Анализ неисправностей и предотвращение отказов грозозащитных тросов: ключевые причины сбоев в 10-киловольтных распределительных грозозащитных тросах

1. Введение

В процессе эксплуатации электрических систем основное оборудование подвергается угрозам от внутренних и атмосферных перенапряжений. Устройства защиты от перенапряжений, особенно металлооксидные ограничители перенапряжения (МОП) с отличными нелинейными вольт-амперными характеристиками, являются ключевыми для защиты благодаря их хорошим характеристикам, большой пропускной способности тока и высокой устойчивости к загрязнению. Однако длительное воздействие сетевых напряжений, а также качество компонентов, производственные процессы и внешние условия делают МОП восприимчивыми к аномальному нагреву или взрывам, что требует научного определения, оценки и предотвращения.

В данной работе рассматривается массовое повреждение 10 кВ распределительных МОП в одном регионе. Анализ показывает, что взрывы ограничителей сосредоточены на одной модели одного производителя. Для выявления причин и разработки мер были разобраны и протестированы три фазы с дефектом и две нормальные фазы этой модели.

2. Обзор отказа

Поврежденные устройства защиты от перенапряжений расположены на 10 кВ распределительных линиях 35 кВ подстанции. Отказы часто происходят в грозовой сезон, и записи об аномалиях/отказах на подстанции не соответствуют фазам с дефектом. Пять отобранных образцов ограничителей не имеют точных данных о действиях защиты и записи отказов. Системы локализации молний показывают, что в 2020 году в радиусе 10 км от этой подстанции было зарегистрировано 516 ударов молнии.

После установки на месте были проведены приемочные испытания (включая измерение сопротивления изоляции, испытание на постоянное напряжение 1 мА, и измерение тока утечки при 0,75 от постоянного напряжения 1 мА), все результаты которых были удовлетворительными.

3. Анализ причин отказа

Три фазы с дефектом (№1, №2, №3) были разобраны; две нормальные фазы (№4, №5) прошли испытания и были разобраны для сравнения, чтобы определить причины массовых отказов.

3.1 Неполная информация на шильде

Среди трех фаз с дефектом и двух нормальных фаз: у четырех есть дата производства, но нет серийных номеров; у одного есть серийный номер, но нет даты; другая информация относительно полная.

Шильды важны для операционного и технического персонала, чтобы получить базовую информацию об оборудовании. Отсутствие даты производства или серийного номера затрудняет расчет срока службы и прослеживание качества, препятствует централизованному управлению дефектами.

3.2 Все варисторы являются фрагментами

Разборка первого поврежденного ограничителя показала: между двумя электродами находятся 6 варисторов, некоторые из которых имеют следы горения и белый порошок на поверхности; кроме относительно ровных верхних и нижних поверхностей, варисторы имеют нерегулярную форму, без единого размера или расположения. Толщина варьируется от 18 мм до 25 мм. Три варистора имеют правильные наружные дуги (предположительно, это фрагменты полных дисковых или кольцевых варисторов). Подобные проблемы наблюдаются и в других двух фазах с дефектом.

Пятый целый ограничитель (без повреждений в процессе разборки, результаты на рис. 4) содержит внутри: 5 варисторов + 3 металлические прокладки. Варисторы имеют плоские верхние и нижние поверхности, остальная часть фрагментирована, как и другие: 3 куска ~22 мм толщиной, 1 кусок 20 мм, 1 кусок 17 мм. У трех кусков правильные наружные дуги (от наружных кругов полных дисковых или кольцевых варисторов); у двух правильные внутренние дуги (от внутренних кругов полных кольцевых варисторов).

Варисторы стандартных металлооксидных ограничителей перенапряжений имеют правильную форму дисков, колец или цилиндров. Их размеры строго связаны с соотношением напряжений (остаточное/номинальное), потенциальным градиентом, пропускной способностью тока, исходными материалами и технологическими процессами. Перед сборкой каждый варистор проходит полное тестирование (сетевое, постоянное, импульсное высокого тока, прямоугольное и т.д.). Только прошедшие тесты элементы собираются.

Разборка показала, что эти ограничители используют нестандартные варисторы: количество варисторов и металлических прокладок различается у одинаковых моделей; форма нерегулярная, толщина варьируется, наружные дуги неравномерны. Таким образом, сердечники собраны из фрагментов стандартных варисторов (разных спецификаций и электрических параметров), а не из 10 кВ стандартных. Сравнение фаз с дефектом и нормальных фаз подтверждает, что это заводской дефект, а не последствие отказа.

Такие варисторы имеют низкие электрические характеристики. Неравномерность контактных площадей ухудшает сопротивление перенапряжению, пропускную способность тока и стабильность, что легко приводит к пробоям при скачках напряжения на линии.

