Analiza przyczyn wybuchu odgromnika z tlenkiem cynku 10kV
1. Analiza przyczyn wybuchu odgromnika z tlenkiem cynku 10kV
Obecnie duża liczba odgromników z tlenku cynku (ZnO) (zwanych również ogranicznikami przepięć) do dystrybucji energii jest stosowana w sieciach dystrybucyjnych 10 kV, aby uniknąć uszkodzenia sprzętu do dystrybucji energii pod wpływem przepięcia piorunowego. Podczas pracy niektóre ograniczniki tlenku cynku psują się ze względu na ich problemy z jakością oraz niewystarczającą obsługę i konserwację. Po awarii linia dystrybucji energii 10kV jest podłączona do ziemi poprzez ogranicznik tlenku cynku. W takim przypadku usterkę izolacji należy rozwiązać po odcięciu zasilania. W związku z tym niezawodność zasilania jest w pewnym stopniu obniżona.
1. Analiza przyczyny awarii ogranicznika tlenku cynku
Przykład 1: Na linii rozdzielczej 10 kV wystąpiło zwarcie doziemne. Podczas inspekcji linii stwierdzono awarię ogranicznika tlenku cynku. Po wymianie ogranicznika tlenku cynku linia została ponownie pomyślnie uruchomiona. Po zdemontowaniu wadliwego ogranicznika tlenku cynku i stwierdzono, że jego płaszcz z gumy silikonowej został przerwany, a wzdłuż boku tarczy zaworu ogranicznika tlenku cynku' był widoczny kanał łukowy; jednak tarcza zaworu' nie pękła ani nie pękła. Ponieważ żaden z dysków zaworowych (w sumie 4) nie był uszkodzony, oznacza to, że dyski zaworowe' nie uległy pogorszeniu. Jeśli się pogorszy, powodując awarię ogranicznika tlenku cynku, uszkodzenie objawia się raczej wybuchem dysku zaworu niż bocznym błyskiem. W tym przykładzie pomiędzy dyskiem zaworu ogranicznika tlenku cynku a cylindrem izolacyjnym występuje szczelina powietrzna, a oddychanie wnęki może łatwo spowodować wnikanie wilgoci. Wilgoć gromadzi się na boku dysku zaworu, zmniejszając wytrzymałość izolacji powierzchni bocznej. Pod działaniem przepięcia, wzdłuż boku dysku zaworu dochodzi do rozgorzenia, tworząc w ten sposób kanał łukowy.
Przykład 2: Jest to awaria ogranicznika tlenku cynku. Ogranicznik tlenku cynku został zdemontowany i nie znaleziono skorodowanych wewnętrznych części metalowych, nie stwierdzono wyładowania wewnątrz dysków zaworu i powierzchni natryskiwanych aluminium, a tylko kanał łukowy został znaleziony z boku dysku zaworu. Przyczyną obróbki bocznej jest to, że producent stosuje wtrysk kleju w celu wyeliminowania wnęki między dyskiem zaworu odcinającego tlenek cynku a zewnętrznym cylindrem izolacyjnym. Temperatura wtrysku jest wysoka,około 200°C.Ze względu na dużą różnicę we współczynniku rozszerzalności cieplnej między szkłem izolacyjnym a dyskiem zaworu, wysokotemperaturowe wtryskiwanie kleju może powodować drobne pęknięcia w szkle izolacyjnym, powodując spadek wytrzymałości izolacji i przeskok iskry pod wpływem przepięcia.
W powyższych 2 przypadkach przeanalizowano awarię obróbki blacharskiej po stronie zaworu. W połączeniu z innymi przypadkami awarii, uważa się, że główne przebiegi obróbki bocznej to i) wnikanie wilgoci wynikające ze złego uszczelnienia; (ii) uszkodzone szkliwo izolacyjne z boku tarczy zaworu; (iii) słaba powierzchnia między dyskiem zaworu a izolacją zewnętrzną i tak dalej. Powoduje to niską wytrzymałość izolacji bocznej. Wystąpiła awaria zaworu i zwarcie doziemne w linii 10 kV. Podczas kontroli linii stwierdzono pęknięcie ogranicznika tlenku cynku. Po wymianie linia znów działała normalnie. Po zdemontowaniu wadliwego ogranicznika tlenku cynku znaleziono pęknięty płaszcz z gumy silikonowej, pękły dwie tarcze zaworów, a dwa rozpadły się na kawałki; jednak nie zaobserwowano śladów bocznego błysku. Na podstawie pojawienia się awarii oraz charakterystyki uszkodzenia tarczy zaworu przy różnych prądach przeanalizowano przyczynę uszkodzenia tarczy zaworu. Ogranicznik tlenku cynku został poddany działaniu przepięcia piorunowego, powodując przepływ prądu piorunowego przez dysk zaworu. Ponieważ taki prąd piorunowy jest falą prądu impulsowego, więc gęstość prądu była bardzo duża. Jednak prąd impulsowy nie jest równomiernie rozprowadzany w tarczy zaworu. Gdy gęstość prądu udaru piorunowego w lokalnym dysku zaworu przekroczy jego dopuszczalną wartość graniczną, dysk zaworu ulegnie zniszczeniu. Ponieważ prąd piorunowy zawiera mało energii, dysk zaworu generalnie nie pęka ani nie eksploduje, a jedynie pęka. Przyczyna pęknięcia tarczy zaworowej: odgromnik z tlenku cynku składa się z 4 tarcz zaworowych; w normalnych warunkach 4 zawory przenoszą napięcie systemowe; gdy dwa z nich pękają i ulegają pogorszeniu, napięcie systemowe jest podawane na pozostałe dwa dyski zaworowe, przyspieszając ich degradację, a ostatecznie prowadząc do zniszczenia dysków zaworowych przy napięciu o częstotliwości sieciowej.
