1. Введение

Надежность сетей электропередачи имеет первостепенное значение. Среди наиболее существенных угроз этой надежности — переходные перенапряжения, вызванные в первую очередь ударами молний и операциями переключения. Без эффективной защиты эти скачки могут привести к пробою изоляции, что приведет к дорогостоящим простоям, повреждению оборудования и снижению доступности системы. Разрядник для защиты от перенапряжений в линии электропередачи (TLSA) был разработан как специальное решение, монтируемое на линии, позволяющее исключить перекрытия, улучшить производительность линии и повысить стабильность системы. В отличие от разрядников подстанций, TLSA разработаны с учетом жестких экологических и механических требований при установке воздушных линий.

2. Принцип работы и основная функция

Основная функция TLSA — ограничение перенапряжений путем перехода из состояния с высоким импедансом в состояние с высокой проводимостью. При нормальном напряжении системы разрядник оказывает очень высокое сопротивление, действуя как разомкнутая цепь. Когда скачок напряжения превышает определенный порог — номинальное напряжение разрядника или защитный уровень — его нелинейный резистивный элемент быстро становится проводящим, шунтируя импульсный ток на землю. Как только скачок напряжения проходит и напряжение в системе возвращается в нормальное состояние, разрядник автоматически замыкается, восстанавливая свое состояние с высоким импедансом. Это действие ограничивает напряжение на защищаемом оборудовании (например, изоляционных цепях) до безопасного значения ниже его выдерживаемой мощности.

3. Конструктивное проектирование и состав материалов

Современный TLSA представляет собой спроектированную сборку из нескольких ключевых компонентов:

· Диски металлооксидного варистора (MOV): сердце разрядника. Это спеченные керамические диски, состоящие в основном из оксида цинка (ZnO) с небольшими добавками висмута, кобальта, марганца и других оксидов металлов. Эта формулировка создает сильно нелинейную вольт-амперную характеристику. Микроструктура состоит из проводящих зерен ZnO, окруженных изолирующими межзеренными слоями, которые разрушаются в сильных электрических полях, обеспечивая протекание импульсного тока.

· Корпус/изоляционная оболочка: Обеспечивает механическую целостность, герметичность и дистанцию ​​утечки.

· Полимерная/гибридная конструкция (наиболее распространенная для TLSA): сердцевина из эпоксидной смолы, армированной стекловолокном (FRP), обеспечивает высокую механическую прочность, позволяющую выдерживать вес проводника и ветровые нагрузки. Внешний корпус из силиконовой резины или EPDM (этилен-пропилен-диенового мономера) обеспечивает превосходную гидрофобность (водоотталкивание), устойчивость к ультрафиолетовому излучению и защиту от загрязнения. Способность силиконовой резины восстанавливать гидрофобность особенно ценится в загрязненной или прибрежной среде.

· Металлические фитинги (торцевые крышки): Изготовленные из оцинкованной стали или алюминиевого сплава, они обеспечивают надежный интерфейс для подключения к линейному проводнику и заземляющему проводу. Конструкция обеспечивает низкую концентрацию напряжений и устойчивость к коррозии.

· Система уплотнений: критически важна для долгосрочной надежности. Многослойные герметики (например, уплотнительные кольца, мастика) предотвращают попадание влаги, которая является основным врагом блоков MOV. Часто используются герметичные или многокамерные конструкции уплотнений.

· Системы выравнивания/заземления: В некоторых конструкциях могут использоваться внешние или внутренние выравнивающие кольца для контроля распределения электрического поля, особенно на конце линии под напряжением. Прочное заземляющее соединение с низким сопротивлением необходимо для эффективного разряда импульсов.

4. Критические технические параметры и выбор

Понимание спецификаций имеет решающее значение для правильного применения:

· Номинальное напряжение (Ur): максимально допустимое напряжение промышленной частоты (действующее значение), которое разрядник может выдержать в течение 10 секунд после поглощения энергии. Оно должно быть выбрано выше максимального временного перенапряжения системы.

· Непрерывное рабочее напряжение (Uc): Максимальное непрерывное напряжение промышленной частоты (действующее значение), прикладываемое к клеммам разрядника. Это ключевой параметр конструкции для термической стабильности.

· Номинальный ток разряда (In): пиковое значение импульса тока молнии (форма сигнала 8/20 мкс), используемое для классификации уровня защиты разрядника (например, 10 кА, 20 кА).

