Оценка состояния ОПН подстанции

Металлооксидный разрядник для защиты от перенапряжений (MOSA) является сравнительно недорогим компонентом современной энергосистемы.Как правило, он указывается, приобретается и устанавливается, но позже часто упускается из виду при планировании мониторинга состояния активов на подстанции.Однако разрядник является одним из ключевых компонентов для защиты дорогостоящего оборудования, такого как силовые трансформаторы и высоковольтные кабели.Более того, взрывные отказы ОПН в фарфоровых корпусах представляют все более неприемлемый риск не только для обслуживающего персонала на станции, но и для близлежащего оборудования.Кроме того, разрядники старения означают снижение защиты от перенапряжения, особенно для устаревшего оборудования, что может привести к ускоренному износу их систем изоляции.Действительно, опыт показал, что гораздо выгоднее заменить разрядник до того, как он выйдет из строя, чем устранять последствия незапланированного отключения.

В этом отредактированном предыдущем вкладе в INMR экспертов Doble TransiNor в Норвегии обсуждалась оценка состояния ОПН для диагностики и предотвращения зарождающихся отказов и принятия мер по исправлению положения.

Ключевые компоненты разрядника для защиты дорогостоящих активов, таких как силовые трансформаторы и высоковольтные кабели.

Деградация MOSA в процессе эксплуатации

Ограничители перенапряжения на подстанциях подвергаются воздействию различных стрессовых факторов, исходящих как от сети, так и от среды обслуживания, которые затем могут вызвать преждевременное старение или даже повреждение варисторных блоков.Основные типы такой деградации можно классифицировать следующим образом:

• ухудшение изоляционных свойств;или
• ухудшение защитных характеристик

Несколько механизмов могут вызвать деградацию или, в худшем случае, отказ MOSA:

1. Дефекты герметизации, приводящие к попаданию влаги;
2. Поверхностные сбросы из-за загрязнения;
3. Перегрузка из-за временных или переходных перенапряжений;
4. Длительное старение при нормальном рабочем напряжении, например, когда спецификация не соответствует фактическому напряжению системы и перенапряжению;
5. Внутренние частичные разряды.

Перегрузка обычно возникает после аварийных ситуаций с высокими временными перенапряжениями в сети.Если номинальное напряжение разрядника выбрано слишком низким, возрастает риск его перегрузки – даже при временном перенапряжении он должен быть рассчитан на выдерживание.Одним из последствий ухудшения защитных характеристик разрядника является увеличение со временем резистивной составляющей непрерывного тока утечки, протекающего через него.Это, в свою очередь, приведет к увеличению потерь мощности и, следовательно, к повышению температуры блоков оксида металла (ZnO).В какой-то момент резистивный ток утечки достигает критического предела, когда энергия, накопленная в блоках, превышает возможности разрядника (т. е. энергия, которую он может рассеять в окружающую среду).В этом случае разрядник станет термически нестабильным, что часто называют «тепловым разгоном», и выйдет из строя.

Режимы отказа

1. В худшем случае баллон может взорваться и причинить серьезные косвенные повреждения.Если разрядник имеет полимерный корпус, риск разлета тяжелых острых предметов намного ниже;

2. Разрядник может вызвать замыкание на землю (например, из-за внутреннего перекрытия).Иногда бывает трудно идентифицировать такой разрядник;
3. Устаревшие или перегруженные разрядники обеспечивают меньшую защиту от перенапряжения (например, во время серьезных переходных перенапряжений из-за множественных ударов молнии или временных перенапряжений высокой энергии).Разрядник может выйти из строя до того, как он подавит перенапряжение, а это означает, что защищаемое оборудование будет повреждено.

Катастрофический отказ MOSA с фарфоровым корпусом.