Ze względu na dużą energię zasilania o częstotliwości sieciowej dysk zaworu pęka lub eksploduje. Zgodnie z najnowszą normą dotyczącą obecnych odgromników z tlenkiem cynku, odgromniki z tlenkiem cynku powinny być w stanie wytrzymać dwa uderzenia prądu piorunowego o wartości 65 kA (lub 40 kA). W systemie 10kV prąd piorunowy większy niż 65kA (lub 40kA) niemożliwie przepływa przez ogranicznik tlenku cynku nie może płynąć więcej niż. Dzieje się tak, ponieważ prąd pioruna może przepływać przez odgromnik tlenku cynku na dwa sposoby: (1) fala biegnąca wzdłuż linii, (2) bezpośrednie uderzenie pioruna. Prąd piorunowy o wartości 65 kA (lub 40 kA) znacznie przekracza wytrzymałość piorunową linii 10 kV, więc nie jest możliwe, aby prąd fali piorunowej płynącej wzdłuż linii przekroczył 65 kA (lub 40 kA); jeżeli piorun uderza bezpośrednio w wieżę, prąd pioruna może przekroczyć 65 kA (lub 40 kA); wartość ta znacznie przekracza poziom odporności na pioruny słupa słupowego 10 kV, co spowoduje przeskoki linii w wielu fazach, zwarcie międzyfazowe i szybkie wyłączenie. W tym przypadku usterką jest tylko jednofazowe uziemienie linii bez wyzwalania szybkiego, więc następuje bezpośrednie uderzenie pioruna. Dlatego niemożliwe jest, aby prąd piorunowy przekroczył 65 kA (lub 40 kA). Można zauważyć, że przyczyną usterki ogranicznika tlenku cynku jest: zawór odgromowy tlenku cynku ma słabą odporność na udar piorunowy; dwa z nich pękają pod wpływem prądu piorunowego, powodując pęknięcie pozostałych dysków zaworowych i pęknięcie płaszcza.
2. Środki przeciwwypadkowe
Zaproponowano następujące środki zaradcze w przypadku słabej zdolności zapobiegania miganiu bocznemu i odporności na energię tarcz zaworów odgromowych z tlenkiem cynku dystrybucji 10 kV:
1) Należy wcześniej przetestować ograniczniki z tlenkiem cynku i regularnie mierzyć prądy upływowe U mA i 0,75 U mA ograniczników z tlenkiem cynku, aby jak najszybciej stwierdzić, czy uległy one pogorszeniu lub zawilgoceniu i jak najszybciej się z nimi uporać.
2) W specyfikacjach technicznych należy określić wymagania dotyczące możliwości zapobiegania bocznemu kołnierzowi płyt zaworu odcinającego tlenek cynku. Pomiędzy dyskiem zaworu a cylindrem izolacyjnym powinna znajdować się bezszczelinowa struktura powietrzna, a także należy określić jasne wymagania dotyczące poziomu odporności cieplnej szkliwa izolacyjnego.
3) Wymagana wytrzymałość dysku zaworu na impulsy wysokoprądowe wynosi 65 kA (ta zdolność odzwierciedla wytrzymałość dysku zaworu na energię).
4) Wybierz producentów o dobrej jakości produktu i dobrej reputacji.
3. Wniosek
Głównym powodem awarii ograniczników przepięć z tlenkiem cynku o napięciu 10 kV w działaniu jest boczne przebłyskiwanie tarczy zaworu, co jest spowodowane złym uszczelnieniem, uszkodzoną glazurą izolacyjną tarczy zaworu oraz złym stykiem tarczy zaworu z zewnętrznym izolacja. W celu poprawy niezawodności działania ogranicznika tlenku cynku, należy przy doborze ogranicznika zapewnić możliwość zapobiegania miganiu bocznemu i jakość tarczy zaworu oraz przeprowadzić rozruch próbny podczas pracy.