Kritická místa konstrukce omezovačů přepětí a jejich zkoušky
z firemních materiálů upravil
Ing. Jiří Bayer a Ing. Jaroslav Hlavatý,
Tyco Electronics Czech s. r. o.
Prvořadým úkolem omezovačů přepětí je chránit blízká zařízení, a to i za cenu jejich případného „sebeobětování“ z důvodu překročení energetické jímavosti procházejícím výbojovým proudem. Je proto důležité, aby omezovač přepětí při zapůsobení a případné havárii nepoškodil žádná zařízení ve své blízkosti uvolněnou částí či tepelným působením oblouku při zemním spojení.
Tyco Electronics (TE) vyvíjí, vyrábí a dodává široký sortiment izolačních a ochranných výrobků. Celosvětově zajišťuje izolátory, omezovače přepětí a aktivní ochranné prvky pro energetické společnosti a výrobce energetických i trakčních zařízení. Mezi významné obchodní značky spadající pod TE patří např. Raychem, Bowthorpe EMP, Axicom a Dulmison. Výrobky TE jsou navrhovány na základě dlouhodobých zkušeností v oboru a jejich kvalita i spolehlivost jsou ověřeny téměř třiceti lety úspěšného provozu.
Omezovače přepětí TE jsou vyráběny pro napěťové hladiny od 280 V do 800 kV, a to jak pro venkovní, tak i vnitřní použití. Oddělení zabývající se výrobky pro izolování a ochranu bylo v TE vytvořeno koupí a sloučením podniků Raychem a Bowthorpe EMP. V současné době TE dodává omezovače přepětí do celého světa, přičemž omezovače přepětí s porcelánovým pláštěm jsou vyráběny již od roku 1945 a s polymerovým pláštěm od roku 1985. Firma TE vyrábí omezovače přepětí s kostrou tyčovou (klecovou) nebo ovíjenou. Omezovače přepětí TE jsou typově zkoušeny podle IEC nebo ANSI. Výrobní závody omezovačů přepětí firmy TE jsou certifikovány podle ISO-9001 a 14001. Technická a odborná úroveň těchto výrobních závodů je zajištěna továrními vvn laboratořemi (obr. 1) a vývojovými odděleními se sídlem v Irsku, Velké Británii a Německu.
Spolehlivost omezovačů přepětí
Omezovače přepětí firmy TE poskytují vynikající ochranu proti přepětí, čímž přímo přispívají ke zvýšení provozní spolehlivosti distribučních sítí. Velká spolehlivost a výjimečné vlastnosti omezovačů TE jsou dosaženy díky:
- kompaktní (jednolité) konstrukci bez vzduchových dutin,
- vynikajícímu utěsnění proti pronikání vlhkosti,
- polymerovému materiálu pláště omezovače, který odolává elektrické erozi a vytváření vodivých cest,
- pokročilé technologii výroby varistorových bloků ZnO,
- spolehlivému odpojovači zemního proudu,
- netříštivé konstrukci jádra i pláště omezovače,
- vysoké kvalitě výroby.
Nejčastěji používaná konstrukce omezovače přepětí
Obvyklá konstrukce omezovače přepětí využívá pasivovaných varistorových bloků ZnO, sklolaminátové nosné kostry, korozivzdorných elektrod z hliníkové slitiny, připojovacích armatur vyrobených z korozivzdorné oceli a polymerového vakuově nastříknutého pláště. Polymer použitý na nastříknutí pláště může být silikon nebo EVA (etylen-vinyl-acetát). Dalším doplňkovým příslušenstvím (obr. 2) může být izolační konzola, odpojovač a kryt pro ochranu ptactva.
Ochrana proti přepětí
Omezovače přepětí jsou ve většině případů využívány k ochraně drahých zařízení před přepětím. Tato přepětí mohou být vyvolána např. atmosférickými výboji nebo manipulacemi v síti. Dva nejběžnější příklady použití omezovačů přepětí vn jsou uvedeny na obr. 3. Jde především o zajištění ochrany transformátorů a přechodů vzdušného vedení na kabelové.
Energetické společnosti shodně uvádějí některé, stále se opakující problémy související s konstrukcí omezovačů. Tyto zkušenosti byly získány během dlouhodobého provozu velkého množství omezovačů v distribučních sítích vn.
Aby se v praxi mohlo úspěšně čelit problémům uvedeným v tabulce konstrukčních slabin omezovačů přepětí, jsou IEC a ANSI normy průběžně upravovány a doplňovány o nové zkušební postupy. Přesto výše uvedené konstrukční slabiny omezovačů přepětí v případě některých výrobců stále přetrvávají. Firma TE se domnívá, že je nezbytné ještě další doplnění norem. Ovšem již nyní by se uživatelé omezovačů přepětí měli a mohou vyvarovat nákupu nekvalitních výrobků tím, že budou od výrobců požadovat předložení osvědčení o úspěšném vykonání zkoušek podle v té době platných norem. Pochopitelně, že uživatelé mohou uvést ve svých specifikacích další technické požadavky, které zvyšují odolnost vybíraného výrobku na základě provozních zkušeností a známých rizikových faktorů vyskytujících se v příslušné distribuční síti.
Kompaktní konstrukce bez vzduchových dutin
Je všeobecně známo, že pronikání vlhkosti je příčinou selhání mnoha starších omezovačů přepětí s porcelánovým pláštěm. Méně známým faktem je, že i v současné době je tento jev stále ještě důvodem velkého procenta poruch všech druhů omezovačů přepětí. Pronikající vlhkost často vyvolává vznik vodivých cest na použitém materiálu nebo v něm či na rozhraních mezi těmito materiály. Vzniklé vodivé cesty mohou být následně příčinou průrazu pláště omezovače přepětí a též zkratování (přemostění) jednoho či více varistorových bloků ZnO.
Špatná odolnost proti pronikání vlhkosti je způsobena především:
- nedostatečným utěsněním konstrukce a stárnutím utěsnění vlivem klimatických podmínek a mechanického namáhání,
- nevyhovujícími mechanickými vlastnostmi – porušení utěsnění mechanickým poškozením nebo penetrací vlhkosti,
- velkými výkyvy teplot okolí – vzdušná vlhkost způsobující orosení při rozdílu okolních teplot mezi dnem a nocí nebo vzlínavost.
Jednou z důležitých podmínek, kterou je nutné splnit k úspěšnému zamezení vnikání vlhkosti do konstrukce omezovače přepětí s polymerovým pláštěm, je dokonalá odolnost jeho těsnicího systému. Tento systém spočívá v naprostém utěsnění jádra omezovače, včetně varistorových bloků a elektrod. Další podmínkou je výroba omezovače přepětí bez vzduchových dutin, neboť jen tak lze účinně zabránit penetraci vlhkosti pláštěm z důvodu případného pronikání vzdušné vlhkosti a její kondenzace v dutinách. Koncepce konstrukce vylučující riziko vnikání vlhkosti a přenosu vodních par realizovaná firmou TE spočívá v přímém nástřiku pláště omezovače na pasivované jádro. Tímto postupem je zajištěna výroba omezovačů bez vzduchových dutin a s nejlepší dostupnou ochranou proti pronikání vlhkosti.
Norma IEC 60099-4 doporučuje ověřit funkčnost utěsnění omezovačů přepětí termomechanickou zkouškou. Pro tuto zkoušku se obvykle vybere nejdelší vzorek z dané řady omezovačů přepětí, který se následně vystaví maximálnímu dovolenému provoznímu namáhání (definovanému jako MPSL – Maximum Permissible Service Load) ve čtyřech směrech a za změn teploty popsaných v obr. 4.
Po termomechanické zkoušce následuje zkouška ponořením do vody. Vzorek, na kterém byla vykonána termomechanická zkouška, je následně ponořen v nádobě s vroucí deionizovanou vodou po dobu 42 h a poté je opětně podroben ověřovacím elektrickým zkouškám (obr. 5). Ověřovací zkoušky se musí vykonat během osmi hodin po ochlazení vzorku na okolní teplotu v tomto pořadí:
- fyzické ověření vzorku na mechanické poškození,
- ověření, zda nárůst wattových ztrát je <20 % oproti měření před ponořením do vody,
- ověření hodnoty částečných výbojů, které musí být <10 pC,
- ověření, zda odchylka zbytkového napětí je <5 % oproti měření před ponořením do vody, přičemž oscilogramy napětí a proudu nesmí zachytit žádný průraz.
Z výše uvedeného vyplývá, že zkouška ponořením do vody, která se vykonává po termomechanické zkoušce, je velmi důležitá pro ověření celistvosti utěsnění a elektrické integrity omezovače přepětí.
Polymerové materiály pláště
Polymer použitý pro výrobu plášťů omezovačů přepětí je během provozu namáhán souběžně několika způsoby. Po celou dobu očekávané životnosti omezovače musí být plášť schopen odolávat všem namáháním právě tak jako zabránit pronikání vlhkosti. Ověřování kvality polymerového materiálu použitého pro výrobu pláště omezovače a samotné konstrukce pláště za účelem dosažení lepších vlastností je složitý proces, který je založen na různých zkušebních metodách a často na protichůdných materiálových požadavcích. Bohužel se mnohdy uplatňuje obecně mylný předpoklad, že polymerové materiály na stejné bázi se stejnou základní surovinou (jako např. EVA nebo silikon) se chovají podobně.
Není možné očekávat, že použitý základní materiál (silikon, EVA či jiný polymer) bude vždy zaručovat úspěch výsledného modifikovaného materiálu pláště z důvodu, že byl jako základ vybrán právě on. Přísady a chemické složení materiálu pláště mohou zcela změnit výsledné vlastnosti použitého materiálu. Lze tedy shrnout, že konečné vlastnosti pláště závisejí především na:
- složení (základní suroviny a přísad),
- konstrukci pláště,
- výrobním postupu a kvalitě surovin.
Pro zabezpečení vynikajících vlastností materiálů nechává TE použité materiály podrobit dvoustupňové zkoušce:
1. stupeň – ověření odolnosti materiálu proti elektrické erozi, vytváření vodivých cest, UV záření a hořlavosti (obr. 6),
2. stupeň – zkouška výrobku podle příslušných norem, např. zkouška ve slané mlze trvající alespoň 1 000 h (obr. 7).
První stupeň ohodnocuje a prokazuje schopnosti izolačního materiálu, zatímco druhý stupeň ověřuje použití materiálu při různých tvarech konstrukcí pláště omezovače.
Uživatelé by se měli spoléhat nejen na zkoušky, ale i osvědčené výrobce s podloženými dobrými výsledky v oboru a s historickými zkušenostmi s polymerovými materiály v podobném odvětví.
Bezpečný provoz omezovače přepětí
Prvořadým úkolem omezovačů přepětí je chránit blízká zařízení, a to i za cenu případného „sebeobětování“ z důvodu překročení energetické jímavosti omezovače procházejícím výbojovým proudem. Je proto důležité, aby omezovač přepětí během provozu a zapůsobení nepoškodil ve své blízkosti žádná zařízení uvolněnou částí či tepelným působením. Všechny omezovače přepětí vyráběné firmou TE jsou zkoušeny podle norem IEC či ANSI a prokazatelně splňují veškeré jejich požadavky, včetně zkratové odolnosti a požadavků na bezpečný způsob zapůsobení.
TE vyrábí tyto omezovače ve svých výrobních zařízeních certifikovaných podle ISO. Každý vyrobený omezovač je podroben úplné kusové zkoušce (obr. 8) ve shodě s příslušnými normami. To znamená, že např. veškeré omezovače přepětí vyrobené podle IEC jsou před zabalením a odesláním zákazníkovi zkoušeny na částečné výboje, referenční napětí a svodový proud.
Shrnutí
Omezovače přepětí vyrobené a nabízené firmou TE jsou vzhledem k výsledkům zkoušek, vykonaných akreditovanými nezávislými zkušebními institucemi, spolehlivé, bezpečné a přispívají ke zvyšování spolehlivosti provozu rozvodných elektrických sítí. Při vývoji jejich konstrukce je vždy brán zřetel na veškeré požadavky a zkušenosti vyplývající z provozních znalostí zákazníků nejen z Evropy, ale i z ostatních kontinentů. Jde především o:
- kompaktní konstrukci bez vzduchových dutin,
- vhodné utěsnění odolné proti pronikání vlhkosti nebo přenosu vodní páry,
- použitý polymer odolný proti elektrické erozi, vytváření vodivých cest a UV záření,
- vylepšené technologie výroby varistorových bloků ZnO,
- spolehlivé činnosti odpojovače,
- netříštivý a bezpečný způsob zapůsobení omezovače,
- o závazek ke kvalitě.
Literatura:
Technická norma ČSN EN 60099-4 ed. 2 změna A1: Svodiče přepětí – Část 4: Omezovače přepětí bez jiskřišť pro sítě střídavého napětí.
Další informace na adrese: http://www.tycoelectronics.cz
Obr. 1. Zkušební laboratoř vvn vývojového centra v Brightonu (VB), které je často využíváno pro typové a vývojové zkoušky podle norem IEC a ANSI; maximální hodnoty rázového generátoru jsou 1,65 MV a 100 kA
Obr. 2. Obvyklá konstrukce omezovače přepětí
Obr. 3. Použití omezovačů přepětí jako ochrana; a) transformátorů, b) přechodu vzdušného vedení na kabelové
Obr. 4. Termomechanická zkouška
Obr. 5. Zkouška ponořením do vody
Obr. 6. Ukázka uspořádání zkoušky pro zjištění odolnosti izolačního materiálu proti vytváření vodivých cest – tzv. zkouška TERT
Obr. 7. Ukázka nesmáčivosti silikonového pláště
Obr. 8. Kusová zkouška omezovačů přepětí
Tab. Konstrukční slabiny omezovačů přepětí zjištěné při dlouhodobém provozování a jejich řešení