Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

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