3.3 Плохая герметизация композитного корпуса

Разборка третьего поврежденного ограничителя: один конец композитного корпуса хорошо запечатан с электродом (рис. 5); другой конец не имеет заливки. Небольшое количество герметика заполняет зазор между электродом и экраном дуги, что недостаточно для защиты, вызывая зазоры и сильную коррозию электрода (рис. 6).

Эта плохая герметизация связана с недостаточной заливкой при производстве, а не с отказом.

Композитный корпус не имеет заливки на одной стороне цилиндра изоляции дуги, и резьбовая поверхность блока электрода сильно заржавела. Это показывает, что даже при наличии герметика влага может проникать в цилиндр изоляции дуги через зазоры резьбы. Во время эксплуатации влага, прилипающая к поверхности сборки варистора, увеличивает ток утечки и резистивные компоненты, вызывая сильный нагрев. Длительная эксплуатация приводит к повышению температуры внутри цилиндра изоляции дуги, возможно, плавлению и разрушению стенки цилиндра, постепенно ухудшая качество работы ограничителя перенапряжений.

При осмотре четвертого ограничителя была обнаружена неравномерная толщина композитного корпуса на одном конце электрода. Штангенциркулем измерена максимальная толщина 4,985 мм и минимальная 0,275 мм, как показано на рисунке 7. Рисунок также показывает, что центральное отверстие для электрода в корпусе не является стандартным кругом, что указывает на плохую герметизацию в этом месте.

Композитный корпус в основном состоит из силиконового каучука. Его неравномерная толщина связана с плохим контролем процесса и эксцентричностью на этапе вулканизации при производстве. Для стандартных 10 кВ ограничителей перенапряжений композитный корпус имеет равномерную толщину 3-5 мм. Слишком тонкий силиконовый каучук плохо сопротивляется старению и склонен к растрескиванию. Он не только позволяет влаге проникать и прилипать к поверхности изоляционного цилиндра, вызывая влагозависимые отказы, но и может ухудшить внешнюю изоляционную производительность оборудования, становясь ключевым фактором, ограничивающим качество продукта.

3.4 Успешные стандартные испытания, неуспешные специальные испытания

На пятом нормальном ограничителе перенапряжений были проведены испытания, связанные с постоянным напряжением, результаты которых представлены в таблице 1.

Для проверки его способности выдерживать большие токи на четвертом нормальном ограничителе перенапряжений был проведен испытание на высокий импульсный ток. Даже когда испытательный импульсный ток был значительно ниже стандартизированного значения, ограничитель все равно испытал пробой и разрушение, что привело к провалу испытания. Подробные данные представлены в таблице 2.

4. Рекомендации

При проведении тендеров и закупке ограничителей перенапряжений (особенно для распределительных сетей) необходимо четко определить квалификацию поставщиков и технические спецификации. Выбирайте поставщиков с成熟的生产工艺和良好业绩的供应商；避免选择过低价格的投标。在接收配电网避雷器时，建设和运行单位必须按照“五通”等标准进行逐项检查，保留工厂测试报告以确保合格率。利用省级物资检测中心的测试平台，对10kV避雷器进行抽样测试（包括交流、直流、大电流冲击和密封性测试），防止不合格产品接入电网。安装后，在投运前，严格按照GB 50150—2016进行现场测试，出具标准化报告并按要求归档，确保全过程数据管理（生产→运输→验收→交接试验→投运）。投运后，加强巡检和记录，在雨季使用红外成像技术，对于异常发热情况及时停电更换，防止故障扩大。 这段文字翻译为俄语如下：

При проведении тендеров и закупке ограничителей перенапряжений (особенно для распределительных сетей) необходимо четко определить квалификацию поставщиков и технические спецификации. Выбирайте поставщиков с成熟工艺和良好业绩的供应商；避免选择过低价格的投标。在接收配电网避雷器时，建设和运行单位必须按照“五通”等标准进行逐项检查，保留工厂测试报告以确保合格率。利用省级物资检测中心的测试平台，对10kV避雷器进行抽样测试（包括交流、直流、大电流冲击和密封性测试），防止不合格产品接入电网。安装后，在投运前，严格按照GB 50150—2016进行现场测试，出具标准化报告并按要求归档，确保全过程数据管理（生产→运输→验收→交接试验→投运）。投运后，加强巡检和记录，在雨季使用红外成像技术，对于异常发热情况及时停电更换，防止故障扩大。 这段文字翻译为俄语如下：