· Уровень защиты от грозового импульса (LIPL или Up): Максимальное остаточное напряжение, возникающее на разряднике при разряде номинального тока разряда. Это значение должно быть ниже критического напряжения пробоя (CFO) защищаемой цепочки изоляторов, обеспечивая достаточный запас прочности.

· Класс линейного разряда: определяет способность разрядника поглощать и термически управлять энергией длительного коммутационного перенапряжения.

· Сброс давления и устойчивость к короткому замыканию: способность безопасно выходить из строя в катастрофических условиях без разрушения, что обычно подтверждается испытаниями на сильноточное короткое замыкание.

5. Установка и особенности эксплуатации

Правильная установка напрямую влияет на производительность:

· Положение монтажа: Обычно устанавливается параллельно гирлянде изоляторов, либо подвешивается к траверсе опоры, либо подсоединяется между проводником и опорой.

· Электрические соединения: используйте гибкие заземляющие провода с низким импедансом и поперечным сечением, соответствующим стандартам. Минимизируйте длину провода и избегайте резких изгибов, чтобы уменьшить индуктивное падение напряжения во время разряда.

· Зазоры: Поддерживайте необходимые электрические зазоры (между фазами, между фазой и землей) при любых условиях эксплуатации и колебаний.

· Механические нагрузки: разрядник должен быть рассчитан на статические (вес проводника) и динамические (ветер, лед) нагрузки конкретного пролета.

6. Виды отказов, диагностика и профилактика

Профилактическое техническое обслуживание является ключом к увеличению срока службы TLSA.

· Распространенные виды отказов:

1. Проникновение влаги. Поврежденные уплотнения позволяют влаге проникать внутрь, что приводит к внутренним частичным разрядам, коррозии и, в конечном итоге, к выходу из строя MOV-колонн.

2. Термический разгон. Деградация блоков MOV (из-за старения, частых скачков напряжения) увеличивает ток утечки, что приводит к перегреву и катастрофическому выходу из строя.

3. Механическая неисправность: Поломка из-за чрезмерной нагрузки, вибрационной усталости или повреждения во время установки.

4. Нарушение внешней изоляции: следы и эрозия полимерного корпуса из-за загрязнения, воздействия ультрафиолета или повреждения птицами.

· Мониторинг и диагностика состояния:

· Анализ тока утечки: онлайновые или портативные устройства измеряют резистивную составляющую тока утечки. Тенденция к росту указывает на прогрессирующую деградацию MOV.

· Тепловидение (инфракрасный осмотр): обнаруживает аномальный нагрев («горячие точки») на корпусе разрядника, что является явным признаком внутренних проблем.

· Визуальный осмотр: проверяется на наличие трещин, сколов, следов, повреждений уплотнений или сколов на корпусе.

· Сторонние счетчики/мониторы разрядов: регистрируйте количество и величину скачков напряжения.

· Превентивные стратегии:

· Правильный выбор: выберите разрядник с соответствующими номиналами и прочной конструкцией (класс загрязнения, механический класс) для конкретного места.

· Качественная установка: тщательно следуйте рекомендациям производителя.

· График регулярного технического обслуживания: выполняйте регулярное ИК-сканирование, визуальные проверки и измерения тока утечки.

· Защита окружающей среды: рассмотрите возможность установки охранников или защитных укрытий в местах, подверженных воздействию птиц или загрязнению.

· Управление по окончании срока службы. Проактивно заменяйте разрядники, срок службы которых приближается к ожидаемому или превышает его, а также имеют постоянные признаки износа.

7. Заключение и будущие тенденции

Ограничители перенапряжения на линиях электропередачи — это проверенная и экономичная технология повышения надежности линий, увеличения пропускной способности и снижения частоты простоев. Их дальнейшее развитие сосредоточено на усовершенствованных материалах (более стабильные составы ZnO, превосходные полимерные смеси), интегрированном интеллектуальном мониторинге (датчики с поддержкой Интернета вещей для получения данных о токе утечки, температуре и скачках в реальном времени), а также легких и высокопрочных конструкциях. Понимая свою технологию изнутри — от микрозерен оксида цинка до установки на уровне системы — коммунальные предприятия и инженеры могут принимать обоснованные решения для эффективной защиты своих жизненно важных сетевых активов.