Методы мониторинга деградации

В настоящее время для оперативного мониторинга, диагностики и оценки MOSA используется несколько методов и индикаторов.Они различаются как по сложности обработки, так и по уровню предоставляемой информации.Двумя основными подходами являются онлайновые и автономные измерения.Автономные измерения обеспечивают среду тестирования с полным контролем над параметрами, влияющими на надежность и повторяемость измерений.Этот подход требует обесточивания ОПН и использования портативного источника напряжения или, в качестве альтернативы, доставки ОПН в лабораторию.Напротив, онлайновые измерения выполняются на временной или постоянной основе и используют портативные приборы, а также стационарные устройства.Преимущество таких методов состоит в том, что они предоставляют данные оценки состояния без необходимости вывода ОПН из эксплуатации.Затем можно использовать комбинированный подход, включающий дополнительные автономные тесты, для проверки выводов оперативных измерений, если возникнут сомнения.Среди наиболее распространенных внутрисервисных методов:

1. Визуальный осмотр

Это распространенный и даже ценный подход к обнаружению любых внешних аномалий.Например, опытные бригады могут визуально обнаружить износ уплотнений на концевых фитингах, повреждение внешнего корпуса или признаки высокого уровня загрязнения поверхности.Тем не менее, это дает мало информации о внутреннем состоянии ОПН или вообще не дает ее, и в идеале его следует сочетать с другими методами, чтобы получить надежную и полную оценку состояния.

2. Счетчики перенапряжений (с мА-метрами или без них)

Они обеспечивают измерение полного тока утечки, но, несмотря на то, что они часто устанавливаются на MOSA, имеют небольшую практическую ценность в качестве диагностического инструмента для оценки реального состояния ОПН.

3. Измерение температуры

Инфракрасный тепловизионный контроль ОПН является часто используемым универсальным методом технического обслуживания подстанций, в том числе ОПН.Действительно, опыт показывает, что тепловидение можно эффективно использовать для отслеживания деградации ОПН.Однако такие измерения являются ориентировочными лишь в той мере, в какой они достаточно чувствительны, чтобы выявить повышенную температуру блока по обнаружению ее воздействия на поверхность корпуса разрядника.

4. Измерение тока утечки

Это наиболее часто используемый диагностический метод для оценки состояния ОПН. Доступны различные оперативные и автономные методы.В полевых условиях этот параметр обычно измеряется только на заземленном конце, поэтому разрядник должен быть оснащен изолированным основанием и выводами, изолированными от потенциала земли.

Метод с косвенным определением резистивной составляющей тока утечки посредством анализа третьей гармоники с компенсацией гармоник напряжения (THRC) считается одним из лучших доступных для получения информации на месте, в процессе эксплуатации, а также эффективности диагностики.

Электрические свойства и определение THRC

Вольт-амперные характеристики

В нормальных условиях эксплуатации разрядник несет небольшой, но непрерывный ток утечки, обычно в диапазоне от 0,2 до 3 мА.В этом токе преобладает его емкостная составляющая, в то время как резистивная составляющая может составлять всего от 5 до 20% от этой величины.Кроме того, резистивная составляющая зависит от температуры и напряжения, как видно из типичной кривой вольт-амперной характеристики, представленной на рис. 1. Таким образом, ZnO-элементы МОПС могут быть представлены эквивалентной электрической схемой, показанной на рис. 2, где эквивалентные сопротивление нелинейно.Типичное рабочее напряжение U (фаза-земля) для MOSA находится в диапазоне от 50 до 80% от его номинального напряжения Ur.(Определения могут различаться в зависимости от того, используется ли ANSI/IEEE C62.11 или IEC 99-4).

Рис. 1: Типичная вольтамперная характеристика MOSA.

Рис. 2: Эквивалентная электрическая схема для MOSA.

Ток утечки

Вольт-амперная характеристика, показанная на рис. 1, является репрезентативной для MOSA при воздействии чисто синусоидального напряжения (только основная составляющая частоты).Общий ток утечки, протекающий через блоки ZnO, можно разделить на:

• основная емкостная составляющая;
• основная резистивная составляющая;
• 3-я гармоническая составляющая резистивного тока (из-за нелинейного сопротивления элементов ZnO и, как утверждается, создается самим разрядником).

