Аналіз відмов грозозахисних пристроїв та їх запобігання: Основні причини несправностей 10 кВ розподільчих грозозахисних пристроїв

1. Вступ

Під час експлуатації електроенергетичних систем основне обладнання стає перед загрозами внутрішніх та атмосферних перенапруг. Передбіжники, зокрема металооксидні передбіжники (МОП) з відмінними нелінійними вольт-амперними характеристиками, є ключовими для захисту через свою високу продуктивність, велику пропускну здатність струму та сильну стійкість до забруднення. Однак довге простеження в режимі робочої частоти, разом із якістю компонентів, технологічними процесами та зовнішніми умовами, робить МОП скільких до неправильного нагрівання або вибухів, що вимагає наукового визначення, оцінки та запобігання.

Ця стаття розглядає масштабні випадки відмови МОП напруги 10 кВ в одному регіоні. Аналіз показує, що вибухи передбіжників концентруються на моделі одного виробника. Для визначення причин та протидії були розібрани та перевірені три несправні фази та дві нормальні фази цієї моделі.

2. Огляд відмов

Несправні передбіжники розташовані на лініях розподілу напруги 10 кВ підстанції 35 кВ. Заводження часто відбувається в грозовий сезон, а записи про аномалії/відмови підстанції не відповідають несправним фазам передбіжників. П'ять зразкових передбіжників не мають точних даних про дії захисту та записів про відмови. Системи локації блискавок показують, що в 2020 році було 516 ударів блискавок в радіусі 10 км від центру цієї підстанції.

Після монтажу на місці були проведено приймальні випробування (включаючи випробування опору ізоляції, випробування постійного струму 1 мА та випробування течією струму при 0,75 від постійного струму 1 мА), всі результати були підтвердженими.

3. Аналіз причин відмов

Було розібрано три несправні фази передбіжників (№1, №2, №3); два нормальних фазових передбіжника (№4, №5) були перевірені та розібрані для порівняння, щоб визначити причини масштабних відмов.

3.1 Неповна інформація на шильдике

Серед трьох несправних фазових та двох нормальних фазових передбіжників: 4 мають дату виготовлення, але немає серійних номерів; 1 має серійний номер, але немає дати; інша інформація відносно повна.

Шильдики є важливими для операторів та техніків, щоб отримати базову інформацію про обладнання. Відсутність дат виготовлення/серійних номерів ускладнює розрахунок терміну служби та відстеження якості, заважаючи централізованому управлінню дефектами.

3.2 Варистори є лише фрагментами

Розборка несправного передбіжника №1 показала: 6 варисторів між двома електродами, з подірками та білим порошком на деяких поверхнях; окрім відносно рівних верхніх/нижніх поверхонь, варистори мають нерегулярну форму, без однакових розмірів або розташування. Товщина включає 18 мм, 20 мм, 23 мм та 25 мм. Три варистори мають правильні зовнішні дуги (ймовірно, від повних круглих/кольцевих варисторів). Подібні проблеми існують у двох інших несправних фазових передбіжників.

Передбіжник №5 був розібраний (без пошкоджень під час процесу, результати на малюнку 4). Внутрішнє: 5 частин варистора + 3 металеві прокладки. Варистори мають рівні верхні/нижні поверхні, нерегулярні фрагменти, схожі на інші: 3 частини ~22 мм, 1 частина 20 мм, 1 частина 17 мм. 3 частини мають правильні зовнішні дуги (від повних круглих/кольцевих варисторів); 2 частини мають правильні внутрішні дуги (від внутрішніх колець повних кольцевих варисторів).

Варистори стандартних металооксидних передбіжників є правильними дисками, кільцями або циліндрами. Їхні розміри строго пов'язані зі співвідношенням напруг (залишкової/посилальної напруги), потенційним градієнтом, пропускною здатністю струму, сировиною та процесами випалювання. Перед збіркою кожен варистор пройшов повні випробування (частота мережі, постійний струм, високострумові імпульси, квадратні хвилі тощо). Лише пройдені деталі збираються.

Розборка показала, що ці передбіжники використовують нетипові варистори: нерівномірна кількість варисторів/металевих прокладок в однакових моделях; нерегулярні форми, різні товщини, нерівномірні зовнішні дуги. Таким чином, ядра зібрані з фрагментів стандартних варисторів (різних специфікацій/електричних параметрів), а не 10 кВ стандартних. Порівняння несправних та нормальні фаз підтверджує, що це заводський дефект, а не викликаний відмовою.

Такі варистори мають нижчу електричну продуктивність. Нерівномірні контактні площі погіршують стійкість до перенапруг, пропускну здатність струму та стабільність - легко викликають розряди під час імпульсів на лінії.

3.3 Слабка герметизація комбінованого корпуса

Розборка несправного передбіжника №3: один кінець комбінованого корпуса добре запечатаний з електродом (малюнок 5); інший кінець не має запечатання. Лише невелика кількість запечатуючого матеріалу заповнює зазор між електродом та дугозахисним екраном - недостатньо для захисту, що призводить до зазорів та суттєвої корозії електрода (малюнок 6).

Ця слабка герметизація походить від недостатнього ливарного процесу виробництва, а не від відмов.

Комбінований корпус не має ливарного запечатання на одному боці дугозахисного циліндра, а поверхня електрода сильно пошкоджена корозією. Це показує, що навіть при наявності запечатуючого матеріалу, волога може просочитися до дугозахисного циліндра через зазори різьби. Під час експлуатації волога, яка прилипає до поверхні ядра варистора, збільшує течію струму та резистивні компоненти, що призводить до суттєвого нагріву. Довготривала експлуатація призводить до підвищення температури всередині дугозахисного циліндра, що може призвести до розплавлення та розриву стіни циліндра, поступово погіршуючи якість роботи передбіжника.

При перевірці передбіжника №4 було виявлено нерівну товщину комбінованого корпуса на одному кінці електрода. Мікрометр виміряв найтовщу частину 4,985 мм, а найтоншу - лише 0,275 мм, як показано на малюнку 7. Малюнок також показує, що перфорація центрального електродного стовпчика в корпусі не є стандартним колом, що свідчить про слабку герметизацію.

Комбінований корпус в основному виготовлений з силиконового каучуку. Його нерівна товщина виникає через погану контролюваність процесу та ексцентриситет під час стадії вулканізації виробництва. Для стандартних 10 кВ передбіжників комбінований корпус має рівну товщину 3-5 мм. Надто тонкий силиконовий каучук має погану стійкість до старіння і схильний до тріщин. Він не тільки дозволяє вологі проникати та прилипати до поверхні ізоляційного циліндра, що викликає відмови, пов'язані з вологою, але може також погіршити зовнішню ізоляційну продуктивність обладнання, стаючи ключовим фактором, що обмежує якість продукту.

3.4 Успішні стандартні випробування, неуспішні спеціальні випробування

Було проведено випробування, пов'язані з постійним струмом, на нормальному передбіжнику №5, результати показані в таблиці 1.

Для перевірки його здатності до високого струму було проведено випробування високим струмовим імпульсом на нормальному передбіжнику №4. Навіть коли тестовий імпульсний струм був значно нижчим за встановлене значення, передбіжник все одно відчув розряд та руйнування, що призвело до невдалого випробування. Детальні дані представлені в таблиці 2.

4. Рекомендації

Під час проведення тендерів та закупівлі передбіжників (особливо для розподільчих мереж) чітко визначайте кваліфікацію постачальників та технічні специфікації. Обирайте постачальників з зрілими процесами та хорошими показниками; уникайте надто низьких цінових пропозицій.

Під час прийняття передбіжників розподільчих мереж будівельні та експлуатаційні підрозділи повинні дотримуватися стандартів, таких як "П'ять пройшли". Проводьте пунктові перевірки, зберігайте заводські звіти про випробування, щоб забезпечити відповідність.

Використовуйте платформи для випробувань провідних матеріалів. Проводьте вибіркові випробування (AC/DC, високий струмовий імпульс, герметизація) для 10 кВ передбіжників, щоб заблокувати невідповідні продукти від підключення до мережі.

Після монтажу, але до пуску в експлуатацію, строго дотримуйтесь GB 50150-2016 для на місці випробувань. Видавайте стандартизовані звіти, архівуйте за потребою. Забезпечте повне управління даними (виробництво -> транспортування -> прийняття -> випробування при передачі -> пуск в експлуатацію). Після пуску в експлуатацію підвищуйте патрулювання та записи. В дощовий сезон використовуйте інфрачервону імовірність. При виявленні аномального нагріву відключайте та замінюйте швидко, щоб запобігти розширенню відмови.