Патракова

На первой фото: монтаж защитного аппарата типа ОПН-ЛИ (фото ЗАО «Феникс-88»)

Читайте также: