Цель статьи – анализ и практическое применение понятия “ток проводимости ОПН” для выявления показателей тока, воздействующих на техническое состояние ОПН при эксплуатации ограничителей.
К настоящему времени российская электротехническая промышленность прекратила выпуск вентильных разрядников и регистраторов срабатываний к ним, как морально устаревших. Рядом отечественных предприятий налажено производство более перспективных защитных аппаратов - ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН).
Ограничители перенапряжений все более интенсивно внедряются в практику. Конструктивно ОПН - это сборка из последовательно или последовательно - параллельно соединенных нелинейных резисторов- варисторов, заключенная в покрышку из изоляционного материала. Однако, несмотря на простоту устройства и, соответственно, высокую надежность, в силу влияния различных факторов – конструктивных, технологических, эксплуатационных, возможна потеря защитных свойств и разрушение самого аппарата.
Так как отказ ОПН может привести к серьезной аварии в системе электроснабжения, то нормативные документы, как отраслевые [1], так и предприятий – изготовителей ОПН, требуют периодических профилактических испытаний ограничителей. На основании результатов таких испытаний может быть сделан вывод о пригодности или непригодности ОПН к дальнейшей эксплуатации [1, 2, стр. 40-41].
При профилактических испытаниях ОПН основным является измерение тока проводимости [1, раздел 1.8.31], при этом ограничитель должен быть выведен из эксплуатации при превышении током некоторого допустимого уровня. Действительно, одной из причин разрушения ОПН может быть потеря термической устойчивости, которая связана с величиной тока проводимости.
По мере эксплуатации ОПН, ток, протекающий через последовательно соединённые варисторы под действием рабочего напряжения, может увеличиваться. При этом увеличиваются потери энергии, выделяемые в ОПН в виде тепла. Для восстановления теплового баланса ОПН температура внутри ограничителя и на поверхности покрышки увеличивается по отношению к температуре окружающего воздуха. Однако, рост температуры внутри ОПН увеличивает проводимость варисторов, а значит, и ток. Процесс может носить лавинообразный характер и привести к тепловому разрушению материала варисторов.
Поэтому в целях более грамотной эксплуатации ОПН необходимо чёткое понимание особенностей измерения тока проводимости.
К сожалению, в многочисленных публикациях по вопросу тока проводимости ОПН отсутствует единая терминология и однозначность в понимании методики и результатов измерений. Следовательно, целесообразно более подробно рассмотреть вопрос самого понятия тока проводимости ОПН и методов его измерения.
В первую очередь, следует рассмотреть токи, протекающие по ОПН при длительном воздействии на него рабочего напряжения, и выделить из них ток проводимости. Во вторую очередь, следует проанализировать характер указанного тока и его состав, в третью – показатели тока проводимости, влияющие на техническое состояние ОПН и, наконец, в четвёртую - рассмотреть методы измерения и анализа данного тока.
При решении этих задач выясняется следующее.
Ток, протекающий по ОПН под действием рабочего напряжения, состоит из совокупности (суммы) токов, протекающих по соединённым последовательно варисторам – варисторной колонке (столбу) и по поверхностям и объёму внешних и внутренних изоляционных элементов: покрышки (оболочки), стеклотекстолитового цилиндра и т. п. Ток, протекающий по сечению варистора под действием приложенного рабочего напряжения, называют током проводимости, ток, протекающий по изоляции, называют током утечки, а суммарный – длительным током ограничителя.
Величина тока проводимости отдельного варистора при заданном напряжении определяется химическим составом материала, технологией изготовления, площадью поперечного сечения, температурой и предысторией варистора. Допустимая плотность тока проводимости достаточна мала и при температуре 200 С составляет примерно (10-30)·10 - 6А СКЗ/см2 [3, с. 85], где СКЗ – среднеквадратичное значение тока. Таким образом, для варистора диаметром 46 мм ток проводимости при указанной температуре и максимально допустимым рабочем напряжении составит 0.2-0.5 мА СКЗ . В [2, c. 40] приведены допустимые значения тока проводимости для ОПН - 110-750 кВ. Так, для ОПН – 110 (производитель и диаметр варисторов не указаны) диапазон тока проводимости при напряжении 73 кВ составит (0.4 -0.65) мА СКЗ.
Величина тока утечки, например, по поверхности покрышки, определяется ее материалом, состоянием, температурой, степенью увлажнённости и загрязнения. При увлажнении загрязнений поверхности изоляции аппарата по ней протекает ток утечки, достигающий при больших уровнях загрязнения десятых долей ампера [3, стр.156]. Поэтому полученные при измерениях значения токов, превышающие указанные в заводской документации, могут быть не результатом изменения состояния варисторного столба, а всецело определяться состоянием изоляционной покрышки – её увлажнением при чрезмерном загрязнении.
Для более адекватного анализа состояния варисторной колонки рекомендуется отделять (сепарировать) ток проводимости от токов утечки. Конструкция большинства ОПН это сделать не позволяет.
Полное разделение влияния состояния покрышки на величину тока проводимости невозможно даже теоретически. Это объясняется тем, что распределение потенциалов приложенного напряжения по высоте варисторной колонки и поверхности покрышки в силу локального увлажнения и подсушивания покрышки неодинаковы. Существующая разность потенциалов вызывает изменение величины тока проводимости.
Ток проводимости варистора характеризуется двумя существенными особенностями:
- ток проводимости носит емкостной характер (имеет существенную емкостную составляющую);
- ток проводимости несинусоидален.
Рассмотрим указанные особенности более подробно с учётом некоторых элементарных сведений из теоретических основ электротехники.
2.1. Эквивалентная схема варистора представляет собой последовательно – параллельное соединение активных и емкостных элементов [3, стр. 69], причём часть элементов, как активных, так и емкостных, характеризуется нелинейной зависимостью их тока от напряжения. Математическая модель реального варистора, на основании которой веётся расчёт параметров, весьма сложна. Для понимания сути вопроса представим значительно упрощённую эквивалентную схему варистора, состоящую из параллельно соединённых линейных активного сопротивления r и ёмкости C (рис. 1а).
Рис. 1а | Рис. 1б, Рис. 1в | Рис. 2 |
На рис.1б представлены графики мгновенных значений приложенного синусоидального напряжения U и тока i для линейной разветвлённой цепи с активным сопротивлением r и ёмкостью C. Полный (общий) ток i носит емкостной характер, т.е. опережает напряжение U на угол a – угол сдвига фаз тока и напряжения. Как видно из векторной диаграммы на рис.2, ток I равен геометрической сумме двух токов: тока Ic, протекающего через ёмкость С, на 900 опережающего напряжение U, и тока Ir,протекающего через активное сопротивление r и совпадающего по фазе с напряжением U. Графики мгновенных значений для активного ir и емкостного ic токов показаны на рис. 1в. Величина угла a зависит от соотношения емкостной и активной составляющих – чем больше емкостная по отношению к активной, тем больше величина угла a.
Нагрев варисторов и ОПН в целом определяет активная составляющая тока проводимости. Ограничитель сохраняет работоспособность до тех пор, пока в результате воздействия рабочего напряжения и импульсов перенапряжения активная составляющая тока не превысит критического значения, т. е.пока не нарушится тепловое равновесие аппарата, при котором количество тепла, выделяемого в варисторах, превысит возможности конструкции ОПН по его рассеянию в окружающую среду.
Допустимая плотность активной составляющей тока проводимости (1.0-5.0) ·10 -6А СКЗ/см2 [3, с.85], что для варистора диаметром 46 мм составит (0.02-0.08 ) мА СКЗ.
Таким образом, для варисторов активная составляющая равна примерно 10% от полного тока. Именно в малом содержании активного тока в полном кроется одна из особенностей измерения тока проводимости, а именно - измеренное значение полного тока проводимости не позволяет в полной мере судить о процессах, происходящих в варисторной колонке.
Доказательство этого тезиса было приведено в статье [4]. В данной работе указано, что величина активной составляющей тока ОПН в номинальных режимах составляет 8-12% от величины полного тока. При измерениях полного тока его заметное изменение наблюдается в случае, когда активная составляющая тока возрастёт в 5-6 раз. Действительно, как это видно из приведенных диаграмм на рис. 3, рост активной составляющей Ir 5,3 раза приводит к изменению полного тока I в 1,1 раза, то есть всего лишь на 10% (рис.3б), а увеличение активной составляющей в 7,1 раз приводит к росту полного тока только на 20% (рис.3в).
Следовательно, принятая диагностика состояния ОПН по полному току через него недостаточно надёжна, поскольку обнаруживает негативные изменения с большим запаздыванием, когда нарастание тока может стать лавинообразным и привести к аварии.
Практический вывод: для адекватного анализа состояния варисторной колонки должна измеряться активная составляющая полного тока проводимости.
2.2. Как было указано, активное и ёмкостное сопротивление варистора носят нелинейный характер, то есть их величина непостоянна и зависит от значения приложенного напряжения. Это означает, что при синусоидальной форме напряжения сети полный ток проводимости ограничителя несинусоидален. Для иллюстрации, на рис. 4 представлены осциллограммы испытательного напряжения U и полного тока i проводимости ОПН 35/40.5, где форма тока i значительно отличается от синусоидальной кривой.
Напомним, что при изучении процессов в электрических цепях с несинусоидальными токами и напряжениями можно использовать теорему Фурье. Согласно теореме, всякая периодически изменяющая величина рассматривается как сумма постоянной (независимой от времени) величины и ряда синусоидальных (гармонических) величин с кратными частотами. Гармоническая составляющая, частота которой равна частоте несинусоидальной периодической величины, называется основной или первой гармоникой, остальные гармоники, у которых частота в 2, 3, 4 и т.д. раз больше, называются высшими гармониками, т.е. второй, третьей гармоникой и т.д.
Согласно той же теореме, периодическая кривая, симметричная относительно оси абсцисс, не содержит постоянной составляющей и чётных гармоник. Следовательно, кривая тока проводимости, являясь периодической и симметричной оси абсцисс, содержит только нечётные гармоники.
Таким образом, полный ток проводимости представляет собой сумму несинусоидальных активного и емкостного токов. Какие показатели тока необходимо использовать для адекватного анализа варисторов?
Следует напомнить, что переменный периодический ток независимо от его формы характеризуется его максимальным Ip (синоним – амплитудным), средним Iср и среднеквадратичным I значениями. При рассмотрении преобразования электрического тока в тепло рассматривается его среднеквадратичное значение. С учётом характера тока проводимости нелинейных ограничителей, для адекватного анализа состояния варисторов должна быть измерена среднеквадратичная (эффективная) величина активной составляющей тока.
Напомним, что cреднеквадратичное значение (СКЗ) периодического тока i(t) или напряжения u(t) любой формы определяется как:
Ранее применяющиеся термины (действующее или эффективное) согласно ГОСТ 16465 – 70 считаются недопустимыми.
Соотношения между среднеквадратичным I , максимальным I p (амплитудным I m) и средним I ср за половину периода значениями тока, который изменяется по любому периодическому закону, характеризуются коэффициентами амплитуды kа и формы kф . Среднеквадратичное значение
Значения этих коэффициентов зависят от формы тока. Для синусоидального тока kа=1.41, а kф=1.11. Для других (несинусоидальных!) форм тока эти коэффициенты имеют другие значения.
Итак, в качестве промежуточного вывода из рассмотренного можно сделать вывод, что при контроле длительного тока ОПН необходимо измерять среднеквадратичное значение активной составляющей тока проводимости.
В какой мере существующие методы и средства измерений отвечают указанным требованиям?4.1. Измерение тока стрелочными или цифровыми приборами.
Исторически первым устройством, которое применялось для анализа тока проводимости в условиях эксплуатации, явились так называемые приспособления для измерения тока проводимости под рабочим напряжением (см., например, ТО и РЭ на ОПН производства Корниловского завода электротехнического фарфора). Данное устройство до сих пор рекомендуется для использования некоторыми отечественными производителями ОПН.
В устройстве в качестве измерительного прибора использован стрелочный миллиамперметр переменного тока, который включён в цепь измеряемого тока (см. рис. 5а), то есть принят прямой метод измерения тока. Указано, что класс точности прибора должен быть не хуже 0.5, при этом система прибора и пределы измерений не указаны. За показатель принимается действующее значение тока. Допускалось измерение тока миллиамперметром постоянного тока с указанной точностью измерений через двухполупериодный выпрямительный мост (рис. 5б), при этом показания рекомендовалось увеличивать на 10% (очевидно, имеется в виду коэффициент kф=1.11).
С учётом того, что указанное устройство применяется и рекомендуется к применению до настоящего времени, необходимо прокомментировать данные технические решения.
Известно, что для корректного измерения переменного тока прибором магнитоэлектрической системы необходимо принимать ряд довольно сложных схемных решений. Это касается как построения самого узла выпрямления, так и типа применяемых выпрямительных элементов. Например, рекомендуется выполнять данный узел на германиевых транзисторах, а не на диодах. Рекомендуется также усиливать сигнал, вводить отрицательные обратные связи и т.д. [6,7]. С этой точки зрения, указанные в ТО и РЭ на ОПНы ряда фирм рекомендации по применению миллиамперметра с выпрямительным мостом на диодах необходимо подвергать большим сомнениям.
Очевидно, что в данном случае более правомерно рекомендовать так называемые выпрямительные приборы, которые состоят из измерителя магнитоэлектрической системы и узла выпрямителя, построенного с учётом всех требований по точности измерения.
Современные стрелочные мультиметры при контроле переменного тока (напряжения) определяют средневыпрямленное значение сигнала, а шкала градуируется в среднеквадратичных значениях синусоидального напряжения.
При несинусоидльной форме сигнала интерпретация результатов измерения переменного тока стрелочными мультиметрами затруднена [8]. В этом случае, среднеквадратичное значение сигнала несинусоидальной формы определяется путём пересчёта: Ux =Uq•kф/1.11, где Ux и kф – соответственно среднеквадратичное значение и коэффициент формы измеряемого сигнала, а Uq – показания прибора.
При таких перерасчётах для тока проводимости надо знать величину коэффициента формы и помнить, что эта величина непостоянна – ведь форма тока зависит от многих факторов.
Возможно применение отдельного класса выпрямительных приборов – приборов с среднеквадратичной характеристикой [5, c. 77-79]. Такие приборы имеют дополнительную диодную цепочку, дающую возможность заменить линейную зависимость выпрямленного тока на квадратичную, при этом измеряется среднеквадратичное значение тока несинусоидальной формы независимо от начальных фаз гармоник.
В последнее время, на рынке появились стрелочные измерители/регистраторы тока ОПН отечественных и зарубежных производителей, предназначенные для постоянного контроля тока проводимости под рабочим напряжением. Такие приборы постоянно подключены в разрыв цепи заземления ограничителя. С рассмотренной точки зрения, подобные измерители очевидно должны поверяться не синусоидальным током, а током, близким по форме току ОПН.
Цифровые мультиметры определяют средневыпрямленное значение и умножают на коэффициент формы синусоидального сигнала. Как и в случае стрелочных приборов, значение сигнала несинусоидальной формы определяется путём перерасчёта.
Существует особый класс цифровых приборов, в том числе и мультиметров, обеспечивающих измерение среднеквадратичного значения периодического сигнала произвольной формы – так называемые приборы класса True RMS, обеспечивающих измерение истинного (true) значения СКЗ. Данные приборы выпускаются как отечественными, так и зарубежными производителями.
Среди приборов с функцией True RMS имеется ряд приборов для бесконтактного измерения тока утечки изоляции (токоизмерительные клещи), пригодные для измерения истинного СКЗ длительного тока ОПН.
Необходимо отметить, что ток проводимости может быть измерен косвенным методом (рис.5в), при этом в цепь тока включается измерительный резистор, параллельно которому подключён вольтметр. Падение напряжения на резисторе пропорционально величине протекающего тока. Основными требованиями при этом являются : 1)измерительный резистор должен иметь минимально возможный допуск по отклонению сопротивления и 2) вольтметр должен иметь большое входное сопротивление.
В любом случае, приборы, включённые непосредственно в цепь заземления, измеряют не ток проводимости, а сумму токов колонки варисторов и изоляции (если, конечно, не приняты меры по их сепарации).
В то же время, как указывается, например, в работе [9], измерение полного тока является достаточно информативным способом. Данный метод измерения подкреплён большим количеством экспериментального материала, а предельно допустимые значения, указанные в паспорте, учитывают конструктивные особенности конкретного аппарата. Кроме того, эти значения указаны с запасом, составляющим примерно 30 % от реального срока службы ОПН.
4.2. В настоящее время рядом отечественных предприятий предлагаются приборы для измерения активной составляющей тока, основанные на измерении параметров высших гармоник – действующего (как указано в документации) значения третьей или пятой (на частотах 150 или 250 Гц). В рекламных материалах утверждается, что высшие гармонические составляющие содержатся только в активной составляющей тока проводимости.
4.3. На сегодняшний день наиболее адекватным методом получения среднеквадратичного значения активной составляющей тока проводимости ограничителя является его вычисление на основе принятой математической модели ОПН. Исходными параметрами для вычисления этого параметра являются измеряемые с помощью аналого – цифрового преобразователя мгновенные значения приложенного испытательного напряжения и полного тока проводимости. Последующая обработка результатов измерений проводится на специализированных ЭВМ (микроконтроллерах) или ПЭВМ с помощью разработанных программ.
Имеется ряд подобных приборов зарубежных производителей, которые дают возможность получать ряд параметров тока проводимости, включая величину активной оставляющей, не только в лабораторных, но и в полевых условиях. Основным недостатком является то, что в технической документации на приборы не приводятся описания математических моделей, на основе которых ведётся расчёт параметров. В этом плане остаётся только верить производителю.
4.4. Одним из результатов научно – исследовательских работ, проводимых ООО Балтэнерго, является разработка математической модели ОПН классов 35 – 220 кВ, а на её основе – программы вычисления и отображения параметров тока проводимости ограничителей. Основной целью явилась разработка алгоритма и программы разделения несинусоиального тока ОПН на активную и емкостную составляющие.
В программе осуществляется фильтрация поступающих данных (раздельно для вычисления уровней параметров и интервалов времени), гармонический анализ сигналов на основе преобразования Фурье, разделение тока проводимости на активную и емкостную составляющие согласно принятой математической модели и схеме замещения ОПН, вычисление истинных СКЗ, амплитудных и временных параметров выделенных составляющих.
В рабочем окне программы представлены графики мгновенных значений испытательного напряжения u и тока i ОПН (Рис.6а), а также сфазированные (синхронизированные) графики вычисленных значений первых гармоник напряжения u1 и тока i1 (Рис.6б), а также активной ir и емкостной i1c составляющих тока (Рис.6в) ОПН с масштабированием области графического вывода информации.
Рис. 6а | Рис. 6б | Рис. 6с |
В отдельном диалоговом окне в виде таблицы представлены вычисленные среднеквадратичные и амплитудные значения токов и напряжений, данные о процентном содержании высших гармоник в испытательном напряжении, сдвиг фаз первых гармоник тока и напряжения, а также значение активной мощность, рассеиваемой ОПН.
Аппаратная часть комплекса включена в состав испытательного стенда ОПН 35-220 кВ, предназначенного для проведения приёмо – сдаточных испытаний ОПН и проведения научно-исследовательских работ.
В результате измерения испытательного напряжения и полного тока проводимости ОПН вычисляются, сохраняются в файлах и выводятся на печать графики вычисленных значений активной и емкостной составляющих тока ОПН, а также следующие параметры:
U - истинное СКЗ напряжения ( True RMS) ОПН;
U1 - истинное СКЗ первой гармонической составляющей напряжения ОПН;
u3 - процентная доля третьей гармонической составляющей напряжения по отношению к первой;
u5 - процентная доля пятой гармонической составляющей напряжения по отношению к первой;
Up - максимальное мгновенное значение напряжения ОПН;
Ix - истинное СКЗ тока ОПН;
Ixp - максимальное мгновенное значение тока ОПН;
Ir - истинное СКЗ активной составляющей тока ОПН;
Irp - максимальное значение активной составляющей тока ОПН;
I1cp - максимальное значение первой гармоники емкостной составляющей тока ОПН;
P - активная мощность, рассеиваемая ОПН;
f1 - частота первой гармонической составляющей напряжения ОПН.
Пример отображения графиков мгновенных значений испытательного напряжения U и полного тока проводимости ОПН, а также вычисленных кривых активной ir составляющей и первой гармоники емкостной ic составляющей приведены на рис. 7.
Указанные параметры хранятся в базе данных на изготовленные ОПН, а по требованию заказчика могут быть внесены в паспорт изделия.