Резистивные составляющие (т.е. 1-я и 3-я) при любом конкретном напряжении и температуре будут отражать вольт-амперную характеристику разрядника в рабочей точке и изменяться в процессе старения.Таким образом, оба этих компонента можно использовать для измерения рабочего состояния разрядника.Однако для полевых измерений в трехфазных конфигурациях наилучшим практическим решением является определение 3-й гармонической составляющей резистивного тока.Ток утечки для любого конкретного разрядника может изменяться в широком диапазоне из-за: содержания гармоник в напряжении системы;фактическая температура элементов ZnO, вызванная как условиями окружающей среды, так и любыми разрядами;и рабочее напряжение.

Эффекты гармонического содержания

Наличие гармоник в рабочем напряжении может генерировать емкостную составляющую третьей гармоники в дополнение к резистивной составляющей третьей гармоники.Эти две составляющие нельзя разделить, если измерять только общий ток утечки 3-й гармоники.Эта емкостная составляющая тока утечки 3-й гармоники может быть такой же величины или выше, чем резистивная составляющая 3-й гармоники, генерируемая разрядником.Ошибка оценки в этом случае может быть большой.Например, если содержание третьей гармоники в напряжении составляет 0,5 % или даже 1 %, погрешности оценки третьей гармонической составляющей будут находиться в пределах ± 50 % и ± 100 % соответственно.Кроме того, поскольку содержание гармоник меняется в зависимости от нагрузки и, следовательно, во времени, невозможно сказать, является ли кажущееся увеличение резистивного тока утечки результатом реального старения (увеличение резистивного тока утечки) или просто изменением содержания гармоник. в рабочем напряжении (что не имеет значения).Измерения в сетях передачи (от 300 кВ до 420 кВ) показали, что содержание 3-й гармоники обычно находится в диапазоне от 0,2 до 1%.Метод компенсации влияния гармоник рабочего напряжения (КВН) уже много лет широко используется.

Влияние температуры и рабочего напряжения

Влияние температуры блока и рабочего напряжения может быть весьма значительным.По этой причине рекомендуется измерять оба.Измерения температуры окружающей среды можно использовать для оценки температуры блока, учитывая, что постоянная времени изменения температуры блоков составляет несколько часов.Это позволяет пересчитать измеренные значения резистивного тока утечки, называемые так называемыми стандартными эталонными условиями, т. е. при температуре окружающей среды 20°C и рабочем напряжении, в 0,7 раза превышающем номинальное напряжение.Таким образом, измерения, выполненные при различных температурах и/или рабочих напряжениях, можно сравнивать напрямую.Таблица 1 иллюстрирует изменения тока утечки в зависимости от температуры и рабочего напряжения для одних и тех же условий конкретного MOSA в случае системы 420 кВ.Например, если были выполнены два измерения при температуре окружающей среды 0°C и 40°C и одинаковом напряжении соответственно, фактические измеренные значения могут отличаться друг от друга более чем на 100%.Это будет иметь место, даже если нормированные значения при 20°C должны быть одинаковыми, пока состояние ОПН остается неизменным.

Таблица 1: Влияние температуры и рабочего напряжения на резистивный ток утечки

Оценка рисков и стратегия тестирования

В случае MOSA наилучшая практика оценки риска основана на тенденции и уровне резистивного тока утечки при стандартных стандартных условиях.Если резистивный ток утечки превышает определенное пороговое значение, при окончательной оценке/решении следует предпринять следующие шаги:

1. Если резистивный ток утечки нереально высок (т. е. в диапазоне мА и во много раз выше, чем у MOSA того же типа), убедитесь, что основание разрядника и провод заземления должным образом изолированы от основания.Если основание разрядника неизолировано, в системе заземления будут индуцироваться блуждающие токи, что приведет к неправильным измерениям тока утечки.
2. Рассмотрите возможность повторного тестирования MOSA через один или два дня, чтобы подтвердить высокое значение.В случае подтверждения перейдите к шагам 3 или 4. Причина повторного тестирования заключается в том, что MOSA мог подвергнуться кратковременному перенапряжению, вызывающему более высокий ток в течение нескольких часов из-за поглощенной энергии.
3. Постоянно контролируйте MOSA, чтобы следить за развитием резистивного тока утечки.Если это значение увеличивается по сравнению с уже высоким уровнем, перейдите к шагу 4.
4. Свяжитесь с производителем и рассмотрите возможность замены разрядника.

Пороговое значение резистивного тока утечки будет варьироваться от разрядника к разряднику, в зависимости от типа, и может быть установлено по-разному.Некоторые производители указывают так называемые «максимальные рекомендуемые уровни» резистивного тока утечки для каждого типа разрядника.При наличии таких значений скорректированные значения резистивного тока утечки можно непосредственно сравнивать с максимальными рекомендуемыми уровнями (которые могут находиться в диапазоне 100–500 мкА, в зависимости от типа).Если изготовитель не предоставляет максимальные рекомендованные значения резистивного тока утечки, оценка риска или пороговые значения для этого конкретного типа разрядника могут быть установлены на основе опыта следующим образом:

• Измерьте резистивный ток утечки сразу после ввода в эксплуатацию и используйте его в качестве базового показания разрядника.Если ток утечки в конечном итоге увеличивается более чем в 3-4 раза по сравнению с базовым значением, это свидетельствует о серьезном старении.
• Выполните индивидуальное сравнение всех трех разрядников одного типа в трехфазной конфигурации.Если один показывает постоянно и значительно более высокие уровни, чем два других, это может указывать на старение.
• Сравните резистивные токи утечки во всех ОПН одного типа в сети: Во-первых, если один или несколько ОПН показывают значительно более высокие уровни, чем другие того же типа, это может указывать на старение и требует более тщательного наблюдения.Во-вторых, если несколько ОПН показывают низкие значения на одном уровне, их можно использовать как хорошие/приемлемые уровни для ОПН данного типа.В-третьих, если один или несколько ОПН находятся в эксплуатации всего несколько лет, ожидается, что измеренные значения будут близки к исходным показаниям.

В целом, MOSA в идеале следует тестировать после любых необычных аварийных ситуаций, а также после периодов особенно сложных климатических условий или условий загрязнения, влияющих на сеть.В связи с этим рекомендуется следующая стратегия (но она может быть изменена с учетом местного опыта):

1. Классифицировать и идентифицировать все разрядники (название подстанции, ячейка/линия и фаза, данные паспортной таблички, производитель, обозначение типа, год/дата ввода в эксплуатацию и т. д., исторические данные/частота отказов, важность и т. д.);
2. Установить пороговые уровни/максимальные рекомендуемые уровни резистивного тока утечки для каждого типа;
3. Определить пределы действия (например, хорошее состояние, постоянное повторное тестирование/мониторинг, замена);
4. Определите частоту измерений (например, нормальный, частый, непрерывный контроль или только после особых аварийных ситуаций);
5. Определить действия по проверке после замены (лабораторные испытания, вскрытие/осмотр);
6. Оцените измерения, пределы действия, регулярность измерений и проверочные тесты для оптимизации стратегии тестирования.

Измерения тока утечки на основе THRC зарекомендовали себя как надежный и эффективный метод оценки условий эксплуатации бесщелевых металлооксидных разрядников в соответствии с рекомендациями IEC.Внедрение стратегии тестирования разрядников подстанций в сети не только оптимизирует их использование в течение всего срока службы, но и обеспечит замену неисправных или устаревших разрядников до того, как они выйдут из строя.Это будет способствовать повышению надежности и безопасности, а также устранению значительных затрат, связанных с отказами и незапланированными отключениями.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.