При проведении тендеров и закупке ограничителей перенапряжений (особенно для распределительных сетей) необходимо четко определить квалификацию поставщиков и технические спецификации. Выбирайте поставщиков с成熟的生产工艺和良好业绩的供应商；避免选择过低价格的投标。在接收配电网避雷器时，建设和运行单位必须按照“五通”等标准进行逐项检查，保留工厂测试报告以确保合格率。利用省级物资检测中心的测试平台，对10kV避雷器进行抽样测试（包括交流、直流、大电流冲击和密封性测试），防止不合格产品接入电网。安装后，在投运前，严格按照GB 50150—2016进行现场测试，出具标准化报告并按要求归档，确保全过程数据管理（生产→运输→验收→交接试验→投运）。投运后，加强巡检和记录，在雨季使用红外成像技术，对于异常发热情况及时停电更换，防止故障扩大。 这段文字翻译为俄语如下：

При проведении тендеров и закупке ограничителей перенапряжений (особенно для распределительных сетей) необходимо четко определить квалификацию поставщиков и технические спецификации. Выбирайте поставщиков с成熟的生产工艺和良好业绩的供应商；避免选择过低价格的投标。在接收配电网避雷器时，建设和运行单位必须按照“五通”等标准进行逐项检查，保留工厂测试报告以确保合格率。利用省级物资检测中心的测试平台，对10kV避雷器进行抽样测试（包括交流、直流、大电流冲击和密封性测试），防止不合格产品接入电网。安装后，在投运前，严格按照GB 50150—2016进行现场测试，出具标准化报告并按要求归档，确保全过程数据管理（生产→运输→验收→交接试验→投运）。投运后，加强巡检和记录，在雨季使用红外成像技术，对于异常发热情况及时停电更换，防止故障扩大。 这段文字翻译为俄语如下：

При проведении тендеров и закупке ограничителей перенапряжений (особенно для распределительных сетей) необходимо четко определить квалификацию поставщиков и технические спецификации. Выбирайте поставщиков с成熟的生产工艺和良好业绩的供应商；避免选择过低价格的投标。在接收配电网避雷器时，建设和运行单位必须按照“五通”等标准进行逐项检查，保留工厂测试报告以确保合格率。利用省级物资检测中心的测试平台，对10kV避雷器进行抽样测试（包括交流、直流、大电流冲击和密封性测试），防止不合格产品接入电网。安装后，在投运前，严格按照GB 50150—2016进行现场测试，出具标准化报告并按要求归档，确保全过程数据管理（生产→运输→验收→交接试验→投运）。投运后，加强巡检和记录，在雨季使用红外成像技术，对于异常发热情况及时停电更换，防止故障扩大。 这段文字翻译为俄语如下：

При проведении тендеров и закупке ограничителей перенапряжений (особенно для распределительных сетей) необходимо четко определить квалификацию поставщиков и технические спецификации. Выбирайте поставщиков с成熟的生产工艺和良好业绩的供应商；避免选择过低价格的投标。在接收配电网避雷器时，建设和运行单位必须按照“五通”等标准进行逐项检查，保留工厂测试报告以确保合格率。利用省级物资检测中心的测试平台，对10kV避雷器进行抽样测试（包括交流、直流、大电流冲击和密封性测试），防止不合格产品接入电网。安装后，在投运前，严格按照GB 50150—2016进行现场测试，出具标准化报告并按要求归档，确保全过程数据管理（生产→运输→验收→交接试验→投运）。投运后，加强巡检和记录，在雨季使用红外成像技术，对于异常发热情况及时停电更换，防止故障扩大。 这段文字翻译为俄语如下：

При проведении тендеров и закупке ограничителей перенапряжений (особенно для распределительных сетей) необходимо четко определить квалификацию поставщиков и технические спецификации. Выбирайте поставщиков с成熟的生产工艺和良好业绩的供应商；避免选择过低价格的投标。在接收配电网避雷器时，建设和运行单位必须按照“五通”等标准进行逐项检查，保留工厂测试报告以确保合格率。利用省级物资检测中心的测试平台，对10kV避雷器进行抽样测试（包括交流、直流、大电流冲击和密封性测试），防止不合格产品接入电网。安装后，在投运前，严格按照GB 50150—2016进行现场测试，出具标准化报告并按要求归档，确保全过程数据管理（生产→运输→验收→交接试验→投运）。投运后，加强巡检和记录，在雨季使用红外成像技术，对于异常发热情况及时停电更换，防止故障扩大。 这段文字翻译为俄语如下：

При проведении тендеров и закупке ограничителей перенапряжений (особенно для распределительных сетей) необходимо четко определить квалификацию поставщиков и технические спецификации. Выбирайте поставщиков с成熟的生产工艺和良好业绩的供应商；避免选择过低价格的投标。在接收配电网避雷器时，建设和运行单位必须按照“五通”等标准进行逐项检查，保留工厂测试报告以确保合格率。利用省级物资检测中心的测试平台，对10kV避雷器进行抽样测试（包括交流、直流、大电流冲击和密封性测试），防止不合格产品接入电网。安装后，在投运前，严格按照GB 50150—2016进行现场测试，出具标准化报告并按要求归档，确保全过程数据管理（生产→运输→......